油浸法测定玻璃折射率的不确定度评定

引用本文

郭洪玲, 权养科, 陶克明. 油浸法测定玻璃折射率的不确定度评定[J]. 刑事技术,2012,37(2): 13-15
GUO Hong-ling, QUAN Yang-ke, Tao Ke-ming. Evaluation of the uncertainty for the measurement of glass refractive index by oil immersion method[J]. Forensic Science and Technology,2012,37(2): 13-15 复制到剪切板

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《刑事技术》编辑部

油浸法测定玻璃折射率的不确定度评定

郭洪玲, 权养科, 陶克明

公安部物证鉴定中心,北京 100038

作者简介:郭洪玲(1977—),女,汉族,山东泰安人,副研究员,博士,微量物证检验专业。Tel:13718297005;E-mail:guohongling1234@163.com

摘要

目的建立油浸法测定玻璃折射率不确定度的评定方法。方法按照不确定度的A类和B类评定方法,对未知玻璃折射率测定过程中不确定度分量进行计算,最终确定扩展部不确定度。结果油浸法测定玻璃折射率的扩展不确定度约为4 ×10^-5。结论根据不确定度计算出来的折射率的变化范围与实际分析中折射率的变化范围完全吻合。

关键词: 玻璃折射率; 不确定度

中图分类号:DF793.2 文献标志码:A 文章编号:1008-3650(2012)02-0013-03

Evaluation of the uncertainty for the measurement of glass refractive index by oil immersion method

GUO Hong-ling, QUAN Yang-ke, Tao Ke-ming

Institute of Forensic Science, Ministry of Public Security, Beijing 100038, China

Abstract

The uncertainty for glass refractive index measurement was evaluated. The sources were discussed. All parameters needed for the calculation were collected and calculated. The standard uncertainty, combined standard uncertainty and expanded uncertainty were evaluated.

Keyword: glass refractive index; uncertainty

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测量不确定度是物证理化测试对质量的一个重要指标, 测量不确定度的评定是物证检验实验室一项重要的基础工作。但长期以来, 许多物证鉴定实验室对其重视不够, 没有建立有效且可靠的测量不确定度评定方法。近年来, 随着仪器分析技术的发展, 物证检验所使用的仪器的灵敏度不断提高, 在检测数据的处理、分析以及检验结果的解释中, 对测量不确定度的评定已经成为一个无法回避的问题。另外, 在当前开展的物证鉴定实验室认可工作中, 测量不确定度评定也是理化检验实验室质量保证的重要环节^[1]。鉴于折射率测定是玻璃物证检验最常用的方法, 而且不同种类玻璃的折射率差别不大, 测定结果分散性评估具有非常重要的意义。本文针对目前玻璃物证折射率检测普遍采用的油浸法, 通过分析不确定度的来源以及各个分量的计算, 建立不确定度的评定方法。

1 材料和方法

1.1 仪器和材料

英国Foster & Freeman公司GRIM3玻璃折射率系统, 温度范围25℃~125℃;

光源λ =589.3nm; 升温速率4℃/min; 降温方式:风冷。

Locke Scientific公司提供的硅油B, 折射率范围1.50~1.53; B2-B12标准玻璃, 折射率在B油分析范围内的未知玻璃一块。

1.2 玻璃折射率的测定方法

测量不确定度的大小与测量方法息息相关。玻璃折射率的测定方法最普遍采用的是油浸法^[2]。该方法是在利用硅油和玻璃随温度变化速率不同, 在相差显微镜下观察两者之间的贝克线, 在匹配温度时, 贝克线消失。未知玻璃的折射率是根据玻璃碎片的匹配温度, 由通过已知折射率的标准玻璃建好的校准曲线得出的。校准曲线给出的是温度和折射率之间的关系, 通常是线性关系(y=bx+a)。

2 结果与讨论

由上述实验方法可判断影响测定过程不确定度的主要来源是标准曲线的拟合过程、制作标准曲线的硅油和标准玻璃的折射率值的不确定度、样品重复性分析以及仪器本身的稳定状态等。

2.1 标准不确定度分量

2.1.1 标准曲线拟合过程引入的样品测定不确定度利用已知折射率的11块标准玻璃B2-B12, 测定匹配温度, 每一标准玻璃测定6次, 数据如表1。

表1 标准曲线的测量数据

以匹配温度为纵坐标, 折射率值为横坐标, 拟合标准曲线, 建立数学模型T=-2.744× 10³RI+4.236× 10³, 得到线性方程的斜率b=-2.744× 10³, 截距a=4.236× 10³。实验中, 选取同一样品的不同的5块玻璃碎屑, 每一个碎屑上选取4个点进行折射率测定, 共测定20次。标准曲线拟合过程引入的样品测定不确定度可由下式进行计算^{[3, 4]}。

S_xx= $\begin{matrix} \overset{n}{\sum_{1}} \end{matrix}$ (x_i- $\begin{matrix} \bar{x} \end{matrix}$ )² $\begin{matrix} S = \sqrt[]{\frac{1}{n - 1} \overset{n}{\sum_{1}} (y_{i} {- \overset{⌢}{y})}^{2}} \end{matrix}$ $\begin{matrix} u_{1} = \frac{S}{b} \sqrt[]{\frac{1}{p} + \frac{1}{n} + \frac{{(\dot{x} - \overset{̅}{x})}^{2}}{s_{xx}}} \end{matrix}$

( $\begin{matrix} x_{i} \end{matrix}$ :建立标准曲线时, 第i次测量的标准玻璃的折射率值; $\begin{matrix} \bar{x} \end{matrix}$ :建立标准曲线时, 不同标准玻璃的折射率平均值; n:建立标准曲线的测量总次数; $\begin{matrix} y_{i} \end{matrix}$ :建立标准曲线时, 每个标准玻璃测定对应的匹配温度值; $\begin{matrix} \overset{̅}{y} \end{matrix}$ :根据标准曲线计算出的标准玻璃的匹配温度; $\begin{matrix} \hat{x} \end{matrix}$ :根据标准曲线计算出的未知玻璃折射率值; P:未知玻璃的测量次数; b:标准曲线的斜率。)

根据建立曲线和未知样品的测定方法, 可知 $\begin{matrix} \bar{x} \end{matrix}$ =1.51405, n=66, $\begin{matrix} \hat{x} \end{matrix}$ =1.53394, p=20, b=-2.744× 10³。将数据代入公式计算得 $\begin{matrix} u_{1} \end{matrix}$ =1.98× 10^-5。

2.1.2 制作标准曲线的硅油和标准玻璃引入的不确定度建立校正曲线的标准折射率值是经过修正的, 不是在标准条件20℃下。因此, 不考虑由于温度的影响对标准玻璃的折射率的影响。由修正引入的不确定度在相关文件中没有列出。此外硅油性质稳定, 长期放置加热变化不大。与标准曲线拟合过程引入的样品测定不确定度相比, 这两者引入的不确定度分量可以忽略。

2.1.3 样品重复分析引入的不确定度分析未知玻璃样品的折射率的重复性引入的不确定度用不确定度的A类评定法进行估计。表2是20次测定折射率的结果。

表2 20次测定折射率的结果

将实验结果按贝塞尔公式计算得标准不确定度, $\begin{matrix} μ_{2} = \sqrt[]{\frac{\overset{n}{\sum_{i}} (x_{i} - \bar{x})^{2}}{n (n - 1)}} \end{matrix}$

因此, 由玻璃样品重复分析引起的标准不确定度为2.83× 10^-5。

2.1.4 仪器的稳定性仪器的波动有随机波动和定向波动两种, 随机波动已经包含在样品重复分析过程的不确定度评定中。当仪器发生定向波动时, 通过重新建立校正曲线, 将仪器状态调至最佳状态, 所以由此引入的不确定度可忽略不计。

2.2 合成不确定度

若测量不确定度具有若干个分量时, 则总不确定度应由各标准不确定度分量(A类评定和B类评定结果)来合成, 称为合成标准不确定度。合成标准不确定度即合成标准(偏)差, 由合成方差的平方根给出。如发现各分量中有一个分量占支配地位时(该分量大于其次那个分量3倍以上), 合成不确定度就决定于该分量。

μ _c= $\begin{matrix} \sqrt[]{{μ_{1}}^{2} + {μ_{2}}^{2}} \end{matrix} = \begin{matrix} \sqrt[]{(1.98 \times 10^{- 5})^{2} + (2.83 \times 10^{- 5})^{2}} \end{matrix}$ =3.45× 10^-5

根据不确定度修约规则^[5], 通常将不确定度最末位后面的数都进位而不是舍去, 因此取μ _c=4× 10^-5。

2.3 扩展不确定度

扩展不确定度U是为了提高置信水平, 用包含因子k乘合成不确定度得到的一个区间来表示测量不确定度。即 $\begin{matrix} U = μ_{c} \times k \end{matrix}$ , 当取k=2时, 区间的置信水平约为95%。对于普通的检测实验室, 如果没有特殊的要求, 通常取包含因子k=2。

因此, 该未知玻璃的折射率值测定结果应表示为1.53394, U=0.00008, k=2。根据不确定度计算出来的折射率的变化范围与实际分析中折射率的变化范围完全吻合。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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[1]	国家质量技术监督局计量司. 测量不确定度评定与指南[M]. 北京: 中国计量出版社, 2000. [本文引用:1]
[2]	郭洪玲, 权养科, 陶克明. 混合硅油测定玻璃折射率[J]. 刑事技术, 2010(1): 7-9. [本文引用:1]
[3]	柯瑞华. 化学成分测量不确定度的评定[J]. 冶金分析, 2004, 24(1): 63-68 . [本文引用:1]
[4]	郭洪玲, 王琥, 权养科, 等. 玻璃折射率数据处理方法初探[J]. 刑事技术, 2009(3): 10-13. [本文引用:1]
[5]	JJF1059-1999 测量不确定度评定与表示[S]. 北京: 国家质量技术监督局1999. [本文引用:1]

2000

0.0

国家质量技术监督局计量司. 测量不确定度评定与指南[M]. 北京: 中国计量出版社, 2000.

本文介绍了测量不确定度的基本概念,及实验中采用的不确定度的表示方法,并以具体实例进行了不确定度的估算.

... 另外,在当前开展的物证鉴定实验室认可工作中,测量不确定度评定也是理化检验实验室质量保证的重要环节^[1] ...

2010

0.0

郭洪玲, 权养科, 陶克明. 混合硅油测定玻璃折射率[J]. 刑事技术, 2010(1): 7-9.

目的建立混合硅油测定单纯用B油和C油无法测定的玻璃折射率的方法.方法将B油和C油分别按1:2和2:3的体积比配成两种混合硅油,用此两种混合硅油测定同一块玻璃的折射率.结果用此两种硅油测得的玻璃的折射率结果无显著性差异.该方法克服了玻璃折射率仪温度范围窄(25℃～125℃)的缺点.

... 玻璃折射率的测定方法最普遍采用的是油浸法^[2] ...

2004

0.0

柯瑞华. 化学成分测量不确定度的评定[J]. 冶金分析, 2004, 24(1): 63-68 .

叙述了不确定度的发展及重要意义、基本术语及有关术语;介绍了测量化学成分时不确定度的来源和不确定度的评定过程,并举例说明.

... 标准曲线拟合过程引入的样品测定不确定度可由下式进行计算^[3,4] ...

2009

0.0

郭洪玲, 王琥, 权养科, 等. 玻璃折射率数据处理方法初探[J]. 刑事技术, 2009(3): 10-13.

目的探讨玻璃折射率数据处理方法.方法将案件中收集到的45个玻璃样品和同一个车灯不同部位的45块玻璃样品进行折射率测定.用独立样本Student's t检验、Welch检验以及方差分析(ANOVA)对数据进行成对检验.结果方差分析法中Dunnett's C法处理玻璃折射率数据,有效控制了第一类和第二类错误.当α=0.05时,犯第一类错误的概率约为4.44%,犯第二类错误的概率约为3.54 %.

... 标准曲线拟合过程引入的样品测定不确定度可由下式进行计算^[3,4] ...

1999

0.0

JJF1059-1999 测量不确定度评定与表示[S]. 北京: 国家质量技术监督局1999.

本文介绍了测量不确定度的基本概念,及实验中采用的不确定度的表示方法,并以具体实例进行了不确定度的估算.

... 根据不确定度修约规则^[5],通常将不确定度最末位后面的数都进位而不是舍去,因此取#cod#x003bc ...