超声波涂层测厚仪示值误差的不确定度评定

姚 妍,张学义,邹松华,刘会彬,秦铁男

(1.天津航天长征火箭制造有限公司，天津 300462；2.苏州热工研究院有限公司, 苏州 215004)

超声波涂层测厚仪示值误差的不确定度评定

姚 妍1,张学义1,邹松华1,刘会彬1,秦铁男2

(1.天津航天长征火箭制造有限公司，天津 300462；2.苏州热工研究院有限公司, 苏州 215004)

为了判别超声波涂层测厚仪检测结果的可信度，对该仪器的示值误差测量不确定度进行了评定。结果表明：该测厚仪示值误差的最佳估计值为19.8 μm，不确定度为21.9 μm，且由仪器精度引入的不确定度分量对仪器示值误差的不确定度影响最大。

超声波测厚；涂层；示值误差；不确定度

随着数字化检测技术的不断发展，大多数制造企业和研究室都配备了具有自动测量功能的数字化检测仪器，提高了工作效率，但由于数字化仪器高度集成了测试模块、数据采集及数据处理模块，导致检测数据无法溯源、检测结果的可信度有所降低。因此，需要对数字化检测仪测量结果的示值误差进行不确定度评价。不确定度是表征赋予被测量值分散性的非负参数，是对测量结果可信赖程度的定量表示，也是对测量结果质量评价的重要定量表征。由于仪器的设计原理、制造偏差、安装调整及校准等存在偏差，仪器会有示值误差，从而使测量结果存在不确定度[1]。因此，对仪器测量结果的示值误差进行不确定度评定可有效判别该仪器的检测能力及检测结果的可信度。数字式超声波涂层测厚仪通过精确测量探头所发射的超声波在被测物表面涂覆层中的入射和反射时间，计算出被测涂覆层的厚度。厚度测量结果可直接显示，数字式超声波涂层测厚仪使用方便，操作简单，可用于检测金属、非金属材料表面的有机涂层或无机覆盖层的厚度，被广泛应用于沿海公路、跨海桥梁、人工岛隧道等交通设施的钢结构及混凝土结构表面防腐涂层的检测，以及海洋平台、输油管道、舰船、高压容器等表面涂覆层厚度的检测中。同时，在航空航天零部件的表面涂覆层厚度的检测中也得到了广泛的应用。鉴于数字式超声波涂层测厚仪在检测工作中的广泛使用，为了判别该仪器检测结果的可信度，笔者参照标准JJF 1126-2004《超声波测厚仪校准规范》和JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》，对数字式超声波测厚仪测量结果示值误差进行了不确定度评定。

1 数字式超声波涂层测厚仪的参数及测量方法

数字式超声波涂层测厚仪工作的环境条件为：试验温度(20±5) ℃，相对湿度50%～65%；测量标准为：520 μm标准厚度试片，检定证书给出的最大偏差为0.1 μm；被测对象为：PosiTecter200超声波涂层测厚仪；测量范围为50～3 800 μm；仪器精度为±(2.5+读数的3%) μm。测量方法为：依据标准GB/T 11344-2008《接触式超声波脉冲回波测厚方法》，首先将被测标准试片平放于硬质底材料表面，再将超声波测厚仪进行零位校正，然后将探头表面涂抹适量的耦合剂后置于被测标准试片表面，并施加一定的压力(20～30 N)，保证探头与试件之间耦合良好，待测厚仪发出提示音后读取厚度值即可。按上述方法分别对520 μm标准厚度试片重复进行20次测量。

2 误差数学模型

测量示值误差计算公式为：

(1)

式中：δ为超声波测厚仪的示值误差，μm；H为测量标准试片厚度时超声波测厚仪的示值，μm；H′为标准试片厚度的约定量值[2]，等于520μm。

3 不确定度来源

数字式超声波测厚仪的不确定度来源主要为：① 测量重复性引入的测量不确定度u1(H)，用A类方法进行评定；② 仪器精度引入的不确定度u2(H)，用B类方法评定；③ 标准试片厚度示值不确定度引入的不确定度u(H′)，用B类方法评定；④ 测量环境引入的不确定度，由于试验在标准规定的温度和湿度下进行，测量过程在短时间内完成，温度和湿度变化很微小，因此，测量环境引入的不确定度可忽略不计。

4 标准不确定度评定

4.1 测量重复性引入的测量不确定度分量u1(H)

测量重复性引入的测量不确定度，主要来源于连续测量得到的数据列统计分布过程中产生的随机效应所导致的不确定度，采用A类不确定度评定方法进行评价。对520 μm标准厚度试片进行20次厚度测量，汇总结果如表1所示。

由表1可知，520 μm标准试片厚度示值的平均值为539.8 μm。

根据贝塞尔公式计算可得试验标准差为：

(2)

式中：n为对520 μm标准厚度试片厚度的独立重复测量的总次数20,得到n个测量值Hk(k=1,2,3,…,n)。

表1 520 μm标准试片厚度测量结果汇总 μm

因此，由测量重复性引起的标准不确定度分量为：

(3)

自由度υ1为19。

4.2 仪器精度引入的不确定度分量u2(H)

4.3 标准试片厚度示值不确定度引入的不确定度分量u(H′)

4.4 标准不确定度计算汇总

标准不确定度分量汇总见表2。

表2 标准不确定度分量汇总

5 合成标准不确定度评定

5.1 合成标准不确定度uc(δ)计算

当所有输入量Hi相互独立时，合成标准不确定度uc(δ)为[1]：

(4)

式中：偏导数∂δ/∂hi是在Hi=hi时导出的，这些偏导数称为灵敏系数，用符号ci表示，即ci=∂δ/∂hi。

灵敏系数：

(5)

(6)

由于各输入量之间彼此独立互不相关，所以合成标准不确定度为：

(7)

5.2 有效自由度计算

合成标准不确定度uc(δ)的自由度称为有效自由度，用υeff表示，可由韦尔奇-萨特思韦特(Welch-Satterthwaite)公式[1]计算：

(8)

6 扩展不确定度评定

扩展不确定度是被测量可能值包含区间的半宽度，在数值上等于合成标准不确定度乘以包含因子[1]。取置信概率p=95%，按有效自由度υeff=58，查t分布表得：t95(50)=2.01，t95(100)=1.984。由内插法得包含因子为：

(9)

扩展不确定度为：

(10)

7 测量不确定度报告

由于示值误差δ的最佳估计值：

(11)

因此，PosiTecor200型超声波涂层测厚仪示值误差δ=(19.8±21.9)μm，其中21.9μm为置信概率为95%的扩展不确定度，包含因子k95=2.006，有效自由度为58。

8 结论

由测量结果可知，PosiTecor200型超声波涂层测厚仪示值误差的最佳估计值为19.8 μm，不确定度U95为21.9μm，且20次测量结果均为正偏差，但测量结果仍在概率为95%的置信区间内。由各标准不确定度分量的计算结果可以看出，以520μm标准试片作为测量标准时，仪器精度引入的不确定度分量对仪器示值误差的不确定度贡献最大，几乎占合成标准不确定度的90%以上，且由于该不确定度分量随测量读数的增大而增大，因此在实际检测过程中应对测量结果予以必要的修正。

[1] 符瑜慧. 自动测试仪直接测量结果不确定度的评定方法[J]. 上海计量测试, 2008(3): 9-11.

[2]JJF1001-2011 通用计量术语及定义[S].

Uncertainty Evaluation of Indication Error of Ultrasonic Coating Thickness Measurement

YAO Yan1, ZHANG Xue-yi1, ZOU Song-hua1, LIU Hui-bin1, QIN Tie-nan2

(1.Tianjin Long March Launch Vehicle Manufacturing Co., Ltd., Tianjin 300462,China; 2. Suzhou Nuclear Power Research Institute, Suzhou 215004, China)

Ultrasonic Thickness Measurement was widely used in processing and testing of parts for quality control. The uncertainty evaluation was significant in the indication Error. The uncertainty evaluation of indication error of ultrasonic thickness measurement was undertaken. The results show that the best estimate of Indication Error of the measurement was 19.8 μm and the uncertainty was 21.9 μm. Furthermore, the uncertainty of instrumental precision makes the greatest contribution to the uncertainty evaluation.

Ultrasonic thickness measurement; Coating; Indication error; Uncertainty

2016-05-02

姚 妍(1986-)，女，工程师，硕士，主要从事金属材料表面处理的工艺研究、生产及质量控制工作。

姚 妍，E-mail: yaoyan1123@126.com。

10.11973/wsjc201703003

TG115.28

A

1000-6656(2017)03-0010-03