不确定度测定

测量不确定度评定与表示测量的目的是确定被测量值或获取测量结果。有测量必然存在测量误差，在经典的误差理论中，由于被测量自身定义和测量手段的不完善，使得真值不可知，造成严格意义上的测量误差不可求。而测量不确定度的大小反映着测量水平的高低，评定测量不确定度就是评价测量结果的质量。Ux5432.1下限值上限值....图11识别测量不确定度的来源测量不确定度来源的识别应从分析测量过程入手，即对测量方法、测量系统和测量程序作详细研究，为此必要时应尽可能画出测量系统原理或测量方法的方框图和测量流程图。检测和校准结果不确定度可能来自：(1)对被测量的定义不完善；(2)实现被测量的定义的方法不理想；(3)取样的代表性不够，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移；(6)测量仪器的计量性能(如最大允许误差、灵敏度、鉴别力、分辨力、死区及稳定性等)的局限性，即导致仪器的不确定度；(7)赋予计量标准的值或标准物质的值不准确；(8)引用于数据计算的常量和其它参量不准确；(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，被测量重复观测值的变化。分析时，除了定义的不确定度外，可从测量仪器、测量环境、测量人员、测量方法等方面全面考虑，特别要注意对测量结果影响较大的不确定度来源，应尽量做到不遗漏、不重复。2定义2.1测量误差简称误差，是指“测得的量值减去参考量值。”2.2系统测量误差简称系统误差，是指“在重复测量中保持恒定不变或按可预见的方式变化的测量误差的分量。”系统测量误差的参考量值是真值，或是测量不确定度可忽略不计的测量标准的测量值，或是约定量值。系统测量误差及其来源可以是已知的或未知的。对于已知的系统测量误差可以采用修正来补偿。系统测量误差等于测量误差减随机测量误差。2.3随机测量误差简称随机误差，是指“在重复测量中按不可预见的方式变化的测量误差的分量。”随机测量误差的参考量值是对同一个被测量由无穷多次重复测量得到的平均值。随机测量误差等于测量误差减系统测量误差。μ-kσμ+kσμ系统误差随机误差残差误差测得值概率分布曲线测得值总体均值参考量值样本均值图2测量误差示意图2.4测量不确定度简称不确定度，是指“根据用到的信息，表征赋予被测量值分散性的非负参数。”测量不确定度一般由若干分量组成。其中一些分量可根据一系列测量值的统计分布，按测量不确定度的A类评定（随机效应引起的）进行评定，并用标准偏差表征；而另一些分量则可根据基于经验或其它信息所获得的概率密度函数，按测量不确定度的B类评定（系统效应引起的）进行评定，也用标准偏差表征。2.5标准不确定度是“以标准偏差表示的测量不确定度。”标准不确定度（全称为标准测量不确定度）可采用A类标准不确定度、B类标准不确定度及合成标准不确定度、相对合成标准不确定度等表示。测量不确定度的A类评定，简称A类评定，是指“对在规定测量条件下测得的量值用统计分析的方法进行的测量不确定度分量的评定。”测量不确定度的B类评定，简称B类评定，是指“用不同于测量不确定度A类评定的方法进行的测量不确定度分量的评定。”2.6合成标准不确定度全称合成标准测量不确定度，是指“由在一个测量模型中各输入量的标准测量不确定度获得的输出量的标准测量不确定度。”2.7相对标准不确定度全称相对标准测量不确定度，是指“标准不确定度除以测得值的绝对值。”2.8自由度是指“在方差的计算中，和的项数减去对和的限制数。”2.9扩展不确定度全称扩展测量不确定度，是指“合成标准不确定度与一个大于1的数字因子的乘积。”2.10包含区间是指“基于可获信息确定的包含被测量一组值的区间，被测量值以一定概率落在该区间内。”包含概率是指“在规定的包含区间内包含被测量的一组值的概率。”包含因子是指“为获得扩展不确定度，对合成标准不确定度所乘的大于1的数。”包含因子有时也称扩展因子，用符号k表示。表1表示测量不确定度常用的名称及符号名称符号说明标准不确定度u或u(xi)相对标准不确定度urelrel——表示“相对”的英文字母的缩写。测量不确定度的A类评定uA或uA(xi)测量不确定度的B类评定uB或uB(xi)合成标准不确定度uc或uc(y)相对合成标准不确定度ucrel或ucrel(y)扩展不确定度U或UpUp——包含概率为p的扩展不确定度相对扩展不确定度Urel或Uprel包含因子k或kpkp——包含概率为p的包含因子包含概率p如，p=95%，p=99%。有效自由度veffeff——表示“有效”的英文字母的缩写。注：①表中A、B、c、rel、eff为正体；x、y、k、i、p、n、u、U为斜体。②表中大写U表示扩展不确定度；小写u表示标准不确定度，如：标准不确定度A类评定：uA标准不确定度B类评定：uB合成标准不确定度，uc或uc(y)扩展或相对扩展不确定度，U或Up、Urel或Uprel2.11测量模型是指测量中涉及的所有已知量间的数学关系。测量模型简称模型。测量模型的通用形式是方程：f（Y，X1，…，Xn）=0，其中测量模型中的输出量Y是被测量，其量值由测量模型中输入量X1，…，Xn的有关信息推导得到。在测量模型中，输入量与输出量间的函数关系又称测量函数。建立测量模型，即被测量与各输入量之间的函数关系。若Y的测量结果为y，输入量Xi的估计值为xi，则y=f(x1,x2,…,xn)。在建立模型时要注意有一些潜在的不确定度来源不能明显地呈现在上述函数关系中，它们对测量结果本身有影响，但由于缺乏必要的信息无法写出它们与被测量的函数关系，因此在具体测量时无法定量地计算出它们对测量结果影响的大小，在计算公式中只能将其忽略而作为不确定度处理。图3测量不确定度评定内容3标准不确定度的A类评定（分量）3.1贝塞尔公式法在重复性条件下或复现性条件下对同一被测量（一个被测件）独立重复观测n次，得到n个观测值xi（i=1,2,...,n），被测量X的最佳估计值是n个独立测得值的算术平均值x，按公式（1-1）计算：11niixxn（1-1）单个测得值xk的实验方差s2(xk)，按公式（1-2）计算：2211()()1nkiisxxxn（1-2）单个测得值xk的实验标准偏差s(xk)，按公式（1-3）计算：211()()1nkiisxxxn（1-3）公式（1-3）是贝塞尔公式，自由度v为n-1。实验标准偏差s(xk)表征了测得值x的分散性，测得重复性用s(xk)表征。被测量估计值x的A类标准不确定度为：()()()kuxsxsxn（1-4）A类标准不确定度()ux的自由度为实验标准偏差s(xk)的自由度，即v=n-1。实验标准偏差()sx表征了被测量估计值x的分散性。3.2在规范化的常规检定、校准或检测中评定合并样本标准偏差若对每个被测件的被测量Xi在相同条件下进行n次独立测量，测得值为xi1,xi2,…,xin,其平均值为ix；若有m个被测件，则有m组这样的测得值，可按公式（1-5）计算单个测得值的合成样本标准偏差sp(xk)：2111()()(1)mnkijiijsxxxmn（1-5）式中：i—组数，i=1,2,…,m;j—每组测量的次数，j=1,2,…,n。公式（1-5）给出的sp(xk)，其自由度为m(n-1)。若对每个被测件已分别按n次重复测量算出了其实验标准偏差si，则m组测得值的合并样本标准偏差sp(xk)可按公式（1-6）计算：211()mkiisxsm（1-6）当实验标准偏差si的自由度均为v0时，公式（1-6）给出的sp(xk)的自由度为mv0。若对m个被测量Xi分别重复测量的次数不完全相同，设各为ni，而Xi的实验标准偏差s(xi)的自由度为vi，通过m个si与vi可得sp(xk)按公式（1-7）计算：2111()mkiimiiisxvsv（1-7）公式（1-7）给出sp(xk)的自由度为1miivv。由上述方法对某个被测件进行n′次测量时，所得测量结果最佳估计值的A类标准不确定度为：()()()kuxsxsxn（1-8）用这种方法可以增大评定的标准不确定度的自由度，也就提高了可信程度。3.3预评估重复性在日常开展同一类被测件的常规检定、校准或检测工作中，如果测量系统稳定，测得重复性无明显变化，则可用该测量系统以与测量被测件相同的测量程序、操作者、操作条件和地点，预先对典型的被测件的典型被测量值进行n次测量（一般n不小于10），由贝塞尔公式计算出单个测得值的实际标准偏差s(xk)，即测量重复性。在对某个被测件实际测量时可以只测量n′次（1≤n′n），并以n′次独立测量的算术平均值作为被测量的估计值，则该被测量估计值由于重复性导致的A类标准不确定度按公式（1-9）计算：()()()iuxsxsxn（1-9）用这种方法评定的标准不确定度的自由度仍为v=n-1。注意：当怀疑被测量重复性有变化时，应及时重新测量和计算实验标准偏差s(xk)。3.4A类评定流程4标准不确定度的B类评定（分量）4.1B类评定的一般表示B类评定的方法是根据有关的信息或经验，判断被测量的可能值区间[x-a,x+a]，假设被测量值的概率分布，根据概率分布和要求的包含概率p估计因子k，则B类标准不确定度uB可由（2-1）式得到：kau（2-1）式中：a为被测量可能值区间的半宽度。当k为扩展不确定度的倍乘因子时称包含因子，其他情况下根据概率论获得的k称置信因子。4.2B类评定（来源）通常基于诸如以下信息：（1）权威机构发布的量值；（2）有证标准物质的量值；（3）校准证书；（4）仪器的漂移；（5）经检定的测量仪器的准确度等级；（6）根据人员经验推断的极限值等。4.3确定B类评定的区间半宽度a（1）生产厂提供的测量仪器的最大允许误差为±△，或由手册查出所用的参考数据误差限为±△，或当测量仪器或实物量具给出准确度等级等，并经计量部门检定合格，则评定仪器的不确定度时，可能值区间的半宽度为：a=△（2）校准证书提供的校准值，给出了其扩展不确定度为U，则区间的半宽度为：a=U（3）由有关资料查得某参数的最小可能值为a-和最大值为a+，最佳估计值为该区间的中点，则区间半宽度可以用下式估计：a=(a+─a-)/2（4）必要时，可根据经验推断某量值不会超出的范围，或用实验方法来估计可能的区间。4.4k的确定方法（1）已知扩展不确定度是合成标准不确定度的若干倍时，该倍数就是包含因子k值。（2）假设被测量值服从正态分布时，根据要求的概率查表2得到k值。表2正态分布情况下概率p与k值间的关系p0.500.680.900.950.95450.990.9973k0.67511.6451.96022.5763（3）假设为非正态分布时，根据要求的概率查表3得到k值。表3常用非正态分布时的k值及B类标准不确定度uB(x)分布类别p（%）kuB(x)三角1006a/6梯形（β=0.71）1002a/2矩形（均匀）1003a/3反正弦1002a/2两点1001a注：表3中β为梯形的上底与下底之比，对于梯形分布来说，)1/(62k，特别当β等于1时，梯形分布变为矩形分布；当β等于0时，变为三角分布。4.5B类评定概率分布的假设（1）被测量受许多随机影响量的影响，当它们各自的影响都很小时，不论各影响量的概率分布是什么形式，被测量的随机变化服从正态分布。如证书或报告给出的不确定度是具有包含概率为0.90、0.95、0.99的扩展不确定度（即给出U90、U95、U99），此时，除非另有说明，可按正态分布来评定B类标准不确定度。（2）当利用有关信息或经验，估计出被测量可能值区间的上限和下限，其值在区间外的可能几乎为零时，若被测量值落在该区间内的任意值处的可能性相同，则可假设为均匀分布（或称矩形分布、等概率分布）。如数据修约、测量仪器最大允许误差或分辨力、参考数据的误差限、度盘或齿轮的回差、平衡指示器调零不准、测量仪器的滞后