測量不確定度與誤差關係（對測量不確定度概念的理解）

2023-05-15 22:35:07

測量不確定度的概念引入我國相對時間較短,在許多發達國家和發展中國家已經普遍採用,無論哪個領域進行測量,在給出完整的測量結果時普遍採用測量不確定度。在經濟全球化的今天,測量不確定度評定與表達方法的統一,乃是科技交流和國際貿易的迫切要求,它是各國進行的測量及其所得到的結果可以進行互相比較,取得相互承認或共識的基礎上。因此,統一測量不確定度的評定和表達方法具有廣泛性和實用性。

目前,工程檢測實驗室對測量不確定度的應用處於起步階段,多數檢測人員認為測量不確定度評定是對校準實驗室而言的,對測量不確定度的概念模糊,對評定方法不甚了解。為了強化理解,本文以測量誤差與測量不確定度的定義解析,了解兩者的區別,首先在概念上理解測量不確定度;通過介紹測量不確定度A類和B類評定方法的異同點,使檢測人員初步認知測量不確定度的評定方法,為今後開展測量不確定度的評定工作打下基礎。

測量誤差與測量不確定度區別

測量誤差與測量不確定度從定義、評定方法、成方法、表達形式及分量的分類等方面均有區別。

1.測量誤差

測量誤差是「測量結果減去被測量的真值」(JJF1001-1998),簡稱誤差。一個量的真值,是在被觀測時本身所具有的真實大小,只有完整的測量才能得到真值,而實際上任何測量都有缺陷,因此,真值是一個理想化的概念。由於真值無法確切地知道,所以誤差也無法準確知道。由定義可知誤差是兩個量值之差,即誤差表示的是一個差值,而不是區間。誤差是一個具有確定符號的量值,或正或負。過去通過誤差分析所得到的測量結果的「誤差」,實際上是被測量不能確定的範圍,並非誤差。

2.測量不確定度

測量不確定度從詞意上理解,意味著對測量結果有效性的可疑程度或不肯定程度。從傳統意義上理解,它是被測量真值所處範圍的估計值,但是真值是不存在的,是難以達到的理想值。

JJF1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》對測量不確定度的定義:根據所用到的信息,表徵賦予被測量值分散性的非負數。而在JJF1059-1999中的定義是:表徵合理地賦予被測量之值的分散性,與測量結果相聯繫的參數。不論採用何種定義,其評定方法均相同,表達形式也一樣。

規範中的定義有些抽象,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,測量結果不確定度反映了人們對測量結果不能肯定的程度,或是對測量結果正確性的可疑程度,也是人們對真值所處範圍或測量誤差可能的範圍的一種估計。

測量不確定度是表示測量值分散性的,它僅表示分散性而不表示系統性偏差。因此,如發現測量值中有顯著的系統性偏差,要加以修正。未知的系統性偏差可作為分散性處理。

在測量不確定度定義中「賦予」這個詞很關鍵:由於測量不確定度是表示測量分散性的參數,是一個「模糊」的範圍,它的邊界需要人「賦予」;因此,這種「賦予」不可避免地要取決於評定者的主觀意識(資源、信息、能力、經驗)以及客觀需求(精密度要求、置信度要求、風險性要求)。這種「賦予」應是合理的,要求符合統計規律,符合實際情況,符合JJF1059.1-2012的規定。

測量不確定度評定的原則和前提條件

測量不確定度評定應掌握對測量不確定度來源「既不遺漏,也不重複」的原則,但對較小的分量來說,有些重複或遺漏是可以容忍的;在不確定度分量中如果發現有顯著的系統性的偏差,則應將測量值修正後再評定。該系統性偏差是否顯著可以用t檢驗來判別;在不確定度分量中如果發現有粗大誤差或明顯異常值、離群值,則應將其剔除後再參與評定。剔除的方法可按GB4883-2008《數據的統計處理和解釋正態樣本離群值的判斷和處理》進行。

測量不確定度的分類

按有無量綱分類,可分為絕對測量不確定度和相對測量不確定度。絕對不確定度即不確定度的量綱與被測量量綱相同;相對不確定度指不確定度除以測量值的期望(平均值),無量綱,常以百分數表示。

1.按賦予不確定度大小的程度來分類

1)標準不確定度:以標準偏差來表示的不確定度

2)擴展不確定度:以標準偏差倍數來表示的不確定度

2.從計量工作的角度分類

可分為校準的不確定度和檢測的不確定度:

1)校準的不確定度用計量標準器校準工作計量器具引入的不確定度,也就是工作計量器具示值誤差的不確定度。該不確定度由實施校準的機構給出。

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

3.按評定方法來分類

A類評定

用統計分析的方法對觀測列進行不確定度評定叫A類評定。只要有條件(人力、時間、設備、材料、方法和資金)都可以對被測量採用A類評定,但對樣品破壞性試驗是例外。由於A類評定是在重複性或復現性試驗的基礎上進行的,所以比較真實、客觀、有說服力。但是,在做重複性或復現性試驗時,要充分考慮各個影響量的作用,按照預先的設計方案,讓這些影響量發揮作用(對不確定度產生貢獻)或者有意識地避免某個影響量發揮作用。在A類評定時,做重複性或復現性試驗是有條件、有目的的,不能隨心所欲或盲目地做,否則容易發生重複評定或遺漏某些影響量的情況。這裡需要強調,在作A類評定的重複性試驗時,必須是在短時間內做的連續的獨立的測量。

B類評定

用不同於對觀測列進行統計分析的方法的評定叫做B類評定。通常只要可能在確保進行A類評定的同時進行B類評定。B類評定有時取決於人的經驗,是一種比較近似的估計。B類評定一般是先確定影響量引起被觀測值變化的範圍(半寬),同時估計這一變化可能的分布,再推算出不確定度分量。其實「分布」就是一種數理統計特徵。所以,B類評定本質上還是離不開統計分析的方法,只不過這種統計分析,不是通過評定者重複試驗得出的,而是基於他人的統計分析結果,或者理論上推算出來的。

A類評定和B類評定的關係

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

2)無論是A類評定還是B類評定,都要注意既不遺漏(分量)、也不重複。實際工作中常出現的情況是:同一個影響量在A類評定時已經起作用了,而評定人員並不清楚,又在B類評定時考慮了它的貢獻。例如,讀數誤差和量化誤差的影響,除非實驗室在安排試驗時,刻意避免產生或儘量縮小讀數誤差(如加讀數放大鏡)及量化誤差(微量遞增輸入量),否則在試驗時,它們肯定要參與對不確定度的貢獻。但是,有些實驗室不管A類評定重複試驗時的情況如何,在B類評定中又加入了讀數誤差、量化誤差的影響分量。這是典型的重複評定的例子。反之,有些儀器解析度太差,重複測量結果幾乎沒有差別,A類評定分量幾乎為零,這時則必須考慮由解析度引入的B類評定分量。