陈玲 郑振强 / .福建省计量科学研究院；.龙岩市计量所

0 引言

型砂强度试验设备（见图1）主要是通过机械或液压传动的持续加载，测量砂型铸造中型（芯）砂试样抗压、抗剪、抗拉、抗弯强度性能的一种建筑、交通领域检测专用试验设备[1-4]。通过对型砂强度试验设备进行量值校准，确保其量值符合相应检验技术标准的要求。本文对型砂强度试验设备的各部件相互作用、计量技术要求等给出校准方法与说明，并对抗压强度测量校准结果不确定度进行评定，并分析验证[5-7]。

图1 试验机结构示意图

1 型砂强度试验设备的校准

1.1 校准项目与校准用测量仪器

根据校准技术要求，提出型砂强度试验设备校准项目为示值误差和重复性。校准用测量仪器可使用：标准测力仪，准确度0.3级；数显游标卡尺，最大允许误差：0.03 mm；内测千分尺，最大允许误差：9 μm；深度千分尺，最大允许误差：8 μm。也可根据不低于型砂强度试验设备最大允许误差三分之一的原则，选择其他校准用测量仪器。

1.2 校准方法

检查型砂强度试验设备外观及各部件配件，确定没有影响校准计量特性的因素后校准。根据型砂强度试验设备抗压、抗剪、抗拉、抗弯强度，分别对其抗压强度示值误差和重复性、抗剪示值误差和重复性、抗拉示值误差和重复性、抗弯示值误差和重复性等不同强度要求进行测量[8]。

1）型(芯)砂试验用试样形状截面图

型(芯)砂试验用试样形状截面见图2～4。

图2 抗压、抗剪试验用圆柱形试样

图3 抗拉试验用“8”字形试样

图4 抗弯试验用长条形试样

2）抗压强度测量

（1）选择试验机的抗压试验类型，在抗压测量范围内均匀选取至少5个校准点，校准点也可根据客户要求选取。对模拟指示的仪表，校准点应在标有数字的分度线上。

（2）将标准测力仪放置在试验机试验区域内，使标准测力仪受力轴线与试验机加载轴线同轴。以试验机的抗压指示装置为准在标准测力仪上读取示值，并按递增方式逐点施加相应的压力负荷，重复测量3次。

（3）抗压截面参数d。用内测千分尺测量抗压试模圆柱形内腔(见图2)直径，在圆周上均匀分布的3个位置测量，取3次测量值的平均值作为测量结果d。

（4）示值误差

根据（1）～（3）测量结果的数据，按式（1）计算抗压强度示值误差：

式中：q——试验机的抗压示值误差，%；

p——递增加载时，试验机抗压指示装置指示的值，MPa；

式中：Fi——在第i校准点上，标准测力仪3次测量的算术平均值，N；

A——抗压试块抗压横截面面积，mm2；

d——抗压试块平均直径，mm

（5）示值重复性

根据（1）～（3）测量结果的数据，按式（3）计算抗压强度重复性：

式中：R——试验机的抗压重复性，%；

pimax——在第i校准点上，标准抗压值3次测量中的最大值，MPa，；

pimin——在第i校准点上，标准抗压值3次测量中的最小值，MPa，；

Fimax——在第i校准点上，标准测力仪3次测量中的最大值，N；

Fimin——在第i校准点上，标准测力仪3次测量中的最小值，N

3）抗拉强度测量

（1）同2）中的（1）。

（2）抗拉截面参数b、δ。用内测千分尺测量抗拉试模“8”字形内腔腰部（见图3）宽度尺寸，重复测量3次，取3次测量值的平均值作为测量结果b；用深度千分尺测量其内腔高度，在“8”字形一周上均匀分布的3个位置测量，取3次测量值的平均值作为测量结果δ。

式中：A0——试样抗拉原始横截面面积，mm2；

b——试样抗拉原始横截面的宽度，mm；

δ——试样抗拉原始横截面的厚度，mm

（3）示值误差

将标准测力仪放置在试验机试验区域内，使标准测力仪受力轴线与试验机加载轴线同轴。以试验机的抗拉指示装置为准在标准测力仪上读取示值，并按递增方式逐点施加相应的压力负荷，重复测量3次。根据（1）～（3）测量结果的数据，示值误差按式（1）计算，式中的物理量在这里表示抗拉数据。

（4）示值重复性

根据（1）～（4）测量结果的数据，重复性按式（3）计算：

4）抗剪、抗弯强度测量

抗剪示值误差和重复性，抗弯示值误差和重复性校准方法同2）和3）。

2 型砂强度试验设备校准结果不确定度评定[9-10]

选用0.3级测量范围为200～2 000 N标准测力仪、内测千分尺0～75 mm、最大允许误差：±9 μm；深度千分尺0～100 mm，最大允许误差：±8 μm；游标卡尺0～150 mm，最大允许误差：±0.03 mm为标准器，对型砂强度试验机进行校准。用长度测量标准对抗压、抗剪、抗拉和抗弯的截面参数分别测量3次，取其平均值作为测量结果。将标准测力仪放置在试验机试验区域内，使标准测力仪受力轴线与试验机加载轴线同轴。以试验机的各试验类型的指示装置为准在标准测力仪上读取示值，并按递增方式逐点施加相应的压力负荷，重复测量3次，各点3次标准测力仪示值的算术平均值作为该点的试验力真值。通过公式计算出抗压、抗剪、抗拉和抗弯强度的真值，与试验机强度示值进行直接比较。环境条件：温度10～35 ℃；相对湿度≤80%。

2.1 测量模型

由此，得灵敏系数为

2.2 标准不确定度分量的评定

2.2.1 输入量p的标准不确定度u(p)的评定

1）由测量重复性引入的标准不确定度u1(p)。选取一台型砂强度试验机，用标准测力仪在0.5 MPa校准点，对其进行10次测量并计算，测量结果如表1所示。

表1 测量结果

算术平均值：p= 0.495 MPa

单次实验结果的标准偏差：s= 0.001 MPa

实际测量是在重复性条件下测量3次，取其算术平均值为测量结果。

2）由试验机抗压显示装置分辨力引入的标准不确定度u2(p)。试验机抗压显示装置的分度值为0.01 MPa，按1/2分度值估读，则其分辨力为0.005 MPa。半宽为0.002 5 MPa，估计为均匀分布，其引入的标准不确定度：

因u2(p) >u1(p)，故输入量P的标准不确定度u(p) =u2(p) = 0.002 MPa。

2）由抗压截面参数d的测量引入的标准不确定度u(d)

（1）内测千分尺的准确度引入的标准不确定度u1(d)，内测千分尺的最大允许误差为±9 μm，半宽为9 μm。估计为均匀分布，其引入的标准不确定度为

（2）由测量重复性引入的标准不确定度u2(d)，抗压截面参数d3次测量的结果为50.006 mm、50.005 mm、50.010 mm，测量结果d= 50.007 mm。极差法计算单次实验标准偏差：。实际测量是在重复性条件下测量3次，取其算术平均值为测量结果。则：。

（3）d的标准不确定度评定

由于与d不相关，故的标准不确定度：

2.3 合成标准不确定度的评定

标准不确定度汇总表见表2。

表2 标准不确定度汇总

由表1数据计算p= 0.5 MPa，= 0.495 MPa。由于p和彼此独立，互不相关，则合成标准不确定度的计算：

2.4 扩展不确定度的确定

取包含因子k= 2，则Urel=kuc(q) = 0.82%。

2.5 测量结果不确定度的报告与表示

型砂强度试验机输出力值示值误差测量结果为q= 1.0%，Urel= 0.82%，k= 2。

型砂强度试验设备校准结果的扩展不确定度为Urel= 0.82%（它是由合成标准不确定度uc= 0.41%和包含因子k= 2之乘积得到）小于最大允许误差（5%）的1/3，满足校准要求。

同时对型砂强度试验设备的抗剪强度、抗拉强度、抗弯强度校准结果的扩展不确定度分别按不同测量模型

进行不确定度分析评定，校准结果的扩展不确定小于最大允许误差（5%）的1/3，满足型砂强度试验设备校准结果计量性能要求。

3 结语

本文通过对型砂强度试验设备参数的校准所采用的校准设备、校准项目、校准方法及校准结果不确定度评定等分析探讨，提出对型砂强度试验设备各部分部件相互作用检查，抗压强度示值误差和重复性、抗剪示值误差和重复性、抗拉示值误差和重复性、抗弯示值误差和重复性等校准方法与说明，并提供实际校准型砂强度试验设备的校准结果不确定度评定分析。型砂强度试验设备的校准方法与校准结果不确定度评定，可以作为技术人员校准“型砂强度试验设备”技术参考。