钢丝绳网紧固件镀锌层厚度测量不确定度评定

宋梦佳,尹亚豪,郭磊,苏建锋

(中钢集团郑州金属制品研究院股份有限公司,郑州 450001)

近年来,山体滑坡、岩石倒塌等自然灾害造成巨大的损失,安装防护网是有效的防护方法之一,防护网的材料是钢丝绳,连接钢丝绳的是卡扣,卡扣上的镀锌层厚度是评价钢丝绳性能的重要指标之一。镀锌层厚度的测量结果受不同类型不确定度的影响,笔者通过人员比对方法分析确定各类型不确定度对镀锌层厚度的影响,结果可为评估相应的测量结果提供参考。

1 试验材料与方法

以面积为3 m2的RX-050型钢丝绳网为研究对象,该钢丝绳网用于高速公路防护工程,对钢丝绳网中的紧固件镀锌层厚度进行测量,紧固件试样外观如图1 所示。紧固件厚度实测值为2.45 mm,测量仪器为光学显微镜,依据标准为GB/T 6462—2005 《金属和氧化物覆盖层厚度测量显微镜法》,将试样研磨、抛光后,再将其置于光学显微镜下观察,环境温度为(23±2) ℃,湿度为(35±2)%RH,随后用AxioVision SE64 Rel.4.9软件进行厚度测量。

图1 紧固件试样外观

试验方法为人员对比法,两位实验员在同一试验条件下采用同一设备对同一试样进行测量,选择具有代表性的区域,每个区域测试15个数据,结果如表1所示。

表1 紧固件镀锌层厚度测量结果 μm

2 试验结果与分析

2.1 数学模型

式中:x为钢丝绳网紧固件镀锌层厚度的输入量估计值;y为钢丝绳网紧固件镀锌层厚度的输出量估计值。

2.2 不确定度分量

用光学显微镜对钢丝绳网镀锌层厚度进行测量存在误差,误差的来源主要为:①测量材料引入的误差,主要影响因素为基体金属厚度、基体金属电导率、边缘效应、表面粗糙度等,试验中所用试样不变,该误差可以忽略不计;② 测量人员引入的误差,主要影响因素为不同人员测量时的操作、测量重复性等,属于A类不确定度;③测量仪器引入的误差,主要影响因素为图像传感器接收系统示值误差、光学显微镜系统分辨力、目镜测微尺误差等,属于B类不确定度;④ 测量方法引起的误差,主要影响因素为测量时采用的方法标准,试验统一采用标准GB/T 6462—2005,该误差可以忽略不计;⑤ 测量环境引起的误差,主要影响因素有测量时环境的温度和湿度、风速等,试验中环境条件变化小,该误差可以忽略不计。

综上所述,钢丝绳网镀锌层厚度测量不确定度主要来源[1-4]如下所述。

(1) 镀锌层不均匀性和测量重复性引入的测量不确定度分量u1(x)。采用A 类标准不确定度uA(x)评定方法进行评定。

根据贝塞尔公式,单个测得值xk的试验标准偏差s(xk),按式(2)进行计算。

式中:xi为独立测得值为n个独立测得值的算术平均值;n为重复测量的次数。

将表1测得结果代入式(2),得出人员a测量结果的标准偏差sa(xk)为0.339 0 μm,人员b测量结果的标准偏差sb(xk)为0.322 0 μm。则不确定度可代入式(3)得出。

人员a测量结果的标准不确定度u1a(x)为0.087 5 μm,人员b 测量结果的标准不确定度u1b(x)为0.083 1 μm。

(2) 紧固件在研磨、抛光过程中会出现一定斜度的横断面,根据GB/T 6462—2005附录B,覆盖层厚度d如式(4)所示。

式中:α为横断面与覆盖层表面垂直度的偏离度;d为α=0时的覆盖层厚度;d′为α≠0时覆盖层厚度的测量值。

斜度小于10°时,取算数平均值作为厚度的测量值,则误差Δd=d′-d,则人员a 的误差为0.163 μm,人员b的误差为0.164 μm,按均匀分布考虑,置信概率为100%,包含因子人员因素引起的不确定度u2a(x)为0.047 1 μm,u2b(x)为0.047 3 μm。

(3) 图像传感器接收系统示值误差引起的不确定度。在400倍放大条件下,查阅校准证书,相应的不确定度U=1.5 μm,k=2,则该项示值误差引起的不确定度u3(x)=0.75 μm。

(4) 光学显微镜的系统分辨力为0.2 μm,按均匀分布考虑,其引起的不确定度u4(x)=0.057 7 μm。

(5) 测量过程中使用的目镜测微尺会引起测量结果的不确定度相对误差为0.5%,按正态分布考虑,置信概率为95%,包含因子kp=1.960,则目镜测微尺引起的不确定度u5a(x)=0.027 μm,u5b(x)=0.028 μm。

2.3 扩展不确定度

结合式(1),输出估计值y的合成标准不确定度uc(y)如式(5)所示。

将u1(x)～u5(x)代入式(5),可得uca(y)=0.759 2 μm,ucb(y)=0.758 8 μm。

取置信概率p=95%,k=2,人员a、人员b测量的厚度扩展不确定度Ua=1.518 4 μm,Ub=1.517 6 μm。

2.4 En 值计算

对两个实验人员进行一致性评价,归一化偏差如式(6)所示。

式中:x为试验测量值;U为扩展不确定度。

得到En为-0.055,很明显|En|<1,因此对比结果间无显著差异。

3 结果与讨论

(1) 各个不确定度分量中,图像传感器接收系统示值误差引起的不确定度及镀锌层不均匀性和测量重复性引起的厚度测量结果不确定度影响较大,其他不确定度分量影响较小。因此,在进行镀锌层厚度测量时,测量人员需熟练掌握操作方法,按照标准步骤进行操作,严格按照标准及作业指导书进行试验,适当时可增加平行试验的次数,测量仪器也应定时校准,按照检定周期对仪器进行核查,在可选范围内尽量选择精密度高的仪器,提高数据准确度。

(2) 由两组人员对比试验得到的数据可知,钢丝绳的紧固件镀锌层厚度10.704 μm 的扩展不确定度为1.518 4 μm,厚度10.821 μm 的扩展不确定度为1.517 6 μm。因此,厚度10.704 μm 的测量结果(10.704±1.5184) μm 中包含了试验结果可能值的95%,厚度10.821 μm 的测量结果(10.821±1.5176) μm 中包含了试验结果可能值的95%。

(3)根据人员对比,可得|En|<1,结果满意。