測(cè) 量 不 確 定 度
科
普
篇
測(cè)量不確定度是與測(cè)量結(jié)果關(guān)聯(lián)的一個(gè)參數(shù),用于表征合理賦予被測(cè)量的值的分散性。它可以用于“不確定度"方式,也可以是一個(gè)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(cè)量不確定度是“表征合理地賦予被測(cè)量之值的分散性,與測(cè)量結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù)"。
這個(gè)定義中的“合理",意指應(yīng)考慮到各種因素對(duì)測(cè)量的影響所做的修正,特別是測(cè)量應(yīng)處于統(tǒng)計(jì)控制的狀態(tài)下,即處于隨機(jī)控制過(guò)程中。也就是說(shuō),測(cè)量是在重復(fù)性條件(見(jiàn)JJF1001-2011《通用計(jì)量術(shù)語(yǔ)及定義》第5.14條,本文×.×條均指該規(guī)范的條款號(hào))或復(fù)現(xiàn)性條件(見(jiàn)5.15條)下進(jìn)行的,此時(shí)對(duì)同一被測(cè)量做多次測(cè)量,所得測(cè)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(cè)量不確定度是一個(gè)與測(cè)量結(jié)果“在一起"的參數(shù),在測(cè)量結(jié)果的完整表示中應(yīng)包括測(cè)量不確定度。
通常測(cè)量結(jié)果的好壞用測(cè)量誤差來(lái)衡量,但是測(cè)量誤差只能表現(xiàn)測(cè)量的短期質(zhì)量。測(cè)量過(guò)程是否持續(xù)受控,測(cè)量結(jié)果是否能保持穩(wěn)定一致,測(cè)量能力是否符合生產(chǎn)盈利的要求,就需要用測(cè)量不確定度來(lái)衡量。測(cè)量不確定度越大,表示測(cè)量能力越差;反之,表示測(cè)量能力越強(qiáng)。不過(guò),不管測(cè)量不確定度多小,測(cè)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(cè)量過(guò)程已經(jīng)失效。
原 理
測(cè)量不確定度從詞義上理解,意味著對(duì)測(cè)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(shuō)明測(cè)量結(jié)果的質(zhì)量的一個(gè)參數(shù)。實(shí)際上由于測(cè)量不完善和人們的認(rèn)識(shí)不足,所得的被測(cè)量值具有分散性,即每次測(cè)得的結(jié)果不是同一值,而是以一定的概率分散在某個(gè)區(qū)域內(nèi)的許多個(gè)值。雖然客觀存在的系統(tǒng)誤差是一個(gè)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(gè)區(qū)域內(nèi),而這種概率分布本身也具有分散性。測(cè)量不確定度就是說(shuō)明被測(cè)量之值分散性的參數(shù),它不說(shuō)明測(cè)量結(jié)果是否接近真值。
為了表征這種分散性,測(cè)量不確定度用標(biāo)準(zhǔn)〔偏〕差表示。在實(shí)際使用中,往往希望知道測(cè)量結(jié)果的置信區(qū)間,因此,在本定義注1中規(guī)定:測(cè)量不確定度也可用標(biāo)準(zhǔn)〔偏〕差的倍數(shù)或說(shuō)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(lái) 源
在實(shí)踐中,測(cè)量不確定度可能來(lái)源于以下10個(gè)方面:
⑴對(duì)被測(cè)量的定義不完整或不完善;
⑵實(shí)現(xiàn)被測(cè)量的定義的方法不理想;
⑶取樣的代表性不夠,即被測(cè)量的樣本不能代表所定義的被測(cè)量;
⑷對(duì)測(cè)量過(guò)程受環(huán)境影響的認(rèn)識(shí)不周全,或?qū)Νh(huán)境條件的測(cè)量與控制不完善;
⑸對(duì)模擬儀器的讀數(shù)存在人為偏移;
⑹測(cè)量?jī)x器的計(jì)量性能的局限性。測(cè)量?jī)x器的不準(zhǔn)或測(cè)量?jī)x器的分辨力、鑒別力不夠;
⑺賦與計(jì)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(jì)算的常量和其它參量不準(zhǔn);
⑼測(cè)量方法和測(cè)量程序的近似性和假定性;
⑽在表面上看來(lái)*相同的條件下,被測(cè)量重復(fù)觀測(cè)值的變化。
由此可見(jiàn),測(cè)量不確定度一般來(lái)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(cè)量不確定度一般由許多分量組成,其中一些分量可以用測(cè)量列結(jié)果(觀測(cè)值)的統(tǒng)計(jì)分布來(lái)進(jìn)行估算,并且以實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)〔偏〕差(見(jiàn)5.17條)表征;而另一些分量可以用其它方法(根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或其它信息的假定概率分布)來(lái)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(shí),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(gè)業(yè)已過(guò)時(shí)或淘汰的術(shù)語(yǔ)。例如:由修正值和計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)帶來(lái)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。