旋耕机耕深测量结果不确定度评定

闫志文

(山西省农业机械发展中心，山西 太原 030002)

0 引言

测量不确定度是根据所用到的信息表征赋予被测量值分散性的非负参数，此参数与测量结果相联系，表明测量结果量值的可信程度和不可确定程度[1-2]。因此，在给出测量结果的同时给出测量不确定度，以确定测量结果的可信程度，这样的测量结果才是完整且有意义的[3]。同时，作为测量技术的重要概念，测量不确定度也是保证计量、检测质量的重要要素[4]。测量不确定度常以标准偏差来表示，称为标准不确定度。标准不确定度一般由若干分量组成，按数值评定方法，这些分量可归为A和B两类[1]。其中A类评定是对重复性测量条件、期间精密度测量条件或复现性测量条件下测得的量值用统计分析的方法进行的测量不确定度分量的评定，B类评定是用不同于A类评定的方法对测量不确定度分量的评定。这两类评定方法在本质上是相同的，都是以标准偏差的形式给出，都可以评定其自由度，区别在于所用的数值计算方法不同[5]。

近几年，随着农业机械化程度的不断提高，以旋耕机为代表的耕整地机具应用非常广泛[6-8]。在南方水稻生产、北方水稻生产、蔬菜种植和旱地灭茬整地中被广泛使用[6-9]。耕整地作业性能不仅是评价旋耕机的重要内容，也是影响其推广应用和用户评价的重要指标，为了提高测量数据的可靠性，检验检测机构应根据需要建立和保持应用评定测量不确定度的程序，给出的测量结果应含有不确定度的信息[10]。

本文以旋耕机重要的性能指标“耕深”为研究对象，对测量结果的不确定度评定方法进行介绍，为质量鉴定和检验检测提供参考。

1 试验概述

1.1 测量方法及条件

根据DG/T 005—2019《旋耕机》的规定，旋耕机耕深的测量方法：在产品使用说明书规定的速度下作业一个行程，在测区内，沿机组前进方向每隔2 m左右两侧各测1个点，各测11次，计算耕深平均值。

测量条件：旋耕机作业速度在说明书规定的范围内。

1.2 测量仪器

测量所用仪器为5 m钢卷尺，精度1 mm，准确度等级为Ⅰ级，量程和准确度要求满足DG/T 005—2019《旋耕机》的规定，且在检定有效期内。辅助工具为耕深尺，仅用于寻找测量基准面，不进行读数。

1.3 数学模型

根据测量方法，耕深计算如式(1)所示。

(1)

xi——第i个点的耕深值，cm

n——测定点数

2 测量不确定度来源

旋耕机耕深测量结果的不确定度主要来源于以下3个方面：①重复性测量引入的标准不确定度分量uA，按照A类方法评定；②钢卷尺测量引入的不确定度分量uB1，按照B类方法评定；③钢卷尺精度引入的不确定度分量uB2，按照B类方法评定。

3 标准不确定度分量评定

3.1 重复性测量引入的标准不确定度分量

旋耕机的耕深测量是在田间完成的，测量环境比较恶劣。土块移动、地表植被变形、测量仪器摆放及试验人员的测量技术等因素都可能会影响测量结果，而且多次测量也会破坏测量现场，导致测量结果出现误差。试验过程中，为了减少测量误差，测量次数取3次。在重复性条件下，使用钢卷尺对耕幅左侧和右侧各11个点的耕深分别连续测量3次得到测量结果如表1所示。

表1 耕深测量结果Tab.1 Test results of tillage depth

假定测量结果的分布均接近正态分布，采用极差法评定获得不确定度分量[11]。计算方法如式(2)所示[1]。

(2)

式中R——极差

C——极差系数

n——测量次数

由JJF1059.1—2012《测量不确定度评定与表示》中表1可知，测量次数n=3时，极差系数C=1.69，自由度v=1.8。

表2 耕深测量值的极差和不确定度分量Tab.2 Range and uncertainty components of measurement results of tillage depth

对于统计控制下的测量过程，其A类标准不确定度可以用合并样本标准偏差Sp表征，它是根据多个被测量的重复性条件或复现性条件下重复观测所得结果的分散性标准偏差。因试验中每个点的测量次数都相同，合并样本标准偏差按式(3)计算[1，12]。

(3)

使用表2中22组试验数据，由式(3)计算得Sp=0.041 6 cm，即由重复性测量引入的标准不确定度分量uA=0.041 6 cm。

3.2 钢卷尺检定引入的不确定度分量

3.3 钢卷尺精度引入的不确定度分量

4 合成标准不确定度

旋耕机耕深测量结果不确定度汇总如表3所示。

表3 不确定度分量汇总Tab.3 Summary of uncertainty components

5 扩展不确定度的评定

扩展不确定度U为合成不确定度uc与包含因子k的乘积。取置信概率95%，包含因子k=2，则试验测量的扩展不确定度U=k×uc=0.111 cm。

6 结论