实验室测试环节棉花物理指标不确定度的评定

文/丁时永 张贺轩 郭依群

测量不确定度是利用可获得的信息，表征赋予被测量值分散性的非负参数，其是与测量结果相联系的参数，同一概率水平下，测量不确定度越大，表示测量能力越差；反之，表示测量能力越强。本文对实验室测试环节棉花物理指标测试不确定度进行评定，旨在探讨基于现行棉花标准、测量规范和现有检验仪器设备等条件我国棉花检验实验室应该具备的测量能力。

1 评定概述

1.1 试验标准

GB/T 20392—2006《HVI棉纤维物理性能试验方法》。HVI1000型大容量棉花纤维测试仪操作规程（2013年第3版）。

1.2 仪器设备和测试环境

HVI1000大容量棉纤维测试仪。环境温度（20±2）℃，相对湿度（65±3）%。

1.3 测试程序

依据试验标准和操作规程，将棉花样品在规定温、湿度条件下平衡至规定时间，利用HVI1000，对其马克隆值、反射率

Rd

、黄度+

b

、棉花长度、长度整齐度和断裂比强度等物理指标进行测试，记录测试结果。

1.4 不确定评定结果的应用

符合上述条件或十分接近上述条件的测量结果，一般可以直接使用本不确定度评定的结果。

2 测量模型

物理指标测量值

q

由HVI1000的显示（输出）值直接给出，因此，测量模型可描述为式（1）：

其中：

q

与马克隆值、

Rd

、+

b

、长度、长度整齐度和断裂比强度等物理指标对应时，分别代表对应指标，下同。

3 不确定度来源分析

实验室测试环节主要存在下列方面产生的不确定度分量：（1）测量过程的随机效应导致的不确定度分量，包括样品均匀性、预调湿、调湿、称样、制样、人员上机操作和仪器测量的重复性等；（2）测量过程的系统效应导致的不确定度分量，包括HVI系统校准；（3）校准样品不确定度分量；（4）结果修约导致的不确定度分量。

4 不确定度的评定

4.1 测量过程的随机效应导致的不确定度分量

导致随机效应的因素可分为样本本身的随机因素和测量过程的随机因素两部分，这些随机因素综合在一起影响棉纤维物理指标的测试结果。试验设计了中间精密度研究方案，选取7个质量水平的样品，在不同日期，由不同人员（3人）利用不同的仪器（3台）在统计状态（1.3 测试程序）下进行重复性测试，测试结果详见表1，不同质量水平样品测试的物理指标均值和精密度统计数据见表2。

表1 不同质量水平的棉纤维物理指标测试结果一览表

续表1 不同质量水平的棉纤维物理指标测试结果一览表

续表1 不同质量水平的棉纤维物理指标测试结果一览表

表2 不同质量水平的棉纤维物理指标测试结果均值和精密度统计表

对表2中的各物理指标在不同质量水平下的

x

与

S

(

x

)进行相关性分析，得出各相关系数（表3），结果表明，各物理指标的测量水平

x

与测量结果的精密度

S

(

x

)无关，

S

(

x

)在不同的质量水平下虽有所波动，但总体上上限可控，且趋于稳定。

表3 棉纤维物理指标不同质量水平均值与精密度相关性分析表

取各物理指标测量结果精密度中的最大值作为该方法随机效应导致的不确定度分量的计算基准，按式（2）计算各物理指标由测量过程随机性引入的不确定度分量（表4）。依据1.1，各类棉花公证检验工作中，马克隆值、

Rd

、+

b

、长度、长度整齐度和断裂比强度提供结果分别取1、4、4、2、2和2次测量结果的均值。

表4 测量过程随机效应引入的不确定度分量

其中，

M

为提供结果需要的测量次数。

4.2 测量仪器不准引入的不确定度分量μq1

表5 仪器测量不准引入的不确定度分量

4.3 校准棉样（校准瓷板）不匀引入的不确定度分量μq2

由于校准棉样和校准瓷板的证书中未给出不确定度，但理论上认为，其不确定度应远小于测量系统的不确定度，故校准棉样和校准瓷板引入的不确定度可忽略不计。

4.4 结果修约导致的不确定度分量 μq3

表6 结果修约引入的不确定度分量

4.5 合成不确定度的评定

以质量水平1测量结果为例，计算各物理指标的合成标准不确定度。μ、μ、μ和μ之间相互独立，互不相关，因此，测试环节合成标准不确定度μ(

qs

)可以采用方和根的方法合成，按式（5）进行计算，同时按惯例，取包含因子

k

(

c

)=2，包含概率

p

≈95%，按式（6）计算扩展不确定度μ(

qs

)，计算结果见表7。

表7 测试环节棉纤维物理指标扩展不确定度

5 讨论与结论

5.1 试验证明，棉花物理指标的不同测量水平与测量结果的精密度无关。本文对测试环节棉纤维物理指标测量不确定度进行评定，分析了其在一定概率水平下数值的分散性，为合理确定实验室测试环节物理指标的允许偏差提供了依据。

5.2 本文结论在测试的区间数据取值方面，均取最大值用于相关不确定度分量的计算，原因在于：第一，这些最大值反映的事实确实存在，日常检验中可能遇到相似情形，不应规避且应当予以考虑；第二，增加评定结论的包容性，提高评定结论的准确度。

5.3 测量过程中随机效应引入的不确定度分量是实验室测试环节各物理指标合成不确定度的主要来源之一，对其控制好坏决定了实验室测试能力的高低，实验室应完善管理水平，操作人员应规范操作行为，严格检验条件，以降低由其引入的不确定度分量，提高检验质量。