电子式万能试验机测量结果的不确定度评定及应用

■王锦清

(福建省交通科研院有限公司，福州 350004)

电子式万能试验机是由计算机控制电机并采用机械加力进行测量的试验机， 在交通运输行业中，主要用于土工合成材料、防水材料、金属波纹管、塑料波纹管、通信管道产品、隔离栅网片等材料的力学性能试验。 在开展试验检测工作中，仪器设备量值溯源是否达到要求，可通过测量结果的不确定度进行确认。 但从事上述相关工作的技术人员对测量不确定度的评定和各分量的分析与计算不甚理解，会导致试验结果的不准确。 本研究以电子式万能试验机力值测量结果的不确定度评定为例，对力值计量参数的标准不确定度分量进行分析与计算，可为试验检测人员更好地理解和掌握同类力值设备的测量不确定度评定和应用提供参考。

1 电子式万能试验机力值测量结果的不确定度评定

本研究以力值传感器量程为30 kN 的电子式万能试验机为例，进行力值测量结果的不确定度[1]分析。

1.1 测量模型

测量模型如下：

式中：Δ 为被校试验机的示值误差(kN)；Fi为被校试验机的示值(kN)；F0为标准测力仪示值(kN)。

1.2 方差与灵敏系数

式中：u(Fi)为被校试验机引入的标准不确定度分量；u(F0)为标准测力仪引入的标准不确定度分量；c1、c2为灵敏系数 (其中：c1=∂Δ/∂Fi=1、c2=∂Δ/∂F0=-1)。

1.3 标准不确定度分量的分析与计算

1.3.1 被校试验机引入的标准不确定度分量u(Fi)

（1）被校试验机的测量重复性引入的标准不确定度分量u1(Fi)

以标准力值30 kN 为测试点，用标准测力仪对被校试验机的力值进行10 次重复测量， 测量结果见表1。

表1 力值重复性测量结果

由于u1(Fi)＞u2(Fi)，为避免重复计算，取最大影响量u1(Fi)，舍弃u2(Fi)。

则被校试验机引入的标准不确定度分量为：u(Fi)=u1(Fi)=0.013 kN。

1.3.2 标准测力仪引入的标准不确定度分量u(F0)

（1）标准测力仪本身误差引入的标准不确定度分量u1(F0)

1.4 标准不确定度分量的计算

标准不确定度分量的计算结果见表2。

表2 标准不确定度分量计算结果

1.5 合成标准不确定度的计算

1.6 扩展不确定度的计算

取包含因子k=2，则扩展不确定度为：

U=k·uc（Δ）=2×0.023=0.046 kN；

1.7 测量不确定度报告与表示

电子式万能试验机力值示值误差的相对扩展不确定度为：Urel=0.16%(k=2)。

2 测量不确定度的应用

通过对电子式万能试验机力值各标准不确定度分量的分析和计算，了解电子式万能试验机力值测量结果不确定度的评定流程，但溯源证书中不确定度该如何运用，交通试验检测机构设备管理员对证书计量溯源结果的符合性确认一直存在困扰。

本研究以美特斯工业系统(中国)有限公司生产的微机控制电子万能试验机(型号：CMT4304、出厂编号：10907019)为例进行分析。

2.1 检定证书计量溯源结果的符合性确认

检定证书会直接给出检定结论，对仪器设备是否合格或其准确度等级进行判定，如本研究举例的微机控制电子万能试验机，检定证书中对力值检定结果进行了准确度等级判定(0.5 级、1 级、2 级)。 检定证书中一般没有提供不确定度， 试验检测机构确有需要时， 可以向计量机构索取检定结果的不确定度。

设备管理员在进行力值检定结果的符合性确认时，依据检测方法对仪器设备的技术要求进行计量溯源结果确认，会遇到以下几种情况。

2.1.1 按自身准确度等级进行确认

在GB/T15788-2017 《土工合成材料宽条拉伸试验方法》 中对土工合成材料进行宽条拉伸试验，需配备准确度等级为2 级或2 级以上的试验机。 实验室配备的是1 级试验机，检定证书中的检定结论为1 级，则计量溯源结果直接确认为符合要求[2]。

2.1.2 降低准确度等级进行确认

若因试验机使用年限较长， 设备出现老化现象，在检定结果不能满足1 级的要求，但符合2级的要求时，设备管理员可要求计量机构按2 级试验机进行溯源，并出具检定证书，则计量溯源结果也可直接确认为符合要求[2]。

2.2 校准证书计量溯源结果的符合性确认

2.2.1 不需用不确定度进行计量溯源结果符合性确认

设备管理员对设备校准证书进行计量溯源结果确认时，若示值误差Δ 的不确定度满足以下要求，则可不考虑示值误差评定的测量不确定度影响。

评定示值误差的不确定度(U95或k=2 时的U)与被评定测量仪器的最大允许误差的绝对值MPEV之比，应小于或等于1∶3，即满足U95≤MPEV/3 时，示值误差评定的测量不确定度对符合性评定的影响可忽略不计。

（1）当|Δ|≤MPEV 时，仪器设备的计量溯源结果可判为合格。

（2）当|Δ|＞MPEV 时，仪器设备的计量溯源结果可判为不合格[3]。

例如：依据检定规程，1 级电子式万能试验机的最大允许误差为MPE：±1%， 其中某一个校准点的示值误差为+0.9%，示值误差的扩展不确定度U95rel=0.3%，满足U95≤MPEV/3 的要求，因此，可以直接判定被校试验机在该校准点示值误差合格，不必考虑示值误差评定的不确定度U95rel=0.3%的影响。

2.2.2 需用不确定度进行计量溯源结果符合性确认

评定示值误差的不确定度(U95或k=2 时的U)与被评定测量仪器的最大允许误差的绝对值MPEV 之比大于1∶3(即U95＞MPEV/3)时，应考虑示值误差评定的测量不确定度对符合性评定的影响，可通过以下3 种判定依据进行符合性评定：

（1）当|Δ|≤MPEV-U95时，仪器设备的计量溯源结果可判为合格[3]。

例如：对0.5 级试验机进行力值校准，校准结果见表3，其最大示值误差为+0.25%，示值误差的扩展不确定度U95rel=0.22%，不满足U95≤MPEV/3 的要求，故在符合性判定时应考虑示值误差确定度的影响。 因|Δ|=0.22%，MPEV=0.5%，则|Δ|＜MPEV-U95(=0.28%)，因此，被校试验机在该校准点示值误差可判定为合格。

表3 准确度0.5 级的试验机校准数据/结果

（2）当|Δ|≥MPEV+U95时，仪器设备的计量溯源结果可判为不合格[3]。

如上述举例，校准结果如表4 所示时，其最大示值误差为+0.80%，则|Δ|＞MPEV+U95(=0.72%)，因此，被校试验机在该校准点示值误差可判定为不合格。

表4 准确度0.5 级的试验机校准数据/结果

（3）当MPEV-U95＜|Δ|＜MPEV+U95时，仪器设备的计量溯源结果处于待定区，不能下合格或不合格的结论[3]。

如上述举例，校准结果如表5 所示时，其最大示值误差为+0.50%， 则MPEV-U95＜|Δ|＜MPEV+U95，因此， 被校试验机在该校准点示值误差处于待定区，不能直接判定合格或不合格的结论。

表5 准确度0.5 级的试验机校准数据/结果

当仪器设备的计量溯源结果处于待定区，不能做出符合性判定时，可通过采用准确度等级更高的测量标准、改善环境条件、增加测量次数和改变测量方法等措施，以降低测量结果的不确定度U95，使之满足与最大允许误差绝对值MPEV 之比小于或等于1∶3 的要求，后按上述2.2.1 的方法对仪器设备计量溯源结果的符合性进行判定。

3 结语

根据对计量溯源结果符合性评定的要求，检测方法对仪器设备的准确度等级有明确规定的，实验室按照规定配置仪器设备，检测实验室应验证校准结果是否符合仪器设备准确度等级所规定的技术要求。

本研究通过阐述电子式万能试验机力值示值误差的测量不确定度评定及其在交通运输行业中的应用，论述了测量不确定度的评定流程，分析了测量不确定度对计量溯源结果符合性判定的影响，明确在不同条件下应采用相应不同的判定依据进行符合性判定，可为相关计量、试验检测技术人员进行不确定度评定及计量溯源结果确认工作提供一定的参考。