劉香斌 陳建軍 吳月艷 張旭東
(1.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院,北京 100029;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)計(jì)量測(cè)試研究院,呼和浩特 010020)
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量塊比較測(cè)量的不確定度評(píng)定
劉香斌1陳建軍2吳月艷1張旭東1
(1.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院,北京 100029;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)計(jì)量測(cè)試研究院,呼和浩特 010020)
量塊比較測(cè)量是幾何量計(jì)量中最基本的測(cè)量項(xiàng)目,在幾何量計(jì)量領(lǐng)域的論文、雜志、文件、報(bào)告中都有量塊比較測(cè)量不確定度的評(píng)定實(shí)例。但是,這些實(shí)例中都會(huì)有或大或小的不同,給人們產(chǎn)生測(cè)量不確定度就是不確定的錯(cuò)覺(jué)。通過(guò)對(duì)大量實(shí)例的研究和分析,發(fā)現(xiàn)一些容易產(chǎn)生誤解和錯(cuò)誤的地方。本文將就規(guī)程、規(guī)范等文件中評(píng)定實(shí)例的不同和容易產(chǎn)生疑惑的地方進(jìn)行解析,并介紹量塊比較測(cè)量不確定度評(píng)定中需要注意的方面。
量塊;量塊比較儀;校準(zhǔn)規(guī)范;測(cè)量不確定度
在很多文獻(xiàn)中經(jīng)??吹搅繅K比較測(cè)量不確定度評(píng)定的實(shí)例。同樣的量塊比較測(cè)量卻有著各種不同的不確定度評(píng)定實(shí)例。這些不同版本的評(píng)定給從事量塊測(cè)量的技術(shù)人員帶來(lái)很大的疑惑。通過(guò)對(duì)大量的文獻(xiàn)及實(shí)際報(bào)告等內(nèi)容的研究分析,發(fā)現(xiàn)其中容易產(chǎn)生誤解和錯(cuò)誤的地方。依據(jù)JJF 1059.1—2012《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》對(duì)量塊比較測(cè)量不確定度評(píng)定進(jìn)行分析梳理,力求解除這些疑惑。
不確定度評(píng)定的依據(jù)是國(guó)家計(jì)量技術(shù)規(guī)范JJF 1059.1—2012《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》和JJF 1059.2—2012《用蒙特卡洛法評(píng)定測(cè)量不確定度》。通過(guò)對(duì)規(guī)范的學(xué)習(xí)可認(rèn)為量塊比較測(cè)量依據(jù)JJF 1059.1即可。
依據(jù)規(guī)范測(cè)量不確定度評(píng)定的一般流程是五個(gè)步驟。第一步:分析測(cè)量不確定度來(lái)源和建立測(cè)量模型(JJF 1059—1998中稱“數(shù)學(xué)模型”);第二步:評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)不確定度;第三步:計(jì)算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度;第四步:確定擴(kuò)展不確定度;第五步:報(bào)告測(cè)量結(jié)果。
量塊比較測(cè)量的不確定度評(píng)定可以分為兩種:一種是對(duì)于某個(gè)具體的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行評(píng)定;第二種是針對(duì)某類或某種比較測(cè)量進(jìn)行評(píng)定,以期同種類的測(cè)量都采用該評(píng)定結(jié)果。實(shí)際應(yīng)用中多是第二種情況。本文以第二種情況來(lái)進(jìn)行討論。
由于量塊比較測(cè)量也有其多樣性,建議其測(cè)量不確定度評(píng)定采用以下六個(gè)步驟。第一步:測(cè)量?jī)?nèi)容的描述;第二步:分析測(cè)量不確定度來(lái)源和建立測(cè)量模型;第三步:評(píng)定各影響量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度(和自由度),第四步:計(jì)算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度(和有效自由度);第五步:確定擴(kuò)展不確定度;第六步:報(bào)告測(cè)量結(jié)果。
比照國(guó)家計(jì)量技術(shù)規(guī)范JJF 1059.1的一般流程,上述步驟主要增加了對(duì)測(cè)量?jī)?nèi)容的描述,增加這一步驟的理由如下。通過(guò)對(duì)大量評(píng)定實(shí)例的分析發(fā)現(xiàn)很多版本評(píng)定的差別產(chǎn)生原因是測(cè)量?jī)?nèi)容不同造成的。此處僅舉一例說(shuō)明:JJF 1059.1—2012《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》規(guī)范中附錄A.3.1量塊的校準(zhǔn),l≈ls+d-ls(δaθ+asδθ)是不確定度評(píng)定的測(cè)量模型,其中符號(hào)l和ls分別為被測(cè)和標(biāo)準(zhǔn)量塊的長(zhǎng)度;d為長(zhǎng)度差的讀數(shù);δa為量塊熱膨脹系數(shù)差;θ為被測(cè)量塊溫度與20℃的差值;as為標(biāo)準(zhǔn)量塊的熱膨脹系數(shù);δθ為量塊溫度差。JJG 146—2011《量塊》檢定規(guī)程的附錄E.2中量塊比較方法測(cè)量不確定度評(píng)定的測(cè)量模型是l=ls+rω-lsasΔt-lsΔa (t-20)-δs(ΔPs)+δ(ΔP)。其中符號(hào)與前式表示內(nèi)容不同的是rω對(duì)應(yīng)的就是d,代表長(zhǎng)度差的讀數(shù);Δt就是δθ,代表量塊溫度差;t為被測(cè)量塊的溫度;Δa 就是δa,代表量塊熱膨脹系數(shù)差;δs(ΔPs)和δ(ΔP)分別代表標(biāo)準(zhǔn)和被測(cè)量塊由于測(cè)點(diǎn)位置的偏差引入的誤差。二者的明顯區(qū)別是后者多考慮了由于測(cè)點(diǎn)位置的偏差及量塊長(zhǎng)度變動(dòng)量的存在引入的測(cè)量不確定度分量。該項(xiàng)分量通常占了合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的1/3以上。這樣大的差別讓讀者產(chǎn)生極大的疑惑,無(wú)所適從。經(jīng)過(guò)分析研究發(fā)現(xiàn):這個(gè)問(wèn)題產(chǎn)生的根源就是沒(méi)有適當(dāng)?shù)臏y(cè)量?jī)?nèi)容的描述。量塊規(guī)程的實(shí)例是根據(jù)我國(guó)量塊檢定的普遍現(xiàn)狀編寫的,考慮測(cè)點(diǎn)位置偏差影響是必須的,通常在進(jìn)行量塊相關(guān)的計(jì)量活動(dòng)時(shí)以參考該文件為準(zhǔn)。不確定度評(píng)定規(guī)范中的實(shí)例來(lái)自于國(guó)際文件,其適用情況是國(guó)外的現(xiàn)狀。它缺少測(cè)點(diǎn)位置偏差影響不能看為是遺漏,更不能認(rèn)為是錯(cuò)誤,而是其在測(cè)量中采用了減小該項(xiàng)影響的方法,所以忽略該項(xiàng)。國(guó)外的量塊比較儀通常都有量塊的定位架,定位精度在0.1mm以內(nèi),因此測(cè)點(diǎn)位置偏差影響可以忽略。購(gòu)買并使用該類量塊比較儀進(jìn)行量塊比較測(cè)量時(shí),其測(cè)量不確定度分析時(shí)可以忽略此項(xiàng)。
因此,測(cè)量?jī)?nèi)容的描述必不可少。其內(nèi)容主要應(yīng)有使用的儀器、標(biāo)準(zhǔn)器,被測(cè)對(duì)象,測(cè)量方法(如測(cè)量次數(shù)及取值方法)和測(cè)量環(huán)境條件等。這些內(nèi)容不同時(shí)會(huì)帶來(lái)測(cè)量不確定度評(píng)定的不同。
測(cè)量不確定度來(lái)源通常從以下幾方面考慮:計(jì)算公式、理論(方法)誤差和溫度等條件。
分析清楚不確定度來(lái)源后就要建立測(cè)量模型。不能用計(jì)算公式代替測(cè)量模型。至少應(yīng)該將每一個(gè)不能忽略的影響量都考慮到測(cè)量模型中且盡量轉(zhuǎn)化成互不相關(guān)的量。建議不要將多個(gè)影響因素放在一個(gè)影響量中,在標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定時(shí)再分別計(jì)算然后合成,這樣容易重復(fù)和遺漏。如測(cè)量模型僅以計(jì)算公式l=lc+d表示,d包括了除標(biāo)準(zhǔn)量塊外的所有影響因素。這時(shí)d中包含的影響量在評(píng)定時(shí)就容易重復(fù)和遺漏。
測(cè)量模型建立后,就要按順序進(jìn)行各影響量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定。如果模型建立過(guò)于簡(jiǎn)單,評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)不確定度時(shí)反而變得復(fù)雜。本文以量塊檢定規(guī)程附錄中的數(shù)學(xué)模型為例分析針對(duì)各項(xiàng)影響量的注意事項(xiàng),l=ls+Δl-lsasΔt-lsΔa (t-20)-δs(ΔPs)+δ(ΔP),(該數(shù)學(xué)模型現(xiàn)在應(yīng)稱為測(cè)量模型)以便于進(jìn)行相關(guān)測(cè)量不確定度評(píng)定時(shí)參考。
4.1 標(biāo)準(zhǔn)量塊中心長(zhǎng)度ls的標(biāo)準(zhǔn)不確定度和自由度
標(biāo)準(zhǔn)量塊中心長(zhǎng)度一般來(lái)源于檢定結(jié)果,如2等檢定結(jié)果,U99=0.05μm+0.5×10-6l。有的證書(shū)會(huì)給出k值,如k=2.7,這時(shí)可直接使用。通常證書(shū)上得不到k值,這時(shí)就需要確定k值或者其分布情況。在沒(méi)有足夠信息來(lái)確定的情況下應(yīng)按均勻分布計(jì)算。
需要注意的是量塊長(zhǎng)度年變化量是否需要考慮,如何考慮?通常情況下可以不考慮,當(dāng)量塊長(zhǎng)度年變化量較大時(shí),需要考慮。處理方法一是進(jìn)行修正,二是減小k值或加大相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度的估計(jì)值,三是增加一個(gè)影響量與中心長(zhǎng)度不確定度合成。
通常自由度可以不計(jì)算,只有在需要時(shí)才進(jìn)行評(píng)定。當(dāng)需要時(shí)我們應(yīng)該會(huì)評(píng)定,因此,這里簡(jiǎn)單介紹自由度確定的方法。A類評(píng)定時(shí)計(jì)算實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差的測(cè)量次數(shù)減1就是自由度,在計(jì)算合并樣本標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)的測(cè)量次數(shù)減測(cè)量組數(shù)就是自由度。B類評(píng)定時(shí),通常是估計(jì)其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度,然后按公式計(jì)算自由度。
估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)量塊中心長(zhǎng)度不確定度分量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度時(shí)要考慮檢定次數(shù)、檢定單位的可靠程度、檢定是否固定為一個(gè)單位、歷次檢定結(jié)果的變化情況(或年變化量)、修理情況等因素在10%到50%之間選取。
4.2 長(zhǎng)度差讀數(shù)Δl的標(biāo)準(zhǔn)不確定度
長(zhǎng)度差讀數(shù)的不確定度來(lái)源主要是:示值誤差、重復(fù)性、分辨率。其他影響因素都可獨(dú)立評(píng)定,不宜加入其中。通常以示值誤差最大允許值來(lái)代表長(zhǎng)度差讀數(shù)的不確定度是足夠的。因?yàn)槭局嫡`差最大允許值包含了重復(fù)性、非線性誤差和比例系數(shù)誤差等。
對(duì)于使用測(cè)長(zhǎng)機(jī)比較測(cè)量100mm以上大量塊的情況,需要增加評(píng)定重復(fù)性分量。因?yàn)?,使用測(cè)長(zhǎng)機(jī)比較測(cè)量大量塊時(shí),長(zhǎng)度差讀數(shù)不僅取決于儀器本身,還受人員操作的影響,且影響會(huì)比較大,所以必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定其重復(fù)性的影響量。
對(duì)于重復(fù)性為零或者接近為零的情況,應(yīng)該用分辨率來(lái)代替重復(fù)性。
從各種實(shí)例中看,這個(gè)不確定度分量的評(píng)定方式方法最多,問(wèn)題也最多。
問(wèn)題一:多數(shù)實(shí)例都是用A類評(píng)定,實(shí)際上不必要。在實(shí)際應(yīng)用中能用B類的就不必用A類。因?yàn)椋?)各種舉例中都以此項(xiàng)作A類評(píng)定主要是為了介紹A類評(píng)定方法,其他項(xiàng)很難用A類評(píng)定;2)A類評(píng)定的測(cè)量試驗(yàn)實(shí)際上很難得到希望的結(jié)果。3)A類評(píng)定的測(cè)量試驗(yàn)有些很難做或成本較高。例如:如果用A類評(píng)定做比較測(cè)量0.5~100mm3等量塊的實(shí)驗(yàn)。首先是量塊長(zhǎng)度的選擇問(wèn)題,如果選擇尺寸大的量塊做實(shí)驗(yàn),則溫度等的影響會(huì)混在其中,增大重復(fù)性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其次是量塊長(zhǎng)度變動(dòng)量大小的選擇問(wèn)題。如選擇長(zhǎng)度變動(dòng)量較大的量塊做實(shí)驗(yàn),也會(huì)增大重復(fù)性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
問(wèn)題二:做重復(fù)性實(shí)驗(yàn)時(shí)的重復(fù)讀數(shù)是否移動(dòng)量塊,如果不移動(dòng)量塊,測(cè)量結(jié)果是所謂的“示值變動(dòng)性”,僅包含測(cè)頭(或上測(cè)頭)的重復(fù)性,不能代表實(shí)際測(cè)量時(shí)的重復(fù)性。應(yīng)該每次將量塊移出移入進(jìn)行讀數(shù),測(cè)量的才是實(shí)際重復(fù)性。這樣做的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,因?yàn)樵黾恿肆繅K下工作面與工作臺(tái)(或下測(cè)頭)接觸的重復(fù)性及測(cè)點(diǎn)位置的重復(fù)性,所以要大于前者。這里包含的測(cè)點(diǎn)位置的重復(fù)性也是量塊長(zhǎng)度變動(dòng)量會(huì)混在其中增大實(shí)驗(yàn)結(jié)果的原因,所以應(yīng)選擇量塊長(zhǎng)度變動(dòng)量較小的量塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
問(wèn)題三:按B類評(píng)定時(shí),示值誤差最大允許值也有兩種情況:一種是按照校準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行校準(zhǔn)的儀器滿足的最大允許示值誤差,只考慮示值誤差一項(xiàng)即可;另一種是采用相關(guān)規(guī)程采用配對(duì)法進(jìn)行檢定的儀器滿足的最大允許示值誤差。由于配對(duì)法會(huì)通過(guò)平均效應(yīng)大大減小測(cè)量重復(fù)性的影響,因此,此種檢定結(jié)果的最大示值誤差會(huì)被減小。建議這種情況應(yīng)該增加測(cè)量重復(fù)性實(shí)驗(yàn),與示值誤差合成來(lái)代表長(zhǎng)度差的讀數(shù)不確定度。例如:使用接觸式干涉儀。如果采用《接觸式干涉儀》檢定規(guī)程進(jìn)行檢定,滿足示值誤差小于1.5niΔl /l ,則可以只考慮示值誤差一項(xiàng)。如果僅滿足小于(0.03μm+1.5niΔl /l ),則需要再增加考慮重復(fù)性的影響。
問(wèn)題四:通常比較測(cè)量是被測(cè)與標(biāo)準(zhǔn)量塊標(biāo)稱長(zhǎng)度都是相同的。由于一些新的量塊比較儀示值范圍擴(kuò)大到10mm甚至更長(zhǎng),所以,出現(xiàn)比較測(cè)量的量塊長(zhǎng)度差很大的情況,這時(shí),由于不能滿足Δl遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于l,測(cè)量模型就會(huì)改變,而且變得很繁雜。因此,建議比較測(cè)量的量塊長(zhǎng)度差應(yīng)小于0.5mm。
4.3 標(biāo)準(zhǔn)量塊的線膨脹系數(shù)as的不確定度
量塊國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定鋼質(zhì)量塊線膨脹系數(shù)為(11.5±1)×10-6,通常認(rèn)為as在±1×10-6范圍內(nèi)是等概率分布。如何獲得標(biāo)準(zhǔn)與被測(cè)量塊溫差Δt的問(wèn)題,應(yīng)該是在正常工作情況下測(cè)量其溫差得到溫差范圍,取其最大值為溫差Δt代入公式計(jì)算。也可參考已有的試驗(yàn)結(jié)果,這時(shí)要注意該結(jié)果對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)條件等要與實(shí)際的測(cè)量情況吻合,否則會(huì)產(chǎn)生誤差。
4.4 溫度差Δt引入的不確定度
溫度最大差應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)得到。在正常的工作情況下,即適當(dāng)?shù)臏囟绕胶鈺r(shí)間、穩(wěn)定的溫度環(huán)境條件和正確的測(cè)量程序,通常可以認(rèn)為在±0.04℃范圍內(nèi)等概率分布。
4.5 量塊溫度t的不確定度
量塊溫度可以測(cè)量,以其測(cè)量不確定度計(jì)算。如果不測(cè)量,可以以測(cè)量環(huán)境的溫度范圍來(lái)計(jì)算量塊溫度的不確定度。
尺寸較大的量塊比較測(cè)量應(yīng)測(cè)量或監(jiān)控量塊的溫度情況。
4.6 線膨脹系數(shù)差Δa 的不確定度
依據(jù)量塊國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,線膨脹系數(shù)差認(rèn)為在±2×10-6范圍內(nèi)符合三角分布。量塊溫度t應(yīng)取實(shí)際工作中偏離20℃最大點(diǎn),通??梢杂脺y(cè)量環(huán)境溫度偏離20℃的最大值代表。
4.7 被測(cè)量塊的測(cè)點(diǎn)位置(量塊長(zhǎng)度變動(dòng)量)δ(ΔP)的不確定度
測(cè)點(diǎn)位置偏離中心點(diǎn)的大小,正常工作情況下可以認(rèn)為在半徑1mm范圍內(nèi);確保仔細(xì)對(duì)中情況下可以估計(jì)在半徑0.5mm范圍內(nèi);再要縮小范圍需要采取定位器等輔助工具才能達(dá)到。長(zhǎng)度變動(dòng)量的取值可以用測(cè)量范圍內(nèi)長(zhǎng)度最大量塊的長(zhǎng)度變動(dòng)量的值;也可對(duì)于不同長(zhǎng)度量塊用其各自的值;還可以擬合一個(gè)近似的線性公式代替。需要注意的是估計(jì)最大值出現(xiàn)的幾種可能性。通??梢怨烙?jì)兩種情況,一種是:?jiǎn)蜗騼A斜,即一邊長(zhǎng)一邊短;另一種是:塌邊或凹心,即中間長(zhǎng)兩邊短或中間短兩邊長(zhǎng)。由于第二種情況影響更大,所以,不確定度估計(jì)是以第二種情況發(fā)生在短邊方向上的極限情況估計(jì)。計(jì)算方法如下:設(shè)長(zhǎng)度變動(dòng)量是h,則最大影響量是:h×1/((9-0.8×2)/2)=h/3.7。式中1是測(cè)點(diǎn)位置偏離半徑1mm,9是量塊短邊寬度9mm,0.8是長(zhǎng)度變動(dòng)量不包括量塊邊緣0.8mm的范圍,0.8×2是表示兩個(gè)邊,除以2是求短邊半寬度。
4.8 標(biāo)準(zhǔn)量塊的測(cè)點(diǎn)位置(量塊長(zhǎng)度變動(dòng)量)δs(ΔPs)的不確定度
與被測(cè)量塊計(jì)算方法一樣,只需換成標(biāo)準(zhǔn)量塊的長(zhǎng)度變動(dòng)量即可。
按公式計(jì)算得合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的有效自由度。
通常直接取k=2,計(jì)算擴(kuò)展不確定度U。如果需要獲得U99或U95,則根據(jù)有效自由度,查t分布表得k99或k95,計(jì)算得U99或U95。
這里需要注意計(jì)算的測(cè)量不確定度評(píng)定結(jié)果是否滿足預(yù)期的要求?即:是否小于目標(biāo)不確定度,如大于或等于目標(biāo)不確定度,則需要重新評(píng)估,簡(jiǎn)單處理的影響量可以進(jìn)一步細(xì)化得到較小的數(shù)值,以滿足小于目標(biāo)不確定度的要求。否則,需要改進(jìn)儀器、環(huán)境條件等測(cè)量程序。
最后根據(jù)不同的測(cè)量要求報(bào)告測(cè)量結(jié)果。
以上對(duì)量塊比較測(cè)量不確定度的有關(guān)問(wèn)題的介紹請(qǐng)有關(guān)人員參考,并請(qǐng)批評(píng)指正。希望計(jì)量工作者能對(duì)掌握和應(yīng)用測(cè)量不確定度評(píng)定有一定的重視。因?yàn)椋M管測(cè)量不確定度的評(píng)定不是嚴(yán)格的數(shù)學(xué)公式計(jì)算,每個(gè)評(píng)定各有不同,但是,它不是不確定的,是有很嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑u(píng)定程序和方法的。如果能很好地完成一項(xiàng)測(cè)量的不確定度評(píng)定,不僅能掌握該項(xiàng)測(cè)量的全部?jī)?nèi)容,而且還能對(duì)其測(cè)量?jī)x器、測(cè)量方法、環(huán)境條件等的選擇及組合提供依據(jù),乃至對(duì)儀器、方法或條件偏離時(shí)是否滿足測(cè)量要求給出判斷依據(jù)。
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[6] 劉香斌.從量塊比較儀單、雙測(cè)頭的異同看其校準(zhǔn)規(guī)范.計(jì)量技術(shù),2013(12)
10.3969/j.issn.1000-0771.2015.4.22