鋼絲繩網緊固件鍍鋅層厚度測量不確定度評定

宋夢佳,尹亞豪,郭磊,蘇建鋒

(中鋼集團鄭州金屬制品研究院股份有限公司,鄭州 450001)

近年來,山體滑坡、巖石倒塌等自然災害造成巨大的損失,安裝防護網是有效的防護方法之一,防護網的材料是鋼絲繩,連接鋼絲繩的是卡扣,卡扣上的鍍鋅層厚度是評價鋼絲繩性能的重要指標之一。鍍鋅層厚度的測量結果受不同類型不確定度的影響,筆者通過人員比對方法分析確定各類型不確定度對鍍鋅層厚度的影響,結果可為評估相應的測量結果提供參考。

1 試驗材料與方法

以面積為3 m2的RX-050型鋼絲繩網為研究對象,該鋼絲繩網用于高速公路防護工程,對鋼絲繩網中的緊固件鍍鋅層厚度進行測量,緊固件試樣外觀如圖1 所示。緊固件厚度實測值為2.45 mm,測量儀器為光學顯微鏡,依據標準為GB/T 6462—2005 《金屬和氧化物覆蓋層厚度測量顯微鏡法》,將試樣研磨、拋光后,再將其置于光學顯微鏡下觀察,環境溫度為(23±2) ℃,濕度為(35±2)%RH,隨后用AxioVision SE64 Rel.4.9軟件進行厚度測量。

圖1 緊固件試樣外觀

試驗方法為人員對比法,兩位實驗員在同一試驗條件下采用同一設備對同一試樣進行測量,選擇具有代表性的區域,每個區域測試15個數據,結果如表1所示。

表1 緊固件鍍鋅層厚度測量結果 μm

2 試驗結果與分析

2.1 數學模型

式中:x為鋼絲繩網緊固件鍍鋅層厚度的輸入量估計值;y為鋼絲繩網緊固件鍍鋅層厚度的輸出量估計值。

2.2 不確定度分量

用光學顯微鏡對鋼絲繩網鍍鋅層厚度進行測量存在誤差,誤差的來源主要為:①測量材料引入的誤差,主要影響因素為基體金屬厚度、基體金屬電導率、邊緣效應、表面粗糙度等,試驗中所用試樣不變,該誤差可以忽略不計;② 測量人員引入的誤差,主要影響因素為不同人員測量時的操作、測量重復性等,屬于A類不確定度;③測量儀器引入的誤差,主要影響因素為圖像傳感器接收系統示值誤差、光學顯微鏡系統分辨力、目鏡測微尺誤差等,屬于B類不確定度;④ 測量方法引起的誤差,主要影響因素為測量時采用的方法標準,試驗統一采用標準GB/T 6462—2005,該誤差可以忽略不計;⑤ 測量環境引起的誤差,主要影響因素有測量時環境的溫度和濕度、風速等,試驗中環境條件變化小,該誤差可以忽略不計。

綜上所述,鋼絲繩網鍍鋅層厚度測量不確定度主要來源[1-4]如下所述。

(1) 鍍鋅層不均勻性和測量重復性引入的測量不確定度分量u1(x)。采用A 類標準不確定度uA(x)評定方法進行評定。

根據貝塞爾公式,單個測得值xk的試驗標準偏差s(xk),按式(2)進行計算。

式中:xi為獨立測得值為n個獨立測得值的算術平均值;n為重復測量的次數。

將表1測得結果代入式(2),得出人員a測量結果的標準偏差sa(xk)為0.339 0 μm,人員b測量結果的標準偏差sb(xk)為0.322 0 μm。則不確定度可代入式(3)得出。

人員a測量結果的標準不確定度u1a(x)為0.087 5 μm,人員b 測量結果的標準不確定度u1b(x)為0.083 1 μm。

(2) 緊固件在研磨、拋光過程中會出現一定斜度的橫斷面,根據GB/T 6462—2005附錄B,覆蓋層厚度d如式(4)所示。

式中:α為橫斷面與覆蓋層表面垂直度的偏離度;d為α=0時的覆蓋層厚度;d′為α≠0時覆蓋層厚度的測量值。

斜度小于10°時,取算數平均值作為厚度的測量值,則誤差Δd=d′-d,則人員a 的誤差為0.163 μm,人員b的誤差為0.164 μm,按均勻分布考慮,置信概率為100%,包含因子人員因素引起的不確定度u2a(x)為0.047 1 μm,u2b(x)為0.047 3 μm。

(3) 圖像傳感器接收系統示值誤差引起的不確定度。在400倍放大條件下,查閱校準證書,相應的不確定度U=1.5 μm,k=2,則該項示值誤差引起的不確定度u3(x)=0.75 μm。

(4) 光學顯微鏡的系統分辨力為0.2 μm,按均勻分布考慮,其引起的不確定度u4(x)=0.057 7 μm。

(5) 測量過程中使用的目鏡測微尺會引起測量結果的不確定度相對誤差為0.5%,按正態分布考慮,置信概率為95%,包含因子kp=1.960,則目鏡測微尺引起的不確定度u5a(x)=0.027 μm,u5b(x)=0.028 μm。

2.3 擴展不確定度

結合式(1),輸出估計值y的合成標準不確定度uc(y)如式(5)所示。

將u1(x)～u5(x)代入式(5),可得uca(y)=0.759 2 μm,ucb(y)=0.758 8 μm。

取置信概率p=95%,k=2,人員a、人員b測量的厚度擴展不確定度Ua=1.518 4 μm,Ub=1.517 6 μm。

2.4 En 值計算

對兩個實驗人員進行一致性評價,歸一化偏差如式(6)所示。

式中:x為試驗測量值;U為擴展不確定度。

得到En為-0.055,很明顯|En|<1,因此對比結果間無顯著差異。

3 結果與討論

(1) 各個不確定度分量中,圖像傳感器接收系統示值誤差引起的不確定度及鍍鋅層不均勻性和測量重復性引起的厚度測量結果不確定度影響較大,其他不確定度分量影響較小。因此,在進行鍍鋅層厚度測量時,測量人員需熟練掌握操作方法,按照標準步驟進行操作,嚴格按照標準及作業指導書進行試驗,適當時可增加平行試驗的次數,測量儀器也應定時校準,按照檢定周期對儀器進行核查,在可選范圍內盡量選擇精密度高的儀器,提高數據準確度。

(2) 由兩組人員對比試驗得到的數據可知,鋼絲繩的緊固件鍍鋅層厚度10.704 μm 的擴展不確定度為1.518 4 μm,厚度10.821 μm 的擴展不確定度為1.517 6 μm。因此,厚度10.704 μm 的測量結果(10.704±1.5184) μm 中包含了試驗結果可能值的95%,厚度10.821 μm 的測量結果(10.821±1.5176) μm 中包含了試驗結果可能值的95%。

(3)根據人員對比,可得|En|<1,結果滿意。