測(cè)量不確定度的概念引入我國(guó)相對(duì)時(shí)間較短,在許多發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家已經(jīng)普遍采用,無論哪個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行測(cè)量,在給出完整的測(cè)量結(jié)果時(shí)普遍采用測(cè)量不確定度。在經(jīng)濟(jì)全球化的今天,測(cè)量不確定度評(píng)定與表達(dá)方法的統(tǒng)一,乃是科技交流和國(guó)際貿(mào)易的迫切要求,它是各國(guó)進(jìn)行的測(cè)量及其所得到的結(jié)果可以進(jìn)行互相比較,取得相互承認(rèn)或共識(shí)的基礎(chǔ)上。因此,統(tǒng)一測(cè)量不確定度的評(píng)定和表達(dá)方法具有廣泛性和實(shí)用性。

目前,工程檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室對(duì)測(cè)量不確定度的應(yīng)用處于起步階段,多數(shù)檢測(cè)人員認(rèn)為測(cè)量不確定度評(píng)定是對(duì)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室而言的,對(duì)測(cè)量不確定度的概念模糊,對(duì)評(píng)定方法不甚了解。為了強(qiáng)化理解,本文以測(cè)量誤差與測(cè)量不確定度的定義解析,了解兩者的區(qū)別,首先在概念上理解測(cè)量不確定度;通過介紹測(cè)量不確定度A類和B類評(píng)定方法的異同點(diǎn),使檢測(cè)人員初步認(rèn)知測(cè)量不確定度的評(píng)定方法,為今后開展測(cè)量不確定度的評(píng)定工作打下基礎(chǔ)。

一、測(cè)量誤差與測(cè)量不確定度區(qū)別

測(cè)量誤差與測(cè)量不確定度從定義、評(píng)定方法、成方法、表達(dá)形式及分量的分類等方面均有區(qū)別。

  1.測(cè)量誤差

測(cè)量誤差是“測(cè)量結(jié)果減去被測(cè)量的真值”(JJF1001-1998),簡(jiǎn)稱誤差。一個(gè)量的真值,是在被觀測(cè)時(shí)本身所具有的真實(shí)大小,只有完整的測(cè)量才能得到真值,而實(shí)際上任何測(cè)量都有缺陷,因此,真值是一個(gè)理想化的概念。由于真值無法確切地知道,所以誤差也無法準(zhǔn)確知道。由定義可知誤差是兩個(gè)量值之差,即誤差表示的是一個(gè)差值,而不是區(qū)間。誤差是一個(gè)具有確定符號(hào)的量值,或正或負(fù)。過去通過誤差分析所得到的測(cè)量結(jié)果的“誤差”,實(shí)際上是被測(cè)量不能確定的范圍,并非誤差。

  2.測(cè)量不確定度

測(cè)量不確定度從詞意上理解,意味著對(duì)測(cè)量結(jié)果有效性的可疑程度或不肯定程度。從傳統(tǒng)意義上理解,它是被測(cè)量真值所處范圍的估計(jì)值,但是真值是不存在的,是難以達(dá)到的理想值。

JJF1059.1-2012《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》對(duì)測(cè)量不確定度的定義:根據(jù)所用到的信息,表征賦予被測(cè)量值分散性的非負(fù)數(shù)。而在JJF1059-1999中的定義是: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)。不論采用何種定義,其評(píng)定方法均相同,表達(dá)形式也一樣。

規(guī)范中的定義有些抽象,我們姑且給出更通俗解釋,不確定度一詞指可疑程度,廣義而言,測(cè)量結(jié)果不確定度反映了人們對(duì)測(cè)量結(jié)果不能肯定的程度,或是對(duì)測(cè)量結(jié)果正確性的可疑程度,也是人們對(duì)真值所處范圍或測(cè)量誤差可能的范圍的一種估計(jì)。

測(cè)量不確定度是表示測(cè)量值分散性的,它僅表示分散性而不表示系統(tǒng)性偏差。因此,如發(fā)現(xiàn)測(cè)量值中有顯著的系統(tǒng)性偏差,要加以修正。未知的系統(tǒng)性偏差可作為分散性處理。

在測(cè)量不確定度定義中“賦予”這個(gè)詞很關(guān)鍵:由于測(cè)量不確定度是表示測(cè)量分散性的參數(shù),是一個(gè)“模糊”的范圍,它的邊界需要人“賦予”;因此,這種“賦予”不可避免地要取決于評(píng)定者的主觀意識(shí)(資源、信息、能力、經(jīng)驗(yàn))以及客觀需求(精密度要求、置信度要求、風(fēng)險(xiǎn)性要求)。這種“賦予”應(yīng)是合理的,要求符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律,符合實(shí)際情況,符合JJF1059.1-2012的規(guī)定。

二、測(cè)量不確定度評(píng)定的原則和前提條件  

測(cè)量不確定度評(píng)定應(yīng)掌握對(duì)測(cè)量不確定度來源“既不遺漏,也不重復(fù)”的原則,但對(duì)較小的分量來說,有些重復(fù)或遺漏是可以容忍的;在不確定度分量中如果發(fā)現(xiàn)有顯著的系統(tǒng)性的偏差,則應(yīng)將測(cè)量值修正后再評(píng)定。該系統(tǒng)性偏差是否顯著可以用t檢驗(yàn)來判別;在不確定度分量中如果發(fā)現(xiàn)有粗大誤差或明顯異常值、離群值,則應(yīng)將其剔除后再參與評(píng)定。剔除的方法可按GB4883-2008《數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理和解釋正態(tài)樣本離群值的判斷和處理》進(jìn)行。

三、測(cè)量不確定度的分類

按有無量綱分類,可分為絕對(duì)測(cè)量不確定度和相對(duì)測(cè)量不確定度。絕對(duì)不確定度即不確定度的量綱與被測(cè)量量綱相同;相對(duì)不確定度指不確定度除以測(cè)量值的期望(平均值),無量綱,常以百分?jǐn)?shù)表示。
  1.按賦予不確定度大小的程度來分類

1)標(biāo)準(zhǔn)不確定度:以標(biāo)準(zhǔn)偏差來表示的不確定度

2)擴(kuò)展不確定度:以標(biāo)準(zhǔn)偏差倍數(shù)來表示的不確定度

  2.從計(jì)算工作的角度分類

可分為校準(zhǔn)的不確定度和檢測(cè)的不確定度:

1)校準(zhǔn)的不確定度用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器校準(zhǔn)工作計(jì)量器具引入的不確定度,也就是工作計(jì)量器具示值誤差的不確定度。該不確定度由實(shí)施校準(zhǔn)的機(jī)構(gòu)給出。

2)檢測(cè)的不確定度用工作計(jì)量器具(儀器、儀表、裝置、量具)確定被測(cè)量量值的不確定度。

3.按照評(píng)定方法來分類

A類評(píng)定

用統(tǒng)計(jì)分析的方法對(duì)觀測(cè)列進(jìn)行不確定度評(píng)定叫A類評(píng)定。只要有條件(人力、時(shí)間、設(shè)備、材料、方法和資金)都可以對(duì)被測(cè)量采用A類評(píng)定,但對(duì)樣品破壞性試驗(yàn)是例外。由于A類評(píng)定是在重復(fù)性或復(fù)現(xiàn)性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,所以比較真實(shí)、客觀、有說服力。但是,在做重復(fù)性或復(fù)現(xiàn)性試驗(yàn)時(shí),要充分考慮各個(gè)影響量的作用,按照預(yù)先的設(shè)計(jì)方案,讓這些影響量發(fā)揮作用(對(duì)不確定度產(chǎn)生貢獻(xiàn))或者有意識(shí)地避免某個(gè)影響量發(fā)揮作用。在A類評(píng)定時(shí),做重復(fù)性或復(fù)現(xiàn)性試驗(yàn)是有條件、有目的的,不能隨心所欲或盲目地做,否則容易發(fā)生重復(fù)評(píng)定或遺漏某些影響量的情況。這里需要強(qiáng)調(diào),在作A類評(píng)定的重復(fù)性試驗(yàn)時(shí),必須是在短時(shí)間內(nèi)做的連續(xù)的獨(dú)立的測(cè)量。

B類評(píng)定

用不同于對(duì)觀測(cè)列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的方法的評(píng)定叫做B類評(píng)定。通常只要可能在確保進(jìn)行A類評(píng)定的同時(shí)進(jìn)行B類評(píng)定。B類評(píng)定有時(shí)取決于人的經(jīng)驗(yàn),是一種比較近似的估計(jì)。B類評(píng)定一般是先確定影響量引起被觀測(cè)值變化的范圍(半寬),同時(shí)估計(jì)這一變化可能的分布,再推算出不確定度分量。其實(shí)“分布”就是一種數(shù)理統(tǒng)計(jì)特征。所以,B類評(píng)定本質(zhì)上還是離不開統(tǒng)計(jì)分析的方法,只不過這種統(tǒng)計(jì)分析,不是通過評(píng)定者重復(fù)試驗(yàn)得出的,而是基于他人的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果,或者理論上推算出來的。

A類評(píng)定和B類評(píng)定的關(guān)系

1)在評(píng)定不確定度時(shí)不一定非要有A類評(píng)定,可以只有B類評(píng)定分量。有時(shí),有好幾個(gè)分量都可以用A類評(píng)定。但是,可能至少會(huì)有一個(gè)B類評(píng)定的分量。例如在檢測(cè)工作中,通過儀器校準(zhǔn)得到的示值誤差的不確定度分量是必須考慮的B類評(píng)定分量。

2)無論是A類評(píng)定還是B類評(píng)定,都要注意既不遺漏(分量)、也不重復(fù)。實(shí)際工作中常出現(xiàn)的情況是:同一個(gè)影響量在A類評(píng)定時(shí)已經(jīng)起作用了,而評(píng)定人員并不清楚,又在B類評(píng)定時(shí)考慮了它的貢獻(xiàn)。例如,讀數(shù)誤差和量化誤差的影響,除非實(shí)驗(yàn)室在安排試驗(yàn)時(shí),刻意避免產(chǎn)生或盡量縮小讀數(shù)誤差(如加讀數(shù)放大鏡)及量化誤差(微量遞增輸入量),否則在試驗(yàn)時(shí),它們肯定要參與對(duì)不確定度的貢獻(xiàn)。但是,有些實(shí)驗(yàn)室不管A類評(píng)定重復(fù)試驗(yàn)時(shí)的情況如何,在B類評(píng)定中又加入了讀數(shù)誤差、量化誤差的影響分量。這是典型的重復(fù)評(píng)定的例子。反之,有些儀器分辨率太差,重復(fù)測(cè)量結(jié)果幾乎沒有差別,A類評(píng)定分量幾乎為零,這時(shí)則必須考慮由分辨率引入的B類評(píng)定分量。