回弹仪回弹值测量结果误差与不确定度分析

回弹仪回弹值测量结果误差与不确定度分析

郝利栋

广东省河源市质量计量监督检测所  广东河源   517000

摘要：回弹仪作为一种重要的工程测试仪器，常用于测量材料或结构的弹性特性。回弹仪测量的结果用回弹值来表示，主要反映材料或结构的弹性特性。然而，回弹仪回弹值测量结果存在的误差和不确定度尤为重要，本文对其进行研究和分析，以期提升测量准确性，并为相关人员提供参考和借鉴。

关键词：回弹仪；回弹值；测量结果；误差；不确定度

引言：在工程测试中，回弹仪的应用较为广泛，可用来测量材料或结构的弹性特性，如弹性模量、剪切模量等。在评估材料或结构的性能时，需要确保回弹值的准确性，但是，由于回弹仪测量结果误差和不确定度等因素普遍存在，会影响测试结果的准确性和可靠性。因此，对于回弹仪回弹值测量结果误差与不确定度分析，尽量减小误差，引入准确的不确定度对测试十分必要。

1.回弹仪的工作原理

回弹仪主要是利用弹簧驱动锤头，通过对试样实施冲击，在测量回弹高度之后，将其用来反映被测物体的弹性性能。

回弹刚度指标具有关键作用，在受到外力冲击时，能够直接反映材料或结构的变形能力和恢复能力。回弹仪被广泛应用于各种领域，如航空航天、汽车制造、建筑材料等，可以帮助工程师优化设计、提升产品性能、降低使用风险。因此，对回弹仪回弹值测量结果误差与不确定度进行分析，首先要明确测量误差与测量不确定度的主要区别，详见表1。

表1 测量误差与测量不确定度的主要区别

然而，回弹仪的测量结果可能受到诸多因素的影响，例如锤头的质量、锤头和试样的接触面积、测量装置的精度等等。上述几种干扰因素的出现，均有可能对最终的测量结果产生影响。

首先，锤头的质量属于重要影响因素之一。这是由于锤头的质量会对试样中产生的冲击力造成直接影响。当锤头的质量过大时，可能导致试样受到的冲击力过大，超出其弹性极限，从而影响回弹高度的测量结果。如果锤头的质量过小，可能导致产生的冲击力不够充足，难以有效反映试样的弹性特性。

其次，锤头和试样的接触面积，也会对测量结果产生影响。当实际的接触面积过小时，可能会出现局部应力集中的现象，此时试样会在局部产生过大的变形，从而影响回弹高度的测量结果。因此，操作人员需要确保锤头和试样的接触面积充足，以便保证测量的准确性。

最后，测量装置的精度。回弹仪的精度会直接干扰测量结果的准确性。因此，需要全面做好测量装置维护工作，通过定期组织测量装置校准作业的开展，能够保证测量结果的准确性。

2.回弹值测量结果误差分析

回弹值的测量结果误差主要来源于两个方面：回弹仪本身的误差和回弹仪操作的误差。测量误差示意图如图1所示。

图1 测量误差示意图

2.1回弹仪本身误差

其一，锤头质量偏差。锤头的质量对回弹值的测量结果具有较大的影响，锤头的质量直接决定了锤头在撞击试样时产生的力度。如果锤头的质量存在偏差，那么在实际的测量过程中，其撞击试样时的力度，会与预设值之间产生一定的差异，从而导致回弹值的测量结果受到显著影响。无论产生的影响大小如何，均可能增加测量结果的不确定性[1]。

其二，锤头和试样的接触面积偏差。在测量回弹值时，需要涉及锤头和试样的接触面积这一重要参数，且面积参数的准确性，会对回弹值的测量结果产生直接影响。当接触面积存在偏差时，在测量过程中，锤头对试样产生的撞击，可能无法保障均匀性，导致回弹值的测量结果存在失真现象，并且可能会使测量结果与真实值偏离，从而不利于保障测量结果的准确性。

其三，测量装置的误差。测量装置的准确性是保障回弹值测量的基础条件，当测量装置存在误差，那么回弹值的测量结果会出现失真问题，从而影响到后续的决策和分析。需要尽可能地通过校准和维护等措施，减小误差产生的影响。

2.2回弹仪操作误差

一方面，测量时的操作手法。在回弹值测量过程中，需要突出选用合适测量操作手法的重要性，这是由于方法的选用，会直接影响测量结果的准确性。基于规范的操作手法，能够确保测量过程的稳定性和可靠性，若使用的操作手法缺乏标准性和规范性，则可能导致最终的测量结果出现偏差。例如，测量时的力度、速度、角度以及锤头的放置位置等因素，均会对回弹值的测量结果产生影响。如果实际操作并未按照规定的方式和要求进行，可能会导致回弹值的测量结果与真实值相偏离，从而影响测量结果的准确性。

另一方面，读数的准确性。在读取回弹值时，保障读数的准确性十分重要。对于回弹值的测量结果，主要是由测量装置上的刻度读数来决定，当读数缺乏准确性时，会直接影响回弹值的测量结果。通过分析造成读数不准确的原因，可能在以下几个方面。比如，测量装置的精度问题、环境的干扰、视觉误差等等。因此，为了保证回弹值测量结果的准确性，需要对测量人员提出严格要求，使其通过学习和加强训练，着重提高自身的读数技能，尽可能地减少读数误差问题。同时，也需要定期组织测量装置校准作业的开展，确保所提供的读数具备较高的准确性。

3.回弹仪不确定度分析

不确定度是指测量结果与真值之间的差异，能够反映测量结果的精度和可靠性。对于回弹仪而言，其不确定度主要来源于两个方面。即：回弹仪本身误差导致的不确定度、回弹仪操作误差导致的不确定度等，以下针对回弹仪本身误差（弹击拉簧工作长度和指针摩擦力）导致的不确定度进行具体的分析。不确定度的表示方法如图2所示。

图2 不确定度的表示方法

3.1弹击拉簧工作长度测量结果不确定度评定：

a．概述

测量依据：JJG817-2011回弹仪检定规程。

被测对象：ZC-3型回弹仪。

评定结果的使用：在符合上述条件下的测量，一般可直接使用本不确定度的评定结果。

b．数学模型

式中  ΔL——弹击拉簧长度示值误差；

L——弹击拉簧长度理论值，61.5mm；

L实——弹击拉簧长度测量值；

所以

c．标准不确定度的评定

c.1由测量重复性引入的不确定度分量u1

用游标卡尺对被测回弹仪弹击拉簧工作长度进行十次测量，测量结果如下（单位mm）：

s=0.045mm

由于实际测量时取3次测量时的平均值，所以u1=0.045/=0.026mm

c.2由测量用游标卡尺不准确性引入的不确定分量u2

由于标准器的卡尺最大允许误差为：±0.03mm可得由游标卡尺不准确性引入的不确定分量：

u2=0.03/=0.018mm

d．合成标准不确定度

==0.032mm

f. 扩展不确定度

取k=2，测量结果扩展不确定度为：U=kuc=2×0.032mm=0.07mm

3.2 指针摩擦力测量结果不确定度评定：

a．概述

测量依据：JJG817-2011回弹仪检定规程。

被测对象：ZC-3型回弹仪。

评定结果的使用:在符合上述条件下的测量，一般可直接使用本不确定度的评定结果。

b．数学模型

式中 Δ F——指针摩擦力

 F——指针摩擦力理论值，0.65N；

F实——指针摩擦力实际测量值；

c．标准不确定度的评定

c.1 由测量重复性引入的不确定度分量u1

用双向测力仪对被测回弹仪指针摩擦力进行十次测量，测量结果如下（单位N）：

s=0.026N

由于实际测量时取3次测量时的平均值，所以u1=0.026/=0.014N

c.2由测量用测力仪不准确性引入的不确定分量u2

由于标准器的测力仪最大允许误差为：±3%（FS），量程为1N，可得由测力仪不准确性引入的不确定分量：

u2=0.03N/=0.018N

c.3由测量用测力仪的分辨率引入的不确定分量u3

测力仪的分辨率为0.02N，所以u3=0.02N/2=0.006N

d．合成标准不确定度

==0.024N

f. 扩展不确定度

取k=2，测量结果扩展不确定度为：U=kuc=2×0.024N=0.05N

总的来说，回弹值的测量结果受到多种因素的影响，包括操作手法、读数准确性、测量装置的准确性等等。在测量时，应尽量规范操作人员的手法，提高读数准确性。通过定期校准测量装置，以减少不良干扰因素对测量结果的影响，从而确保测量结果的准确性和可靠性。

4.数据分析

本文对10个不同材料或结构的试样进行回弹值测量，所有测量工作均在同一台回弹仪上进行。10个试样分别代表了各种不同材料和结构类型，旨在通过广范围的覆盖，探究回弹仪在不同应用场景下的表现。通过对试样的测量，得到一组回弹值测量结果的误差和不确定度数据。数据中包含了丰富的信息，可以通过对其深入分析，得出回弹仪回弹值测量结果误差和不确定度的分布规律，以及影响测量结果准确性的主要因素[3]。

分析数据，发现回弹仪回弹值测量结果误差和不确定度的分布规律有以下几个特点。首先，误差的分布大致符合正态分布，显示测量结果具有一定的随机性。其次，不确定度随着测量值的增大而增大，表明测量结果的精确度与测量值的大小有关。此外，对于不同材料和结构的试样，其测量结果误差和不确定度的分布规律存在一定差异，并且可能与材料和结构的特性有关。

分析影响测量结果准确性的主要因素，主要包括回弹仪自身的精度，属于内因的范畴，并且对测量结果的精确度起到决定性影响。其次是操作人员的操作技术。操作人员的技术水平会直接影响测量结果，当出现操作不规范或不到位的情况，都可能导致测量结果出现偏差。最后，测量环境。如，温度、湿度等环境因素，也可能对测量结果产生影响。

通过本文的研究，可以更好地理解回弹仪的工作原理，准确地掌握测量结果的误差和不确定度，为后续的工作提供参考。同时，通过发现并分析部分影响测量结果准确性的关键因素，也为改进环节提供了明确的方向。如，提高回弹仪的精度，加强操作者的培训，控制测量环境的条件等。

5.结论

5.1回弹仪回弹值测量结果误差与不确定度分析的重要性

在新时代背景下，科技日新月异，各种测量仪器层出不穷。回弹仪作为各种新型测量仪器中的一种，被广泛应用于各种领域。然而，回弹仪的测量结果误差与不确定度的大小，会直接影响测量结果的可靠性。因此，对回弹仪回弹值测量结果误差与不确定度的研究是具有重要意义，且解决回弹仪回弹值测量结果误差与不确定度分析问题至关重要[4]。

5.2本文的研究方法与内容

本文采用理论与实践相结合的研究方法，首先通过对回弹仪的工作原理进行深入探究，了解其测量回弹值的原理与过程。其次，对回弹值测量结果的误差进行分析，探讨误差的产生原因以及影响误差大小的因素。同时，对不确定度进行分析，研究不确定度的来源以及如何计算和评估不确定度。最后，通过数据分析的形式，总结回弹仪回弹值测量结果误差和不确定度的分布规律，并找出影响测量结果准确性的主要因素。

5.3结论与意义

通过对回弹仪回弹值测量结果误差与不确定度分析的研究，得出回弹仪回弹值测量结果误差和不确定度的分布规律，以及影响测量结果准确性的主要因素。对于该类结论的使用，在提高回弹仪测量结果的准确性和可靠性时具有重要意义，同时也为回弹仪的研发和应用提供了有价值的参考。通过对误差和不确定度的研究，可以更好地理解回弹仪的工作原理，准确掌握测量结果的误差和不确定度，为未来的研究和应用提供更为坚实的基础。

结束语：对回弹仪回弹值测量结果误差与不确定度分析问题的探究比较复杂，需要综合考虑回弹仪的工作原理、测量误差、不确定度、数据分析等关键因素，希望对工程测试领域的从业人员有所帮助。

参考文献：

[1]高作家. 混凝土回弹仪测量结果的不确定度评定[A]. 新疆市场监督管理局.2023新疆标准化论文集[C].新疆市场监督管理局:《中国标准化》杂志社有限公司，2023:5.

[2]高望清,邓浩,李操,何胜华,王潇宇,李扬. 广东地区回弹法检测高强混凝土抗压强度研究[J]. 建筑科学,2022,38(11):34-41.

[3]姚树标,武茂超,万鹏,王新乔,王少雷,陈文超. 基于回弹法的岩石强度预测及切割采矿应用分析[J]. 有色金属(矿山部分),2022,74(05):116-121+133.

[4]徐先锋,邢鹏飞,汪泳,王岁红. 基于L型回弹仪的岩石力学特性试验研究[J]. 黄金科学技术,2022,30(04):550-558.

[5]于桓飞,武利强,叶飞,钱虹. 回弹仪型号对检测水工全级配混凝土抗压强度影响研究[J]. 水力发电,2022,48(10):113-117.

[6]王楠. 回弹法在C50～C60混凝土抗压强度检测应用中的探讨[A]. 中国建设科技集团股份有限公司、中国建筑西南设计研究院有限公司、东南大学、《建筑结构》杂志社.第七届建筑结构抗震技术国际会议论文集[C].中国建设科技集团股份有限公司、中国建筑西南设计研究院有限公司、东南大学、《建筑结构》杂志社：《建筑结构》编辑部,2020:4.

[7]崔珑，丁一旭，李风明，张培圣. Q值混凝土回弹仪回弹法检测初步研究[A]. 中国老教授协会土木建筑专业委员会、中国土木工程学会工程质量分会、北京交通大学土木建筑工程学院.第十一届建筑物改造与病害处理学术研讨会、第六届工程质量学术会议论文集[C].中国老教授协会土木建筑专业委员会、中国土木工程学会工程质量分会、北京交通大学土木建筑工程学院:中国土木工程学会,2016:4.