测量不确定度评定

1测量不确定度评定与表示一、发展历史二、基本概念三、评定步骤四、实例分析一、测量不确定度的发展历史21927年德国物理学家海森堡提出测不准关系，也称不确定度关系。1953年Y.Beers在《误差理论导引》一书中给出实验不确定度。1970年C.F.Dietrich出版了《不确定度、校准和概率》1973年英国国家物理实验室的J.E.Burns等指出，当讨论测量准确度时，宜用不确定度。1978年国际计量局发出不确定度征求意见书，征求各国和国际组织的意见。31980年，BIPM召集和成立了不确定度表述工作组，在征求各国意见的基础上起草了一份建议书：INC-1（1980）。该建议书向各国推荐了测量不确定度的表述原则。自此，得到了国际初步统一的测量不确定度的表示方法。1986年CIPM要求国际标准化组织（ISO）能在INC-1（1980）建议书的基础上起草一份能广泛应用的指导性文件，该项工作得到了7个国际组织的支持和倡议。该7个国际组织是：ISO（国际标准化组织）IEC（国际电工委员会）CIPM（国际计量委员会）OIML（国际法制计量组织）IFCC（国际临床化学联合会）IUPAC（国际纯化学和应用化学联合会）IUPAP（国际纯物理和应用物理联合会测量不确定度的发展历史41993年由国际标准化组织（ISO）的第四技术顾问组（TAG4）第三工作组（WG3）经过工作近7年的努力，完成了“测量不确定度表示导则”的第一版，并以7个国际组织的名义联合发布，由ISO正式出版发行。1995年在对“测量不确定度表示导则-1993e”作了一些更正后重新印刷。该指导性文件已经使用了20多年，目前为止它仍然是有效版本。测量不确定度的发展历史1986年组成国际不确定度工作组，负责制定用于计量、生产、科学研究中的不确定度指南。1993年出版了《测量不确定度表示指南》（GuidetotheExpressionofUncertaintyinMeasurement，简称GUM）。1999年国家质量技术监督局批准发布了JJF1059-1999《测量不确定度评定与表示》,这规范原则上等同采用了GUM的基本内容。1999年中国人民解放军总装备部批准发布了GJB3756-99《测量不确定度的表示及评定》。5中国量值溯源性体系原理图社会公用计量基准（省级）社会公用计量基准（市级）社会公用计量基准（县级）国家计量基准副计量基准工作计量基准企业、事业单位最高计量标准企业、事业单位计量标准工作计量器具（企业、事业、市场等）部门最高计量标准部门计量标准社会公用计量标准（国家专业计量站）社会公用计量标准（专业计量分站）6计量器具量值溯源的比较链：通过一条具有规定不确定度的不间断的比较链，使测量结果或测量标准的值能够与国家计量基准或国际计量基准联系起来，称为量值溯源。建立量值溯源体系的目的：是保证量值得到准确、合理、经济的溯源，尽可能减少所进行的测量溯源到国家计量基准的环节。校准和检定是实现量值溯源的最主要的技术手段。计量器具量值溯源返回首页7二、基本概念1、什么叫测量不确定度？国家计量技术规范:JJF1059-2012《测量不确定度评定与表示》中定义是：“表征合理地赋予被测量之值的分散性，与测量结果相联系的参数”注1：此参数可以是诸如标准偏差，或其倍数，或说明了置信水平的区间的半宽度。8测量不确定度注2：测量不确定度由多个分量组成。其中一些分量可用测量列结果的统计分析估算，并用实验标准偏差表征。另一些分量则可用基于经验或其它信息的假定概率分布估算，也可用标准偏差表征。注3：测量结果应理解为被测量之值的最佳估计，而所有的不确定度分量均贡献给了分散性，包括那些由系统效应引起的（如与修正值和参考标准有关的）分量。9测量不确定度在不确定度的定义中的“被测量之值”理解为“测得值”。“测得值”有时也称为“观测值”。是指从一次观测中由测量仪器或量具的显示装置中所得到的单一值。一般地说，它并不是测量结果。102、“表征合理地赋予被测量之值的分散性，与测量结果相联系的参数”“合理”意指应考虑到各种因素对测量的影响所做的修正，特别是测量应处于统计控制的状态下，即处于随机控制过程中。“相联系”意指测量不确定度是一个与测量结果“在一起”的参数，在测量结果的完整表示中应包括测量不确定度。此参数可以是诸如标准[偏]差或其倍数，或说明了置信水准的区间的半宽度。测量不确定度是表征合理地赋予“被测量之值”的分散性，因此，不确定度表示一个区间，即“被测量之值”可能分布区间。这是测量不确定度与误差的最根本的区别。11测量结果与测量不确定度测量不确定度从词意上理解，意味着对测量结果可信性、有效性的怀疑程度或不肯定程度，是定量说明测量结果的质量的一个参数。实际上由于测量不完善和人们的认识不足，所得的被测量值具有分散性，即每次测得的结果不是同一值，而是以一定的概率分散在某个区域内的许多个值。虽然客观存在的系统误差是一个不变值，但由于我们不能完全认知或掌握，只能认为它是以某种概率分布存在于某个区域内，而这种概率分布本身也具有分散性。测量不确定度就是说明被测量之值分散性的参数，它不说明测量结果是否接近真值。为了表征这种分散性，测量不确定度用标准[偏]差表示。在实际使用中，往往希望知道测量结果的置信区间，因此规定测量不确定度也可用标准[偏]差的倍数或说明了置信水准的区间的半宽度表示。为了区分这两种不同的表示方法，分别称它们为标准不确定度和扩展不确定度。12测量结果与测量不确定度例如：用一台电压表测量某一电压，且电压表读数不加修正值，若对于该测量点电压表的最大允许误差为V，用该电压表进行了20次重复测量，则该20个读数的平均值就是测量结果，还可以由它们得到测量结果的分散性。1测量结果示意测量结果均值真值偏倚测量结果分散程度不确定度示意143、什么叫测量误差？测量误差（简称为误差）的定义为：“测量结果减去被测量的真值”误差应该是一个确定的值，是客观存在的测量结果与真值之间差。但由于真值往往不知道，故误差无法准确得到。15误差虽然误差的概念早已出现，但在用传统方法对测量结果进行误差评定时，还存在一些问题。。简单地说，大体上遇到两个方面的问题：逻辑概念上的问题和评定方法的问题。16误差我们把被测量在观测时所具有的大小称为真值，因而只是一个理想的概念，只有通过完善的测量才有可能得到真值。但是任何测量都会存在缺陷，因而真正完善的测量是不存在的，也就是说，严格意义上的真值是无法得到的。17误差根据误差的定义，要得到误差就必须知道真值。但真值由无法得到，因此，严格意义上的误差也是无法得到的。由于真值无法知道，在实际上误差的概念只能用于已知约定真值的情况下。18误差根据误差的定义，误差是一个差值，它是测量结果与真值或约定真值之差。在数轴上它表示为一个点，而不是一个区间或范围。既然是一个差值，就应该是一个具有符号的量值。19误差严格意义上讲，过去通过误差分析得到测量结果的所谓“误差”，实际上并不是真正的误差，而是被测量不能确定的范围，或者说是测量结果可能存在的最大误差。20误差在误差评定时，将测量误差划分为随机误差和系统误差两类。随机误差是“测量结果与在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值之差”注1：随机误差等于测量误差减去系统误差；注2：因为只能进行有限次数，故可能确定的只是随机误差的估计值21误差随机误差一般由许多微小变化的因素造成的，如：计量器具固有（基本）误差、环境条件偏离、人员读数微小因素,其影响时而相加，时而相互抵消，时而这个影响大一些，时而那个影响大一些，呈现随机性，表现在测量值上就是随机误差。对于某一次测量而言，随机误差的大小和符号都是不可预知的，而作为多次测量总体而言，它服从一定的统计规律。因此，可用数理统计的方法估计随机误差对测量结果的影响。22误差系统误差定义为：“在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差”注1:系统误差等于测量误差减去随机误差注2：如真值一样，系统误差及其原因不能完全获知。注3：对测量仪器而言，其系统误差也称为测量仪器的偏移。计量检定中，标准器本身的误差将以固定不变的形式，传递给被检计量器具，所以标准器的误差此时称为系统误差。23误差随机误差用测量结果的标准偏差来表示，如果有一个以上的随机误差分量，则将它们按方和根法进行合成，得到的结果称为总随机误差。24不确定度的意义它是测量结果质量的指标。不确定度愈小，所述结果与被测量的真值愈接近，质量越高，水平越高，其使用价值越高；不确定度越大，测量结果的质量越低，水平越低，其使用价值也越低。由于测量误差的存在，要得到对被测量值不能肯定的程度，所以要引用不确定度。254、测量误差与测量不确定度的主要区别序号测量误差测量不确定度1有正号或负号的量值，其值为测量结果减去被测量的真值。恒为正值参数，用标准差或标准差的倍数或置信区间的半宽表示2以真值为中心，说明测量结果与真值的差异程度。（表明测量结果偏离真值）以测量结果为中心，评估测量结果与被测量【真】值相符合的程度。（表明被测量值的分散性）3客观存在，不以人的认识程度而改变与人们对被测量、影响量及测量过程的认识有关26测量误差与测量不确定度的主要区别序号测量误差测量不确定度4由于真值未知，往往不能准确得到，当用约定真值代替真值时，可以得到其估计值可以由人们根据实验、资料、经验等信息进行评定，从而是可以定量确定。评定方法有A,B两类5按性质可分为随机误差和系统误差两类，按定义随机误差和系统误差都是无穷多次测量情况下的理想概念不确定度分量评定时一般不必区分其性质，若需要区分时应表述为：“由随机效应引入的不确定度分量”和“由系统效应引入的不确定度分量”6已知系统误差的估计值时可以对测量结果进行修正，得到已修正的测量结果不能用不确定度对测量结果进行修正，在已修正测量结果的不确定度中应考虑修正不完善而引入的不确定度返回首页27三、测量不确定度评定步骤1、测量不确定度的来源2、测量不确定度的分类3、测量不确定度的评定4、测量结果及其不确定度的表示281、测量不确定度来源①对被测量的定义不完善；②复现测量的测量方法不理想；③抽样的代表性不够，即被测量的样本不能代表所定义的被测量；④对测量过程受环境影响的认识不周全，或对环境条件的测量与控制不完善；⑤对模拟仪器的读数存在人为偏差；⑥测量仪器的分辨力或鉴别力不够；（7）赋予计量标准或标准物质的值不准；（8）引用于数据计算的常量或其它参量不准；（9）测量方法和测量程序的近似性和假定性；（10）在表面上看来完全相同的条件下，被测量重复观测的变化。291、测量不确定度来源以上10项来源大致归纳为：测量方法、（1，8，9）、测量仪器（6，7）、测量条件（2，4）、测量人员（5、）、被测对象（3，10）302、测量不确定度的分类测量不确定度的分类可以简示为：A类标准不确定度B类标准不确定度合成标准不确定度标准不确定度U(k=2,3)Up(p为置信概率)扩展不确定度测量不确定度311)、相关定义标准不确定度：以标准偏差表示的测量不确定度。不确定度的A类估算：通过对观测列进行统计分析，对标准不确定度进行估算的一种方法。不确定度的B类估算：通过对观测列进行非统计分析，对标准不确定度进行估算的一种方法。合成标准不确定度：当测量结果是由若干个其他的值求得时，按其他各量的方差或（和）协方差算得的标准不确定度。扩展不确定度：确定测量结果区间的量，合理赋予被测量之值分布的大部分可望含与此区间。包含因子：为求得扩展不确定度，对合成标准不确定度所乘之数字因子。自由度：在方差的计算中，和的项数减去对和的限制数321)、相关定义A类评定方法是计算出测量数据的平均值标准差数值；B类评定方法需要了解测量仪器、技术资料、测量方法、检定证书。如电学仪器所涉及到的参数归纳为电压、电流、频率、功率等量的测量。因此，A类评定方法是可以容易实现的。B类评定方法包含了评定人员