测量不确定度培训讲演稿.ppt

1 测量不确定度评定 2 测量不确定度的结构 A类标准不确定度标准不确定度合成标准不确定度B类标准不确定度测量不确定度U 当无需给出Up时 k 2 3 扩展不确定度Up p为置信概率 小写英文字母u 斜体 表示 大写英文字母U 斜体 表示 3 4 一 正确表示不确定度的意义 测量不确定度表明了测量结果的质量 质量愈高不确定度愈小 测量结果的使用价值愈高 质量愈差不确定度愈大 使用价值愈低 在检测校准工作中 没有不确定度的测量结果不具备使用价值 测量结果是否有用 在很大程度上取决于测量不确定度的大小 报告测量结果的同时必须报告不确定度 才是完整的和有意义的 5 二 不确定度的主要应用领域 1 建立国家计量基准 标准及国际比对 2 标准物质 标准参考数据 3 测量方法 检定规程 校准规范等 4 科学研究及工程领域的测量 5 计量认证 计量确认 质量认证以及实验室认可 6 测量仪器的校准和检定 7 生产过程的质量保证以及产品检验测试 8 贸易结算 医疗卫生 安全防护 环境监测及资源测量 6 三 不确定度评定应用的具体场合 特定测量结果的不确定度评定是测量不确定度评定的最基本的应用 是针对具有专门要求 测量对象 测量仪器 测量方法 测量人员等均已确定不可改变的特定的测量结果的测量不确定度的评定 常规测量的不确定度评定是对诸如实物量具和其他测量仪器的检定和校准 以及对一些大宗材料或产品的检验等测量仪器 测量方法和测量程序固定不变 测量对象类似 且满足一定要求 具体测量人员可以不同 但均为经过培训的合格人员 测量过程是在满足检定规程或校准规范或相关的产品检测标准等技术文件所规定的重复性条件下进行的 一般说来 这时的测量不确定度会受测量条件改变的影响 但由于测量条件已被限制在一定的范围内 只要满足这一规定的条件 其测量不确定度就能满足使用要求 因此 除非用户对测量不确定度另有更高要求 实验室可将针对具体的常规测量结果评定的测量不确定度提供给客户 而无须对每一个测量结果单独评定不确定度 7 3评定实验室校准测量能力校准测量能力也称为最佳测量能力 通常提供给用户的最高校准测量水平 用包含因子k 2的扩展不确定度表示 它是实验室对于特定的测量任务可能达到的最小不确定度 表示实验室在常规的校准检测上可能达到的最高水平 一般在实验室认可工作中要求对所申报的最佳测量能力进行认可 4测量过程的设计或开发在实际工作中 为确保满足特定的测量水平即测量不确定度的要求 须根据已具备的能力 即现有的测量设备等 通过对测量不确定度的反复评定来寻求不仅满足所要求的测量不确定度 而且在经济上也比较合理的测量程序和至少应满足的测量条件 当然也可以通过不确定度管理程序来判断所用的测量设备是否满足要求 5进行测量结果的比对在常规的实验室测量中 为避免可能产生的粗大误差 往往需对一个测量对象进行两次或多次重复测量 而判断标准应通过测量不确定度评定来确定的 此外 实验室间进行比对时 需确定各实验室所得测量结果是否处于合理范围内 即其一致性的判断 除与所采用的参考值有关外 也与各实验室报告的测量结果的不确定度有关 6工件或测量仪器的合格判定在生产和测量领域 经常是通过测量来判定被测对象是否满足技术指标 规范 的要求 如检验工件是否符合技术图纸的公差要求 测量仪器的示值误差是否符合规定的最大允许误差 材料或产品是否符合标准要求等 在合格判定中 判据除和规定的技术指标有关外 也与测量不确定度有关 8 1数理统计基本知识 基本统计计算通过多次重复测量并进行某些统计计算 可增加测量得到的信息量 有两项最基本的统计计算 求一组数据的平均值或算术平均值 数学期望 以及求单次测量或算术平均值的标准偏差 方差 绝大部分数据集中在平均值附近 9 2 最佳估值 多次测量的平均值 一般而言 测量数值越多 得到的 真值 的估计值就越好 理想的估计值应当用无穷多数值集来求平均值 但是增加读数要做额外的工作 并增大测量成本 且会产生 缩小回报 的效果 什么是合理的次数呢 10次是普遍选择的 因为这能使计算容易 20次读数只比10次给出稍好的估计值 50次只比20次稍好 根据经验通常取6 10次读数就足够了 数学期望 10 3 分散范围 区间 标准偏差 定量给出分散范围的常见形式是标准偏差 一个数集的标准偏差给出了各个读数与该组读数平均值之差的典型值 根据 经验 全部读数大概有三分之二 68 27 会落在平均值的正负 一倍标准偏差范围内 大概有全部读数的95 会落在正负两倍标准偏差范围内 虽然这种 尺度 并非普遍适用 但应用广泛 标准偏差的 真值 只能从一组非常大 无穷多 的读数求出 由有限个数的读数所求得的只是标准偏差的估计值 称为实验标准偏差或估计的标准偏差 用符号s表示 样本方差的平方根 11 4分布 数据散布的 形状 一组数值的散布会取不同的形式 或称为服从不同的概率分布 1 正态分布在一组读数中 较多的读数值靠近平均值 少数读数值离平均值较远 这就是正态分布或高斯分布的特征 2 t分布是一般形式 而标准正态分布是其特殊形式 t 成为正态分布的条件是自由度 3 均匀分布 矩形分布 当测量值非常平均地散布在最大值和最小值之间的范围内时 就产生了矩形分布或称为均匀分布 4 其他分布 参见第8 6节 12 x f x 随机变量x的取值 拐点 13 5测量基本术语测量误差的定义 真值是指与给定的特定量一致的值 当测量不完善时 通常不能获得真值 真值是一个理想概念 常用约定真值代替 在不确定度评定中 常称 被测量之值 为 真值 VIM新定义 参考量值 14 关于允差 测量仪器的特性可以用最大允许误差 示值误差等术语描述 在技术规范 规程中规定的测量仪器允许误差极限 称为 最大允许误差 或 允许误差限 它是制造厂对某种型号仪器所规定的示值误差的允许范围 而不是某台仪器实际存在的误差 测量仪器的最大允许误差可在仪器说明书中查到 表示时有正负号 仪器设备的允差是贡献给测量不确定度的一个重要分量 在评定测量不确定度时 了解和解释允差的确含义和用途是重要的 15 准确度 定义 测量结果与被测量真值的一致程度 注 1 不要用术语精密度代替准确度 2 准确度是一个定性的概念 鉴于不可能准确地确定真值的大小 因而定义 准确度 这个术语说明测量结果与被测量的真值的接近程度 所以准确度是一个定性的概念 因而准确度不能量化 也不能作为一个量进行运算 16 测量不确定度 测量不确定度定义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 不确定度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 17 标准不确定度和扩展不确定度 以标准偏差表示的不确定度称为标准不确定度 以u表示 以标准偏差倍数表示的不确定度称为扩展不确定度 以U表示 扩展不确定度表明了具有较大置信概率的区间半宽度 18 不确定度A类和B类评定方法 不确定度通常由多个分量组成 对每一分量都要求评定其标准不确定度 评定方法分为A B两大类 A类评定是用对观测列进行统计分析的方法 以实验标准偏差表征 B类评定则用不同于A类的其他方法 以估计的标准偏差表示 各标准不确定度分量的合成称为合成标准不确定度 它是测量结果的标准偏差的估计值 19 标准不确定度 定义 以标准偏差表示的测量不确定度 用符号u表示 也可以用相对不确定度 表示 x是被测量X的最佳估值 20 合成标准不确定度 定义 当测量结果是由若干个其它量的值求得时 按其它各量的方差和协方差算得的标准不确定度 用符号uc表示 也可以用相对不确定度表示 y是被测量Y的最佳估值 21 扩展不确定度 定义 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于此区间 用大写斜体英文字母U表示 也可以用相对不确定度表示 y是被测量Y的测量结果 22 包含因子k 定义 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 注 1 包含因子等于扩展不确定度与合成标准不确定度之比 2 包含因子有时也称覆盖因子 3 根据其含义可分为两种 k U uc kp U uc 4 一般在2 3之间 5 下脚标p为置信概率 即置信区间所需之概率 23 实验标准 偏 差计算式 贝塞尔公式 对同一被测量X作n次独立测量 表征每次测量结果分散性的量s xi 可按下式算出 1 1 式中xi为第i次测量的结果 为所考虑的n次测量结果的算术平均值 称为残差 上式称作贝塞尔公式 它描述了各个测量值的分散度 有时将s xi 称作单次测量结果的标准偏差 或称为实验标准差 24 自由度 在方差计算中 自由度为和的项数减去和的限制数 记为 在重复条件下对被测量做n次独立测量 其样本方差为 式中vi为残差 所以在方差的计算式中 和的项数即为残差vi的个数n 而且残差之和为零 即 i 0是限制条件 故限制数为1 因此可得自由度 n 1 测量可靠性的量度 25 如何理解测量不确定度 定义的注1还指出 测量不确定度是 说明了置信水准的区间的半宽度 也就是说 测量不确定度需要用两个数来表示 一个是测量不确定度的大小 即置信区间 另一个是置信水准 或称置信概率 表明测量结果落在该区间有多大把握 例如上述测量人体温度为37 2 或加或减0 05 置信概率为99 该结果可以表示为 37 2 0 05 置信概率为99 置信区间 置信水准 26 p 68 p 95 p 99 U 27 28 29 30 31 6产生测量不确定度的原因和测量模型化 不确定度来源 1 对被测量的定义不完整或不完善 2 实现被测量定义的方法不理想 3 取样的代表性不够 即被测量的样本不能完全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 对模拟式仪器的读数存在人为偏差 偏移 测量仪器计量性能 如灵敏度 鉴别力阈 分辨力 稳定性及死区等 的局限性 7 赋予计量标准的值或标准物质的值不准确 8 引用的数据或其他参数的不确定度 9 与测量方法和测量程序有关的近似性和假定性 10 被测量重复观测值的变化等等 32 建立数学模型 续 Y f X1 X2 XN 1 2 在数学模型中 输入量X1 X2 XN可以是 1 由当前直接测量的量 它们的值与不确定度可得自单一观测 重复观测 依据经验对信息的估计 并可包含测量仪器读数的修正值 以及对周围环境温度 大气压 湿度等影响量的修正值 2 由外部来源引入的量 如已校准的测量标准 测量仪器 有证标准物质 手册所得的测量值或参考数据 33 7建立数学模型 续 xi的不确定度是y的不确定度来源 寻找不确定度来源时 可以从测量仪器 测量环境 测量人员 测量方法 被测量等各方面考虑 应做到不遗漏 不重复 特别要考虑对测量结果影响大的不确定度来源 y的不确定度来源取决于xi的不确定度 为此首先必须评定xi的标准不确定度u xi 34 第二节标准不确定度A类评定 一 基本方法 单次测量结果实验标准差与平均值实验标准差 对被测量X 在重复条件下或复现性条件下进行n次独立重复观测 观测值为xi i 1 2 n 其算术平均值为 2 1 s xi 为单次测量的实验标准差 由贝塞尔公式得到 2 2 35 实验标准 偏 差计算式 贝塞尔公式 2 2 式中xi为第i次测量的结果 为所考虑的n次测量结果的算术平均值 称为残差 贝塞尔公式描述了各个测量值的分散度 有时将s xi 称作实验标准差或样本标准差 36 平均值的标准 偏 差 用下式计算平均值的标准偏差 2 3 需要指出 单次测量的实验标准差s xi 随着测量次数的增加而趋于一个稳定的数值 平均值的标准偏差则将随着测量次数的增加而减小 37 38 观测次数n充分多 才能使A类不确定度评定可靠 一般认为n应大于5 但也要视实际情况而定 当A类不确定度分量对合成标准不确定度的贡献较大时 n不宜太小 反之 当A类不确定度分量对合成标准不确定度的贡献较小时n小一些关系也不大 由实验标准偏差的分析可知 单次测量的实验标准偏差s xi 是一个特定的被测量和测量方法的固有特性 该特性表征了各单个测得值的分散性 此处所说的测量方法包括测量原理 测量设备 测量条件 测量程序以及数据处理程序等 在重复性条件下或复现性条件下进行规范化常规测量 通常不需要每次测量都进行A类标准不确定度评定 可以直接引用预先评定的结果 39 所谓规范化常规测量 是指明确规定了方法 程序 条件的测量 如已通过实验室认可的检测或校准项目的测量 如果事先对某被测量X进行n次独立重复测量 其实验标准差为s xi 若随后的规范化常规测量只是由一次测量就直接给出测量结果 则该测量结果的标准不确定度u x 就等于事先评定的实验标准差s xi 即u x s xi 如果随后的测量进行了几次测量 典型情况是n 3 而且将n 次测量的平均值作为结果提供给客户 则算术平均值的实验标准差应等于实验标准差s xi 除以次数n 的平方根 相应的标准不确定度为 40 实例 某实验室事先对某一电流量进行n 10次重复测量 测量值列于表5 1 由贝塞尔公式计算得到单次测量的估计标准偏差s x 0 074mA 在同一系统中在以后做单次 n 1 测量 测量值x 46 3mA 求这次测量的标准不确定度u x 在同一系统中在以后做3次 n 3 测量 求这3次测量结果的标准不确定度 41 表2 1对某一电流量进行n 10次重复测量的测量值 42 解 对于单次测量 则其标准不确定度等于1倍单次测量的标准偏差 x 46 3mA u x s x 0 074mA 解 对于n 3次测量 测量结果为 的标准不确定度为 43 不确定度A类评定的独立性 在重复条件下所得的测量列的不确定度 通常比其他评定方法所得到的不确定度更为客观 并具有统计学的严格性 但要有充分的重复次数 此外 这一测量程序中的重复观测值 不是简单地重复读数 而是应当相互独立地观测 例如被测量是一批材料的某一特性 所有重复观测值来自同一样品 而取样又是测量程序的一部分 则观测值不具有独立性 必须把不同样本间可能存在的随机差异导致的不确定度分量考虑进去 2 测量仪器的调零是测量程序的一部分 重新调零应成为重复性的一部分 44 不确定度A类评定的独立性 3 测量器具与被测物品的连接是测量程序的一部分 重新连接应成为重复性的一部分 4 通过直径的测量计算圆的面积 在进行直径的重复测量时 应随机地选取不同的方向观测 5 当使用测量仪器的同一测量段进行重复测量时 测量结果均带有相同的这一测量段的误差 而降低了测量结果间的相互独立性 6 在一个气压表上重复多次读取示值 把气压表扰动一下 然后让它恢复到平衡状态再读数 因为即使大气压力并无变化 还可能存在示值和读数的误差 等等 45 其他几种常用的标准不确定度A类评定方法 合并样本标准差 极差 最小二乘法 阿伦方差 46 合并实验标准差JJF1059介绍了计算合并实验标准差的方法 对某量进行组测量 有两种情况 若每组独立观测次数相同 均为n 进行组观测的合并实验标准差按下式计算 式中Si2为每组观测的方差 b 若每组独立观测次数不同 分别为ni 自由度分别为 vi ni 1m组观测的合并实验标准差按下式计算 合并实验标准差sp的自由度为 计算多组观测的合并实验标准差的前题是各组测量应比较接近 47 预先测量 在随后测量中按规范化常规测量对同类被测物的相同被测量X进行m次测量得x1 x2 xi xm计算测量结果计算A类评定标准不确定度当m 1时 只测1次 A类标准不确定度为u x s xi 自由度为 n 1 实际测量 A类评定流程 48 第三节标准不确定度B类评定 由于系统效应导致的不确定度 不同于A类对观测列进行统计分析的方法来评定标准不确定度 称为不确定度B类的评定 有时也称B类不确定度评定 B类不确定度评定是根据经验和资料及假设的概率分布估计的标准 偏 差表征 也就是说其原始数据并非来自观测列的数据处理 而是基于实验或其他信息来估计 含有主观鉴别的成分 B类不确定度的信息来源一般有 49 1 以前的观测数据 2 对有关技术资料的测量仪器特性的了解和经验 3 生产企业提供的技术说明文件 4 校准证书 检定证书 或其他文件提供的数据 准确度的等级或级别 包括目前仍在使用的极限误差 最大允许误差等 5 手册或某些资料给出的参考数据及其不确定度 6 规定试验方法的国家标准或类似技术文件中给出的重复性限或复现性 50 B类不确定度的评定方法 根据经验和有关信息或资料 先分析或判断被测量值落入区间 并估计区间内被测量值的概率分布 再按置信水准p来估计包含因子k 则B类标准不确定度u x 为 3 1 式中 a 置信区间半宽度 k 对应于置信水准的包含因子 51 2 已知扩展不确定度U和包含因子k如果估计值xi来源于制造部门的说明书 校准证书 手册或其他资料 其中同时还明确给出了其扩展不确定度U xi 是标准不确定度u xi 的k倍 指明了包含因子k的大小 则标准不确定度u xi 可取而估计值的方差为其平方 B类标准不确定度方法 52 例 校准证书上指出标称值为1kg的砝码的实际质量m 1000 00032g 并说明按包含因子k 3给出的扩展不确定度U 0 24mg 则该砝码的标准不确定度为u m 0 24mg 3 80 g 估计方差为 相应的相对标准不确定度urel m 为 B类标准不确定度方法 53 特别提示 在这个例子中 砝码使用其实际值1000 00032g 而不使用其标称值 即砝码是以 等 使用 评定的标准不确定度80 g是1000 00032g标准不确定度 B类标准不确定度方法 54 3 如xi的扩展不确定度U xi 不是按标准偏差s xi 的k倍给出 而是给出了置信概率p和置信区间的半宽度Up 除非另有说明 一般按照正态分布考虑评定其标准不确定度u xi 3 2 正态分布的置信水准 置信概率p与包含因子kp之间的关系示于表3 1 B类标准不确定度方法 55 B类标准不确定度方法 表3 1正态分布情况下置信概率与包含因子之间的关系这种情况在以 等 使用的仪器中出现最多 56 例 校准证书上给出标称值为10 的标准电阻器的电阻Rs在23 为Rs 23 10 00074 0 00013 同时说明置信水准p 99 由于U99 0 13m 查表6 1得kp 2 58 其标准不确定度为u Rs 0 13m 2 58 50 估计方差为相应的相对标准不确定度urel Rs 为 B类标准不确定度方法 57 例 机械师在测量零件尺寸时 估计其长度以50 的概率落在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6 1 k50 0 67 则长度l的标准不确定度为u l 0 04mm 0 67 0 06mm 其估计方差为u2 l 0 04mm 0 67 2 3 5 10 3mm2 B类标准不确定度方法 58 B类不确定度的评定方法 已知扩展不确定度Up以及置信水准p与有效自由度 eff的t分布如xi的扩展不确定度不仅给出了扩展不确定度Up和置信水准p 而且给出了有效自由度 eff或包含因子kp 这时必须按t分布处理 3 3 这种情况提供的不确定度信息比较齐全 常出现在校准证书上 注 t分布表参见表6 2 59 60 例 校准证书上给出标称值为5kg的砝码的实际质量为m 5000 00078g 并给出了m的测量结果扩展不确定度U95 48mg 有效自由度 eff 35 查表6 2的t分布表得到t95 35 2 03 故B类标准不确定度为 B类标准不确定度评定方法 61 5 其他几种常见的分布 除了正态分布和t分布之外 其他常见的分布有均匀分布 反正弦分布 三角分布 梯形分布 及两点分布等 详见JJF1059 1999的附录B 如已知信息表明Xi估计值xi分散区间半宽为a 且xi落在xi a 至xi a 范围内的概率p为100 即全部落在此范围内 通过对分布的估计 可以得出xi的标准不确定度为 62 63 例 手册中给出纯铜在20 时的线膨胀系数 20 Cu 为16 52 10 6 1 并说明此值变化的半范围为a 0 40 10 6 1 按 20 Cu 在 16 52 0 40 10 6 1 16 52 0 40 10 6 1 区间内为均匀分布 于是有 64 矩形分布 均匀分布 标准不确定度 特征 估计值以p 100 的概率均匀散布在 a区间内 落在该区间外的概率为零 且没有说明概率分布 矩形分布是有界的 65 矩形分布是有界的 符合下列条件之一者 一般可以近似地估计为均匀分布 1 数据修约导致的不确定度 2 数字式测量仪器对示值量化 分辩力 导致的不确定度 3 测量仪器由于滞后 摩擦效应导致的不确定度 4 按级使用的数字仪表 测量仪器最大允许误差导致的不确定度 5 用上 下界给出的线膨胀系数 6 测量仪器度盘或齿轮回差引起的不确定度 7 平衡指示器调零不准导致的不确定度 66 三角分布 标准不确定度 特征 估计值以p 100 的概率落在 a区间内 靠近x的数值比接近边界的值多 落在该区间外的概率为零 且没有说明概率分布 三角分布是有界的 67 例 数字电压表制造厂说明书说明 仪器校准后1 2年内 在1V内示值最大允许误差为 0 40 10 6 读数 2 10 6 范围 设校准后20个月在1V内测量电压 在重复性条件下独立测得电压U 其平均值为区间半宽度为a 0 40 10 6 0 928571V 2 10 6 1V 2 4 V按表6 2得 则示值误差的标准不确定度为 68 特别提示 在缺乏任何其他信息的情况下 一般估计为均匀分布 矩形分布 是比较合理的 如果已知被测量Xi的可能值出现在a 至 a 范围中心附近的概率 大于接近区间的边界时 则最好估计为三角分布 如果xi本身就是重复性条件下的几个观测值的算术平均值 则可估计为正态分布 在有些情况下 可采用同行共识 如化学检测实验室的定容误差 欧洲分析化学中心 EURACHEM 认为其服从三角分布 69 例 制造商给出A级100mL单标线容量瓶的允差为 0 1mL 欧洲分析化学中心 EURACHEM 认为其服从三角分布 则区间半宽度为a 0 1mL 包含因子 由此引起的引起的标准不确定度为 参见CNAL AG07 2002 化学分析中不确定度的评估指南 70 界限不对称的考虑 在输入量Xi的可能值的下界a 和上界a 相对于其最佳估计值xi不对称的情况下 其下界a xi b 上界a xi b 其中b b 这时由于x不处于区间 a a 的中心 输入量Xi的概率分布在此区间内不会是对称的 在缺乏用于准确判断其分布状态的信息时 可以按均匀分布处理 区间半宽度为a a a 2 由此引起的引起的标准不确定度为 其方差为 71 例 查物理手册得到黄铜在20 时的线膨胀系数 20 Cu 16 52 10 6 1 但指明最小可能值为16 40 10 6 1 最大可能值为16 92 10 6 1 由给出的信息知道是不对称分布 这时有 a 16 40 16 52 10 6 1 0 12 10 6 1 a 16 92 16 52 10 6 1 0 40 10 6 1 因此 区间半宽度a a a 2 0 40 0 12 2 10 6 1 0 26 10 6 1 假设为均匀分布 包含因子 其标准不确定度为 72 有时对于不对称的界限 可以对估计值xi加以修正 修正值的大小为 b b 2 则修正后Xi就在界限的中心位置xi a a 2 而其半宽度为a a a 2 从而可以按上述各节处理 JJF1059 1999是建立在对称分布的基础上的 例 数字显示测量仪器 如其分辨为 x 量化误差是一个宽度为 x的矩形分布 区间半宽度为 x 2 则有虽量化误差不一定是对称分布 但一般取对称分布 73 例 对于量值 数据 修约 如修约间隔为 x 修约误差是一个宽度为 x的矩形分布 区间半宽度为 x 2 则有如果量值 数据 修约根据GB3101 1993的规定进行 那么修约引起的误差分布是完全对称的均匀分布 矩形分布 74 由重复性限或复现性限求不确定度 在规定实验方法的的国家标准或类似技术文件中 按规定的测量条件 当明确指出两次测量结果之差的重复性限r或复现性限R时 如无特殊说明 则测量结果的不确定度为式中 重复性限r或复现性限R的置信水准为95 并作正态分布处理 75 由重复性限或复现性限求不确定度 由于有Y X1 X2式中 X1和X2为服从同一正态分布的随机变量 由不确定度传播率得故由置信水准为95 得故 76 以 等 使用的仪器的不确定度计算 当测量仪器检定证书上给出准确度等别时 可根据 计量器具检定系统 或检定规程所规定的该等别的测量不确定度大小 按本节 2 或 3 中所述的方法计算标准不确定度分量 当检定证书既给出扩展不确定度 又给出有效自由度时 可按本节 4 中所述的方法评定标准不确定度分量 对于以 等 使用的仪器的标准不确定度评定 应注意以下问题 1 以 等 使用的仪器的标准不确定度评定 一般采用正态分布或t分布 77 以 等 使用的仪器的不确定度计算 2 以 等 使用的指示类仪器 使用时应对其示值进行修正或使用校准曲线 以 等 使用的量具 应使用其实际值 标称值 同时还应当考虑其长期稳定性的影响 通常把两次检定周期或校准周期之间的差值 作为不确定度的一个分量 该分量按均匀分布处理 3 以 等 使用的仪器 使用时的环境条件偏离参考条件时 要考虑环境条件引起的不确定度分量 4 以 等 使用的仪器 上面计算所得到的标准不确定度分量已包含了其上一等别仪器对所使用等别的仪器进行检定或校准带来的不确定度 因此 不需要考虑上一等别检定或校准的不确定度 78 例 二等标准铂铑10 铂热电偶检定证书 给出热点偶在300 1100 范围内检定合格 由 JJG2003 1987铂铑10 铂热电偶计量器具检定系统框图 1 可知 二等标准铂铑10 铂热电偶总不确定度为 1 0 k 3 所以 由二等标准铂铑10 铂热电偶引入的标准不确定度分量为 79 例 1000gF1等砝码检定证书 给出检定合格 由 JJG2053 1990质量计量器具检定系统框图 可知 1000gF1等砝码的质量总不确定度 置信概率99 73 z 20mg 因此 包含因子k 3 所以 由1000gF1等砝码引入的标准不确定度分量为 80 以 级 使用的仪器的不确定度计算 当测量仪器检定证书上给出准确度级别时 可根据 计量器具检定系统 或检定规程所规定的该级别的最大允许误差进行评定 假设最大允许误差为 A 一般采用均匀分布 得到示值允差引起的标准不确定度分量为 81 对于以 级 使用的仪器的标准不确定度评定 应注意 以 级 使用的仪器 上面所得的标准不确定度分量并没有包含上一个级别仪器对所使用级别仪器进行检定带来的不确定度 因此 当上一级别检定的不确定度不可忽略时 还要考虑这一项不确定度分量 2 以 级 使用的指示类仪器 使用时直接使用其示值而不需要进行修正 量具使用其实际值 标称值 所以可以认为仪器的示值允差已包含了仪器长期稳定性的影响不需要再考虑仪器长期稳定性引起的不确定度 3 以 级 使用的仪器 使用时的环境条件只要不超过允许使用的范围 仪器的示值误差就始终不会超出示值的允差 因此 在这种情况下 不必考虑环境条件引起的不确定度 82 例 仪器制造厂的说明书给出仪器的准确度 或误差 为 1 我们可以假定这是对仪器最大误差限值的说明 而且所有测量值的误差值是等概率地 矩形分布 处于该限值范围 0 01 0 01 内 因为大于 1 误差限的仪器 属于不合格品 制造厂不准出厂 或者检定不合格 不准投入使用 矩形分布的包含因子 仪器误差的区间半宽度a 0 01 1 因此 标准不确定度为 83 84 85 86 87 88 2 校准证书数据的正确使用方法计量器具的校准证书应给出校准值 其测量不确定度以及它的置信概率或所采用的包含因子 对于某些宽量程的仪器 需要对不同的读数或不同的量程范围计算不同的不确定度 对于校准证书给出的数据 除非另有说明 一般就假定其不确定度服从正态分布或t分布 如果引用95 的置信概率 则对应的包含因子k 2 如果引用99 的置信概率 则对应的包含因子k 3 如果没有说明包含因子 则只能假定所用的包含因子k 2 当校准证书既给出扩展不确定度 又给出有效自由度时 可按t分布评定标准不确定度分量 由这些不确定度来源所引起的标准不确定度 可直接用给出的或算得的不确定度除以包含因子得到 但是应当注意 这时不能使用计量器具的示值或标称值 而必须使用其校准值 实际值 或校准曲线 其次 使用时的环境条件偏离参考条件时 要考虑环境条件引起的不确定度分量 同时还应当考虑其长期稳定性的影响 通常把两次校准周期之间的差值 作为不确定度的一个分量 该分量按均匀分布处理 89 2 110V示值校准数据的使用2 1 1使用校准值 实际值 由表3 5校准数据可知 数字电压表校准值9 999973V的扩展不确定度U95 15 V eff 36包含因子kp t95 36 2 03 相应的标准不确定度为 10 1 2 1 2使用标称值 数字电压表额定示值 因为数字电压表10V示值满足其技术指标要求 故可以直接使用其额定示值 使用其实际示值的最大允许误差为 42 5 V 服从均匀分布 区间半宽度a 42 5 V 包含因子 相应的标准不确定度为 10 3 90 2 25V示值校准数据的使用2 2 1使用校准值 实际值 由表3 5校准数据可知 数字电压表校准值4 999976V的扩展不确定度U95 12 V eff 36包含因子kp t95 36 2 03 相应的标准不确定度为 10 3 需要指出 使用校准值只能在标称值10V和5V点 因为其他标称值没有校准数据 例如9V 8V 7V 6V 4V 3V 2V等示值 2 2 2使用标称值 数字电压表额定示值 因为数字电压表5V示值不满足其技术指标要求 故不可以直接使用其示值 只能使用校准值 如果要使用其示值 必须对数字电压表进行调整 然后重新进行校准 使示值误差完全符合数字电压表的技术指标 91 三 如何使用检定证书1 以 等 使用的仪器的检定证书当测量仪器检定证书上给出准确度等别时 按照本章8 6节 8 以 等 使用的仪器的标准不确定度评定 方法使用 2 以 级 使用的仪器的检定证书当测量仪器检定证书上给出准确度等别时 按照本章8 6节 9 以 级 使用的仪器的标准不确定度评定 方法使用 3 检定合格证和检定合格印参看表3 4 对于简单型符合规程要求的强检计量器具 如压力表 电流表 衡器 电能表 水表 煤气表 出租车计价器等 通常出具检定合格证或检定合格印 这种印证没有给出检定数据 这时需要根据 计量器具检定系统 或检定规程或该计量器具的技术说明书所规定的该等别的测量不确定度大小或级别的最大允许误差来计算标准不确定度 例如1级电能表 其最大允许误差为 1 服从均匀分布 92 计算u x U x k 93 第四节合成标准不确定度 被测量Y的估计值y f x1 x2 xN 的标准不确定度是由相应输入量x1 x2 xN的标准不确定度合理合成求得的 其表示式的符号为uc y 下脚标 c 系 合成 之义 取自英文combined的第一个字母 合成标准不确定度uc y 表征合理赋予被测量之值Y的分散性 是一个估计标准偏差 94 不相关输入量的合成 当全部输入量Xi是彼此独立或不相关时 输出量Y的估计值y的合成标准不确定度uc y 由下式得出 4 1 式中 f 被测量估计值y与各直接测得量xi的函数关系式 u xi 各直接测得量xi的标准不确定度 可以是A或B类评定方法给出的 方差的合成 95 灵敏系数和测量结果不确定度分量ui y 式 4 1 中的偏导数 f xi是在Xi xi时导出的 这些偏导数称为灵敏系数 或传播系数 用符号ci表示 即ci f xi 它描述输出估计值y如何随输入估计值x1 x2 xN的变化而变化 尤其是 当输入估计值xi产生微小变化时 将引起输出估计值y变化 可用 y i f xi xi ci xi表示 如果 y i是来自输入估计值xi的标准不确定度u xi 的变化所引起 那么输出估计值y的相应变化就是 f xi u xi ci u xi 因此在各输入量Xi互不相关时 式 4 1 可表示为 96 灵敏系数和测量结果不确定度分量ui y 4 2a 式中 4 2b 97 合成不确定度表达的简化形式1 有时 在输入量彼此独立的线性模型的情况下 合成不确定度的表达可以采用更为简单的形式 合成标准不确定度的两个简单规则如下 规则1 只涉及量的和或差的线性模型 例如 则合成标准不确定度如下 此时 有 所以可以将上式写作 98 合成不确定度表达的简化形式1 例 y x1 x2 且x1与x2不相关 u x1 1 73mm u x2 1 15mm 则 99 合成不确定度表达的简化形式1 例 y 2x1 x2 且x1与x2不相关 u x1 1 73mm u x2 1 15mm 则 100 合成不确定度表达的简化形式2 规则2 只涉及积或商的模型 如果函数f的表现形式为 合成标准不确定度有 4 3 式中 式中 m是常数 指数pi可以是正数 负数或分数 pi的不确定度可以忽略不计 urel xi u xi xi是相对标准不确定度 其灵敏系数 ci pi 上式给出的是相对合成标准不确定度 对于函数的形式 采用相对标准不确定度进行评定比较方便 101 例 y x1x2 x1和x2不相关 应用规则2 采用相对标准不确定度 用方和根方法合成 输出量y的相对合成标准不确定度为 直接应用不确定度传播率 102 例 x1和x2不相关 应用规则2 采用相对标准不确定度 用方和根方法合成 输出量y的相对合成标准不确定度为 直接应用不确定度传播率 103 例 y x1 x2 x1和x2不相关 应用规则2 采用相对标准不确定度 用方和根方法合成 输出量y的相对合成标准不确定度为 104 例 且各输入量相互独立无关 已知 x1 80 x2 20 x3 40 u x1 2 u x2 1 u x3 1 求合成标准不确定度uc y 解 105 例 圆柱体体积V的测量通过测量半径r与高h计算得到 其函数关系为式中 u 可以通过取适当有效位数而忽略不计 则按式 7 3 可得 注 106 第五节扩展不确定度评定 测量不确定度的定义指出 测量不确定度 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 而扩展不确定度定义为 确定测量结果区间的量 合理赋予被测量之值的大部分可望含于此区间 107 第六节测量结果及其不确定度报告 完整的测量结果含有两个基本量 一是被测量Y的最佳估计值y 通常由数据测量列的算术平均值给出 另一个就是描述该测量结果分散性的量 即测量不确定度 它实际上是测量过程中来自测量设备 人员 测量方法 环境及被测物品所有的不确定度因素的集合 一般以合成标准不确定度uc y 扩展不确定度U y 或它们的相对形式ucrel y uc y y y 0 Urel y U y y y 0 给出 108 测量不确定度定义的注1指出 测量不确定度是 说明了置信水准的区间的半宽度 也就是说 测量不确定度需要用两个数来表示 一个是测量不确定度的大小 即置信区间 另一个是置信水准 或称置信概率 表明测量结果落在该区间有多大把握 不确定度恒为正值 109 测量结果及其不确定度报告 被测量Y的最佳估计值y一般是有量纲的量 如200mm 12 06g等 对于量纲1的量 其测量结果的表达为一个数 2 测量不确定度以uc y 或U y 的形式给出时 具有与被测量Y的最佳估计值y相同的量纲 如uc y 0 04mm U y 0 08mm等 若测量不确定度以ucrel y 或Urel y 的形式给出时 都是无量纲的量 例如Urel y 4 10 4 当以相对形式表示测量不确定度时 置信区间半宽度由相对测量不确定度乘以最佳估计值得到 110 测量结果及不确定度报告有效位数 报告测量不确定度首先必须报告测量结果 最后结论的合成标准不确定度或扩展不确定度 其有效数字很少超过2位数 中间计算过程的不确定度 可以多取一位 带低位数的扩展不确定度不按数据修约规则舍取 而是直接进位 测量不确定度的有效位取到测量结果相应的有效位数 111 测量结果最后报告 续 例 如果测量某物品质量 测量值为 ms 100 02147g 其测量不确定度评定结果为 uc y 0 35mg 取包含因子k 2 U kuc y 2 0 35mg 0 70mg 则测量结果的报告可以有以下两种形式 1 ms 100 02147g U 2 0 35mg 0 70mg k 2 2 m 100 02147g 0 00070g k 2 m ms U 112 测量结果最后报告 续 测量不确定度可以用相对形式报告 例 如果测量某物品质量 测量值为ms 100 02147g 其测量不确定度评定结果为 相对标准不确定度 uc y 3 5 10 6 扩展不确定度 U95 2 3 5 10 6 7 0 10 6 则测量结果的报告可以有以下两种形式 1 ms 100 02147g U95 7 0 10 6 k 2 2 m 100 02147 1 7 0 10 6 g k 2