纳米拉伸仪校准结果的不确定度评定

黄元媛 高邻程 秦秀伟 况严

（重庆市计量质量检测研究院，重庆 408000）

纳米拉伸仪广泛应用于包装、印刷、纺织、服装等行业，可以用于测量包装材料、印刷品、纺织品的力学性能。这些性能包括拉伸强度、断裂伸长率、弹性模量和耐久性等。通过测量这些性能，可以评估包装材料、印刷品、纺织品的耐用性和使用寿命，从而进一步改进和优化材料的制备和应用。此外，纳米拉伸仪还可以用于研究纳米材料在不同环境条件下的性能表现，如温度、湿度等。这有助于相关研究人员了解材料在不同应用场景下的性能变化，进一步拓展材料的应用范围。

然而，值得注意的是，纳米拉伸仪的测量结果会受到多种因素的影响，如仪器精度、环境条件、样品制备等。为了确保测量结果的准确性和可靠性，需要对纳米拉伸仪进行定期的量值溯源。目前缺乏统一明确的技术规范作为标准，导致各方的技术要求和测量结果存在不一致性。为了解决这个问题，可以基于纳米拉伸仪的工作原理，分析其影响试验结果的计量特性，并对其进行不确定度评定以提高纳米拉伸仪的测量准确性和一致性。

1 纳米拉伸仪力值示值误差校准结果的不确定度评定

1.1 概述

1.1.1 环境条件

在校准开始时环境温度测量为24.6 ℃，校准过程中温度变化不大于1.0 ℃[1]；环境湿度测量为66%RH，校准过程中相对湿度变化不大于5%RH。

1.1.2 测量标准

E2等级标准砝码组：测量范围（1～200）g，校准地点重力加速度g=9.791 4 m/s2。

1.1.3 被测对象

纳米拉伸仪：最大试验力500 mN，力值分辨力1×10-6mN。

1.1.4 校准方法

对纳米拉伸仪的电磁力驱动传感器施加试验载荷，试验载荷应进行三次测量，每次测量前应调整零点，计算每个测量点三次测量的算术平均值与标准砝码力值的差值。

1.2 测量模型

式中：

E-力值示值误差，mN；

mc-标准砝码的约定质量值，g；

g-校准地点的重力加速度，m/s2。

灵敏系数：

1.3 标准不确定度分量的评定

1.3.1 纳米拉伸仪示值分辨力引入的标准不确定度u1

纳米拉伸仪力值示值分辨力是1×10-6mN，按均匀分布计算：

1.3.2 纳米拉伸仪重复性测量引入的标准不确定度u2

用10 g 标准砝码对纳米拉伸仪连续测量10 次，测得值分别为：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（单位：mN）。通过贝塞尔公式得到实验标准差s：

实际测量时，在重复性条件下连续测量3 次，以算术平均值进行计算，则引入的标准不确定度分量[2]：

1.3.3 标准砝码的最大允许误差引入的标准不确定度[2]u3

根据JJG 99-2022 砝码检定规程，10 g 的E2等级砝码的最大允许误差的绝对值为0.06 mg，按均匀分布计算[2]：

1.3.4 标准砝码的不稳定性引入的确定度分量u4

根据JJG 99-2022 砝码检定规程，10 g 的E2等级砝码在相邻两个检定周期内约定质量的变化量不能超过其最大允许误差的绝对值的1/3，即0.02 mg，按均匀分布计算：

1.4 合成标准不确定度的评定

标准不确定度分量汇总表如表1 所示。

表1 标准不确定度分量汇总表

则合成标准不确定度[3]：

1.5 扩展不确定度的评定

取k=2，则纳米拉伸仪力值示值相对误差的扩展不确定度：

U=k×uc=2×0.033 416 mN=0.07 mN

2 纳米拉伸仪横梁位移示值误差校准结果不确定度评定

2.1 概述

2.1.1 环境条件

在校准开始时环境温度测量为24.6 ℃，校准过程中温度变化不大于1.0 ℃；环境湿度测量为66%RH，校准过程中相对湿度变化不大于5%RH。

2.1.2 测量标准

激光干涉仪：测量范围（0～40）m，分辨力0.01 μm[4]。

2.1.3 被测对象

纳米拉伸仪：横梁最大位移200 mm，分辨力0.01 μm。

2.1.4 校准方法

在纳米拉伸仪横梁位移测量范围内，选择100 mm 这个点用激光干涉仪进行三次测量，计算纳米拉伸仪设定示值与激光干涉仪三次测量的算术平均值的差值。

2.2 测量模型

式中：

e-横梁位移示值误差，mm；

L-纳米拉伸仪横梁位移的设定示值，mm；

灵敏系数：

2.3 标准不确定度分量评定

2.3.1 激光干涉仪示值分辨力引入的标准不确定度[5]u1

激光干涉仪的分辨力是0.01 μm，按均匀分布：

2.3.2 重复性测量引入的标准不确定度u2

以100 mm 为测量点，用激光干涉仪连续测量10 次，测得值如下：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（单位：mm）。通过贝塞尔公式得到实验标准差s：

实际测量时，在重复性条件下连续测量3 次，以算术平均值进行计算，则引入的标准不确定度分量[5]：

2.3.3 激光干涉仪的最大允许误差引入的标准不确定度u3

在100 mm 测量范围内，激光干涉仪的最大允许误差MPE：±0.08 μm，按均匀分布，则引入的不确定度为：

2.4 合成标准不确定度的评定

标准不确定度分量汇总表如表2 所示。

表2 标准不确定度分量汇总表

则合成标准不确定度：

2.5 扩展不确定度的评定

取k=2，则纳米拉伸仪横梁位移示值误差的扩展不确定度：

3 结束语

本文通过对纳米拉伸仪的力值示值误差和横梁位移示值误差进行校准和不确定度评定，得出了一系列重要的不确定度数据。这些数据表明，纳米拉伸仪的测量结果会受到多种因素的影响。同时，这些数据还表明，通过使用适当的校准方法和不确定度评定，可以有效地提高纳米拉伸仪的测量准确性和一致性。本文还存在一些不足之处，例如未考虑纳米拉伸仪在长时间使用后可能出现的疲劳和老化效应对测量结果的影响等。这为未来的研究提供了方向，同时也为其他科研单位和企业提供了有益的参考，共同推动纳米材料的研究和应用发展。