劉虹君 闞 飛 東 方

工業(yè)和信息化部電子第五研究所 廣東廣州 511370

隨著我國社會的進步與發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平也得到了大力的改變和提高，國家基礎(chǔ)建設(shè)的不斷推進，使得我國的工業(yè)技術(shù)和工程技術(shù)發(fā)生了巨大的變革。在這些技術(shù)之中測量不確定度分析得到了社會多方面的關(guān)注，在力學(xué)計量中發(fā)揮著越來越重要的作用。測量不確定度分析的運用增加了工程中數(shù)據(jù)的準確性與可控性，使得社會上相關(guān)行業(yè)的工作變得更加快捷、安全、可靠，改進工作質(zhì)量增強工作效率，推動了社會的進步和發(fā)展。文章根據(jù)測量不確定度分析在力學(xué)計量中的應(yīng)用做了相關(guān)分析，以期為各項檢測工作提供幫助。

一、測量不確定度評估

在測量不確定度評估中，其中的參數(shù)也能夠作為標準偏差數(shù)據(jù)或者以其倍數(shù)值的形式存在。測量不確定度并非一個固定的數(shù)值，而是眾多不同分量共同組合存在的一種形式。一方面，部分的分量可以運用測量值進行統(tǒng)計其分布范圍，利用測量不確定度的相關(guān)標準進行判定，同時也可以表現(xiàn)為標準差的形式。另一方面，這些分量也能夠依照經(jīng)驗或者根據(jù)相關(guān)信息通過概率密度函數(shù)進行計算，從而得出準確參數(shù)，然后根據(jù)不確定度標準進行下一步的評定，與上一種一樣表現(xiàn)為標準差的形式。在相關(guān)工程技術(shù)中，對于一組已定的信息數(shù)據(jù)，去測量不確定度，則被測量的值改變將引起相對的不確定度的變化。在進行相關(guān)測量工作中，測量誤差能夠準確反映出測量結(jié)果的優(yōu)劣，因此，在測量不確定度評估工作中，通暢利用測量誤差進行判定，但是測量誤差僅僅能夠在短期質(zhì)量中進行相關(guān)測量反應(yīng)。因此，在實際工作中需要使得測量過程長期受到合理控制，保持測量結(jié)果的相對穩(wěn)定，就需要進行測量不確定度進行協(xié)助。在進行測量工作中，測量能力的水平高低同測量不確定度關(guān)系密切，測量能力較強的情況下，測量不確定度相對就較小；測量能力較弱的情況下，測量不確定度則相對較強。在測量過程中，測量不確定度不論范圍多少，其中必然需要包含一個真值，在一般情況下用約定真值作為替代，否則測量過程就會失去意義。測量不確定度從表面詞義上進行描述，代表著對測量結(jié)果的可信程度、測量有效性或者對測量成果的不認可。因此，測量不確定度作為一個定量，能夠表述測量結(jié)果的好壞。在現(xiàn)實社會中，實際上的工程、生產(chǎn)等多個相關(guān)行業(yè)中，人們對測量的不完善和測量不確定度的認識淺薄，導(dǎo)致進行測量后得出的測量值并不能完全統(tǒng)一，常常出現(xiàn)分散性的情況，簡單描述為每次測量結(jié)果不盡相同，而是以一定的概率在特定區(qū)域內(nèi)進行分布。由于技術(shù)水平和我們的認知程度，導(dǎo)致在生產(chǎn)、工程等工作中我們認為這些測量不確定度以不同的概率分布于不同的區(qū)域之中，這樣的分布意味著參數(shù)的分散性。因此，表征被測量的值具有分散性，就是測量不確定度的重要作用，它并不能準確的描述測量結(jié)果與真實值之間的關(guān)系。標準偏差可以用來作為測量不確定度的表現(xiàn)方式，在現(xiàn)實的生產(chǎn)過程中，通常為了生產(chǎn)、工程等的工作需要，需要知曉測量結(jié)果參數(shù)所在的置信區(qū)間。

二、校準模型

測量的數(shù)據(jù)被合理的賦予了分散性，使得測量不確定與測量結(jié)果之間互相關(guān)聯(lián)，共同成長。測量不確定還可以用于表征置信水準的區(qū)間半寬度，同樣也可以推算出測量結(jié)果在這個區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的概率。比如檢測人員技術(shù)水平、儀器設(shè)備的精準度、測量方法的選擇、環(huán)境條件、溫度條件、材料材質(zhì)，等等，這些因素均有可能導(dǎo)致測量結(jié)果的變化。因此在檢測人員進行測量不確定度評估時，一定將可能造成影響的因素考慮進去，依據(jù)被校準儀器的特點考慮相關(guān)的影響因素，再進行準確的定量分析，運用適宜的科學(xué)統(tǒng)計方法，綜合多種因素帶來的影響量值進行統(tǒng)計整理，從而取得校準結(jié)果的測量不確定度，這是在進行評估測量不確定度時候的常用思路。在檢測實驗室中，為了保證檢測結(jié)果的準確性和檢測活動的科學(xué)性，需要對測量器具進行量值溯源工作，檢定和校準是量值溯源的兩種主要形式，還有自校準作為前兩種形式的補充方式，也存在與許多監(jiān)測實驗室的工作當(dāng)中。根據(jù)實驗室中內(nèi)部自校準規(guī)程，檢測人員嚴格依據(jù)自校準規(guī)程開展工作，并根據(jù)要求出具合格的校準報告。在檢測工作中只有儀器在校準時間內(nèi)經(jīng)過校準才能投入使用，保證檢測活動中數(shù)據(jù)的準確性、科學(xué)性，為工程、生產(chǎn)的安全進行保駕護航。為了自校準的數(shù)據(jù)能夠確?？茖W(xué)性和有效性，就必須進行相應(yīng)的不確定度的測評。

三、關(guān)鍵比對的測量

在進行關(guān)鍵比對過程中，全球并沒有形成統(tǒng)一的模式，雖然現(xiàn)階段全球一體化被不斷推行，但是各個國家計量機構(gòu)都被看做不同的測試結(jié)果。在進行關(guān)鍵對比測量進程中，其估計值深受隨機性的影響，而這種隨機影響與其他因素沒有關(guān)系，當(dāng)然系統(tǒng)影響也在其中，所以就可以作為國家計量機構(gòu)的多種測量之中。舉例說明為，當(dāng)一個國家的計量機構(gòu)M提出了測量結(jié)果，另一家計量機構(gòu)N則提出另一個測量結(jié)果，則會產(chǎn)生第二個來源的協(xié)方差。從實際角度出發(fā)，協(xié)方差的出現(xiàn)能夠?qū)蓚€變量總體的誤差進行描述。如果這兩個變量的趨向保持一個方向，則此時兩個變量之間協(xié)方差為正；如果兩個變量趨向方向相佐，則此時的協(xié)方差為負。那么無論第三方計量機構(gòu)Q參不參與這次比較，則當(dāng)M和N兩個計量機構(gòu)都從第三方計量機構(gòu)Q中獲取可追溯性的時候，同樣會發(fā)生這種情況。

四、測量不確定度在力學(xué)計量校準中的重要性

測量結(jié)果中關(guān)鍵參數(shù)的準確表述能夠為實際工作提供重要的判斷依據(jù)，而測量不確定度則可以實現(xiàn)這種準確表述的功能。當(dāng)測量檢測完成以后，測量不確定度能夠?qū)y量結(jié)果的穩(wěn)定性、可靠性、準確性進行全面的判定。因此，測量不確定度能夠?qū)ΡO(jiān)測和測量工作的后期環(huán)節(jié)帶來重要影響。在實際操作過程中，常常出現(xiàn)測量不充分或者測量程序中存在缺陷等因素，導(dǎo)致測量值分布較為零散，甚至每次測量完成后，測量結(jié)果互不相同。在此情況之下，可以將各項測量值進行歸類，能夠間接反映出一些測量值以一定的概率出現(xiàn)在某一個數(shù)值區(qū)域之內(nèi)的情況。為了保證測量不確定度的分散性和關(guān)聯(lián)性等特性，在測量中具有更加確切的描述和研究價值，則可以運用一些標準偏差對這些測量不確定度進行表述，由此而發(fā)展成為標準不確定度、相對標準不確定度、合成標準不確定度以及擴散標準不確定度四種形式。這四種不確定度則分別對應(yīng)這各自的標準程度，能夠?qū)z測和測量結(jié)果的穩(wěn)定性、可靠性起到關(guān)鍵性作用。

五、測量不確定度在力學(xué)計量中的應(yīng)用

(一)設(shè)計測量不確定度的流程

為了文章閱讀的流暢性與簡潔性，下面將利用實驗的方式，在力學(xué)計量中應(yīng)用測量不確定度進行觀測。測量不確定度的流程可以分為四個過程，首先是進行數(shù)學(xué)建模，其次是進行不確定度溯源，再次是進行A類評定方法，最后則是進行B類評定方法，以上共計四個過程。當(dāng)進行第一個過程，也就是數(shù)學(xué)模型的建立時，運用測量不確定度對力學(xué)計量做詳細分析，應(yīng)當(dāng)建立一個與之匹配的數(shù)學(xué)模型，才能進行下一個步驟的順利開展。建立的數(shù)學(xué)模型當(dāng)中包含了與不確定度有關(guān)的作用因素，既能夠準確把控整體測量結(jié)果，又便于記憶相應(yīng)的參與內(nèi)容，有效避免單獨數(shù)據(jù)和參數(shù)重復(fù)出現(xiàn)的情況發(fā)生。第二個模塊則是分析不確定度的來源，結(jié)合第一個模塊中創(chuàng)建的數(shù)學(xué)模型，能夠準確進行多個關(guān)鍵影響分量的計算，這些分量的作用能夠保證流程不會被遺漏更不會被重復(fù)，一旦出現(xiàn)遺漏情況，則測量不確定度的范圍將會變大，對后期的驗證造成困難。

(二)材料實驗機示值誤差測量結(jié)果的不確定度評定

材料實驗機能夠?qū)Χ喾N金屬材料、非金屬材料、復(fù)合材料、機器部件、工程構(gòu)件等物體開展機械性能、工藝特點、內(nèi)部情況等多種數(shù)據(jù)的精確監(jiān)測，并且可以根據(jù)物體所處環(huán)境進行模擬環(huán)境和條件的測量。因此，材料試驗機是一種不可或缺的十分重要的檢測儀器，材料實驗機能夠為人們探究發(fā)明新材料、發(fā)現(xiàn)新的制作工藝、發(fā)現(xiàn)新的科學(xué)技術(shù)和新的物質(zhì)結(jié)構(gòu)方面起到十分重要的作用。材料實驗機對金屬和非金屬以及多種復(fù)合材料可以進行拉伸、壓縮、彎曲、切割、剝離、張拉等多項靜力學(xué)性能測試和分析研究，并能夠根據(jù)GB、ISO、DIN、ASTM、JIS等多項國內(nèi)、國際標準化組織的標準進行試驗，并提供所需的各項數(shù)據(jù)。對示值測量結(jié)果運用材料試驗機進行不確定度評測，其測量方案主要有三個板塊，第一個板塊是進行測量準備工作，將專業(yè)材料實驗機作為試驗的目標，將多項環(huán)境參數(shù)分別設(shè)定為：溫度10～35℃、濕度≤80%、測試環(huán)境內(nèi)溫度差不得超出2℃。第二個板塊是建立測量機制。對選定的材料實驗機和測力裝置進行外部力的加載，當(dāng)加載的外力數(shù)值達到一定標準后，進行實驗數(shù)據(jù)的讀取和記錄。第三個板塊是測量手段的選用和具體程序的設(shè)定。對選定的材料實驗機監(jiān)測空間的對應(yīng)量程序進行調(diào)整，由20%逐步增大，直到材料實驗機的極限值為止。

(三)千斤頂?shù)牟淮_定度評定

在生產(chǎn)、建筑、運輸?shù)榷鄠€行業(yè)之中，千斤頂都是其中常見的一種工具，千斤頂借助液壓原理，可以提供不同位置的壓力幫助，進行力量的由小至大轉(zhuǎn)變，還可以依據(jù)所處位置的特點進行壓強的增加，能夠起到以小博大的效果，因此千斤頂?shù)牟淮_定度評定具有十分重要的意義和作用。當(dāng)進行千斤頂?shù)牟淮_定度評定時，一般可以分為三個步驟：第一個步驟進行實驗的準備工作，實驗的目標選用相應(yīng)規(guī)格與參數(shù)的千斤頂，首先標記各千斤頂?shù)男阅軈?shù)，方便后續(xù)工作中與實驗的數(shù)據(jù)進行對比，保證實驗結(jié)果的可靠性、科學(xué)性；第二個步驟總結(jié)實驗原理。千斤頂產(chǎn)生的作用力，出自油泵對對應(yīng)裝置供油產(chǎn)生的作用，因此可知，在此次實驗中應(yīng)當(dāng)記錄千斤頂外部施力的相關(guān)數(shù)據(jù)；第三個步驟選取適合的測量方法并制定具體實驗程序，對選取的千斤頂中油管、壓力表等部件給予連接處理，然后將千斤頂安放在實驗結(jié)構(gòu)的中間部分，使得千斤頂與標準器緊密相連，最后開啟油泵進行工作，將外部作用力釋放出來。

(四)混凝土回彈儀率定值測量結(jié)果的不確定度評定

混凝土回彈儀屬于建筑施工中蟬蛹的檢測設(shè)備，主要用于進行混凝土的抗壓能力測試，鑒于混凝土在建筑施工項目中的普遍應(yīng)用，由此可知，混凝土回彈儀在建筑施工的質(zhì)量保證和安全保證以及正常施工方面具有不可替代的重要作用。其檢測工作具有專業(yè)性、科學(xué)性、嚴密性等多項特點。由于建筑施工項目中對混凝土的大量使用，使得混凝土回彈儀的測量結(jié)果廣泛運用于建筑施工項目中的各個環(huán)節(jié)當(dāng)中，比如：建筑構(gòu)配件、橋梁、房屋建筑等。在對混凝土回彈儀率定值測量結(jié)果進行測量不確定度評估工作中，由于混凝土回彈儀的基本原理和監(jiān)測特性，導(dǎo)致其工作中包含多項技術(shù)指標，是較為復(fù)雜的一種力學(xué)計量儀器，所以混凝土回彈儀的校準環(huán)境以及溫度要求都較為嚴格?；炷粱貜梼x的校準溫度應(yīng)當(dāng)控制在20℃左右，并且對鋼鉆的硬度也應(yīng)當(dāng)進行密切關(guān)注。

(五)測量不確定度在工程力學(xué)中數(shù)據(jù)的相關(guān)問題的研究

首先，對于有效數(shù)字在測量不確定度評定數(shù)據(jù)中的問題。數(shù)字往往具有許多近似數(shù)，可以將這些數(shù)字進行分類管理，依照循環(huán)小數(shù)與不循環(huán)小數(shù)兩個大類進行保存。針對不準確度測量過程中，儀器的顯示屏數(shù)字，其概念和位數(shù)取決于儀器本身的設(shè)定，一般為讀取和保存數(shù)字的倍數(shù)。因此，還需要進一步對數(shù)字進行分析，如果經(jīng)過一次測驗后得出的數(shù)值為不確定度，那么就需要對不確定范圍進行分析，如此方能得到大致的數(shù)據(jù)范圍。其次，針對測量不確定度的修約規(guī)則。數(shù)字如果需要進行修約，則需要根據(jù)實際需求進行位數(shù)的保留，對其他位數(shù)進行計算，對數(shù)字中的取舍進行驗證，利用相應(yīng)的修約數(shù)來取代擬修約數(shù)，這就是數(shù)值修約的概念。最后，近似數(shù)的運算。第一步可以利用減法進行運算，但是數(shù)據(jù)的數(shù)量不能大于10，并且選擇此種方式運算最為簡單。第二步可以用乘除法進行運算，近似數(shù)運算進行時，一般利用數(shù)字較少的近似數(shù)作為此次運算中的參考數(shù)據(jù)，對于其他數(shù)據(jù)則可以多留出一位有效位。

結(jié)語

在當(dāng)今全球一體化的大背景下，測量不確定度的評定依靠建立測量模型完成，將力學(xué)計量校準工作中的測量不確定度重要性進行觀察分析，利用各種材料通過實驗總結(jié)出參考數(shù)據(jù)，研究出工程力學(xué)中測量不確定度的相關(guān)問題，從多個方面和層次分析測量不確定度在力學(xué)計量中的應(yīng)用，使得測量不確定度能夠更好地在力學(xué)計量中發(fā)揮其重要的作用。