计量基础知识-不确定度评定和数据处理

不确定度评定和数据处理2第三章测量不确定度的表示与评定标准不确定度分量:用ui表示A类标准不确定度:用uA表示，B类标准不确定度:用uB表示合成标准不确定度：用uc表示扩展不确定度：由合成标准不确定度的倍数表示的测量不确定度。用U表示U=kuc包含因子:为获得扩展不确定度而用作合成标准不确定度的倍乘因子，用k表示置信水平:用P表示；自由度:用表示。U置信区间UXUXX3第三章测量不确定度的表示与评定第一节测量不确定度评定的一般要求一、测量不确定度评定步骤1、确定被测量和测量方法测量方法包括测量原理、测量仪器及其使用条件、测量程序、数据处理程序等。2、分析并列出对测量结果有明显影响的不确定度的来源3、建立满足测量不确定度评定所需的数学模型建立数学模型也称为测量模型化，即建立被测量和所有影响量之间的函数关系。数学模型中应包括所有对测量不确定度有影响的输入量。Y=f(X1,X2,…，Xn)Xi为输入量，Y为输出量。4第一节测量不确定度评定的一般要求一、测量不确定度评定步骤4、确定各输入量的标准不确定度u(xi)根据各输入量标准不确定度评定方法的不同，分为标准不确定度的A类评定和标准不确定度的B类评定。A类评定：对测量样本统计分析进行不确定度评定的方法。用A类评定方法得到的标准不确定度称A类标准不确定度。用实验标准偏差表征。B类评定：用不同于测量样本统计分析的其他方法进行的不确定度评定的方法。它是基于经验或其他信息的假定概率分布估算的，也可用标准偏差表征。5第一节测量不确定度评定的一般要求一、测量不确定度评定步骤5、确定对应于各输入量的标准不确定度分量ui(y))()()(iiiiixuxfxucyu6、对应各标准不确定度分量ui(y)进行合成，得到合成标准不确定uc。7、确定被测量Y可能值分布的包含因子8、确定扩展不确定度U=kuc9、给出测量不确定度报告6第一节测量不确定度的评定的一般要求二、评定时的注意事项1、在分析测量不确定度的来源时，应充分考虑各项不确定度分量的影响，不遗漏，不重复。2、标准不确定度分量的评定，可以采用A类评定方法，也可采用B类评定方法，采用何种评定方法根据实际情况选择。3、采用A类评定方法时，如果怀疑测量数据有异常值，应按统计判别准则判断并剔除测量数据中的异常值，然后再评定其标准不确定度。4、若对测量结果进行修正，修正值不应记在不确定度内，但应考虑由修正不完善引入的不确定度。7第二节不确定度的来源1、被测量的定义不完全2、被测量的定义值的复现不理想3、被测量的样本可能不完全代表定义的被测量4、对环境条件的影响认识不足5、人员的读数偏差6、测量仪器计量性能的局限性（如分辨力等）7、测量标准或测量设备不完善8、在数据处理时所引用的常数或其他参数的不准确9、测量方法、测量系统和测量程序不完善10、在相同条件下，被测量重复观测值的随机变化。11、修正不完善8例：用比较法校准一台电压表在1MHz频率时的1V电压示值，分析校准的不确定度来源。信号源开关标准表被检表可能的不确定度来源：1.标准表不准引入的不确定度；2.信号源两次读数间的漂移引入的不确定度；3.开关两路的不一致性引入的不确定度；4.各种随机因素引入的不确定度，即测量数据的重复性；5.波形失真引入的不确定度；6.被检表的分辨力；7.其他。9关于数学模型(1)数学模型是测量不确定度评定的依据，但是数学模型或者说是测量模型可能与计算公式不一致。(2)数学模型不是唯一的。如果采用不同的测量方法和测量程序，就可能有不同的测量模型。(3)数学模型可以很复杂，也可以很简单。(4)理论上数学模型可由测量原理导出，但实际却不一定都能做到，有时甚至根本无法写出数学模型。这时可以先把对Y有影响的Xi找到，xi对y的影响可以表示为yxi，数学模型可以写为：10关于数学模型y=f(x1，x2，，xn)——透明型模型y=yx1+yx2++yxn——黑箱模型当xi对y的影响以比例形式出现时：y=yx1yx2yxn——黑箱模型在许多情况下，测量模型是混合型的，即y=f(x1，x2，，xn)+yx1+yx2++yxny=f(x1，x2，，xn)yx1yx2yxn11关于数学模型1、用测长仪比较测量法测量量块的长度，数学模型可表示为：——透明型模型2、用比较法校准电压表在1V的电压示值，数学模型为y=yx1+yx2++yx6——黑箱模型yx1：标准表不准引入的不确定度；yx2：信号源两次读数间的漂移引入的不确定度；yx3：开关两路的不一致性引入的不确定度；yx4：各种随机因素引入的不确定度，即测量数据的重复性；yx5：波形失真引入的不确定度；yx6：被检表的分辨力；sssssldlll12第三节标准不确定度分量的评定一、标准不确定度的A类评定用对测量数据处理的统计方法进行评定,用计算得到的实验标准偏差表征。用算术平均值作为测量结果时，测量结果的A类标准不确定度为：nxsxsuA/)()(_如果只测量1次，则如果测量m次，则mxsxsuA/)()(_)(xsuA13第三节标准不确定度分量的评定一、标准不确定度的A类评定实验标准偏差的计算a贝赛尔法b极差法c较差法d最小二乘法预期值的实验标准偏差e合并样本实验标准偏差（组间标准偏差）)1(/)(211nmxxsmjnijijp14二、标准不确定度的B类评定用非统计方法进行评定用估计的标准偏差表征B类标准不确定度分量评定的步骤：1.判断被测量可能值的区间（-a，a）;2.确定区间半宽度a；3.假设被测量在区间内的概率分布;4.估计置信因子kB类标准不确定度为:kauB2])()([21iiixuxuv15二、标准不确定度的B类评定区间半宽度a的确定以前的观测数据；对有关技术资料和测量仪器特性的了解和经验；制造厂（生产部门）提供的技术说明书；校准证书、检定证书、测试报告或其他文件提供的数据、准确度等别和级别；手册和某些资料给出的参考数据及其不确定度；同行共识的经验；16二、标准不确定度的B类评定置信因子k的确定1.已知扩展不确定度的k值2.根据假设的概率分布查表得到k值正态分布置信因子kj与概率p的关系kj1.001.641.962.002.583p0.6830.900.950.95450.990.9973几种概率分布的置信因子kj值概率分布均匀反正弦三角梯形kj32621/6*β为梯形上底半宽度与下底半宽之比0β117二、标准不确定度的B类评定概率分布的假设被测量随机变化服从正态分布根据测量值落在置信区间内的可能情况估计：1.区间内任何值的可能性相同，假设为均匀分布；2.在区间的中心可能性最大，假设为三角分布；3.落在区间中心的可能性最小，在上、下限处的可能性最大，则假设为反正弦分布。缺乏任何信息时，假设为均匀分布；18关于概率分布情况的估计(1)正态分布a.重复条件或复现条件下多次测量的算术平均值的分布；b.被测量Y用扩展不确定度UP给出，而其分布又没有特殊指明时，估计值Y的分布；c.被测量Y的合成标准不确定度uc(y)中，相互独立的分量ui(y)较多，它们之间的大小也比较接近时，估计值Y的分布；d.被测量Y的合成标准不确定度uc(y)中相互独立的分量ui(y)中，存在两个界限值接近的三角分布，或4个界限值接近的均匀分布；e.被测量Y的合成标准不确定度uc(y)中相互独立的分量ui(y)中，量值较大的分量（起决定作用的分量）接近正态分布时19关于概率分布情况的估计(2)矩形分布a.数据修约导致的不确定度；b.数字式测量仪器的量化误差导致的不确定度；c.测量仪器由于滞后、摩擦效应导致的不确定度；d.按级使用的数字式仪表、测量仪器最大允许误差导致的不确定度；e.平衡指示器调零不准导致的不确定度。20关于概率分布情况的估计(3)三角分布a.相同修约间隔给出的两独立量之和或差，由修约导致的不确定度；b.因分辨力引起的两次测量结果之和或差的不确定度；c.用替代法检定标准电子元件或测量衰减时，调零不准导致的不确定度；d.两相同均匀分布的合成。21关于概率分布情况的估计(4)反正弦分布a.度盘偏心引起的测角不确定度；b.正弦振动引起的位移不确定度；c.无线电中失配引起的不确定度；d.随时间正余弦变化的温度不确定度。22标准不确定度的B类评定举例举例1：校准证书上指出标称值为1kg的砝码质量m=1000.00032g，并说明按包含因子k=3给出的扩展不确定度U=0.24。则该砝码的标准不确定度为：u(m)=0.24mg/3=80g举例2：校准证书上指出标称值为10的标准电阻器的电阻RS在23C时为：RS=(10.000470.00013)，同时说明置信概率p=99%。由于U0.99=0.13m，查表的kp=2.58，所以其标准不确定度为：u(RS)=0.13m/2.58=5023标准不确定度的B类评定举例举例3：机械师在测量零件长度时，估计其长度以50%的概率落于10.07mm至10.15mm之间，并给出了长度l=(10.110.04)mm。这说明0.04mm为p=50%的置信区间半宽度，在接近正态分布的条件下，查表得k50=0.67，则长度l的标准不确定度为：u(l)=0.04mm/0.67=0.06mm24标准不确定度的B类评定举例举例4：设手册中给出的膨胀系数20(Cu)=16.5210-6C-1，但指明最小可能值为16.4010-6C-1，最大可能值为16.9210-6C-1。这时半宽度为：a=(16.92-16.40)10-6C-1/2=0.2610-6C-1假设为均匀分布，取k=1.73，则u(20)=a/1.73=0.1510-6C-125第四节合成标准不确定度被测量y由N个其他量xi的函数确定时，假设其函数关系为y=f（x1，x2，……，xN）NiNiNijjijijiiicxuxuxxrxfxfxuxfyu111122)()(),(2)(][)(上式称为不确定度传播率。为灵敏系数，r（xi，xj）为相关系数ixf26第四节合成标准不确定度1、当被测量的函数形式为：y=A1x1+A2x2+……+ANxN，且各输入量之间不相关时，合成标准不确定度为：NiiiicxuAyu122)()(niiNiiiicyuxucyu12122)()()(若用灵敏系数表示Niiicxuxfyu122)(][)(27第四节合成标准不确定度Niiicxuxfyu1)()(Niicxuyu1)()(2、若所有输入量都相关，且相关系数为1时，合成标准不确定度为：直接测量时Niicuu12（当灵敏系数为1时）28注意：例如：用卡尺测量工件的长度，要分析卡尺测量引起的不确定度来源，如卡尺的测不准、温度的影响等，这种情况下，应注意将测量不确定度分量的计量单位折算到被测量的量的计量单位，例如温度对长度测量产生的影响导致的长度测量不确定度，应通过被测量材料的温度系数将温度的变化转换到长度的变化。29第四节合成标准不确定度合成标准不确定度的自由度（有效自由度）NiiicNiiiiceffvyuyuxucyuv1441444)()()()(uc(y)：合成标准不确定度ui(x)：各输入量的标准不确定度i：ui(x)的自由度)()(iiixuxfyueff越大表明评定的合成标准不确定度uc(y)越可靠30第五节扩展不确定度分为两种U和Up。1、U就是合成标准不确定度的倍数，U=kuc，即由合成标准不确定度直接乘以包含因子k（k的典型值为2~3）2、Up：对于给定的置信概率P，扩展不确定度记为Up=kpuc，此时包含因子kp的选择如下如果组成uc的不确定度分量较多，且各分量对不确定度的影响不大时，据中