金属里氏硬度计测量示值误差不确定度评定方法

赵韶华

摘 要：本文应用不确定度理论，阐述里氏硬度示值误差在测量过程中引入的不确定度分量，给出不确定度评价方法。

关键词：里氏硬度计;示值误差;不确定度

引言

根据国家计量技术规范JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》，测量不确定度一般由若干分量组成，一些分量可根据一系列测量值的统计分布，按A类进行评定，而另一些分量则可采用根据经验或其他信息获得的概率密度函数，按B类进行评定。扩展不确定度为合成标准不确定度与一个大于1的数字因子的乘积。

里氏硬度计检测原理：它的基本原理是具有一定质量的冲击体在一定的试验力作用下冲击试样表面，测量冲击体距试样表面1mm 处的冲击速度与回跳速度，利用电磁原理，感应与速度成正比的电压。里氏硬度值以冲击体回跳速度与冲击速度之比来表示。

本文阐述了里氏硬度计示值误差不确定度评定，论述了各分量的来源，为采用里氏硬度计检测的不确定度分析提供参考。

1.概述

1.1测量方法

GB/T 17394.1-2014 《金属材料 里氏硬度计试验 第一部分：试验方法》。

1.2评定依据

JJF 1059.1-2012 《测量不确定度评定与表示》;GB/T 17394.2-2012 《金属材料里氏硬度计试验 第二部分：硬度计的检验与校准》;JJG 747-1999 《里氏硬度计检定规程》。

1.3环境条件

试验温度为 26 ℃±2 ℃，湿度为 60%RH，周围环境无震动、无强烈磁场及腐蚀介质。

1.4测量设备

经计量单位检定合格的北京时代之峰TIM5302型里氏硬度计，最大允许示值误差±12HLD。

1.5测量标准

标准里氏硬度块（790HLD、631HLD、543HLD，以下简称高、中、低），上级证书给出的扩展不确定度为6HLD，k=3.

1.6测量过程

根据GB/T 17394.1-2014测量方法，在规定环境条件下，使用满足JJG 747-1999《里氏硬度计检定规程》中的标准里氏硬度块（高、中、低），借助于计量合格的里氏硬度计，在每一硬度块上重复测量5次，5次测量的算术平均值和硬度块标准值之差 即为硬度计的示值误差之差。

2.建立测试模型

依据JJG 747-1999《里氏硬度计检定规程》，里氏硬度的测试模型为：

δ=Hm-H

式中：Hm---5点硬度测定的算术平均值

H---标准里氏块硬度值

3.测量不确定度来源分析

主要来源：检验时测量重复性引入的不确定度;标准硬度块扩展不确定度引入的不确定度;标准硬度块稳定度引入的不确定度。

其它条件为同一操作者、同一仪器、同一试验方法、同一试验环境故由此引起的不确定度可以忽略不计。

4、输入量标准不确定度评定

4.1输入量Hm标准不确定度u（Hm）的评定

输入量Hm标准不确定度来源于主要由两部分组成：

硬度计测量重复性引入的标准不确定度分量u（Hm1）;

硬度计分辨力引入的标准不确定度分量u（Hm2）。

4.1.1硬度计测量重复性引入的标准不确定度分量u（Hm1）的评定

测量重复性引起的不确定度，采用A类方法评定。

经验表明，由于测量重复性、硬度计的允许差、标准硬度块的均匀度等多种因素的影响，使得每点的测量值具有一定的分散性。特别是对于中标尺和低标尺，这种分散性就更大。计算表明，不宜采用合并样本标准差来评定。为此本方法建议采用贝塞尔公式计算出实验标准差S来计算标准不确定度。

用标准值为790HLD、631HLD、543HLD的硬度块（高、中、低）分别对硬度计连续测量10次，得到一组测量值见表1

根据表1的测量结果采用贝塞尔公式，求出单次实验标准差，见表2

贝塞尔公式：

实际测量中，在重复性条件下连续测量5次，以5次测量的算术平均值作为测量结果。按下式得出每个标尺的标准不确定度，见表3

4.1.2硬度计分辨力引入的标准不确定度分量u（Hm2）

里氏硬度计分辨力是1HLD，由分辨力引入的不确定度分量为：u（Hm2）==0.29HLD。

虽然硬度计分辨力也会对测量重复性有影响，但根据JJG1033-2008《计量标准考核规范》中规定：在不确定度评定中，当重复性引入的不确定度分量大于被测量的分辨力所引起的不确定度分量时，可以不考虑分辨力所引入的不确定度分量。

由于对于各标尺均有u（Hm1）>u（Hm2），所以在进行评定时则忽略由分辨力引入的不确定度。

4.2输入量H标准不确定度u（H）的评定

输入量H为硬度块标准值，其引入的不确定度用B类方法进行评定。

输入量H标准不确定度来源于主要由两部分组成：

标准硬度块扩展不确定度引入的标准不确定度分量u（H1）;

标准硬度块稳定度引入引入的标准不确定度分量u（H2）。

4.2.1标准硬度块扩展不确定度引入的标准不确定度分量u（H1）的评定

标准里氏硬度块扩展不确定度由上一级证书给出，即u（H1）=6HLD/3=2HLD，各标尺不确定度分量见表4

4.2.2标准硬度块稳定度引入引入的标准不确定度分量u（H2）

根据JJG747-1999《里氏硬度计检定规程》中附录A中第A.1.4条款规定里氏

块的稳定度在2年内不应超过硬度值的1%，该穩定度的变化按正态分布考虑，k=3，即u（H2）==0.33%，各标尺不确定度分量见表5

4.2.4输入量H标准不确定度u（H）的计算

输入量H标准不确定度为，各标尺不确定度见表6

5、合成标准不确定度的计算

5.1数学模型：δ=Hm-H

灵敏系数：

5.2合成标准不确定度的计算

输入量Hm和H彼此独立不相关，所以合成标准不确定度可按下式计算：

各标尺合成不确定度见表7

6、扩展不确定度评定

取k=2，扩展不确定度为U=k×uc （δ）

790HLD标尺： U=k×uc （δ）=2×3.51=7.02HLD

631HLD标尺： U=k×uc （δ）=2×3.22=6.44HLD

543HLD标尺： U=k×uc （δ）=2×2.73=5.46HLD

7、测量结果不确定度报告

790HLD标尺： U=7.02HLD k=2

631HLD标尺： U=6.44HLD k=2

543HLD标尺： U=5.46HLD k=2

参考文献：

[1]GB/T 17394.1-2014 《金属材料 里氏硬度计试验 第一部分：试验方法》.

[2]GB/T 17394.2-2012 《金属材料里氏硬度计试验 第二部分：硬度计的检验与校准》.

[3]JJG 747-1999 《里氏硬度计检定规程》.

[4]JJF 1059.1-2012 《测量不确定度评定与表示》.

[5]JJG 1033-2008《计量标准考核规范》.55C3C0E9-68E2-481D-AC96-F072FCF997D7