秋千座椅防撞击试验装置测量不确定度的评定

陈素娟 杨丽平 汤龙刚

(浙江省教玩具产品质量检验中心 温州 325105)

秋千座椅防撞击试验装置测量不确定度的评定

陈素娟 杨丽平 汤龙刚

(浙江省教玩具产品质量检验中心 温州 325105)

为了评定秋千座椅防撞击试验装置性能的各项技术指标和技术特性[1]，本文根据JJF 1059．1—2012《测量不确定度评定与表示》的规定和GB/T 28711—2012《无动力类游乐设施秋千》的检测方法，通过对试验过程的分析，得出秋千座椅防撞击试验装置测量不确定度与以下因素有关：加速度的轴向角度影响因素、测试铝球的质量、加速度峰值测量重复性和投影仪的测量读数，其中加速度峰值测量重复性为主要不确定度来源。

加速度 不确定度 测量重复性

秋千座椅防撞击要求是国家标准GB/T 28711—2012《无动力类游乐设施秋千》(以下简称“秋千国标”)中极其重要的特殊安全性能之一。秋千国标中以测试铝球来模拟人类头部在秋千运动过程中发生意外时受到的撞击。该试验结果是以压强来表明测试铝球受到的秋千座椅撞击强度。文章根据JJF 1059.1—2012《测量不确定度评定与表示》的要求对秋千座椅防撞击试验装置测量不确定度进行分析,为试验过程的质量控制提供依据,同时对测量方法的可行性和准确性进行科学的判断。[2]

1 测量过程描述

压强是以试验过程中秋千座椅试样的撞击力除以测试铝球接触的座椅面积来表示。在秋千座椅防撞击试验测量过程完成后,首先计算与测试铝球接触的座椅面积S,然后通过秋千座椅防撞击试验装置测定的撞击力F,最终计算测试铝球受到的压强P。

2 测量不确定来源分析及模型建立

压强P测量结果不确定度来源主要包括:

1)加速度的轴向角度误差引入标准不确定度;

2)秋千座椅防撞击试验装置加速度峰值误差引入的标准测量不确定度;

3)测试铝球质量的标准不确定度;

4)投影仪读数过程中产生的标准不确定度;

5)撞击的测试铝球中心位置偏移引入的不确定度;

6)温湿度等环境因素引入的不确定度。

试验过程中,m是测试铝球的质量,即常数。与测试铝球接触的座椅面积S是根据测量投影仪直接读数长度l和宽度w的积得到。三维加速度峰值a是通过秋千座椅防撞击试验装置直接测量得到,以重力加速度g为单位,然后计算得到压强P。

试验中的影响因素包括中心位置偏移,加速度峰值与轴向角,测试铝球质量和温湿度等。忽略中心位置偏移、温湿度环境影响,建立数学模型如下:

式中:

P——压强,kPa;

fa——操作中加速度的轴向角度影响因素;

m——测试铝球的质量,kg;

a——加速度峰值,9.8N/kg;

l——接触面积的长度,mm;

w——接触面积的宽度,mm。

3 合成方差和灵敏系数

标准不确定度乘以灵敏系数后得到不确定度分量,各个不确定度分量平方后得到各分量的方差,再由方差合成定量得到合成方差。灵敏系数ci是通过由数学模型对分量xi求偏导所得。灵敏系数公式中的具体数值,见表1。

表1 分量数值

合成方差:

灵敏系数:

4 分析评定各项标准不确定度

4.1 加速度的轴向角影响因素导致的不确定u(fa)

根据经验估计,操作者引入的加速度轴向角测量误差在±2’范围内,即得出操作者引入的加速度轴向角影响因素的最大允许误差为,估计其为矩形分布(均匀分布),则,估计可信度为90%,则v(fa) =50。

4.2 测试铝球质量的标准不确定度u(m)

经查试验装置说明书,测试铝球质量的最大允许误差引起的±0.05kg,则kg,估计可信度为90%,则v(m)=50。

4.3 加速度峰值的不确定度u(a)

1)试验装置加速度峰值重复性u(a)1,用同一秋千座椅测量10次连续撞击的加速度峰值,得到测量见表2。

表2 某一秋千座椅连续10次重复性试验结果

其算术平均值:

试验标准偏差:

2)试验装置的最大允许误差引起的标准不确定度u(a)2,经查试验装置说明书,其给出的MPE为±5%,则估计可信度为90%,则v(a)2=50。

3)试验装置的加速度峰值引起的标准不确定度u(a),则

4.4 测量投影仪最大允许误差引入的标准不确定度u(S)

2)测量长度w时引起的标准不确定度u(w),由于用同一投影仪测量,故,估计可信度为90%,则v(w)=50。

5 标准不确定度一览表

标准不确定度一览表,见表3。

表3 标准不确定度一览表

6 合成不确定度及扩展不确定度

6.1 合成不确定度的计算

1)合成不确定度:

2)有效自由度:

则取veff=13。

6.2 扩展不确定度的确定

1)取包含概率p=95%,按veff=13,查t分布表t95(13)=2.1601[3],则U95=35.84×2.160=77.4(kPa)。

2)若不计算自由度,取k=2,则U=2×35.84=71.7(kPa)。

6.3 报告表示

压强P的中间值为448.8kPa,其秋千座椅的压强可表示为P=(448.8±77.4)kPa,veff=13。

或可表示为P=(448.8±71.7)kPa,k=2。

7 若以压强P的计算值作为测量重复性

合成方差:

灵敏系数:

压强的试验标准偏差:

根据Bessel公式计算得:u(P)=32.1(kPa)

合成标准不确定度:

取k=2,则U=2×33.3=66.6(kPa)

又可表示为P=(448.8±66.6)kPa,k=2。

8 结果与讨论

本文应用科学的统计学分析方法[4]从同一数据汇总得出三组不同的测量不确定度数值,即: U1=77.4kPa,veff=13;U2=71.4kPa,k=2;U3=66.6kPa, k=2。

分析各分量的大小,其中U1和U3中A类占主要分量,分别是加速度峰值a测量重复性和压强P测量重复性。因此合成标准不确定度估计为近似正态分布,可采用t分布来处理。并且压强P的主要分量也是源于加速度峰值a,综合所述秋千座椅防撞击试验中主要的测量不确定度来源为加速度峰值a测量重复性,即加速度峰值a精确度越高,秋千座椅防撞击试验越成功。

[1] 张有康，甘蓉．压力传感器测量中不确定度的评定[J]．中国测试，2015，31（6）：25-26．

[2] 李勇．玩具表面涂层可迁移汞含量测量不确定度分析[J]．广东化工，2012，39（8）：53-55．

[3] Daniel C． Harris． Quantitative Chemical Analysis [M]．8th Ed． New York： W．H． Freeman and Co，2010：73．

[4] 翟建才，翟羽，蒋洪，等．测量不确定度的评价和实验室质量控制[J]．现代科学仪器，2007，17（2）：95-97．

Evaluation of Measurement Uncertainty for Swing Seat Anti-Impact Test Device

Chen Sujuan Yang Liping Tang Longgang
(Zhejiang Quality Inspection Center of Educational Toys Products Wenzhou 325105)

To evaluate every performance index and technical features of anti-impact test device of swing seat, according to the experimental process of JJF 1059.1—2012 and test method of GB/T 28711—2012, this paper obtained the major factor related to the measurement uncertainty through analysis of the testing process is: infuencing factor of acceleration axial angle, the mass of testing aluminum-ball, acceleration measurement repeatability and measurement readings, and the acceleration measurement repeatability.

Uncertainty Acceleration Measurement repeatability

X924

B

1673-257X(2017)08-0016-03

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.08.005

陈素娟（1963～)，女，本科，副所长，高级工程师，从事产品质量检验检测、产品质量分析、质量管理及标准化等技术管理工作。

陈素娟，E-mail： 290885@qq．com。

2017-04-10）