纺织品织物强力测量不确定度的评估程序

冯青蕊

［伊士曼(中国)投资管理有限公司，上海201210］

0 引言

根据织物结构划分，纺织织物的强力指标常用机织物的断裂强力、撕破强力和针织物的顶破强力表示，且实验室在大多数情况下都是通过拉伸强力机来完成试样的测试，比如：机织物的断裂强力可通过条样法或抓样法进行测定，撕破强力可通过单缝法或双缝法等方式进行测定；针织物的顶破强力可通过钢球法来完成测定。然而，在织物的强力测试过程中存在着许多不确定的影响因素。本文通过评定织物强力检测结果的不确定度，寻找影响检测结果的主要因素，从而帮助实验室有效控制检测过程的关键点，提高检测结果的精确程度，也为实验室进行合格判定和测试相关方接受产品的强力提供更多的参考依据。

1 测试方法

目前，无论是对机织物的断裂强力和撕破强力的测定，还是对针织物顶破强力的测定，常采用现有的经验方法进行，且这些方法早已经以成熟的国家标准或国际标准的形式被大家广泛采用。其中，国内现有测试织物断裂强力的方法标准主要为GB/T 3923.1―2013《纺织品织物拉伸性能第1部分：断裂强力和断裂伸长率的测定（条样法）》和GB/T 3923.2―2013《纺织品织物拉伸性能第2部分：断裂强力的测定（抓样法）》；国际标准主要有ISO 13934.1：2013《纺织品织物的拉伸性能第1部分：条样法测定断裂强力和断裂伸长率》（Textiles―tensile properties of fabrics―part 1:determination of maximum force and elongation at maximum force using stripmethod）、ISO 13934.2：2014《纺织品 织物的拉伸性能第2部分：抓样法测定断裂强力》（Textiles―tensilepropertiesoffabrics―part2:determi⁃nation of maximum force using the grap method）、ASTMD5035-11（2019）《断裂强力和断裂伸长率标准试验方法（条样法）》［Standard test method for breaking force and elongation of textile fabrics（strip test）］、ASTM D5034-09（2017）《断裂强力和断裂伸长率标准试验方法（抓样法）》［Standard test method for breaking force and elongation of textile fabrics（grap test））等。

综合上述分析，可将织物的强力检测过程归纳为：将试验样品在温度为（20±2）℃、相对湿度为（65±4）%的标准环境下进行预调湿和调湿；按照标准中试样的形状和大小剪取试验试样（机织物的强力测试按经向和纬向分别取样，针织物的顶破强力测试无需分经纬向取样）；调试等速伸长（CRE）强力仪，按照标准要求选择合适的检测程序，确定隔距长度和设备速度等试验参数，安装适合的夹持器，并按标准要求调整原始隔距长度；正确夹持试样；然后启动试验装置，直到织物断裂或到停止点结束测试，记录检测数据；重复上述过程，并完成其他试样的检测，计算平均值，修约（如标准有要求）。检测流程详见图1。

图1 检测流程图

2 建立测量模型

式中：Y——被测量的断裂强力、撕破强力或顶破强力；

y——拉伸机读数的算术平均值；

Δy——修约导致的偏差值。

3 不确定度主要来源及分析

众所周知，虽然目前广泛采用的检测织物强力的方法都是经验之法，且测试结果都是在标准规定的条件下获得的，但在标准方法要求控制的诸多要素中，有些影响因素在实际检测过程中难以控制到标准规定的状态，例如：条样法测试织物断裂强力时，试样的宽度与夹持状态；顶破强力测定时，试样被夹持器夹持住的布面伸展状态；撕破强力测定时，试验被预先切开切口的长短等。上面所述的情况在标准规定误差范围内的偏离或达不到标准方法要求的方面会导致测试结果的不确定。一般影响机织物拉伸强力不确定度的主要因素来源于试样本身、试验操作、设备精确度、修约等4部分，具体详见图2。

图2 影响机织物拉伸强力的不确定度来源

3.1 随机效应导致的不确定度[u(y)]

样本本身的随机因素和测量过程中的随机因素综合在一起影响了试样的强力测试结果，是随机效应导致的不确定度。由于试样的强力测试属于破坏性行为，试验所取样本量因受到经济因素的限制，在标准方法中只能规定适当的样本量，使得同一样品的测试具有不可重复性，因此不能对测试过程中的控制条件逐一进行控制和分析，尤其样本本身的随机因素并不在测试程序控制范围内。

人们根据纺织材料的特性分析，认为试样的强力测试结果主要受到纤维种类、纱线性质、织物面密度、组织结构等因素的影响。由于其随机性受到影响的因素较多，使得试样的强力测试结果受到测试样本内在特性的分散性影响较大。在取样过程中，难以确保每个试样都严格按标准要求制取，因为取样人员的习惯、织物的纱线粗细、纬斜等都会导致试样中有效受力面积或受力宽度受到影响，从而影响强力的检测结果；某些织物，尤其由天然动植物纤维或者再生纤维素类纤维制得的织物，其强力与测试环境的相对湿度密切相关，因为调湿时间或相对湿度的波动会导致强力值的波动；强力拉伸机上升或下降的速度不均匀也会导致强力仪模量转换失真；夹持状态不理想，如拉伸试验中夹口线应与拉伸线垂直，撕裂试验中试样夹持要求更加复杂一些，顶破试验时试样应无张力、无折皱等。在实际操作过程中，一般难以控制到标准要求的理想状态，由此会导致测量不确定度分量的产生。

因此，不可应用长期累积的测试结果统计的联合方差来预测某一测量结果的不确定度。也就是说，任何新样品重复性测试结果的不确定度都需要另行计算重复性标准差，而无经验值可以套用。面对这种情况，采用试验标准差作为结果的重复性标准差较为简便和妥当。通常情况下，每个样品在每个方向取样时应不少于5个。当被要求计算不确定度的时候，可根据样品的大小尽量多取一些试样，评定其试验标准差。比如，取n个试样，测定得到n个强力值（单位为N），则样本平均值yˉ和样本标准差s(yi)的计算见式（2）、（3）。

报告测试结果为最佳估计值 yˉ时，其标准差，即随机效应所产生的标准不确定度为：

3.2 仪器设备示值的准确性导致的不确定度[[u(Δy)]]

随着科学技术的发展，现在试验所用强力拉伸机基本上无需人工读取数据，大多数机器均为自动感应读取数据。因此，强力拉伸机的示值误差主要由机器传感器跟踪感应应力的灵敏度和模量转换（包括数字修约）的准确性导致的。

3.3 系统效应导致的不确定度

3.3.1 计算结果修约导致的不确定度的评定

按每个强力检测标准对最终结果的规定，一般是报告强力值的平均值；在修约方面的规定，则不一定完全相同。就断裂强力测定而言，国标GB/T 3923.1和GB/T 3923.2、国际标准ISO 13934.1和ISO 13934.2中要求计算结果按以下方法进行修约：

a） ＜100 N，修约至1 N；

b） ≥100 N且＜1 000 N，修约至10 N；

c） ≥1 000 N，修约至100 N。

而美国材料实验协会ASTM D5035和ASTM D5034中则对修约没有明确规定，一般实验室可以参照ISO的标准进行修约或者按照实验室惯例修约至0.1 N，或根据相关方的要求进行修约。

设定修约的半宽区间为a，按均匀分布来计算修约导致的不确定度u1，即：。例如：当计算的强力平均值yˉ小于100N，需要修约至1N，修约半宽区间a=0.5 N，则：

3.3.2 设备精确度导致的不确定度的评定

INSTRON强力机的校准规范规定：当示值大于18 N时，示值相对误差的极限为±0.5%，可认为示值出现在±0.5%范围内的任何处都是等概率的，而落于该范围外的概率基本为零，即为矩形分布，k=3。实验室使用质量合格的INSTRON拉力试验机，最大示值误差导致的相对不确定度urel，即：也可根据强力机的校准报告中提供的强力值的相对不确定度urel进行计算，最佳估计值yˉ的校准不确定度为u=yˉ×urel。

从而由系统效应导致的不确定度为：

3.4 评定并计算各分量标准不确定度

织物强力值的不确定度主要来源于4部分，其中，试样的代表性和偏离方法的因素导致的不确定度同属随机效应，属于A类不确定度，可以综合在一起评定其对强力不确定度的贡献；而仪器示值偏差和修约是系统效应导致的不确定度，属于B类不确定度。

3.5 合成不确定度

综合上述分析可知，随机效应导致的标准不确定度、计算平均值后修约导致的不确定度及仪器精确度导致的标准不确定度，均来自整个测量的不同系统或步骤，各分量彼此独立，互不相关，因此合成不确定度可按式（6）进行计算：

3.6 扩展不确定度

按国际惯例，k取2，则扩展不确定度U按式（7）计算，但需注意扩展不确定的修约需依据JJF 1059.1—2012《测量不确定度评定与表示》中有关条款进行修约进位。

4 结论和意义

（1）对于实验室工作者而言，在对样品的强力结果进行判定时，需要考虑该检测结果的扩展不确定度。一个强力测量结果的完整表示应为：

（2）试样本身、试验操作、设备精确度、修约是影响机织物强力不确定度的主要因素。通过对随机效应、仪器设备示值、系统效应等产生的不确定度进行评估和计算方法确认，有助于实验室有效控制检测过程的关键点，提高检测结果的精确程度，也可为合格判定提供更多的依据。