針織物頂破強力測試的不確定度分析

    測量不確定度與傳統的誤差分析理論相比更具操作性，但目前在紡織測試領域，不確定度的評估還不普及。因此，本文運用不確定度理論對實驗室研制改造的“針織物彈子頂破強力儀”測試系統及實驗結果進行不確定度的評估具有現實意義。

本實驗采用研制改造的彈子頂破強力儀進行實驗。測試系統包括頂壓球桿、框架式固定夾具座、試樣固定夾具等。并且使用XJ818電子材料試驗機(CRE)，其能有效地保證試驗數據的正確性和可靠性，量程為(0～5)kN。按照GB/T19976-2005《針織物頂破強力的測試》要求設定拉伸速度為300mm/min，采用ASTM D5034規定的實驗參數:鋼球外弧頂點與織物平面距離為75mm。

一、數學模型

根據本實驗特點，建立如下不確定度分析的數學模型:

式中:Y——已修正的頂破強力測量值；——重復測量算術平均值；——修正值。

二、不確定度的主要來源

本測量方法主要包括手工制樣、確定頂壓起始距離、夾樣及拉伸等幾個過程。測試程序如圖1所示。

<CTSM>圖1針織物頂破強力實驗流程圖</CTSM>

依據商品的特征及檢驗方法、實際操作情況，不確定度的主要來源有:取樣的隨機性、檢測過程操作的差異等分量引起的不確定度；材料試驗機的準確度、儀器跟蹤應力的靈敏度和模量轉換(包括數字修約)的準確性導致自動顯示終端的示值誤差。

1.隨機效應導致的不確定度

(1)試樣的代表性

以下因素的分散性均構成試樣間強力測試結果的差異:

①紗線的細度、均勻度、捻度。

②織物的密度、成分、組織結構。

(2)偏離方法要求的因素導致的不確定度

①夾持狀態不理想

按GB/T19976-2005的要求，鋼球中心應位于織物夾具圓孔中心正上方，但在實際操作時難以控制到理想狀態，由此導致了測量不確定度分量。

②調濕偏差

某些織物(如麻織物、粘膠織物)的強力與濕度密切相關，由于調濕時間或濕度的波動將導致強力值的波動。

③強力機拉伸速度均勻性

拉伸速度不均勻將導致強力儀模量轉換失真。

本實驗在恒溫恒濕室內由同一人員操作完成。這兩個因素影響較小，帶來的不確定度可以忽略不計。

因為樣品夾持在固定的金屬夾具內，有效受力面積基本保持不變，所以這個不確定度也可以忽略不計。

2.儀器示值的準確性導致的不確定度

主要是由于儀器跟蹤應力的靈敏度和模量轉換(包括數字修約)的準確性導致自動顯示終端的示值誤差。

三、不確定度的評定

1.A類不確定度u_A(X)的評估分析

因取樣的隨機性、檢測過程操作的差異等引起的不確定度采用A類方法進行評估。

以4組樣品在標準條件下各測10個試樣的結果為基本實驗數據，評定其實驗標準差。樣品是純棉26S緯平針布，如表1所示。

<CTSM>表1針織物頂破強力測試結果單位:N</CTSM>

根據表1，通過下式計算總算術平均值:

，這里m=4，n=10

所以，合并樣本標準差為:

m組樣品n次測量平均值的測量結果標準不確定度為:

2.B類不確定度u_B(X)的評估分析

(1)修約誤差

本實驗中由數字修約導致的不確定度、測量儀器的示值量化導致的不確定度都屬于均勻分布。GB/T19976-2005的結果修約按如下規則進行:強力的平均值修約到整數位δx，即1N。所以平均值為334N時，計算平均值修約導致的不確定度為:

(2)示值相對誤差

儀器示值的準確性導致的不確定度主要是由于儀器跟蹤應力的靈敏度和模量轉換(包括數字修約)的準確性導致自動顯示終端的示值誤差。根據強力機技術資料標明:強力的示值相對誤差為0.5%，而。按均勻分布處理，強力機大示值誤差導致的示值標準不確定度為:

(3)示值重復性

根據校準證書可知，示值重復性為1%，并指出其置信概率為95%，按正態分布處理，其示值重復性標準不確定度為:

(4)載荷進回程相對誤差

根據強力機校準證書可知，載荷進回程相對誤差為1.5%，并指出其置信概率為95%，按正態分布處理，其標準不確定度為:

(5)橫梁速度變動導致的不確定度

由實驗可以得到橫梁移動速度的變化會引起織物頂破強力的變動。橫梁負載速度的相對誤差為1%，按均勻分布處理，得到橫梁移動速度大誤差導致的橫梁移動速度標準不確定度為:

平均頂破強力為334.15N，所以平均機器功率為:

式中:P——強力機實際功率，W；F——強力，N；V——橫梁速度，mm/min。

把上式變形后可得到下式:

所以

因為u(P)=0，所以

3.不確定度匯總

輸入量的不確定度匯總表如表2所示。

<CTSM>表2不確定度匯總表</CTSM>

五、輸入量的合成不確定度

因為各分量無相關性，所以

六、擴展不確定度

包含因子k=2，則平均頂破強力的擴展不確定度

U_y=ku_c(Y)=2×4.22≈8.5N

七、不確定度的報告

本實驗情況下，針織物頂破強力平均值Y=334N，擴展不確定度U_y=8.5N，k=2。

八、結論

1.作為一個新研制改造的針織物頂破強力測試系統，進行該系統的測量不確定度評定具有重要的研究價值和現實意義，同時也擴大了紡織測試領域的不確定度評估范圍。

2.不確定度的主要來源是取樣隨機性、強力機的示值準確度等，所以為保證測試結果的正確，必須確保儀器量值溯源的準確，按計劃進行期間核查。