納米拉伸儀校準結果的不確定度評定

黃元媛 高鄰程 秦秀偉 況嚴

（重慶市計量質量檢測研究院，重慶 408000）

納米拉伸儀廣泛應用于包裝、印刷、紡織、服裝等行業(yè)，可以用于測量包裝材料、印刷品、紡織品的力學性能。這些性能包括拉伸強度、斷裂伸長率、彈性模量和耐久性等。通過測量這些性能，可以評估包裝材料、印刷品、紡織品的耐用性和使用壽命，從而進一步改進和優(yōu)化材料的制備和應用。此外，納米拉伸儀還可以用于研究納米材料在不同環(huán)境條件下的性能表現(xiàn)，如溫度、濕度等。這有助于相關研究人員了解材料在不同應用場景下的性能變化，進一步拓展材料的應用范圍。

然而，值得注意的是，納米拉伸儀的測量結果會受到多種因素的影響，如儀器精度、環(huán)境條件、樣品制備等。為了確保測量結果的準確性和可靠性，需要對納米拉伸儀進行定期的量值溯源。目前缺乏統(tǒng)一明確的技術規(guī)范作為標準，導致各方的技術要求和測量結果存在不一致性。為了解決這個問題，可以基于納米拉伸儀的工作原理，分析其影響試驗結果的計量特性，并對其進行不確定度評定以提高納米拉伸儀的測量準確性和一致性。

1 納米拉伸儀力值示值誤差校準結果的不確定度評定

1.1 概述

1.1.1 環(huán)境條件

在校準開始時環(huán)境溫度測量為24.6 ℃，校準過程中溫度變化不大于1.0 ℃[1]；環(huán)境濕度測量為66%RH，校準過程中相對濕度變化不大于5%RH。

1.1.2 測量標準

E2等級標準砝碼組：測量范圍（1～200）g，校準地點重力加速度g=9.791 4 m/s2。

1.1.3 被測對象

納米拉伸儀：最大試驗力500 mN，力值分辨力1×10-6mN。

1.1.4 校準方法

對納米拉伸儀的電磁力驅動傳感器施加試驗載荷，試驗載荷應進行三次測量，每次測量前應調整零點，計算每個測量點三次測量的算術平均值與標準砝碼力值的差值。

1.2 測量模型

式中：

E-力值示值誤差，mN；

mc-標準砝碼的約定質量值，g；

g-校準地點的重力加速度，m/s2。

靈敏系數(shù)：

1.3 標準不確定度分量的評定

1.3.1 納米拉伸儀示值分辨力引入的標準不確定度u1

納米拉伸儀力值示值分辨力是1×10-6mN，按均勻分布計算：

1.3.2 納米拉伸儀重復性測量引入的標準不確定度u2

用10 g 標準砝碼對納米拉伸儀連續(xù)測量10 次，測得值分別為：98.501 342、98.521 579、98.641 587、98.516 849、98.584 519、98.556 207、98.667 842、98.624 387、98.532 749、98.596 458（單位：mN）。通過貝塞爾公式得到實驗標準差s：

實際測量時，在重復性條件下連續(xù)測量3 次，以算術平均值進行計算，則引入的標準不確定度分量[2]：

1.3.3 標準砝碼的最大允許誤差引入的標準不確定度[2]u3

根據(jù)JJG 99-2022 砝碼檢定規(guī)程，10 g 的E2等級砝碼的最大允許誤差的絕對值為0.06 mg，按均勻分布計算[2]：

1.3.4 標準砝碼的不穩(wěn)定性引入的確定度分量u4

根據(jù)JJG 99-2022 砝碼檢定規(guī)程，10 g 的E2等級砝碼在相鄰兩個檢定周期內約定質量的變化量不能超過其最大允許誤差的絕對值的1/3，即0.02 mg，按均勻分布計算：

1.4 合成標準不確定度的評定

標準不確定度分量匯總表如表1 所示。

表1 標準不確定度分量匯總表

則合成標準不確定度[3]：

1.5 擴展不確定度的評定

取k=2，則納米拉伸儀力值示值相對誤差的擴展不確定度：

U=k×uc=2×0.033 416 mN=0.07 mN

2 納米拉伸儀橫梁位移示值誤差校準結果不確定度評定

2.1 概述

2.1.1 環(huán)境條件

在校準開始時環(huán)境溫度測量為24.6 ℃，校準過程中溫度變化不大于1.0 ℃；環(huán)境濕度測量為66%RH，校準過程中相對濕度變化不大于5%RH。

2.1.2 測量標準

激光干涉儀：測量范圍（0～40）m，分辨力0.01 μm[4]。

2.1.3 被測對象

納米拉伸儀：橫梁最大位移200 mm，分辨力0.01 μm。

2.1.4 校準方法

在納米拉伸儀橫梁位移測量范圍內，選擇100 mm 這個點用激光干涉儀進行三次測量，計算納米拉伸儀設定示值與激光干涉儀三次測量的算術平均值的差值。

2.2 測量模型

式中：

e-橫梁位移示值誤差，mm；

L-納米拉伸儀橫梁位移的設定示值，mm；

靈敏系數(shù)：

2.3 標準不確定度分量評定

2.3.1 激光干涉儀示值分辨力引入的標準不確定度[5]u1

激光干涉儀的分辨力是0.01 μm，按均勻分布：

2.3.2 重復性測量引入的標準不確定度u2

以100 mm 為測量點，用激光干涉儀連續(xù)測量10 次，測得值如下：99.845 19、99.892 51、99.857 84、99.887 19、99.865 76、99.892 73、99.896 38、99.879 45、99.885 87、99.875 97（單位：mm）。通過貝塞爾公式得到實驗標準差s：

實際測量時，在重復性條件下連續(xù)測量3 次，以算術平均值進行計算，則引入的標準不確定度分量[5]：

2.3.3 激光干涉儀的最大允許誤差引入的標準不確定度u3

在100 mm 測量范圍內，激光干涉儀的最大允許誤差MPE：±0.08 μm，按均勻分布，則引入的不確定度為：

2.4 合成標準不確定度的評定

標準不確定度分量匯總表如表2 所示。

表2 標準不確定度分量匯總表

則合成標準不確定度：

2.5 擴展不確定度的評定

取k=2，則納米拉伸儀橫梁位移示值誤差的擴展不確定度：

3 結束語

本文通過對納米拉伸儀的力值示值誤差和橫梁位移示值誤差進行校準和不確定度評定，得出了一系列重要的不確定度數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)表明，納米拉伸儀的測量結果會受到多種因素的影響。同時，這些數(shù)據(jù)還表明，通過使用適當?shù)男史椒ê筒淮_定度評定，可以有效地提高納米拉伸儀的測量準確性和一致性。本文還存在一些不足之處，例如未考慮納米拉伸儀在長時間使用后可能出現(xiàn)的疲勞和老化效應對測量結果的影響等。這為未來的研究提供了方向，同時也為其他科研單位和企業(yè)提供了有益的參考，共同推動納米材料的研究和應用發(fā)展。