工程材料檢測中不確定度的評(píng)定方法研究
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黃秋鋒1由 分享
摘 要:對于工程材料檢測檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室,為提高測量不確定度評(píng)定的可靠性,必須合理制定測量不確定度的評(píng)定程序。本文重點(diǎn)探討鋼筋拉伸試驗(yàn)測量不確定度的評(píng)定方法和數(shù)學(xué)表達(dá)。并對評(píng)定程序和方法進(jìn)行分析，對今后類似測量中的不確定度評(píng)定提供參考。
關(guān)鍵詞:材料檢測;測量不確定度;數(shù)學(xué)模型;評(píng)定
1.前言
從原則上講，在給出任何測量結(jié)果的同時(shí)均應(yīng)該給出測量結(jié)果的不確定度。在國家實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可工作中，ISO/IEC17025：1999標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，檢測實(shí)驗(yàn)室應(yīng)該有能力對所有的檢測結(jié)果進(jìn)行不確定度的評(píng)定。
本文結(jié)合“福建省公路工程試驗(yàn)檢測中心”國家實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可工作，對測量不確定度評(píng)定中，如何建立數(shù)學(xué)模型，如何分析與計(jì)算不確定度分量，非線形數(shù)學(xué)模型處理，包含因子的取值，以及是否需要計(jì)算自由因子等問題，提供一些具體的實(shí)用性的解決思路。本方法適合于檢測實(shí)驗(yàn)室的測量不確定度的評(píng)定。
2.試驗(yàn)原理
鋼筋試件的截面為圓形。拉伸強(qiáng)度以試驗(yàn)過程中最大作用力除以試件的截面積表示。忽略溫度和應(yīng)變率對測量結(jié)果的影響。試件直徑用千分尺測量。
3.數(shù)學(xué)模型
第一步找出所有對測量結(jié)果有影響的影響量，即所有的測量不確定度來源，再建立滿足測量所要求準(zhǔn)確度的數(shù)學(xué)模型。
在溫度和其他條件不變時(shí)，鋼筋拉伸強(qiáng)度表示為：
式中， Rm—抗拉強(qiáng)度(MPa)；
F—試件斷裂時(shí)的拉力(N) ；
S。—試件截面積(mm2)；
d—試件直徑(mm)。
由于上述數(shù)學(xué)模型存在顯著的非線形，所以不確定度傳播定律中的所有不確定度全部改用相對不確定度來表示，而不需考慮高階項(xiàng)。
于是，測量不確定度評(píng)定的數(shù)學(xué)模型為：
u2crel(Rm)=u2rel(F)+4u2rel(d)
4.測量不確定度的評(píng)定步驟
4.1 計(jì)算各測量不確定度分量，ui(y)
4.1.1 直徑測量引入的不確定度分量，urel(d)
試件標(biāo)稱直徑10mm,直徑測量不確定度由兩部分組成，即千分尺的示值誤差導(dǎo)致的不確定度和操作者所引入的測量不確定度。
?。?）千分尺示值誤差導(dǎo)致的不確定度，u1(d)
若千分尺的最大允許誤差為±3,以均勻分布估計(jì)，則：
4.1.2 拉力Fm測量所引入的不確定度分量，urel(F)
拉力F的測量不確定度來源于儀器校準(zhǔn)的不確定度，儀器的測量不確定度和讀數(shù)不確定度等三方面。
?。?）儀器校準(zhǔn)的不確定度，u1rel(F)
若儀器校準(zhǔn)的不確定度為U95=0.2%，于是標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：
?。?）讀數(shù)的不確定度，u3rel(F)
以滿刻度為200KN，分度值為0.5KN的指針式儀表為例，若可以估讀到五分之一分度，即0.1KN，依相對值估計(jì)為0.05%。
由于被測件不一定在滿刻度處斷裂，并且在選擇儀器的測量范圍時(shí)通常使斷裂時(shí)指針的位置不小于滿刻度的五分之一。假設(shè)測量時(shí)斷裂即發(fā)生在該處，則0.1KN即相當(dāng)于0.25%。假定其為均勻分布，故標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：
5.測量不確定度報(bào)告
拉伸強(qiáng)度Rm=（509.3±5.6）MPa。其中擴(kuò)展不確定度U=5.6MPa是由標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc =2.8MPa乘以包含因子k=2得到。
6.評(píng)定方法效果評(píng)價(jià)
實(shí)踐表明，對于工程材料力學(xué)測量中不確定度的評(píng)定，用直接評(píng)定法無法評(píng)定的具有一定難度的檢測項(xiàng)目，都可參照上述方法進(jìn)行評(píng)定。該評(píng)定法對檢測結(jié)果不確定度的評(píng)定具有可行性，并且提高了試驗(yàn)結(jié)果測量不確定度的準(zhǔn)確性和可靠性，解決了不確定度評(píng)價(jià)中的某些難點(diǎn)。本研究證實(shí)了中國合格評(píng)定國家認(rèn)可委員會(huì)新發(fā)布的CNAS-GL10：2006《材料理化檢驗(yàn)測量不確定度評(píng)估指南及實(shí)例》所給予的指導(dǎo)是正確的。該方法實(shí)施效果，必將在今后工程材料檢測中得以彰顯。
參考文獻(xiàn)：
[1]測量不確定度評(píng)定與表示（JJF 1059-1999）.
[2]中國實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可委員會(huì)編著·中國實(shí)驗(yàn)室注冊評(píng)審員培訓(xùn)教程，中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.
[3]ISO/TAG4/WG3·Guide to zhe Expression of Uncertainty in Measurement ,1993.
[4]倪育才主編·測量不確定度評(píng)定實(shí)用講義,2002.
關(guān)鍵詞:材料檢測;測量不確定度;數(shù)學(xué)模型;評(píng)定
1.前言
從原則上講，在給出任何測量結(jié)果的同時(shí)均應(yīng)該給出測量結(jié)果的不確定度。在國家實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可工作中，ISO/IEC17025：1999標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，檢測實(shí)驗(yàn)室應(yīng)該有能力對所有的檢測結(jié)果進(jìn)行不確定度的評(píng)定。
本文結(jié)合“福建省公路工程試驗(yàn)檢測中心”國家實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可工作，對測量不確定度評(píng)定中，如何建立數(shù)學(xué)模型，如何分析與計(jì)算不確定度分量，非線形數(shù)學(xué)模型處理，包含因子的取值，以及是否需要計(jì)算自由因子等問題，提供一些具體的實(shí)用性的解決思路。本方法適合于檢測實(shí)驗(yàn)室的測量不確定度的評(píng)定。
2.試驗(yàn)原理
鋼筋試件的截面為圓形。拉伸強(qiáng)度以試驗(yàn)過程中最大作用力除以試件的截面積表示。忽略溫度和應(yīng)變率對測量結(jié)果的影響。試件直徑用千分尺測量。
3.數(shù)學(xué)模型
第一步找出所有對測量結(jié)果有影響的影響量，即所有的測量不確定度來源，再建立滿足測量所要求準(zhǔn)確度的數(shù)學(xué)模型。
在溫度和其他條件不變時(shí)，鋼筋拉伸強(qiáng)度表示為：
式中， Rm—抗拉強(qiáng)度(MPa)；
F—試件斷裂時(shí)的拉力(N) ；
S。—試件截面積(mm2)；
d—試件直徑(mm)。
由于上述數(shù)學(xué)模型存在顯著的非線形，所以不確定度傳播定律中的所有不確定度全部改用相對不確定度來表示，而不需考慮高階項(xiàng)。
于是，測量不確定度評(píng)定的數(shù)學(xué)模型為：
u2crel(Rm)=u2rel(F)+4u2rel(d)
4.測量不確定度的評(píng)定步驟
4.1 計(jì)算各測量不確定度分量，ui(y)
4.1.1 直徑測量引入的不確定度分量，urel(d)
試件標(biāo)稱直徑10mm,直徑測量不確定度由兩部分組成，即千分尺的示值誤差導(dǎo)致的不確定度和操作者所引入的測量不確定度。
?。?）千分尺示值誤差導(dǎo)致的不確定度，u1(d)
若千分尺的最大允許誤差為±3,以均勻分布估計(jì)，則：
4.1.2 拉力Fm測量所引入的不確定度分量，urel(F)
拉力F的測量不確定度來源于儀器校準(zhǔn)的不確定度，儀器的測量不確定度和讀數(shù)不確定度等三方面。
?。?）儀器校準(zhǔn)的不確定度，u1rel(F)
若儀器校準(zhǔn)的不確定度為U95=0.2%，于是標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：
?。?）讀數(shù)的不確定度，u3rel(F)
以滿刻度為200KN，分度值為0.5KN的指針式儀表為例，若可以估讀到五分之一分度，即0.1KN，依相對值估計(jì)為0.05%。
由于被測件不一定在滿刻度處斷裂，并且在選擇儀器的測量范圍時(shí)通常使斷裂時(shí)指針的位置不小于滿刻度的五分之一。假設(shè)測量時(shí)斷裂即發(fā)生在該處，則0.1KN即相當(dāng)于0.25%。假定其為均勻分布，故標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：
5.測量不確定度報(bào)告
拉伸強(qiáng)度Rm=（509.3±5.6）MPa。其中擴(kuò)展不確定度U=5.6MPa是由標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc =2.8MPa乘以包含因子k=2得到。
6.評(píng)定方法效果評(píng)價(jià)
實(shí)踐表明，對于工程材料力學(xué)測量中不確定度的評(píng)定，用直接評(píng)定法無法評(píng)定的具有一定難度的檢測項(xiàng)目，都可參照上述方法進(jìn)行評(píng)定。該評(píng)定法對檢測結(jié)果不確定度的評(píng)定具有可行性，并且提高了試驗(yàn)結(jié)果測量不確定度的準(zhǔn)確性和可靠性，解決了不確定度評(píng)價(jià)中的某些難點(diǎn)。本研究證實(shí)了中國合格評(píng)定國家認(rèn)可委員會(huì)新發(fā)布的CNAS-GL10：2006《材料理化檢驗(yàn)測量不確定度評(píng)估指南及實(shí)例》所給予的指導(dǎo)是正確的。該方法實(shí)施效果，必將在今后工程材料檢測中得以彰顯。
參考文獻(xiàn)：
[1]測量不確定度評(píng)定與表示（JJF 1059-1999）.
[2]中國實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可委員會(huì)編著·中國實(shí)驗(yàn)室注冊評(píng)審員培訓(xùn)教程，中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.
[3]ISO/TAG4/WG3·Guide to zhe Expression of Uncertainty in Measurement ,1993.
[4]倪育才主編·測量不確定度評(píng)定實(shí)用講義,2002.