力學(xué)計(jì)量中測量不確定度的應(yīng)用分析

陳楠 尹雪 郝世豪

摘 ? 要：該文將圍繞測量不確定度的概念以及其在力學(xué)測量中的重要性進(jìn)行闡述，詳細(xì)分析其在力學(xué)測量中的具體應(yīng)用方式，在實(shí)際研究過程中，將回彈儀以及千斤頂?shù)扔行ЫY(jié)合在一起，深入地對(duì)測定相關(guān)的不確定度進(jìn)行分析，堅(jiān)持理論聯(lián)系實(shí)際的基本原則，旨在為日后研究工作的順利進(jìn)行奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：力學(xué)測量;不確定度;數(shù)學(xué)模型

中圖分類號(hào)：TH82 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

測量不確定度的優(yōu)勢(shì)較為顯著，如今已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域，尤其是對(duì)于建筑基礎(chǔ)性工程來說，測量不確定度在力學(xué)測量中應(yīng)用時(shí)，首先需要做好數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建工作，對(duì)不確定度的來源進(jìn)行分析，并將A類評(píng)定方式與B類評(píng)定方式有效結(jié)合在一起，使之適應(yīng)力學(xué)測量的實(shí)際需要。

1 測量不確定度的概念以及其在力學(xué)測量中的重要性

1.1 測量不確定度

從測量不確定度概念角度進(jìn)行分析，為了明確測量對(duì)象的數(shù)值，需要對(duì)其進(jìn)行測量，以此來獲得結(jié)果數(shù)值的可信狀態(tài)，主要是對(duì)結(jié)果的質(zhì)量進(jìn)行分析與描述，在測量結(jié)果描述的過程中，首先需要找準(zhǔn)被測量對(duì)象的數(shù)值，為了保證測量的全面性，需要充分考慮到其與被測量對(duì)象的所對(duì)應(yīng)的不確定度，并進(jìn)行整合。其中具體的測量與分析主要包括標(biāo)準(zhǔn)不確定度、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度、合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度以及擴(kuò)展不確定等方面。以合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為例進(jìn)行分析，其中預(yù)測數(shù)值與實(shí)際數(shù)值之間存在差異性，在對(duì)其進(jìn)行描述的過程中，一般采用UC符號(hào)。為了突出不確定度的顯著性，將方差概念應(yīng)用其中，在對(duì)結(jié)果參數(shù)進(jìn)行分析時(shí)，呈現(xiàn)出一定的分散性，采用這種合成的方式，對(duì)所運(yùn)用的系數(shù)進(jìn)行確定，主要是指靈敏系統(tǒng)，在描述時(shí)采用符號(hào)CI。

1.2 測量不確定度在力學(xué)測量中應(yīng)用重要性

從測量不確定度在力學(xué)測量中的重要性角度進(jìn)行分析，在分析結(jié)果質(zhì)量等級(jí)的過程中，往往需要借助檢測不確定度來完成，這是其中的關(guān)鍵性指標(biāo)，并為研究不確定度問題提供了理論依據(jù)。如今，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，不確定度的研究領(lǐng)域逐漸延伸，尤其是在校準(zhǔn)證書文件等領(lǐng)域中會(huì)應(yīng)用到不確定度。校準(zhǔn)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域中，在實(shí)際應(yīng)用的環(huán)節(jié)中，可以發(fā)揮技術(shù)保障以及分包手段等優(yōu)勢(shì)。例如：在對(duì)設(shè)備安裝進(jìn)行檢測的過程中，當(dāng)不符合安裝標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，為了保證正常應(yīng)用，要通過科學(xué)的校準(zhǔn)程序來進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時(shí)，需要注意的是，在開展檢測與校準(zhǔn)工作的過程中，要做好前期的準(zhǔn)備工作，要充分結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的認(rèn)定與許可的標(biāo)準(zhǔn)。校準(zhǔn)應(yīng)用范圍相對(duì)較廣，在實(shí)際應(yīng)用的過程中，分包手段具有多樣性，為了提升競爭實(shí)力，要注重實(shí)驗(yàn)室方面的創(chuàng)新工作，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室關(guān)鍵業(yè)務(wù)的實(shí)際情況，充分結(jié)合試驗(yàn)機(jī)、千斤頂以及回彈儀等計(jì)量裝置開展評(píng)定工作。

2 測量不確定度在力學(xué)測量中的應(yīng)用研究

2.1 測量不確定度的流程

2.1.1 建立數(shù)學(xué)模型

在建立數(shù)學(xué)模型的過程中，主要是開展不確定度的分析與明確工作，要充分結(jié)合測定工作環(huán)境的實(shí)際情況，掌握測量對(duì)象以及關(guān)系量之間的關(guān)系，將前者設(shè)定為Y，后者設(shè)定為Xi，并嚴(yán)格按照Y=f（X1、X2、...XN）進(jìn)行描述，在對(duì)該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析的過程中，要充分考慮不確定度，并將其所包含的作用因素充分考慮在內(nèi)，以此來保證整體測量程序的準(zhǔn)確性。整合X1、X2、...XN數(shù)值以及Y，通過前者的最理想數(shù)值x1、x2、...xN來對(duì)后者的最理想數(shù)據(jù)y進(jìn)行全方位的把握，并需要對(duì)Xi的不確定度問題進(jìn)行研究。

2.1.2 分析不確定度來源

從不確定度來源角度進(jìn)行分析，要充分結(jié)合數(shù)學(xué)模型的具體情況，對(duì)測量對(duì)象進(jìn)行分析，并將產(chǎn)生影響的多個(gè)分量有效整合在一起，保證分量的準(zhǔn)確性。針對(duì)不確定度來源存在的遺漏問題，如果不對(duì)其進(jìn)行及時(shí)處理，那么當(dāng)Y不確定度出現(xiàn)不足現(xiàn)象時(shí)，其中所對(duì)應(yīng)的不確定度會(huì)隨著反復(fù)問題的出現(xiàn)而增加，一定程度上不利于后續(xù)工作的順利進(jìn)行。因此，在對(duì)不確定來源進(jìn)行分析的過程中，要注重對(duì)修正數(shù)據(jù)進(jìn)行整合并分析，保證不確定度來源的完整性，避免出現(xiàn)遺漏的問題，同時(shí)要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，及時(shí)處理好不符合標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，以此來保證理想數(shù)值掌握的準(zhǔn)確性。

2.1.3 設(shè)計(jì)測量不確定度的A類評(píng)定方法

從設(shè)計(jì)測量不確定度的A類評(píng)定方法角度進(jìn)行分析，在開展評(píng)定工作的過程中，主要是通過整體觀測分析數(shù)據(jù)的方式來實(shí)現(xiàn)的，將此時(shí)的不確定度以及標(biāo)準(zhǔn)差分別設(shè)定為u、σ，前者通過全部觀測數(shù)值的方式來形成后者。此時(shí)需要確定被測量對(duì)象的預(yù)估數(shù)值，分析測定工作的次數(shù)以及獲得的數(shù)值，分別設(shè)定為n、xi（i=1，2，...，n），并將平均數(shù)值設(shè)定為，按照公式，對(duì)所測定的數(shù)值

進(jìn)行計(jì)算。需要掌握測量后數(shù)值的不確定度，并將其設(shè)定為，此時(shí)可以按照公式進(jìn)行運(yùn)算。開展標(biāo)準(zhǔn)差分析運(yùn)算的方式具有多樣性，在實(shí)際選定的環(huán)節(jié)中，要充分結(jié)合實(shí)際情況，避免對(duì)最終結(jié)果造成影響。

2.1.4 設(shè)計(jì)測量不確定度的B類評(píng)定方法

從設(shè)計(jì)測量不確定度的B類評(píng)定方法角度進(jìn)行分析，在開展測定工作時(shí)，不需要進(jìn)行反復(fù)測定，可以應(yīng)用非統(tǒng)計(jì)運(yùn)算的方式，對(duì)B類評(píng)定方式進(jìn)行研究，主要是借助經(jīng)驗(yàn)來完成的，將測量對(duì)象設(shè)定為X，在開展B類評(píng)定的過程中，首先需要確認(rèn)X的預(yù)測數(shù)值，并將其設(shè)定為x。對(duì)于B類評(píng)定信息源頭層面來說，可以發(fā)現(xiàn)信息來源的方式具有多樣性，除了所涉及的測量設(shè)備的性能以及生產(chǎn)單位所提供的指南之外，還包括準(zhǔn)確度相關(guān)的參數(shù)信息以及確定度數(shù)據(jù)等，在描述B類方差時(shí)，可以通過預(yù)測方差u（xi）來實(shí)現(xiàn)。這種方式在不確定度相關(guān)研究工作中所占的比重較大，在不確定度B類檢測過程中，要對(duì)具體程序進(jìn)行總結(jié)，保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性[1]。

2.2 材料試驗(yàn)機(jī)示值誤差測量結(jié)果的不確定度評(píng)定

材料試驗(yàn)機(jī)示值誤差測量結(jié)果的不確定度評(píng)定的過程中，首先需要將測量方案、測量模型以及不確定度評(píng)定三者有效整合在一起。首先，制定測定方案。這一階段主要包括測量準(zhǔn)備、測量機(jī)制以及測量手段與具體程序。從測量準(zhǔn)備角度進(jìn)行分析，在實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的設(shè)定上，將專業(yè)試驗(yàn)機(jī)設(shè)備應(yīng)用其中，并設(shè)定外部環(huán)境參數(shù)，切實(shí)掌握好溫度因素、溫度指標(biāo)以及溫差變動(dòng)，將其分別設(shè)定為（10 ℃～35 ℃）、不超過80%、不超過2 ℃/h。其次，設(shè)置測量機(jī)制。準(zhǔn)備好測力裝置，為了提升活塞的運(yùn)行效率，可以通過調(diào)節(jié)特定閥門的方式實(shí)現(xiàn)，此時(shí)關(guān)注試驗(yàn)設(shè)備以及測力裝置的狀態(tài)，前者會(huì)對(duì)后者提供外部加載力。最后，設(shè)定測量手段與具體的程序。在布置測定位置的過程中要始終堅(jiān)持均勻性的原則，尤其是在添加外部力的過程中，要保證與檢測位置保持一致，以此來確保讀取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。測量模型的構(gòu)建過程中，要確定試驗(yàn)機(jī)3次示值的算術(shù)平均值、標(biāo)準(zhǔn)測量儀上的標(biāo)準(zhǔn)力值、標(biāo)準(zhǔn)測力儀的溫度修正系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)測力儀定度溫度以及環(huán)境溫度，將其分別設(shè)定為、F、K、t0、t，其中試驗(yàn)機(jī)的示值誤差表示為。不確定度的評(píng)定過程中，需要確認(rèn)輸入量標(biāo)準(zhǔn)的不確定度、輸入量F的標(biāo)準(zhǔn)不確定度U（F）、輸入量t的標(biāo)準(zhǔn)不確定度U（t）以及輸入量標(biāo)準(zhǔn)測力儀溫度修正系數(shù)K的標(biāo)準(zhǔn)不確定度U（K），其中第1種為A類評(píng)定，后3種為B類評(píng)定[2]。

2.3 千斤頂?shù)牟淮_定度評(píng)定

千斤頂?shù)牟淮_定度的評(píng)定仍然需要從測量方案、測量模型與不確定度評(píng)定3個(gè)角度進(jìn)行分析。1） 測量方案。包括實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)原理、測量手段以及具體程序等環(huán)節(jié)，在試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，將液壓裝置應(yīng)用其中，確認(rèn)樁基項(xiàng)目的檢測誤差以及結(jié)構(gòu)項(xiàng)目檢測誤差，其中前者要控制在±3%，后者要控制在±2%，并對(duì)該裝置的外部運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行控制，一般在5 ℃～35 ℃。重點(diǎn)關(guān)注千斤頂油管以及壓力表的運(yùn)行情況，對(duì)其進(jìn)行連接，在完成與標(biāo)準(zhǔn)器之間的連接過程中，為了提升外部荷載，將啟動(dòng)油泵，此時(shí)觀察指示器的參數(shù)信息，進(jìn)行調(diào)整與校準(zhǔn)，保證數(shù)據(jù)讀取的準(zhǔn)確性。2）測量模型。要確定標(biāo)準(zhǔn)測力儀上的標(biāo)準(zhǔn)力值、校準(zhǔn)方程的斜率以及壓力修正值，將其分別設(shè)定為F、b、a，并對(duì)此時(shí)液壓千斤頂?shù)恼{(diào)整公式進(jìn)行確認(rèn)，為Pe=bF+a。3）不確定度評(píng)定。在評(píng)定的過程中，要對(duì)千斤頂壓表進(jìn)行觀察，對(duì)檢驗(yàn)程序進(jìn)行優(yōu)化，為了將誤差控制在最低的范圍內(nèi)，需要保證壓力表裝置的準(zhǔn)確性，針對(duì)在實(shí)際檢驗(yàn)過程中存在的損壞現(xiàn)象，要及時(shí)處理，以此來保證后續(xù)操作的順利進(jìn)行。

2.4 混凝土回彈儀率定值測量結(jié)果不確定度評(píng)定

從混凝土回彈儀率定值測量結(jié)果的不確定度評(píng)定角度進(jìn)行分析，確定測量的方法以及模型，將專業(yè)回彈儀檢測設(shè)備應(yīng)用其中，對(duì)回彈儀率數(shù)值進(jìn)行試驗(yàn)，在實(shí)際操作過程中，要按照4個(gè)方向來進(jìn)行，并對(duì)桿裝置的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行確認(rèn)，通常為90°，從中選取數(shù)值，并由專業(yè)人員進(jìn)行記錄，在該環(huán)節(jié)中，要對(duì)數(shù)字回彈儀率定值的每次測量示值以及標(biāo)準(zhǔn)鋼鉆的率定值進(jìn)行整合，將其分別設(shè)定為Li、L，所涉及的數(shù)學(xué)公式以及靈敏系統(tǒng)表達(dá)方式進(jìn)行確認(rèn)，前者為ΔL=Li-L0，后者為，其中L0為測量得到的彈擊錘彈回距離。

回彈儀率定值不確定度評(píng)定要對(duì)Li的不確定U1（Li）、L的不確定度U2（L），以及標(biāo)準(zhǔn)不確定度等問題進(jìn)行分析與運(yùn)算，在完成評(píng)定任務(wù)的過程中，可以借助A類手段或者B類手段來實(shí)現(xiàn)[3]。

3 結(jié)論

在對(duì)測量不確定度在力學(xué)測量中的應(yīng)用進(jìn)行研究時(shí)，分別從試驗(yàn)機(jī)示值誤差、千斤頂以及回彈率等角度進(jìn)行分析。在實(shí)際分析的過程中，制定好科學(xué)的測量方案以及測量模型，堅(jiān)持實(shí)事求是的基本原則，并對(duì)不確定度進(jìn)行評(píng)定，以此為測量不確定度的研究工作提供理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]彭彬.力學(xué)計(jì)量儀器檢定應(yīng)注意的問題和對(duì)策探索[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2020，17（6）：61，64.

[2]宋金強(qiáng).力學(xué)計(jì)量儀器檢定的相關(guān)問題探討[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2020，17（4）：72-73.

[3]李卿.力學(xué)計(jì)量中測量不確定度的應(yīng)用與研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2019.