力值溯源和评估

　　1　引　言

　　自上世纪50年代,我国陆续建立了一系列力基/标准机,其中静重机(DWM)力值范围:10N-1.1MN,杠杆机(LM)力值范围:1kN-1MN,液压机(HM)力值范围:10kN-20MN,叠加机(参考标准由三个或多个力传感器并联组成-BM)/力值比较机(参考标准由一个力传感器构成-FC)的力值范围:几千牛-30MN。根据1999年-2001年的全国力基/标准机调查及后来得到的资料,据不完全统计,到2007年为止,在全国61个单位中共建立约100台DWM、91台LM、14台HM、12台FC/BM(我国已建立的力基/标准机见表1)。为此,笔者及有关同事对力基/标准机和力传感器/标准测力仪的力值溯源、检定校准及不确定度评估进行了研究。

　　2　力值一致性

　　自1982年起,我国与许多国家或地区的计量院进行了力值比对,包括德国/PTB、意大利/INRIM、日本/NMIJ、韩国/KRISS、新加坡/PSB、土耳其/UME、芬兰/MIKES、泰国/NIMT、中华台北/CMS、墨西哥/CENAM和英国/NPL,比对的力标准机类型有DWM、LM、HM、BM/FC,比对力值范围100N-20MN。比对结果表明,我国与其它国家的力值一致性:DWM为20-50ppm,HM(或LM)为100-500ppm,BM/FC为300-1000ppm。图1给出力值溯源及与合成不确定度的两种评估方法———直接法和间接法的关系。

　　3　力基/标准机的直接法评估

　　根据各种力基/标准机的力值计算公式,得到用直接法评估其力值合成不确定度的影响量及计算公式(见表2)[1-2]。

　　4　力传感器的校准与评估

　　当被校力传感器用于校准力标准机时,其校准方法如下:在校准力标准机前后对力传感器进行两次校准;每次校准时,在00方位作3次进程校准,在900、1800和2700方位作1次进程校准;表3a给出用间接法评估力传感器输出的相对合成不确定度的方法。

　　当被校力传感器用于校准材料试验机力值时,其校准方法按ISO 376-2004(或JJG 144-2007,规程与标准有一定差异,考虑国际的一致性,此处以ISO376-2004为例。对于按JJG 144-2007得到的检定结果的评估,可通过类比获得相应公式)说明如下:在校准试验机前对力传感器进行校准;每次校准时,在00方位作2次进程校准,在1200和2400方位作1次进回程校准;表3b给出用间接法评估力传感器输出的相对合成不确定度的方法。

　　5　力标准机的间接法评估

　　设力标准机复现(或称产生)的力值通过与力基准机复现的力值比较确定其力值相对合成不确定度。比较用的力传感器在校力标准机前后由力基准机进行两次校准,得到的传感器两次输出分别为xtra-fsm-1,xtra-fsm-2,其对应的相对合成不确定度依据表3a得到wtra-fsm-1,wtra-fsm-2;传感器两次输出的参考值取其平均值,即xtra-fsm=(xtra-fsm-1+xtra-fsm-2)/2,在考虑到两次输出的正相关性(其系数取1)后,参考值的相对合成不确定度为wtra-fsm=(wtra-fsm-1+wtra-fsm-2)/2。