宋夢(mèng)佳,尹亞豪,郭磊,蘇建鋒

(中鋼集團(tuán)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(zāi)害造成巨大的損失,安裝防護(hù)網(wǎng)是有效的防護(hù)方法之一,防護(hù)網(wǎng)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(píng)價(jià)鋼絲繩性能的重要指標(biāo)之一。鍍鋅層厚度的測(cè)量結(jié)果受不同類型不確定度的影響,筆者通過人員比對(duì)方法分析確定各類型不確定度對(duì)鍍鋅層厚度的影響,結(jié)果可為評(píng)估相應(yīng)的測(cè)量結(jié)果提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

以面積為3 m2的RX-050型鋼絲繩網(wǎng)為研究對(duì)象,該鋼絲繩網(wǎng)用于高速公路防護(hù)工程,對(duì)鋼絲繩網(wǎng)中的緊固件鍍鋅層厚度進(jìn)行測(cè)量,緊固件試樣外觀如圖1 所示。緊固件厚度實(shí)測(cè)值為2.45 mm,測(cè)量?jī)x器為光學(xué)顯微鏡,依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 6462—2005 《金屬和氧化物覆蓋層厚度測(cè)量顯微鏡法》,將試樣研磨、拋光后,再將其置于光學(xué)顯微鏡下觀察,環(huán)境溫度為(23±2) ℃,濕度為(35±2)%RH,隨后用AxioVision SE64 Rel.4.9軟件進(jìn)行厚度測(cè)量。

圖1 緊固件試樣外觀

試驗(yàn)方法為人員對(duì)比法,兩位實(shí)驗(yàn)員在同一試驗(yàn)條件下采用同一設(shè)備對(duì)同一試樣進(jìn)行測(cè)量,選擇具有代表性的區(qū)域,每個(gè)區(qū)域測(cè)試15個(gè)數(shù)據(jù),結(jié)果如表1所示。

表1 緊固件鍍鋅層厚度測(cè)量結(jié)果 μm

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 數(shù)學(xué)模型

式中:x為鋼絲繩網(wǎng)緊固件鍍鋅層厚度的輸入量估計(jì)值;y為鋼絲繩網(wǎng)緊固件鍍鋅層厚度的輸出量估計(jì)值。

2.2 不確定度分量

用光學(xué)顯微鏡對(duì)鋼絲繩網(wǎng)鍍鋅層厚度進(jìn)行測(cè)量存在誤差,誤差的來源主要為:①測(cè)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(dǎo)率、邊緣效應(yīng)、表面粗糙度等,試驗(yàn)中所用試樣不變,該誤差可以忽略不計(jì);② 測(cè)量人員引入的誤差,主要影響因素為不同人員測(cè)量時(shí)的操作、測(cè)量重復(fù)性等,屬于A類不確定度;③測(cè)量?jī)x器引入的誤差,主要影響因素為圖像傳感器接收系統(tǒng)示值誤差、光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)分辨力、目鏡測(cè)微尺誤差等,屬于B類不確定度;④ 測(cè)量方法引起的誤差,主要影響因素為測(cè)量時(shí)采用的方法標(biāo)準(zhǔn),試驗(yàn)統(tǒng)一采用標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6462—2005,該誤差可以忽略不計(jì);⑤ 測(cè)量環(huán)境引起的誤差,主要影響因素有測(cè)量時(shí)環(huán)境的溫度和濕度、風(fēng)速等,試驗(yàn)中環(huán)境條件變化小,該誤差可以忽略不計(jì)。

綜上所述,鋼絲繩網(wǎng)鍍鋅層厚度測(cè)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(cè)量重復(fù)性引入的測(cè)量不確定度分量u1(x)。采用A 類標(biāo)準(zhǔn)不確定度uA(x)評(píng)定方法進(jìn)行評(píng)定。

根據(jù)貝塞爾公式,單個(gè)測(cè)得值xk的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差s(xk),按式(2)進(jìn)行計(jì)算。

式中:xi為獨(dú)立測(cè)得值為n個(gè)獨(dú)立測(cè)得值的算術(shù)平均值;n為重復(fù)測(cè)量的次數(shù)。

將表1測(cè)得結(jié)果代入式(2),得出人員a測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差sa(xk)為0.339 0 μm,人員b測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)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(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1a(x)為0.087 5 μm,人員b 測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1b(x)為0.083 1 μm。

(2) 緊固件在研磨、拋光過程中會(huì)出現(xiàn)一定斜度的橫斷面,根據(jù)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(shí)的覆蓋層厚度;d′為α≠0時(shí)覆蓋層厚度的測(cè)量值。

斜度小于10°時(shí),取算數(shù)平均值作為厚度的測(cè)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(tǒng)示值誤差引起的不確定度。在400倍放大條件下,查閱校準(zhǔn)證書,相應(yīng)的不確定度U=1.5 μm,k=2,則該項(xiàng)示值誤差引起的不確定度u3(x)=0.75 μm。

(4) 光學(xué)顯微鏡的系統(tǒng)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(cè)量過程中使用的目鏡測(cè)微尺會(huì)引起測(cè)量結(jié)果的不確定度相對(duì)誤差為0.5%,按正態(tài)分布考慮,置信概率為95%,包含因子kp=1.960,則目鏡測(cè)微尺引起的不確定度u5a(x)=0.027 μm,u5b(x)=0.028 μm。

2.3 擴(kuò)展不確定度

結(jié)合式(1),輸出估計(jì)值y的合成標(biāo)準(zhǔn)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(cè)量的厚度擴(kuò)展不確定度Ua=1.518 4 μm,Ub=1.517 6 μm。

2.4 En 值計(jì)算

對(duì)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行一致性評(píng)價(jià),歸一化偏差如式(6)所示。

式中:x為試驗(yàn)測(cè)量值;U為擴(kuò)展不確定度。

得到En為-0.055,很明顯|En|<1,因此對(duì)比結(jié)果間無顯著差異。

3 結(jié)果與討論

(1) 各個(gè)不確定度分量中,圖像傳感器接收系統(tǒng)示值誤差引起的不確定度及鍍鋅層不均勻性和測(cè)量重復(fù)性引起的厚度測(cè)量結(jié)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(jìn)行鍍鋅層厚度測(cè)量時(shí),測(cè)量人員需熟練掌握操作方法,按照標(biāo)準(zhǔn)步驟進(jìn)行操作,嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)及作業(yè)指導(dǎo)書進(jìn)行試驗(yàn),適當(dāng)時(shí)可增加平行試驗(yàn)的次數(shù),測(cè)量?jī)x器也應(yīng)定時(shí)校準(zhǔn),按照檢定周期對(duì)儀器進(jìn)行核查,在可選范圍內(nèi)盡量選擇精密度高的儀器,提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度。

(2) 由兩組人員對(duì)比試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)可知,鋼絲繩的緊固件鍍鋅層厚度10.704 μm 的擴(kuò)展不確定度為1.518 4 μm,厚度10.821 μm 的擴(kuò)展不確定度為1.517 6 μm。因此,厚度10.704 μm 的測(cè)量結(jié)果(10.704±1.5184) μm 中包含了試驗(yàn)結(jié)果可能值的95%,厚度10.821 μm 的測(cè)量結(jié)果(10.821±1.5176) μm 中包含了試驗(yàn)結(jié)果可能值的95%。

(3)根據(jù)人員對(duì)比,可得|En|<1,結(jié)果滿意。