路面材料强度试验仪测量结果不确定度的评定

路面材料强度试验仪测量结果不确定度的评定

吴成兰

贵州理化测试技术研究院有限公司 贵州贵阳 550000

摘要：本文对路面材料强度试验仪测量结果不确定度的评定进行了分析。

关键词：路面材料；强度试验；结果不确定度

A   加载速率示值误差测量结果的不确定度评定

1、概述

1.1 校准依据：JJF（陕）073-2021《路面材料强度试验仪校准规范》；

1.2 环境条件：温度：（15~25）℃，相对湿度：30%RH~85%RH；电源电压：（200~240）V；安装基础稳固，周围无振动、无腐蚀性介质。

1.3 测量标准：高度尺，（0~200）mm ，U=0.02mm  (k=2)，电子秒表，（0.01～3600）s，MPE：±0.07s/10min。

1.4 被校对象：路面材料强度试验仪。

1.5 校准方法：将工作台置于较低位置，设定工作台的加载速率，启动路强仪，工作台开始上升的瞬间停止运行，用高度卡尺测量工作台的初始高度值。启动路强仪同时开启秒表，工作一定时间（设定加载速率50mm/min，工作时间为1min，设定加载速率1mm/min或2mm/min，工作时间为5min），关闭路强仪同时停止计时，用高度卡尺测量工作台的停止高度值，两个高度值之差的绝对值与上升时间之比即为加载速率。每种加载速率测量3次，取3次测量中示值误差绝对值最大的作为校准结果。此处以加载速率50mm/min为例来评定不确定度。

2、数学模型

式中：---示值误差，mm/min；V---设定值，mm/min；---加载速率测量值，mm/min；---工作台上升高度，mm；---电子秒表示值，s。

3、灵敏度系数 

路强仪加载速率设定值为50mm/min，上升高度=50mm，所用时间t=1min。

4、输入量的标准不确定度评定

4.1测量重复性引入的不确定度

用高度卡尺和电子秒表作为标准器，对路强仪的加载速率进行测量，路强仪加载速率设定值为50mm/min。在重复性条件下进行10次测量，得到测量结果见下表：

计算得到s=0.114 mm/min。

实际测量过程中以三次测量中示值误差最大的作为测量结果，故：

mm/min

4.2标准器不准确引入的不确定度u(x0)

高度卡尺的扩展不确定度U=0.02mm  (k=2)；电子秒表10min内最大允许误差土0.07s，区间半宽度a2=0.07s。按均匀分布估计，包含因子k=，由标准器示值误差引入的不确定度：

  mm

  min

5、合成标准不确定度

以上各分量互不相干，则合成标准不确定度为：

mm/min                                                       

6、扩展不确定度的评定

取包含因子k=2，则扩展不确定度为：

mm/min

换算为相对扩展不确定度：

加载速率其他校准点的测量不确定度参照上述方法进行评定。

7、校准与测量能力表示

加载速率测量结果不确定度：（1~50）mm/min：=0.5%，k=2

B   力值示值误差测量结果的不确定度评定

1、概述

1.1 校准依据：JJF（陕）073-2021《路面材料强度试验仪校准规范》；

1.2 环境条件：温度：（10~40）℃，相对湿度：30%RH~85%RH；电源电压：（200~240）V；安装基础稳固，周围无振动、无腐蚀性介质。

1.3 测量标准： 0.1级标准测力仪，（1-300）kN。

1.4 被校对象：路面材料强度试验仪。

1.5 校准方法：在路强仪最大试验力的20%~100%范围内，均匀选取包含20%和100%的5个点。以标准测力仪的示值为准，匀速平稳逐点递增至各校准点，保持稳定后记录相应进程示值。至测量上限后逐点卸载力，至各校准点保持稳定后记录相应回程示值。该过程连续进行3次，每次测量前将标准器与被检装置示值置零（或作为零点的起始位置）。进程示值、回程示值均以各校准点3次示值的平均值作为校准结果。此处以进程100kN校准点为例评定不确定度。

2、数学模型

式中：---示值误差，%；---路强仪示值平均值，kN；---标准测力仪示值，kN。

3、不确定度来源 

根据数学模型，测量结果的不确定度来源主要有：

（1）由测量重复性引入的测量不确定度分量u1

（2）由标准器引入的标准不确定度分量u2

4、输入量的标准不确定度评定

4.1测量重复性引入的不确定度

以标准测力仪的值为准，标准测力仪显示100kN时读取路强仪示值，在重复性条件下进行连续10次测量，得到测量列（单位：kN）：100.41、100.27、100.36、100.22、100.34、100.39、100.43、100.35、100.17、100.26，计算得到平均值为100.32kN，单次实验标准差s=0.086kN，实际测量过程中取三次测量数据的平均值计算示值误差，则：

kN

4.2标准器不准确引入的不确定度u2

标准测力仪的最大允许误差为±0.1%，校准100kN点为例，服从均匀分布，则由标准器引入的标准不确定度为：

kN

5、合成标准不确定度

以上各分量互不相干，则合成标准不确定度为：

kN                                                          

6、扩展不确定度的评定

取包含因子k=2，则扩展不确定度为：

kN  

换算为相对扩展不确定度  

其他校准点测量不确定度参照上述方法进行评定。

7、校准与测量能力表示

力值示值误差测量结果的不确定度：（1~300）kN：=0.16%，k=2

C   位移传感器示值误差测量结果的不确定度评定

1、概述

1.1 校准依据：JJF（陕）073-2021《路面材料强度试验仪校准规范》；

1.2 环境条件：温度：（15~25）℃，相对湿度：30%RH~85%RH；电源电压：（200~240）V；安装基础稳固，周围无振动、无腐蚀性介质。

1.3 测量标准： 4等量块，（0.5~100）mm。

1.4 被校对象： 路面材料强度试验仪。

1.5 校准方法：将标准量块置于升降工作台与加压板之间，检验4~5个位置变化值，记录标准量块的标准值与相对应的位移显示示值；用同样的方法重复测量3次取平均值。本次分析以10mm校准点为例。

2、数学模型

式中：---位移示值相对误差，%；---量块标称值，mm；L---位移传感器示值，mm。

3、不确定度来源分析

根据数学模型，测量结果的不确定度来源主要有：

（1）由测量重复性引入的测量不确定度分量u1

（2）由标准器引入的标准不确定度分量u2

（3）温度偏离20℃时，线性膨胀系数及温度差对量块长度的影响引入的不确定度分量u3

4、输入量的标准不确定度评定

4.1测量重复性引入的不确定度u1

用4等10mm量块作为标准器，对路强仪位移传感器进行测量，在重复性条件下连续测量10次，得到测量列(单位：mm)：10.009、10.004、10.007、10.005、10.006、10.004、10.006、10.008、10.007、10.006，计算得到平均值为10.006mm，单次测量实验标准差s=0.0016 mm，实际测量中以3次测量值得平均值计算测量结果，故：

u1==0.00093 mm

4.2标准器不准确引入的不确定度u2

根据量块检定规程，标称长度为10mm的4等量块的测量不确定度为0.22 μm，置信概率为0.99，则k取2.58，则其标准不确定度为：

mm

4.2温度偏离20℃时，线性膨胀系数及温度差对量块长度的影响引入的不确定度分量u3

假设校准环境温度能被控制在（15~25）℃，温度偏离20℃最大差值在±5℃范围内线性膨胀系数（）及温度差对量块长度的影响量为：

mm

在半宽度a=0.0006mm内估计为均匀分布，则由线性膨胀系数及温度差对量块长度的影响引入的不确定度分量为：

mm

5、合成标准不确定度

假设以上各分量互不相干，则合成标准不确定度为：

mm

6、扩展不确定度的评定

取包含因子k=2，则扩展不确定度为：

mm

换算为相对不确定度为：

其他测量点的测量不确定度参照上述方法进行评定。

7、校准与测量能力表示

位移传感器示值误差测量结果的不确定度：（0.5~100）mm：，k=2