秋千座椅防撞擊試驗裝置測量不確定度的評定

陳素娟 楊麗平 湯龍剛

(浙江省教玩具產品質量檢驗中心 溫州 325105)

秋千座椅防撞擊試驗裝置測量不確定度的評定

陳素娟 楊麗平 湯龍剛

(浙江省教玩具產品質量檢驗中心 溫州 325105)

為了評定秋千座椅防撞擊試驗裝置性能的各項技術指標和技術特性[1]，本文根據JJF 1059．1—2012《測量不確定度評定與表示》的規定和GB/T 28711—2012《無動力類游樂設施秋千》的檢測方法，通過對試驗過程的分析，得出秋千座椅防撞擊試驗裝置測量不確定度與以下因素有關：加速度的軸向角度影響因素、測試鋁球的質量、加速度峰值測量重復性和投影儀的測量讀數，其中加速度峰值測量重復性為主要不確定度來源。

加速度 不確定度 測量重復性

秋千座椅防撞擊要求是國家標準GB/T 28711—2012《無動力類游樂設施秋千》(以下簡稱“秋千國標”)中極其重要的特殊安全性能之一。秋千國標中以測試鋁球來模擬人類頭部在秋千運動過程中發生意外時受到的撞擊。該試驗結果是以壓強來表明測試鋁球受到的秋千座椅撞擊強度。文章根據JJF 1059.1—2012《測量不確定度評定與表示》的要求對秋千座椅防撞擊試驗裝置測量不確定度進行分析,為試驗過程的質量控制提供依據,同時對測量方法的可行性和準確性進行科學的判斷。[2]

1 測量過程描述

壓強是以試驗過程中秋千座椅試樣的撞擊力除以測試鋁球接觸的座椅面積來表示。在秋千座椅防撞擊試驗測量過程完成后,首先計算與測試鋁球接觸的座椅面積S,然后通過秋千座椅防撞擊試驗裝置測定的撞擊力F,最終計算測試鋁球受到的壓強P。

2 測量不確定來源分析及模型建立

壓強P測量結果不確定度來源主要包括:

1)加速度的軸向角度誤差引入標準不確定度;

2)秋千座椅防撞擊試驗裝置加速度峰值誤差引入的標準測量不確定度;

3)測試鋁球質量的標準不確定度;

4)投影儀讀數過程中產生的標準不確定度;

5)撞擊的測試鋁球中心位置偏移引入的不確定度;

6)溫濕度等環境因素引入的不確定度。

試驗過程中,m是測試鋁球的質量,即常數。與測試鋁球接觸的座椅面積S是根據測量投影儀直接讀數長度l和寬度w的積得到。三維加速度峰值a是通過秋千座椅防撞擊試驗裝置直接測量得到,以重力加速度g為單位,然后計算得到壓強P。

試驗中的影響因素包括中心位置偏移,加速度峰值與軸向角,測試鋁球質量和溫濕度等。忽略中心位置偏移、溫濕度環境影響,建立數學模型如下:

式中:

P——壓強,kPa;

fa——操作中加速度的軸向角度影響因素;

m——測試鋁球的質量,kg;

a——加速度峰值,9.8N/kg;

l——接觸面積的長度,mm;

w——接觸面積的寬度,mm。

3 合成方差和靈敏系數

標準不確定度乘以靈敏系數后得到不確定度分量,各個不確定度分量平方后得到各分量的方差,再由方差合成定量得到合成方差。靈敏系數ci是通過由數學模型對分量xi求偏導所得。靈敏系數公式中的具體數值,見表1。

表1 分量數值

合成方差:

靈敏系數:

4 分析評定各項標準不確定度

4.1 加速度的軸向角影響因素導致的不確定u(fa)

根據經驗估計,操作者引入的加速度軸向角測量誤差在±2’范圍內,即得出操作者引入的加速度軸向角影響因素的最大允許誤差為,估計其為矩形分布(均勻分布),則,估計可信度為90%,則v(fa) =50。

4.2 測試鋁球質量的標準不確定度u(m)

經查試驗裝置說明書,測試鋁球質量的最大允許誤差引起的±0.05kg,則kg,估計可信度為90%,則v(m)=50。

4.3 加速度峰值的不確定度u(a)

1)試驗裝置加速度峰值重復性u(a)1,用同一秋千座椅測量10次連續撞擊的加速度峰值,得到測量見表2。

表2 某一秋千座椅連續10次重復性試驗結果

其算術平均值:

試驗標準偏差:

2)試驗裝置的最大允許誤差引起的標準不確定度u(a)2,經查試驗裝置說明書,其給出的MPE為±5%,則估計可信度為90%,則v(a)2=50。

3)試驗裝置的加速度峰值引起的標準不確定度u(a),則

4.4 測量投影儀最大允許誤差引入的標準不確定度u(S)

2)測量長度w時引起的標準不確定度u(w),由于用同一投影儀測量,故,估計可信度為90%,則v(w)=50。

5 標準不確定度一覽表

標準不確定度一覽表,見表3。

表3 標準不確定度一覽表

6 合成不確定度及擴展不確定度

6.1 合成不確定度的計算

1)合成不確定度:

2)有效自由度:

則取veff=13。

6.2 擴展不確定度的確定

1)取包含概率p=95%,按veff=13,查t分布表t95(13)=2.1601[3],則U95=35.84×2.160=77.4(kPa)。

2)若不計算自由度,取k=2,則U=2×35.84=71.7(kPa)。

6.3 報告表示

壓強P的中間值為448.8kPa,其秋千座椅的壓強可表示為P=(448.8±77.4)kPa,veff=13。

或可表示為P=(448.8±71.7)kPa,k=2。

7 若以壓強P的計算值作為測量重復性

合成方差:

靈敏系數:

壓強的試驗標準偏差:

根據Bessel公式計算得:u(P)=32.1(kPa)

合成標準不確定度:

取k=2,則U=2×33.3=66.6(kPa)

又可表示為P=(448.8±66.6)kPa,k=2。

8 結果與討論

本文應用科學的統計學分析方法[4]從同一數據匯總得出三組不同的測量不確定度數值,即: U1=77.4kPa,veff=13;U2=71.4kPa,k=2;U3=66.6kPa, k=2。

分析各分量的大小,其中U1和U3中A類占主要分量,分別是加速度峰值a測量重復性和壓強P測量重復性。因此合成標準不確定度估計為近似正態分布,可采用t分布來處理。并且壓強P的主要分量也是源于加速度峰值a,綜合所述秋千座椅防撞擊試驗中主要的測量不確定度來源為加速度峰值a測量重復性,即加速度峰值a精確度越高,秋千座椅防撞擊試驗越成功。

[1] 張有康，甘蓉．壓力傳感器測量中不確定度的評定[J]．中國測試，2015，31（6）：25-26．

[2] 李勇．玩具表面涂層可遷移汞含量測量不確定度分析[J]．廣東化工，2012，39（8）：53-55．

[3] Daniel C． Harris． Quantitative Chemical Analysis [M]．8th Ed． New York： W．H． Freeman and Co，2010：73．

[4] 翟建才，翟羽，蔣洪，等．測量不確定度的評價和實驗室質量控制[J]．現代科學儀器，2007，17（2）：95-97．

Evaluation of Measurement Uncertainty for Swing Seat Anti-Impact Test Device

Chen Sujuan Yang Liping Tang Longgang
(Zhejiang Quality Inspection Center of Educational Toys Products Wenzhou 325105)

To evaluate every performance index and technical features of anti-impact test device of swing seat, according to the experimental process of JJF 1059.1—2012 and test method of GB/T 28711—2012, this paper obtained the major factor related to the measurement uncertainty through analysis of the testing process is: infuencing factor of acceleration axial angle, the mass of testing aluminum-ball, acceleration measurement repeatability and measurement readings, and the acceleration measurement repeatability.

Uncertainty Acceleration Measurement repeatability

X924

B

1673-257X(2017)08-0016-03

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.08.005

陳素娟（1963～)，女，本科，副所長，高級工程師，從事產品質量檢驗檢測、產品質量分析、質量管理及標準化等技術管理工作。

陳素娟，E-mail： 290885@qq．com。

2017-04-10）