测量不确定度 — 让测力变得轻松

测量不确定度 — 让测力变得轻松
不确定度是在力学测试中需要考虑的诸多变量之一。不确定度源于各种因素的组合,包括可能影响试验结果的错误。尽管许多错误可能是累积的,但只要变量是可以预测的,那么试验测量值仍然是正确的。

没有复杂的不确定度计算,下文从常见的力学试验情况出发,举例说明了如何确认力学测试中的不确定度。例如,假设体重秤的指示准确度为 ±1 磅。如果一个人体重 100 磅,那么可以预测他的真实体重在 99 磅和 101 磅之间。


不确定度的重点
重点是必须考虑测试链中的每一个环节从而得出不确定度对于最终结果的影响。

测力仪:测力仪是测量过程的核心。在力学测试中,用户必须了解测力仪的参数,这一点很重要。这些参数可以分为两类:一类是带有±公差的测量不确定度,另一类是测量的确定度,即测量值超过一定范围的条件,例如工作温度、最小/最大力值范围等。

工装、联轴器、转接头和夹具:选择特定的转接器来实现固定、夹紧、推拉试样等动作是不确定度变量方程中需要考虑的因素。夹紧面选择不当可能会扯裂或撕裂试样,而使用不合适的对准技术则会对试验结果造成负面影响。

人为因素:一个简单的原因,人类不可能与机器一样能够一直保持准确和稳定,因此用户需要确保拥有可靠的程序、流程和工具,以尽量减少偏差。当试验人员状态好的时候,试验结果可能不错,而当他们状态不好的时候,试验结果可能会很糟糕,所以有必要对此实施控制,以免由于操作员状态的好坏而影响试验结果。

环境:振动、温度、湿度和静电也可能影响试验结果。

试样制备:如果试样大小不一,那么试验结果就会存在不确定性。

Chatillon 测力

测力仪
在进行力学测试的时候,必须确保试验不超过特定测试仪的设定参数和能力范围。测试仪规格的第 1 部分提供了以下信息,供预测不确定度之用:

任何带有 (±) 公差的参数都表示测量值存在不确定度。如果试样在 1000N 时断裂,并且不确定度是 ±10N,那么用户应假设测量的力值在 990 和 1010N 之间。

测试仪规格第 2 部分需要考虑的是通过/失败或继续/停止的状态。例如,如果测试仪的建议工作温度在 华氏41 和 95度 之间,而测试仪刚好在这个指定温度范围以外工作,那么这并不是一个不确定度的问题,而是明显的无效结果,是不合格或停止状况。

工装、联轴器、转接头和夹具

工装、联轴器、转接头和夹具
工装、联轴器、转接头和夹具的错位和间隙是力学测试中的两个最大敌人。错位,有时称为“侧向加载”或“偏移/偏心加载",会影响载荷传递的准确度。载荷传递的角度或不垂直度越大,误差度也会越大。

最终目标是让上、下转接头相互对中,从而使载荷传递保持在一条直线上。少量偏移不一定会影响试验的准确度,但用户应始终向测力仪制造商确认设备的偏移加载误差。

夹具是产生试验不确定度的另一个因素。夹具选择不当可能会导致试验结果不准确。如果夹具对试样而言夹力过大,可能会导致试样夹紧面边缘过早破裂,如果夹力过小,则可能导致试样在夹具内打滑。夹紧面的粗糙度不当也可能导致打滑。

测试多种多样的材料时,建议用户对不同的潜在试验场合进行验证,以找到最适合材料的试验场合,当然,同时尽可能减少更换夹紧面的次数。如果试样始终无法正确对准,则使用万向接头或压力球可能是最好的选择。



人为因素
操作员也是不确定度链的一个重要组成部分。这就是人为因素。尽量减少由于操作员表现导致的不确定度的最佳控制方法是,为操作员提供一套他们不得更改的参数。软件保护可通过设置密码防止操作员访问重要的机器设置和试验数据。硬件保护包括提供可确保使所有试验一致的夹具。

当试样在夹具内的位置松动时,将产生不确定度。其中一个解决方案是以带有对中标记的气动夹具替代机械夹具,以确保试样定位的一致。相对于机械夹具,气动夹具也能更好地控制夹紧压力。


环境
环境也在不确定度链中扮演了一个关键的角色。通过使用橡胶缓冲(振动)、环境控制(温度/湿度)以及正确的接地方式(静电放电或 ESD),可以对诸多环境因素实施控制。


试样制备
试样的制备必须一致,这一点至关重要。切割、加工、手工制备等都是不确定度链需要考虑的因素。试样制备不良会导致不可预知的试验结果。模具和模板是其中一些可确保试样一致性、尽量减少试样间差异的工具。但如果试样制备不当,那么力学测量将会偏差,导致更大的不确定度。


结论
只要能够提前确定各种试验因素,就能正确预测力学测试的不确定度因素,同时做出正确的规划。然而,组成不确定度链的各个元素都需要检查,包括测力仪、工装、联轴器、转接头和夹具;人为因素、环境和试样制备。希望这份简单的指南能够帮助测力仪用户获得更可靠、更可预测的试验结果。


技术提示
测力仪是测量过程的核心。在力学测量期间,用户必须了解测力仪的参数,这一点很重要。
在不确定度变量方程中需要考虑选择特定的转接头来实现固定、夹紧、推拉试样等动作。确保您具有可靠的程序、流程和工具,以尽量减少偏差。