测量结果的不确定度分析

郭媛媛，刘晓丽

商丘工学院 机械工程学院，河南 商丘 476000

摘 要：机械零件加工的质量检查技术是一门高度技术性的学科。质量检查人员必须逐一检查制造过程中的设计要求是否得到满足。精密机器最重要的是精度，精度除了静态和准静态精度还有动态精度，而动态精度由刚性保证，所以要关注的就变成精度和刚性，其中动态精度和刚性都表现为振动，而振动可以通过检测位移量来反映。如何开始检查机械零件，如何选择测量工具和检查工具，以及使用哪些测试方法和手段来提高检查效率，以避免错误检测和漏检。建立适当的检查过程是机械零件质量检查的首要前提。本文主要研究机械零件的检测和质量控制系统。

关键词：机械零件；测量结果；不确定度

0 引言

研究机械零件测量的不确定度是新一代GPS(几何技术规范)发展的要求，是产品控制的要求。随着新世纪测量不确定度技术水平的发展，新一代GPS系列标准逐渐被国内外科研人员和科研机构认同，其水平可以衡量国家层面的科技和制造业水平。不确定度理论是新一代GPS标准体系的重要理论基础，研究和完善不确定度的工程应用技术，是当前新一代GPS标准应用研究的重点之一^[1]。

1 测量结果的不确定度评估

测量系统的不确定性一般源于自测量人员，测量装置，测量方法和外部环境四个部分，被分为A类不确定性和B类不确定性两种。A类型不确定性可以通过分析一系列观测数据的统计规律来评估，一般集中在重复实验的测量结果中。B类不确定性通常根据经验或相关标准确定的概率分布进行评估^[2]，一般源于测量系统本身和外部环境。所以，研究人员在分析一个测量结果的不确定性时，第一要清楚影响测量结果不确定性的组成因素并分类；第二，根据合适的评估方法来进行评估，从而获取不确定性成分；最后也是最重要的，按照一定的步骤合成不确定度的分量，最终得到系统测量结果的不确定度和扩展不确定度的组合。

1.1振动信号频率的A类不确定性评估

动态信号分析仪用于检查振动信号的频率指示值，这是直接测量，因此无需创建进一步的数学模型。在测试过程中，检测系统在相同的振动条件下对振动信号的频率进行了10次独立测量。测定结果示于表1。.

表1 频率测量试验结果

根据表1中的测量结果结合A类不确定度定义，贝塞尔法可用于估计测试结果对频率A级不确定度的标准偏差，获得振动信号^[3]。作为μA的最佳估计值，请注意10次频率测量（算术平均值）。

1.2动信号频率 B类不确定度评定

（1）压电加速度计引入的不确定度

压电加速度计是检测系统不可或缺的一部分，设备本身的不确定性也包括在检测系统的测量结果的不确定性中。此类不确定度为B类不确定度，压电加速度计本身的不确定度为1.0％，置信系数k=2。结合B级不确定度评估方法，压电加速度计将不确定度引入测量结果中^[4]。

（2）标准电荷放大器引入的不确定度

由验证报告可知，标准电荷放大器的测量误差限为0.1％，按均匀分布计算，置信度k=1.9，标准电荷放大器引入测量结果的不确定度。

（3）动态信号分析仪引入的不确定度

在仪器的检查报告中可以找到：测量振荡信号的频率所引入的测量结果不确定度为B型不确定度。动态信号分析仪在频率测量期间的误差极限为0.01％，以均匀分布计算，置信系数k=1.8，动态信号分析仪在频率测量期间引入的不确定性。

（4）压电加速度计的年度稳定性带来的不确定性

通常，长期使用和存储会导致仪表的测量结果出现某些误差。由这种误差引起的不确定性是B型不确定性，压电加速度计的年稳定性的最大允许误差为±0.5％，均匀分布，置信系数k=1.75压电加速度计的年度稳定性引起的不确定性。

（5）环境温度变化引起的不确定性

温度变化非常影响系统测量结果，是B类不确定性。根据验证报告，压电加速度计的温度灵敏度小于0.1％/°C，标准电荷放大器的温度灵敏度低于0.02％/°C。动态信号分析仪的温度稳定性良好，引起的不确定度可以忽略不计，因此温度变化引起的误差分别为0.5％和0.1％ 总计0.6％，根据均匀分布计算，置信系数k =√3，环境温度变化给系统测量结果带来的不确定性。

（6）交流声和噪声引起的不确定性

环境中经常会出现交流声和噪声会导致测量结果出错，故需考虑周围交流声和噪声引起的不确定性，是B类不确定性。一般由交变噪声和振动台振动产生的噪声引入的误差范围为1.0％，根据反正弦分布，置信系数k =1.5交变噪声和测量期间噪声引起的不确定性。

（7）横向振动的不确定性

振动台振动所产生的横向振动会导致系统测量结果产生误差，不确定性为B型不确定性。故测量结果要考虑由横向振动因素引起的不确定性。压电加速度计的横向灵敏度为2％，标准电荷放大器的横向灵敏度为1％。横向振动引起的误差为0.02％，这是根据反正弦分布计算得出的。置信因子k =1.3，由于侧向振动因子引起的不确定性^[5]。

（8）人员价值分散带来的不确定性。

工作人员对测量结果的读数差异造成的不确定性是B类不确定性，在频率测量中，动态信号分析仪的分辨率为0.01 Hz，相当于测量信号频率的0.002％，引起测量误差值为0.002％。通过置信系数k =√3的均匀分布计算频率测量中人员值的离散性引起的不确定性。

（9）B类动态信号频率的不确定性

根据对上述B类不确定度分量的评估，当影响因素彼此独立时，可以获得振动信号频率的B类不确定度。

1.3 振动信号频率合成不确定度评定

基于上述对A和B不确定度的评估，可以通过不确定度的综合方法获得系统测得的振动信号频率的综合不确定度。

1.4 振动信号频率扩展不确定度评定

如果置信度为0.95，则由上述9个因素引入测量结果中的总误差遵循t分布和相应的置信因数kc = 2，因此系统测量振动信号频率的扩展不确定度^[6]。

2 测量结果不确定度分析

从上述系统的测量结果的不确定性可以看出，测量结果的不确定性来源至少有8种之多。并且不同来源的测量结果的不确定性性质也是不相同得。分析如下：

（1）系统测量结果的不确定度主要集中在B型不确定度上，而A型不确定度较低。因此系统的设计和结构是相对合理的。使用过程中重复测量得到的数据也是准确可靠的。

（2）减少B型不确定性可以使测量结果更精准，可以采取的措施有：选择精度更高，年度稳定性更好的压电加速度计；尽可能保持环境温度恒定；增加诸如屏蔽或包装之类，以避免交流和噪声干扰等。

（3）由于对B类不确定性的评估主要基于经验和工程实践的规律，因此B类不确定性的评估方法应不断改进，以提高测量结果的可靠性。更好地根据技术现实调整评估结果并提高测量结果的可信度。

3 结语

机械零件的设计、加工和检查是相互联系的有机整体。制造错误是不可避免的，CNC机床在切削过程中产生的振动对加工过程和工件的加工质量以及CNC机床的连接特性有很大的影响，并且对生产效率也有影响。因此，降低数控机床的振动对于控制产品质量非常重要。通过由检查员检查机械零件的加工质量，可以将缺陷有效地控制在适当的范围内，以免损害设备本身的性能和功能，从而提高公司的竞争力，促使企业更好的进行发展。

参考文献 ：

[1] 李红莉.CMM尺寸测量不确定度模型与评定方法[D].合肥：合肥工业大学，2015.

[2]张海鹏,刘宇,路通.涡轮流量计仪表系数测量结果的不确定度评定[J].电子测试,2018(22):39-41.

作者简介：郭媛媛（1989-），女，河南洛阳人，讲师，硕士，研究方向：机械设计。