李 钰

（甘肃恒石公路检测科技有限公司，甘肃 兰州）

序言

摆式摩擦系数测定仪适用于路面、机场道面、停车场铺面以及其它具有平面特征的材料表面摩擦系数的检测，也适用于石料磨光值试件的磨光值测定。虽然该设备原理简单，但实际使用中，摆式仪的影响因素较多，造成测试结果准确性也不能满足要求，因此，对摆式摩擦系数仪测定过程中的不确定度进行分析很有必要。

1 摆式摩擦系数仪测量误差模型

摆锤从水平位置无初速度下落，同时促发数据采集与处理系统采集角度编码器的信号；摆锤摆至最下端时，摩擦片与标准摩擦系数试件发生摩擦，数据采集与处理系统采集力传感器的信号和角度编码器数据，计算摩擦行程长度；摩擦过程结束后摆锤继续向上摆至最高，通过角度编码器同时记录下摆锤摩擦后最大偏摆角度，数据采集与处理系统根据公式（1）计算得到摩擦系数，摩擦系数测定仪主体结构如图1 所示。

摆式摩擦系数测定仪的测试计算公式如下：

式中:N-摩擦正压力；S-摩擦行程长度；M-摆锤质量；g-当地重力加速度；L-摆锤重心到摆轴距离；θ-摆锤摩擦后最大偏摆角度。

2 摆式摩擦系数示值误差不确定度主要来源

2.1 计量标准引入的不确定度

2.1.1 高精度摆式摩擦系数测定仪

高精度摩擦系数测定仪中自动力传感器能够将橡胶片与测试表面正压力实时采集并自动将数据传递到计算机处理系统；角速度传感器能够将橡胶片顶端速度变化情况实时采集到，并转换成橡胶片与测试表面实际接触的位移数据；固定底板消除了测试时仪器底座不稳定和支架不水平导致的误差影响；计算机处理系统将采集到的力、接触长度进行计算得到摩擦系数，消除指针读数显示系统的误差[1]。

2.1.2 摆式摩擦系数标准试件组

高精度摆式摩擦系数测定仪通过对标准试件组赋值，向检定对象进行量值的传递。标准试件组被高精度摩擦系数测定仪赋值后，使用被检定的摆式仪测试摆式摩擦系数标准试件组，并与高精度摩擦系数测定仪的赋值进行直接比较。

2.2 摆式摩擦系数测定仪自身误差引入的不确定度[2-3]

2.2.1 摆

摆的总质量为(1.50±0.03)kg；摆动轴心距摆重心的距离为(410±5)mm；橡胶片下端与摆动轴心的距离为(510±2)mm。

2.2.2 最大正向静压力

橡胶片与被测量表面的最大正向静压力为(22.2土0.5)N；使用挂重法检验,最大静压力对应的滑溜块沿轴向变形距离应为(4.0±0.1)mm。

2.2.3 滑溜块

用于测定路面摩擦系数的滑溜块的总质量为(32±5)g；用于测定路面摩擦系数的橡胶片尺寸：长度(76.2±0.5)mm；宽度(25.4±0.5)mm；厚度(6.35+0.50)mm。

用于测量加速磨光机试验后弧形试件抗滑值的总质量为(20±5)g；用于测量加速磨光机试验后弧形试件抗滑值的橡胶片的尺寸：长度(31.50±0.50)mm：宽度(25.40±0.50)mm；厚度(6.35±0.50)mm；滑溜块所用橡胶片的邵氏硬度为(55±5)HA。

2.3 操作引入的不确定度

在重复性条件下，使用摆式摩擦系数测定仪对标准摩擦系数试块组的摩擦系数进行n 次独立重复测量。

使用高精度摆式摩擦系数测定仪分别对两种水平同一标准试件重复测试10 次，测试的摆值结果(摩擦系数的100 倍)如图2、图3 所示。

图2 摆式摩擦系数怀准器组重复性考核结果（火山石）

图3 摆式摩擦系数怀准器组重复性考核结果（玻璃）

3 摆式摩擦系数示值误差不确定度计算

使用摆式摩擦系数检定装置对摆式摩擦系数测定仪进行整机准确性检定，对测量误差测量结果的不确定度进行评定，为了客观评价使用过程中引入的不确定度，本次计算引入规范允许的最大偏差进行不确定度的分析。为了便于表述与计算，将不确定度的来源和表示等以表1 形式列出在表后给出详细计算过程。

表1 不确定度计算

具体过程如下:

（1）摆的总质量m 引入的不确定度分量μ1：

摆的总质量为(1.50±0.03)kg；因此，

（2）重力加速度g：

为正确评估重力加速度对摆式摩擦系数的影响，对全国主要城市的重力加速度进行了汇总，通过分析可知，全国主要城市中哈尔滨重力加速度最大，为9.806 6 mos-2；拉萨重力加速度最小，为9.779 9 mos-2，差值0.026 7 mos-2，标准差0.006 618 mos-2，在全国范围内不确定度小于0.1%。

（3）摆杆长度l：

橡胶片下端与摆动轴心的距离为(510±2)mm；

（4）上级计量标准引入的不确定度：

准确度等级：MPE:±0.01；

（5）重复测试的不一致性：

根据图2 分别计算两种测试水平下的标准偏差s，其中n=10。

得出水平A 由于重复测量引起的标准偏差s51=0.21；水平B 由于重复测量引起的标准偏差s52=0.41；由于摆值为5 次测量的平均值，则由重复性引入的不确定度分量为：

取标准差较大值计算重复性引入的不确定度，

（6）角度编码器：

数字化角度编码器最大允许误差为：±20''

（7）合成不确定度：

对指针式摆式摩擦系数测定仪：

对数显式摆式摩擦系数测定仪：

（8）扩展不确定度U：

4 结论

（1）上述分析计算是各计量器具在满足规范要求下，按最大允许偏差计算得到的，可以看出扩展不确定度为2.64 BPN，不满足现行规范要示值误差小于2.0 BPN 的要求。因此摆式摩擦系数测定仪在使用过程中应定期进行检定。

（2）通过上述分析可知，由重力加速度引入的不确定度分量仅为0.000 6，表明该设备在我国使用由重力加速度引入的示值误差较小，在应用过程中可对该指标引入的不确定度忽略。

（3）通过上述分析可知引起摆式摩擦系数测定仪示值误差的主要来源有上级计量标准引入不确定度、摆的质量、摆杆的长度、及测量过程的重复性。