黃元媛 高鄰程 秦秀偉 況嚴(yán)

（重慶市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院，重慶 408000）

納米拉伸儀廣泛應(yīng)用于包裝、印刷、紡織、服裝等行業(yè)，可以用于測(cè)量包裝材料、印刷品、紡織品的力學(xué)性能。這些性能包括拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、彈性模量和耐久性等。通過測(cè)量這些性能，可以評(píng)估包裝材料、印刷品、紡織品的耐用性和使用壽命，從而進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化材料的制備和應(yīng)用。此外，納米拉伸儀還可以用于研究納米材料在不同環(huán)境條件下的性能表現(xiàn)，如溫度、濕度等。這有助于相關(guān)研究人員了解材料在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的性能變化，進(jìn)一步拓展材料的應(yīng)用范圍。

然而，值得注意的是，納米拉伸儀的測(cè)量結(jié)果會(huì)受到多種因素的影響，如儀器精度、環(huán)境條件、樣品制備等。為了確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，需要對(duì)納米拉伸儀進(jìn)行定期的量值溯源。目前缺乏統(tǒng)一明確的技術(shù)規(guī)范作為標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致各方的技術(shù)要求和測(cè)量結(jié)果存在不一致性。為了解決這個(gè)問題，可以基于納米拉伸儀的工作原理，分析其影響試驗(yàn)結(jié)果的計(jì)量特性，并對(duì)其進(jìn)行不確定度評(píng)定以提高納米拉伸儀的測(cè)量準(zhǔn)確性和一致性。

1 納米拉伸儀力值示值誤差校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度評(píng)定

1.1 概述

1.1.1 環(huán)境條件

在校準(zhǔn)開始時(shí)環(huán)境溫度測(cè)量為24.6 ℃，校準(zhǔn)過程中溫度變化不大于1.0 ℃[1]；環(huán)境濕度測(cè)量為66%RH，校準(zhǔn)過程中相對(duì)濕度變化不大于5%RH。

1.1.2 測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)

E2等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)砝碼組：測(cè)量范圍（1～200）g，校準(zhǔn)地點(diǎn)重力加速度g=9.791 4 m/s2。

1.1.3 被測(cè)對(duì)象

納米拉伸儀：最大試驗(yàn)力500 mN，力值分辨力1×10-6mN。

1.1.4 校準(zhǔn)方法

對(duì)納米拉伸儀的電磁力驅(qū)動(dòng)傳感器施加試驗(yàn)載荷，試驗(yàn)載荷應(yīng)進(jìn)行三次測(cè)量，每次測(cè)量前應(yīng)調(diào)整零點(diǎn)，計(jì)算每個(gè)測(cè)量點(diǎn)三次測(cè)量的算術(shù)平均值與標(biāo)準(zhǔn)砝碼力值的差值。

1.2 測(cè)量模型

式中：

E-力值示值誤差，mN；

mc-標(biāo)準(zhǔn)砝碼的約定質(zhì)量值，g；

g-校準(zhǔn)地點(diǎn)的重力加速度，m/s2。

靈敏系數(shù)：

1.3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的評(píng)定

1.3.1 納米拉伸儀示值分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1

納米拉伸儀力值示值分辨力是1×10-6mN，按均勻分布計(jì)算：

1.3.2 納米拉伸儀重復(fù)性測(cè)量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2

用10 g 標(biāo)準(zhǔn)砝碼對(duì)納米拉伸儀連續(xù)測(cè)量10 次，測(cè)得值分別為：98.501 342、98.521 579、98.641 587、98.516 849、98.584 519、98.556 207、98.667 842、98.624 387、98.532 749、98.596 458（單位：mN）。通過貝塞爾公式得到實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差s：

實(shí)際測(cè)量時(shí)，在重復(fù)性條件下連續(xù)測(cè)量3 次，以算術(shù)平均值進(jìn)行計(jì)算，則引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量[2]：

1.3.3 標(biāo)準(zhǔn)砝碼的最大允許誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度[2]u3

根據(jù)JJG 99-2022 砝碼檢定規(guī)程，10 g 的E2等級(jí)砝碼的最大允許誤差的絕對(duì)值為0.06 mg，按均勻分布計(jì)算[2]：

1.3.4 標(biāo)準(zhǔn)砝碼的不穩(wěn)定性引入的確定度分量u4

根據(jù)JJG 99-2022 砝碼檢定規(guī)程，10 g 的E2等級(jí)砝碼在相鄰兩個(gè)檢定周期內(nèi)約定質(zhì)量的變化量不能超過其最大允許誤差的絕對(duì)值的1/3，即0.02 mg，按均勻分布計(jì)算：

1.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定

標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總表如表1 所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總表

則合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度[3]：

1.5 擴(kuò)展不確定度的評(píng)定

取k=2，則納米拉伸儀力值示值相對(duì)誤差的擴(kuò)展不確定度：

U=k×uc=2×0.033 416 mN=0.07 mN

2 納米拉伸儀橫梁位移示值誤差校準(zhǔn)結(jié)果不確定度評(píng)定

2.1 概述

2.1.1 環(huán)境條件

在校準(zhǔn)開始時(shí)環(huán)境溫度測(cè)量為24.6 ℃，校準(zhǔn)過程中溫度變化不大于1.0 ℃；環(huán)境濕度測(cè)量為66%RH，校準(zhǔn)過程中相對(duì)濕度變化不大于5%RH。

2.1.2 測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)

激光干涉儀：測(cè)量范圍（0～40）m，分辨力0.01 μm[4]。

2.1.3 被測(cè)對(duì)象

納米拉伸儀：橫梁最大位移200 mm，分辨力0.01 μm。

2.1.4 校準(zhǔn)方法

在納米拉伸儀橫梁位移測(cè)量范圍內(nèi)，選擇100 mm 這個(gè)點(diǎn)用激光干涉儀進(jìn)行三次測(cè)量，計(jì)算納米拉伸儀設(shè)定示值與激光干涉儀三次測(cè)量的算術(shù)平均值的差值。

2.2 測(cè)量模型

式中：

e-橫梁位移示值誤差，mm；

L-納米拉伸儀橫梁位移的設(shè)定示值，mm；

靈敏系數(shù)：

2.3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量評(píng)定

2.3.1 激光干涉儀示值分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度[5]u1

激光干涉儀的分辨力是0.01 μm，按均勻分布：

2.3.2 重復(fù)性測(cè)量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2

以100 mm 為測(cè)量點(diǎn)，用激光干涉儀連續(xù)測(cè)量10 次，測(cè)得值如下：99.845 19、99.892 51、99.857 84、99.887 19、99.865 76、99.892 73、99.896 38、99.879 45、99.885 87、99.875 97（單位：mm）。通過貝塞爾公式得到實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差s：

實(shí)際測(cè)量時(shí)，在重復(fù)性條件下連續(xù)測(cè)量3 次，以算術(shù)平均值進(jìn)行計(jì)算，則引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量[5]：

2.3.3 激光干涉儀的最大允許誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3

在100 mm 測(cè)量范圍內(nèi)，激光干涉儀的最大允許誤差MPE：±0.08 μm，按均勻分布，則引入的不確定度為：

2.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定

標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總表如表2 所示。

表2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總表

則合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

2.5 擴(kuò)展不確定度的評(píng)定

取k=2，則納米拉伸儀橫梁位移示值誤差的擴(kuò)展不確定度：

3 結(jié)束語

本文通過對(duì)納米拉伸儀的力值示值誤差和橫梁位移示值誤差進(jìn)行校準(zhǔn)和不確定度評(píng)定，得出了一系列重要的不確定度數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)表明，納米拉伸儀的測(cè)量結(jié)果會(huì)受到多種因素的影響。同時(shí)，這些數(shù)據(jù)還表明，通過使用適當(dāng)?shù)男?zhǔn)方法和不確定度評(píng)定，可以有效地提高納米拉伸儀的測(cè)量準(zhǔn)確性和一致性。本文還存在一些不足之處，例如未考慮納米拉伸儀在長時(shí)間使用后可能出現(xiàn)的疲勞和老化效應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響等。這為未來的研究提供了方向，同時(shí)也為其他科研單位和企業(yè)提供了有益的參考，共同推動(dòng)納米材料的研究和應(yīng)用發(fā)展。