测量不确定度分析在力学计量中的应用

刘虹君 阚 飞 东 方

工业和信息化部电子第五研究所 广东广州 511370

随着我国社会的进步与发展，科学技术水平也得到了大力的改变和提高，国家基础建设的不断推进，使得我国的工业技术和工程技术发生了巨大的变革。在这些技术之中测量不确定度分析得到了社会多方面的关注，在力学计量中发挥着越来越重要的作用。测量不确定度分析的运用增加了工程中数据的准确性与可控性，使得社会上相关行业的工作变得更加快捷、安全、可靠，改进工作质量增强工作效率，推动了社会的进步和发展。文章根据测量不确定度分析在力学计量中的应用做了相关分析，以期为各项检测工作提供帮助。

一、测量不确定度评估

在测量不确定度评估中，其中的参数也能够作为标准偏差数据或者以其倍数值的形式存在。测量不确定度并非一个固定的数值，而是众多不同分量共同组合存在的一种形式。一方面，部分的分量可以运用测量值进行统计其分布范围，利用测量不确定度的相关标准进行判定，同时也可以表现为标准差的形式。另一方面，这些分量也能够依照经验或者根据相关信息通过概率密度函数进行计算，从而得出准确参数，然后根据不确定度标准进行下一步的评定，与上一种一样表现为标准差的形式。在相关工程技术中，对于一组已定的信息数据，去测量不确定度，则被测量的值改变将引起相对的不确定度的变化。在进行相关测量工作中，测量误差能够准确反映出测量结果的优劣，因此，在测量不确定度评估工作中，通畅利用测量误差进行判定，但是测量误差仅仅能够在短期质量中进行相关测量反应。因此，在实际工作中需要使得测量过程长期受到合理控制，保持测量结果的相对稳定，就需要进行测量不确定度进行协助。在进行测量工作中，测量能力的水平高低同测量不确定度关系密切，测量能力较强的情况下，测量不确定度相对就较小；测量能力较弱的情况下，测量不确定度则相对较强。在测量过程中，测量不确定度不论范围多少，其中必然需要包含一个真值，在一般情况下用约定真值作为替代，否则测量过程就会失去意义。测量不确定度从表面词义上进行描述，代表着对测量结果的可信程度、测量有效性或者对测量成果的不认可。因此，测量不确定度作为一个定量，能够表述测量结果的好坏。在现实社会中，实际上的工程、生产等多个相关行业中，人们对测量的不完善和测量不确定度的认识浅薄，导致进行测量后得出的测量值并不能完全统一，常常出现分散性的情况，简单描述为每次测量结果不尽相同，而是以一定的概率在特定区域内进行分布。由于技术水平和我们的认知程度，导致在生产、工程等工作中我们认为这些测量不确定度以不同的概率分布于不同的区域之中，这样的分布意味着参数的分散性。因此，表征被测量的值具有分散性，就是测量不确定度的重要作用，它并不能准确的描述测量结果与真实值之间的关系。标准偏差可以用来作为测量不确定度的表现方式，在现实的生产过程中，通常为了生产、工程等的工作需要，需要知晓测量结果参数所在的置信区间。

二、校准模型

测量的数据被合理的赋予了分散性，使得测量不确定与测量结果之间互相关联，共同成长。测量不确定还可以用于表征置信水准的区间半宽度，同样也可以推算出测量结果在这个区域内出现的概率。比如检测人员技术水平、仪器设备的精准度、测量方法的选择、环境条件、温度条件、材料材质，等等，这些因素均有可能导致测量结果的变化。因此在检测人员进行测量不确定度评估时，一定将可能造成影响的因素考虑进去，依据被校准仪器的特点考虑相关的影响因素，再进行准确的定量分析，运用适宜的科学统计方法，综合多种因素带来的影响量值进行统计整理，从而取得校准结果的测量不确定度，这是在进行评估测量不确定度时候的常用思路。在检测实验室中，为了保证检测结果的准确性和检测活动的科学性，需要对测量器具进行量值溯源工作，检定和校准是量值溯源的两种主要形式，还有自校准作为前两种形式的补充方式，也存在与许多监测实验室的工作当中。根据实验室中内部自校准规程，检测人员严格依据自校准规程开展工作，并根据要求出具合格的校准报告。在检测工作中只有仪器在校准时间内经过校准才能投入使用，保证检测活动中数据的准确性、科学性，为工程、生产的安全进行保驾护航。为了自校准的数据能够确保科学性和有效性，就必须进行相应的不确定度的测评。

三、关键比对的测量

在进行关键比对过程中，全球并没有形成统一的模式，虽然现阶段全球一体化被不断推行，但是各个国家计量机构都被看做不同的测试结果。在进行关键对比测量进程中，其估计值深受随机性的影响，而这种随机影响与其他因素没有关系，当然系统影响也在其中，所以就可以作为国家计量机构的多种测量之中。举例说明为，当一个国家的计量机构M提出了测量结果，另一家计量机构N则提出另一个测量结果，则会产生第二个来源的协方差。从实际角度出发，协方差的出现能够对两个变量总体的误差进行描述。如果这两个变量的趋向保持一个方向，则此时两个变量之间协方差为正；如果两个变量趋向方向相佐，则此时的协方差为负。那么无论第三方计量机构Q参不参与这次比较，则当M和N两个计量机构都从第三方计量机构Q中获取可追溯性的时候，同样会发生这种情况。

四、测量不确定度在力学计量校准中的重要性

测量结果中关键参数的准确表述能够为实际工作提供重要的判断依据，而测量不确定度则可以实现这种准确表述的功能。当测量检测完成以后，测量不确定度能够对测量结果的稳定性、可靠性、准确性进行全面的判定。因此，测量不确定度能够对监测和测量工作的后期环节带来重要影响。在实际操作过程中，常常出现测量不充分或者测量程序中存在缺陷等因素，导致测量值分布较为零散，甚至每次测量完成后，测量结果互不相同。在此情况之下，可以将各项测量值进行归类，能够间接反映出一些测量值以一定的概率出现在某一个数值区域之内的情况。为了保证测量不确定度的分散性和关联性等特性，在测量中具有更加确切的描述和研究价值，则可以运用一些标准偏差对这些测量不确定度进行表述，由此而发展成为标准不确定度、相对标准不确定度、合成标准不确定度以及扩散标准不确定度四种形式。这四种不确定度则分别对应这各自的标准程度，能够对检测和测量结果的稳定性、可靠性起到关键性作用。

五、测量不确定度在力学计量中的应用

(一)设计测量不确定度的流程

为了文章阅读的流畅性与简洁性，下面将利用实验的方式，在力学计量中应用测量不确定度进行观测。测量不确定度的流程可以分为四个过程，首先是进行数学建模，其次是进行不确定度溯源，再次是进行A类评定方法，最后则是进行B类评定方法，以上共计四个过程。当进行第一个过程，也就是数学模型的建立时，运用测量不确定度对力学计量做详细分析，应当建立一个与之匹配的数学模型，才能进行下一个步骤的顺利开展。建立的数学模型当中包含了与不确定度有关的作用因素，既能够准确把控整体测量结果，又便于记忆相应的参与内容，有效避免单独数据和参数重复出现的情况发生。第二个模块则是分析不确定度的来源，结合第一个模块中创建的数学模型，能够准确进行多个关键影响分量的计算，这些分量的作用能够保证流程不会被遗漏更不会被重复，一旦出现遗漏情况，则测量不确定度的范围将会变大，对后期的验证造成困难。

(二)材料实验机示值误差测量结果的不确定度评定

材料实验机能够对多种金属材料、非金属材料、复合材料、机器部件、工程构件等物体开展机械性能、工艺特点、内部情况等多种数据的精确监测，并且可以根据物体所处环境进行模拟环境和条件的测量。因此，材料试验机是一种不可或缺的十分重要的检测仪器，材料实验机能够为人们探究发明新材料、发现新的制作工艺、发现新的科学技术和新的物质结构方面起到十分重要的作用。材料实验机对金属和非金属以及多种复合材料可以进行拉伸、压缩、弯曲、切割、剥离、张拉等多项静力学性能测试和分析研究，并能够根据GB、ISO、DIN、ASTM、JIS等多项国内、国际标准化组织的标准进行试验，并提供所需的各项数据。对示值测量结果运用材料试验机进行不确定度评测，其测量方案主要有三个板块，第一个板块是进行测量准备工作，将专业材料实验机作为试验的目标，将多项环境参数分别设定为：温度10～35℃、湿度≤80%、测试环境内温度差不得超出2℃。第二个板块是建立测量机制。对选定的材料实验机和测力装置进行外部力的加载，当加载的外力数值达到一定标准后，进行实验数据的读取和记录。第三个板块是测量手段的选用和具体程序的设定。对选定的材料实验机监测空间的对应量程序进行调整，由20%逐步增大，直到材料实验机的极限值为止。

(三)千斤顶的不确定度评定

在生产、建筑、运输等多个行业之中，千斤顶都是其中常见的一种工具，千斤顶借助液压原理，可以提供不同位置的压力帮助，进行力量的由小至大转变，还可以依据所处位置的特点进行压强的增加，能够起到以小博大的效果，因此千斤顶的不确定度评定具有十分重要的意义和作用。当进行千斤顶的不确定度评定时，一般可以分为三个步骤：第一个步骤进行实验的准备工作，实验的目标选用相应规格与参数的千斤顶，首先标记各千斤顶的性能参数，方便后续工作中与实验的数据进行对比，保证实验结果的可靠性、科学性；第二个步骤总结实验原理。千斤顶产生的作用力，出自油泵对对应装置供油产生的作用，因此可知，在此次实验中应当记录千斤顶外部施力的相关数据；第三个步骤选取适合的测量方法并制定具体实验程序，对选取的千斤顶中油管、压力表等部件给予连接处理，然后将千斤顶安放在实验结构的中间部分，使得千斤顶与标准器紧密相连，最后开启油泵进行工作，将外部作用力释放出来。

(四)混凝土回弹仪率定值测量结果的不确定度评定

混凝土回弹仪属于建筑施工中蝉蛹的检测设备，主要用于进行混凝土的抗压能力测试，鉴于混凝土在建筑施工项目中的普遍应用，由此可知，混凝土回弹仪在建筑施工的质量保证和安全保证以及正常施工方面具有不可替代的重要作用。其检测工作具有专业性、科学性、严密性等多项特点。由于建筑施工项目中对混凝土的大量使用，使得混凝土回弹仪的测量结果广泛运用于建筑施工项目中的各个环节当中，比如：建筑构配件、桥梁、房屋建筑等。在对混凝土回弹仪率定值测量结果进行测量不确定度评估工作中，由于混凝土回弹仪的基本原理和监测特性，导致其工作中包含多项技术指标，是较为复杂的一种力学计量仪器，所以混凝土回弹仪的校准环境以及温度要求都较为严格。混凝土回弹仪的校准温度应当控制在20℃左右，并且对钢钻的硬度也应当进行密切关注。

(五)测量不确定度在工程力学中数据的相关问题的研究

首先，对于有效数字在测量不确定度评定数据中的问题。数字往往具有许多近似数，可以将这些数字进行分类管理，依照循环小数与不循环小数两个大类进行保存。针对不准确度测量过程中，仪器的显示屏数字，其概念和位数取决于仪器本身的设定，一般为读取和保存数字的倍数。因此，还需要进一步对数字进行分析，如果经过一次测验后得出的数值为不确定度，那么就需要对不确定范围进行分析，如此方能得到大致的数据范围。其次，针对测量不确定度的修约规则。数字如果需要进行修约，则需要根据实际需求进行位数的保留，对其他位数进行计算，对数字中的取舍进行验证，利用相应的修约数来取代拟修约数，这就是数值修约的概念。最后，近似数的运算。第一步可以利用减法进行运算，但是数据的数量不能大于10，并且选择此种方式运算最为简单。第二步可以用乘除法进行运算，近似数运算进行时，一般利用数字较少的近似数作为此次运算中的参考数据，对于其他数据则可以多留出一位有效位。

结语

在当今全球一体化的大背景下，测量不确定度的评定依靠建立测量模型完成，将力学计量校准工作中的测量不确定度重要性进行观察分析，利用各种材料通过实验总结出参考数据，研究出工程力学中测量不确定度的相关问题，从多个方面和层次分析测量不确定度在力学计量中的应用，使得测量不确定度能够更好地在力学计量中发挥其重要的作用。