针织物顶破强力测试的不确定度分析

    测量不确定度与传统的误差分析理论相比更具操作性，但目前在纺织测试领域，不确定度的评估还不普及。因此，本文运用不确定度理论对实验室研制改造的“针织物弹子顶破强力仪”测试系统及实验结果进行不确定度的评估具有现实意义。

    本实验采用研制改造的弹子顶破强力仪进行实验。测试系统包括顶压球杆、框架式固定夹具座、试样固定夹具等。并且使用XJ818电子材料试验机(CRE)，其能有效地保证试验数据的正确性和可靠性，量程为(0～5)kN。按照GB/T19976-2005《针织物顶破强力的测试》要求设定拉伸速度为300mm/min，采用ASTM D5034规定的实验参数:钢球外弧顶点与织物平面距离为75mm。

一、数学模型

根据本实验特点，建立如下不确定度分析的数学模型:

式中:Y——已修正的顶破强力测量值；——重复测量算术平均值；——修正值。

二、不确定度的主要来源

本测量方法主要包括手工制样、确定顶压起始距离、夹样及拉伸等几个过程。测试程序如图1所示。

<CTSM>图1针织物顶破强力实验流程图</CTSM>

依据商品的特征及检验方法、实际操作情况，不确定度的主要来源有:取样的随机性、检测过程操作的差异等分量引起的不确定度；材料试验机的准确度、仪器跟踪应力的灵敏度和模量转换(包括数字修约)的准确性导致自动显示终端的示值误差。

1.随机效应导致的不确定度

(1)试样的代表性

以下因素的分散性均构成试样间强力测试结果的差异:

①纱线的细度、均匀度、捻度。

②织物的密度、成分、组织结构。

(2)偏离方法要求的因素导致的不确定度

①夹持状态不理想

按GB/T19976-2005的要求，钢球中心应位于织物夹具圆孔中心正上方，但在实际操作时难以控制到理想状态，由此导致了测量不确定度分量。

②调湿偏差

某些织物(如麻织物、粘胶织物)的强力与湿度密切相关，由于调湿时间或湿度的波动将导致强力值的波动。

③强力机拉伸速度均匀性

拉伸速度不均匀将导致强力仪模量转换失真。

本实验在恒温恒湿室内由同一人员操作完成。这两个因素影响较小，带来的不确定度可以忽略不计。

因为样品夹持在固定的金属夹具内，有效受力面积基本保持不变，所以这个不确定度也可以忽略不计。

2.仪器示值的准确性导致的不确定度

主要是由于仪器跟踪应力的灵敏度和模量转换(包括数字修约)的准确性导致自动显示终端的示值误差。

三、不确定度的评定

1.A类不确定度u_A(X)的评估分析

因取样的随机性、检测过程操作的差异等引起的不确定度采用A类方法进行评估。

以4组样品在标准条件下各测10个试样的结果为基本实验数据，评定其实验标准差。样品是纯棉26S纬平针布，如表1所示。

<CTSM>表1针织物顶破强力测试结果单位:N</CTSM>

根据表1，通过下式计算总算术平均值:

，这里m=4，n=10

所以，合并样本标准差为:

m组样品n次测量平均值的测量结果标准不确定度为:

2.B类不确定度u_B(X)的评估分析

(1)修约误差

本实验中由数字修约导致的不确定度、测量仪器的示值量化导致的不确定度都属于均匀分布。GB/T19976-2005的结果修约按如下规则进行:强力的平均值修约到整数位δx，即1N。所以平均值为334N时，计算平均值修约导致的不确定度为:

(2)示值相对误差

仪器示值的准确性导致的不确定度主要是由于仪器跟踪应力的灵敏度和模量转换(包括数字修约)的准确性导致自动显示终端的示值误差。根据强力机技术资料标明:强力的示值相对误差为0.5%，而。按均匀分布处理，强力机大示值误差导致的示值标准不确定度为:

(3)示值重复性

根据校准证书可知，示值重复性为1%，并指出其置信概率为95%，按正态分布处理，其示值重复性标准不确定度为:

(4)载荷进回程相对误差

根据强力机校准证书可知，载荷进回程相对误差为1.5%，并指出其置信概率为95%，按正态分布处理，其标准不确定度为:

(5)横梁速度变动导致的不确定度

由实验可以得到横梁移动速度的变化会引起织物顶破强力的变动。横梁负载速度的相对误差为1%，按均匀分布处理，得到横梁移动速度大误差导致的横梁移动速度标准不确定度为:

平均顶破强力为334.15N，所以平均机器功率为:

式中:P——强力机实际功率，W；F——强力，N；V——横梁速度，mm/min。

把上式变形后可得到下式:

所以

因为u(P)=0，所以

3.不确定度汇总

输入量的不确定度汇总表如表2所示。

<CTSM>表2不确定度汇总表</CTSM>

五、输入量的合成不确定度

因为各分量无相关性，所以

六、扩展不确定度

包含因子k=2，则平均顶破强力的扩展不确定度

U_y=ku_c(Y)=2×4.22≈8.5N

七、不确定度的报告

本实验情况下，针织物顶破强力平均值Y=334N，扩展不确定度U_y=8.5N，k=2。

八、结论

1.作为一个新研制改造的针织物顶破强力测试系统，进行该系统的测量不确定度评定具有重要的研究价值和现实意义，同时也扩大了纺织测试领域的不确定度评估范围。

2.不确定度的主要来源是取样随机性、强力机的示值准确度等，所以为保证测试结果的正确，必须确保仪器量值溯源的准确，按计划进行期间核查。