電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定及應(yīng)用

■王錦清

(福建省交通科研院有限公司，福州 350004)

電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)是由計(jì)算機(jī)控制電機(jī)并采用機(jī)械加力進(jìn)行測(cè)量的試驗(yàn)機(jī)， 在交通運(yùn)輸行業(yè)中，主要用于土工合成材料、防水材料、金屬波紋管、塑料波紋管、通信管道產(chǎn)品、隔離柵網(wǎng)片等材料的力學(xué)性能試驗(yàn)。 在開展試驗(yàn)檢測(cè)工作中，儀器設(shè)備量值溯源是否達(dá)到要求，可通過測(cè)量結(jié)果的不確定度進(jìn)行確認(rèn)。 但從事上述相關(guān)工作的技術(shù)人員對(duì)測(cè)量不確定度的評(píng)定和各分量的分析與計(jì)算不甚理解，會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的不準(zhǔn)確。 本研究以電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)力值測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定為例，對(duì)力值計(jì)量參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量進(jìn)行分析與計(jì)算，可為試驗(yàn)檢測(cè)人員更好地理解和掌握同類力值設(shè)備的測(cè)量不確定度評(píng)定和應(yīng)用提供參考。

1 電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)力值測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定

本研究以力值傳感器量程為30 kN 的電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)為例，進(jìn)行力值測(cè)量結(jié)果的不確定度[1]分析。

1.1 測(cè)量模型

測(cè)量模型如下：

式中：Δ 為被校試驗(yàn)機(jī)的示值誤差(kN)；Fi為被校試驗(yàn)機(jī)的示值(kN)；F0為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀示值(kN)。

1.2 方差與靈敏系數(shù)

式中：u(Fi)為被校試驗(yàn)機(jī)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量；u(F0)為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量；c1、c2為靈敏系數(shù) (其中：c1=?Δ/?Fi=1、c2=?Δ/?F0=-1)。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的分析與計(jì)算

1.3.1 被校試驗(yàn)機(jī)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(Fi)

（1）被校試驗(yàn)機(jī)的測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1(Fi)

以標(biāo)準(zhǔn)力值30 kN 為測(cè)試點(diǎn)，用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀對(duì)被校試驗(yàn)機(jī)的力值進(jìn)行10 次重復(fù)測(cè)量， 測(cè)量結(jié)果見表1。

表1 力值重復(fù)性測(cè)量結(jié)果

由于u1(Fi)＞u2(Fi)，為避免重復(fù)計(jì)算，取最大影響量u1(Fi)，舍棄u2(Fi)。

則被校試驗(yàn)機(jī)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為：u(Fi)=u1(Fi)=0.013 kN。

1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(F0)

（1）標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀本身誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1(F0)

1.4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的計(jì)算

標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量計(jì)算結(jié)果

1.5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算

1.6 擴(kuò)展不確定度的計(jì)算

取包含因子k=2，則擴(kuò)展不確定度為：

U=k·uc（Δ）=2×0.023=0.046 kN；

1.7 測(cè)量不確定度報(bào)告與表示

電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)力值示值誤差的相對(duì)擴(kuò)展不確定度為：Urel=0.16%(k=2)。

2 測(cè)量不確定度的應(yīng)用

通過對(duì)電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)力值各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的分析和計(jì)算，了解電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)力值測(cè)量結(jié)果不確定度的評(píng)定流程，但溯源證書中不確定度該如何運(yùn)用，交通試驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)設(shè)備管理員對(duì)證書計(jì)量溯源結(jié)果的符合性確認(rèn)一直存在困擾。

本研究以美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國(guó))有限公司生產(chǎn)的微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(型號(hào)：CMT4304、出廠編號(hào)：10907019)為例進(jìn)行分析。

2.1 檢定證書計(jì)量溯源結(jié)果的符合性確認(rèn)

檢定證書會(huì)直接給出檢定結(jié)論，對(duì)儀器設(shè)備是否合格或其準(zhǔn)確度等級(jí)進(jìn)行判定，如本研究舉例的微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，檢定證書中對(duì)力值檢定結(jié)果進(jìn)行了準(zhǔn)確度等級(jí)判定(0.5 級(jí)、1 級(jí)、2 級(jí))。 檢定證書中一般沒有提供不確定度， 試驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)確有需要時(shí)， 可以向計(jì)量機(jī)構(gòu)索取檢定結(jié)果的不確定度。

設(shè)備管理員在進(jìn)行力值檢定結(jié)果的符合性確認(rèn)時(shí)，依據(jù)檢測(cè)方法對(duì)儀器設(shè)備的技術(shù)要求進(jìn)行計(jì)量溯源結(jié)果確認(rèn)，會(huì)遇到以下幾種情況。

2.1.1 按自身準(zhǔn)確度等級(jí)進(jìn)行確認(rèn)

在GB/T15788-2017 《土工合成材料寬條拉伸試驗(yàn)方法》 中對(duì)土工合成材料進(jìn)行寬條拉伸試驗(yàn)，需配備準(zhǔn)確度等級(jí)為2 級(jí)或2 級(jí)以上的試驗(yàn)機(jī)。 實(shí)驗(yàn)室配備的是1 級(jí)試驗(yàn)機(jī)，檢定證書中的檢定結(jié)論為1 級(jí)，則計(jì)量溯源結(jié)果直接確認(rèn)為符合要求[2]。

2.1.2 降低準(zhǔn)確度等級(jí)進(jìn)行確認(rèn)

若因試驗(yàn)機(jī)使用年限較長(zhǎng)， 設(shè)備出現(xiàn)老化現(xiàn)象，在檢定結(jié)果不能滿足1 級(jí)的要求，但符合2級(jí)的要求時(shí)，設(shè)備管理員可要求計(jì)量機(jī)構(gòu)按2 級(jí)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行溯源，并出具檢定證書，則計(jì)量溯源結(jié)果也可直接確認(rèn)為符合要求[2]。

2.2 校準(zhǔn)證書計(jì)量溯源結(jié)果的符合性確認(rèn)

2.2.1 不需用不確定度進(jìn)行計(jì)量溯源結(jié)果符合性確認(rèn)

設(shè)備管理員對(duì)設(shè)備校準(zhǔn)證書進(jìn)行計(jì)量溯源結(jié)果確認(rèn)時(shí)，若示值誤差Δ 的不確定度滿足以下要求，則可不考慮示值誤差評(píng)定的測(cè)量不確定度影響。

評(píng)定示值誤差的不確定度(U95或k=2 時(shí)的U)與被評(píng)定測(cè)量?jī)x器的最大允許誤差的絕對(duì)值MPEV之比，應(yīng)小于或等于1∶3，即滿足U95≤MPEV/3 時(shí)，示值誤差評(píng)定的測(cè)量不確定度對(duì)符合性評(píng)定的影響可忽略不計(jì)。

（1）當(dāng)|Δ|≤MPEV 時(shí)，儀器設(shè)備的計(jì)量溯源結(jié)果可判為合格。

（2）當(dāng)|Δ|＞MPEV 時(shí)，儀器設(shè)備的計(jì)量溯源結(jié)果可判為不合格[3]。

例如：依據(jù)檢定規(guī)程，1 級(jí)電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的最大允許誤差為MPE：±1%， 其中某一個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的示值誤差為+0.9%，示值誤差的擴(kuò)展不確定度U95rel=0.3%，滿足U95≤MPEV/3 的要求，因此，可以直接判定被校試驗(yàn)機(jī)在該校準(zhǔn)點(diǎn)示值誤差合格，不必考慮示值誤差評(píng)定的不確定度U95rel=0.3%的影響。

2.2.2 需用不確定度進(jìn)行計(jì)量溯源結(jié)果符合性確認(rèn)

評(píng)定示值誤差的不確定度(U95或k=2 時(shí)的U)與被評(píng)定測(cè)量?jī)x器的最大允許誤差的絕對(duì)值MPEV 之比大于1∶3(即U95＞MPEV/3)時(shí)，應(yīng)考慮示值誤差評(píng)定的測(cè)量不確定度對(duì)符合性評(píng)定的影響，可通過以下3 種判定依據(jù)進(jìn)行符合性評(píng)定：

（1）當(dāng)|Δ|≤MPEV-U95時(shí)，儀器設(shè)備的計(jì)量溯源結(jié)果可判為合格[3]。

例如：對(duì)0.5 級(jí)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力值校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果見表3，其最大示值誤差為+0.25%，示值誤差的擴(kuò)展不確定度U95rel=0.22%，不滿足U95≤MPEV/3 的要求，故在符合性判定時(shí)應(yīng)考慮示值誤差確定度的影響。 因|Δ|=0.22%，MPEV=0.5%，則|Δ|＜MPEV-U95(=0.28%)，因此，被校試驗(yàn)機(jī)在該校準(zhǔn)點(diǎn)示值誤差可判定為合格。

表3 準(zhǔn)確度0.5 級(jí)的試驗(yàn)機(jī)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)/結(jié)果

（2）當(dāng)|Δ|≥MPEV+U95時(shí)，儀器設(shè)備的計(jì)量溯源結(jié)果可判為不合格[3]。

如上述舉例，校準(zhǔn)結(jié)果如表4 所示時(shí)，其最大示值誤差為+0.80%，則|Δ|＞MPEV+U95(=0.72%)，因此，被校試驗(yàn)機(jī)在該校準(zhǔn)點(diǎn)示值誤差可判定為不合格。

表4 準(zhǔn)確度0.5 級(jí)的試驗(yàn)機(jī)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)/結(jié)果

（3）當(dāng)MPEV-U95＜|Δ|＜MPEV+U95時(shí)，儀器設(shè)備的計(jì)量溯源結(jié)果處于待定區(qū)，不能下合格或不合格的結(jié)論[3]。

如上述舉例，校準(zhǔn)結(jié)果如表5 所示時(shí)，其最大示值誤差為+0.50%， 則MPEV-U95＜|Δ|＜MPEV+U95，因此， 被校試驗(yàn)機(jī)在該校準(zhǔn)點(diǎn)示值誤差處于待定區(qū)，不能直接判定合格或不合格的結(jié)論。

表5 準(zhǔn)確度0.5 級(jí)的試驗(yàn)機(jī)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)/結(jié)果

當(dāng)儀器設(shè)備的計(jì)量溯源結(jié)果處于待定區(qū)，不能做出符合性判定時(shí)，可通過采用準(zhǔn)確度等級(jí)更高的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)、改善環(huán)境條件、增加測(cè)量次數(shù)和改變測(cè)量方法等措施，以降低測(cè)量結(jié)果的不確定度U95，使之滿足與最大允許誤差絕對(duì)值MPEV 之比小于或等于1∶3 的要求，后按上述2.2.1 的方法對(duì)儀器設(shè)備計(jì)量溯源結(jié)果的符合性進(jìn)行判定。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)對(duì)計(jì)量溯源結(jié)果符合性評(píng)定的要求，檢測(cè)方法對(duì)儀器設(shè)備的準(zhǔn)確度等級(jí)有明確規(guī)定的，實(shí)驗(yàn)室按照規(guī)定配置儀器設(shè)備，檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)驗(yàn)證校準(zhǔn)結(jié)果是否符合儀器設(shè)備準(zhǔn)確度等級(jí)所規(guī)定的技術(shù)要求。

本研究通過闡述電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)力值示值誤差的測(cè)量不確定度評(píng)定及其在交通運(yùn)輸行業(yè)中的應(yīng)用，論述了測(cè)量不確定度的評(píng)定流程，分析了測(cè)量不確定度對(duì)計(jì)量溯源結(jié)果符合性判定的影響，明確在不同條件下應(yīng)采用相應(yīng)不同的判定依據(jù)進(jìn)行符合性判定，可為相關(guān)計(jì)量、試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)人員進(jìn)行不確定度評(píng)定及計(jì)量溯源結(jié)果確認(rèn)工作提供一定的參考。