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计量测量的不确定度详解

传感器技术 · 公众号 · · 2020-11-04 07:00

正文

测量是科学技术、工农业生产、国内外贸易以致日常生活各个领域中不可缺的一项工作。测量的目的是确定被测量的值并获取测量结果。测量结果的质量往往会直接影响国家和企业的经济利益，测量结果的质量也是科学实验成败的重要因素之一。因此在报告测量结果时，必须对其质量给出定量的说明。以确定测量结果的可信程度。

流量计的流量测量

测量不确定度，是近年来对测量结果的误差表述。大家知道，任何测量都不可能绝对准确，都必然有误差，而误差也不可能准确知道。因此测量不确定度是对被测量的真值所处范围的评定结果，所以在进行测量的说明和使用测量结果时，都必须考虑测量不确定度。

测量不确定度

根据国家计量技术规范：JJF1059-2012《测量不确定度评定与表示》中定义是：“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”。

此参数可以是诸如标准偏差，或其倍数，或说明了置信水平的区间的半宽度。

测量不确定度由多个分量组成。其中一些分量可用测量列结果的统计分析估算，并用实验标准偏差表征。另一些分量则可用基于经验或其它信息的假定概率分布估算，也可用标准偏差表征。

测量结果应理解为被测量之值的最佳估计，而所有的不确定度分量均贡献给了分散性，包括那些由系统效应引起的（如与修正值和参考标准有关的）分量。

这就是说，测量不确定度是一个估计值，用它来表征被测量真值所处的量值范围。换言之，它表示测量结果附近的一个范围或区间，而被测量真值以一定的概率落于其中。所以，它是对测量结果质量优劣的一种评定：测量结果愈接近真值，其质量愈高，则测量不确定度愈小，反之，测量结果愈远离真值，其质量愈低，则测量不确定度愈大。

从计量学的观点看，一切测量结果不但要附有计量单位，而且还必须附有测量不确定度，才算是完整的测量报告，没有单位的数据不能表征被测量的大小，没有不确定度的测量结果不能判定测量技术的水平和测量结果的质量，从而失去或减弱测量结果的可比性。

测量不确定度与测量误差的关系

“测量不确定度”是合理地表征被测量分散程度的一个参数。它与误差紧密相连但却有区别：

测量误差定义为测量结果与其真值之差，这是一个理想化的概念，因它的真值常常不能确切地知道，假如知道它的修正值（或更精确的近似值），则可修正该测量结果，使其更接近真值。

测量不确定度是对影响产生误差的分散性的估计，即它是用以表示测量结果分散区间的量值，也就是描述未定误差特征的量值，是可以用估计方法求出的。“不确定度”不是指具体的、确切的误差值，虽可估计出，但却不能用于修正量值。

测量误差与测量不确定度的主要区别

序号	测量误差	测量不确定度
1	有正号或负号的量值，其值为测量结果减去被测量的真值。	无符号的参数，用标准差或标准差的倍数或置信区间的半宽表示
2	以真值为中心，说明测量结果与真值的差异程度。（表明测量结果偏离真值）	以测量结果为中心，评估测量结果与被测量【真】值相符合的程度。（表明被测量值的分散性）
3	客观存在，不以人的认识程度而改变	与人们对被测量、影响量及测量过程的认识有关
4	由于真值未知，往往不能准确得到，当用约定真值代替真值时，可以得到其估计值	可以由人们根据实验、资料、经验等信息进行评定，从面是可以定量确定。评定方法有A,B两类
5	按性质可分为随机误差和系统误差两类，按定义随机误差和系统误差都是无穷多次测量情况下的理想概念	不确定度分量评定时一般不必区分其性质，若需要区分时应表述为：“由随机效应引入的不确定度分量”和“由系统效应引入的不确定度分量”
6	已知系统误差的估计值时可以对测量结果进行修正，得到已修正的测量结果	不能用不确定度对测量结果进行修正，在已修正测量结果的不确定度中应考虑修正不完善而引入的不确定度

不确定度相关联词的定义

标准不确定度：

用标准偏差表示的测量结果的不确定度，称为标准不确定度。

按照估计方法的不同，它可分为两类：用统计方法计算者，称为A类标准不确定度，或称为标准不确定度的A类估算法；不同于A类的其它方法计算者，称为B类标准不确定度，或称为标准不确定度的B类估算法。

将标准不确定度区分为A类和B类的目的，只说明计算方法的不同，以便于研究，并非表明两种方法得到的分量在本质上存在差异，两种方法均基于概率分布。

合成标准不确定度：

根据其它一些量值的测量结果的标准不确定度求出被测结果的标准不确定度，它等于各项分量标准不确定度的平方和的正平方根，即通常所说的方和根。

扩展不确定度，又称总不确定度：

是指定义测量结果区间的有关量，即被测量的值以某一可能性（即置信水平）落入该区间中。扩展不确定度一般是该区间的半宽，我们过去常说误差界限与此类似。

覆盖因子：

为获得控制不确定度，作为合成标准不确定度乘数的数字因子。亦可以说，它是扩展不确定度与合成标准不确定度的比值，过去用3σ表示极限误差，其中的“3”有些类似于覆盖因子。

测量不确定度的分类

1、按测量不确定度的表示方法分为：

标准不确定度；
合成标准不确定度；
扩展不确定度。

2、用统计方法评定的不确定度分量和用其它方法评定的不确定度分量，将不确定度分为：

A类不确定度；B类不确定度。

A类、B类不确定度计算方法都基于概率分布，用统计方法或用其它方法得到的不确定度分量都可用标准偏差或方差定量表示。

在实际应用中，不应将不确定分量分为“随机不确定度”和“系统不确定度”。不确定度的这种分类是含糊的，应尽量避免。在一次测量中不确定度的“随机分量”或“随机不确定度”在第一次测量结果中作为输入数据使用，而在另一次测量中可能成为不确定度的“系统”分量，得出“系统不确定度”。所以，一般只要求对不确定度的评定方法进行分类，而不是对不确定度本身进行划分，两类不确定度合成后乘以包含因子，得到扩展不确定度，也就是总的不确定度。

为了确保测量不确定度在允许的范围内，并与被测参数所要求的测量能力相一致，通过测量设备的测量不确定度的分析、评定，实施测量不确定度的有效控制，达到指导进行测量设备配备，实施检测能力的目的。

哪些方面需进行不确定度分析

1、公司计量标准的建立，复查审核，必须对标准的测量不确定度进行分析、评定，并写出建标或标准复查的技术报告。

2、新产品投产前，必须编制计量器具配备计划，对产品的关键参数的工艺、质量检测进行不确定度分析。

3、客户要求对所出具的检测数据给出不确定度分析时，需进行不确定度分析。

4、如果检测数据不作评定产品或服务质量的最终凭据，或测量精度要求不高，可根据实际需要进行不确定度分析。分析时，可参照《测量设备选用指南》提供的方法进行粗略分析。

5、能源、经营、安全环保和工业卫生有关参数的检测中测量设备计划编制工作时，一般不进行分析。如果所配的测量设备明显偏离有关技术标准的要求，或者要求进行不确定度分析时，应进行不确定度的分析。

6、当采用低值易耗，一次性检定的测量设备进行检测时，除非特殊要求可不进行不确定度分析。

影响测量不确定度的因素

测量中产生误差的因素很多，也就是说，影响测量不确定度的因素很多，这些因素有：