測 量 不 確 定 度
科
普
篇
測量不確定度是與測量結(jié)果關(guān)聯(lián)的一個參數(shù),用于表征合理賦予被測量的值的分散性。它可以用于“不確定度"方式,也可以是一個標(biāo)準(zhǔn)偏差(或其給定的倍數(shù))或給定置信度區(qū)間的半寬度。該參量常由很多分量組成,它的表達(dá)(GUM)中定義了獲得不確定度的不同方法。
定 義
測量不確定度是“表征合理地賦予被測量之值的分散性,與測量結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù)"。
這個定義中的“合理",意指應(yīng)考慮到各種因素對測量的影響所做的修正,特別是測量應(yīng)處于統(tǒng)計控制的狀態(tài)下,即處于隨機(jī)控制過程中。也就是說,測量是在重復(fù)性條件(見JJF1001-2011《通用計量術(shù)語及定義》第5.14條,本文×.×條均指該規(guī)范的條款號)或復(fù)現(xiàn)性條件(見5.15條)下進(jìn)行的,此時對同一被測量做多次測量,所得測量結(jié)果的分散性可按5.17條的貝塞爾公式算出,并用重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)〔偏〕差sr或復(fù)現(xiàn)性標(biāo)準(zhǔn)〔偏〕差sR表示。
定義中的“相聯(lián)系",意指測量不確定度是一個與測量結(jié)果“在一起"的參數(shù),在測量結(jié)果的完整表示中應(yīng)包括測量不確定度。
通常測量結(jié)果的好壞用測量誤差來衡量,但是測量誤差只能表現(xiàn)測量的短期質(zhì)量。測量過程是否持續(xù)受控,測量結(jié)果是否能保持穩(wěn)定一致,測量能力是否符合生產(chǎn)盈利的要求,就需要用測量不確定度來衡量。測量不確定度越大,表示測量能力越差;反之,表示測量能力越強(qiáng)。不過,不管測量不確定度多小,測量不確定度范圍必須包括真值(一般用約定真值代替),否則表示測量過程已經(jīng)失效。
原 理
測量不確定度從詞義上理解,意味著對測量結(jié)果可信性、有效性的懷疑程度或不肯定程度,是定量說明測量結(jié)果的質(zhì)量的一個參數(shù)。實際上由于測量不完善和人們的認(rèn)識不足,所得的被測量值具有分散性,即每次測得的結(jié)果不是同一值,而是以一定的概率分散在某個區(qū)域內(nèi)的許多個值。雖然客觀存在的系統(tǒng)誤差是一個不變值,但由于我們不能*認(rèn)知或掌握,只能認(rèn)為它是以某種概率分布存在于某個區(qū)域內(nèi),而這種概率分布本身也具有分散性。測量不確定度就是說明被測量之值分散性的參數(shù),它不說明測量結(jié)果是否接近真值。
為了表征這種分散性,測量不確定度用標(biāo)準(zhǔn)〔偏〕差表示。在實際使用中,往往希望知道測量結(jié)果的置信區(qū)間,因此,在本定義注1中規(guī)定:測量不確定度也可用標(biāo)準(zhǔn)〔偏〕差的倍數(shù)或說明了置信水準(zhǔn)的區(qū)間的半寬度表示。為了區(qū)分這兩種不同的表示方法,分別稱它們?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度。 [1]
來 源
在實踐中,測量不確定度可能來源于以下10個方面:
⑴對被測量的定義不完整或不完善;
⑵實現(xiàn)被測量的定義的方法不理想;
⑶取樣的代表性不夠,即被測量的樣本不能代表所定義的被測量;
⑷對測量過程受環(huán)境影響的認(rèn)識不周全,或?qū)Νh(huán)境條件的測量與控制不完善;
⑸對模擬儀器的讀數(shù)存在人為偏移;
⑹測量儀器的計量性能的局限性。測量儀器的不準(zhǔn)或測量儀器的分辨力、鑒別力不夠;
⑺賦與計量標(biāo)準(zhǔn)的值和參考物質(zhì)(標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì))的值不準(zhǔn);
⑻引用于數(shù)據(jù)計算的常量和其它參量不準(zhǔn);
⑼測量方法和測量程序的近似性和假定性;
⑽在表面上看來*相同的條件下,被測量重復(fù)觀測值的變化。
由此可見,測量不確定度一般來源于隨機(jī)性和模糊性,前者歸因于條件不充分,后者歸因于事物本身概念不明確。這就使得測量不確定度一般由許多分量組成,其中一些分量可以用測量列結(jié)果(觀測值)的統(tǒng)計分布來進(jìn)行估算,并且以實驗標(biāo)準(zhǔn)〔偏〕差(見5.17條)表征;而另一些分量可以用其它方法(根據(jù)經(jīng)驗或其它信息的假定概率分布)來進(jìn)行估算,并且也以標(biāo)準(zhǔn)〔偏〕差表征。所有這些分量,應(yīng)理解為都貢獻(xiàn)給了分散性。若需要表示某分量是由某原因?qū)е聲r,可以用隨機(jī)效應(yīng)導(dǎo)致的不確定度和系統(tǒng)效應(yīng)導(dǎo)致的不確定度,而不要用“隨機(jī)不確定度"和“系統(tǒng)不確定度"這兩個業(yè)已過時或淘汰的術(shù)語。例如:由修正值和計量標(biāo)準(zhǔn)帶來的不確定度分量,可以稱之為系統(tǒng)效應(yīng)導(dǎo)致的不確定度。