對測量不確定度概念的理解
2018-07-31
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對測量不確定度概念(nian)的理解
測(ce)(ce)(ce)(ce)量不確定度的(de)概(gai)念引入我國相對(dui)時間較(jiao)短,在(zai)許多(duo)發達(da)(da)國家和(he)(he)發展中國家已經普(pu)遍采(cai)(cai)用,無(wu)論哪(na)個領域進(jin)行(xing)測(ce)(ce)(ce)(ce)量,在(zai)給出完整(zheng)的(de)測(ce)(ce)(ce)(ce)量結(jie)果(guo)時普(pu)遍采(cai)(cai)用測(ce)(ce)(ce)(ce)量不確定度。在(zai)經濟(ji)全球化的(de)今天,測(ce)(ce)(ce)(ce)量不確定度評定與表達(da)(da)方法的(de)統一,乃是科(ke)技交流和(he)(he)國際貿易(yi)的(de)迫(po)切要求,它是各(ge)國進(jin)行(xing)的(de)測(ce)(ce)(ce)(ce)量及(ji)其所得到的(de)結(jie)果(guo)可以進(jin)行(xing)互(hu)相比較(jiao),取得相互(hu)承認或共識的(de)基(ji)礎上。因此,統一測(ce)(ce)(ce)(ce)量不確定度的(de)評定和(he)(he)表達(da)(da)方法具有廣泛(fan)性和(he)(he)實用性。
目(mu)前,工程檢(jian)測(ce)(ce)(ce)實驗室(shi)(shi)對測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)不(bu)確(que)(que)(que)定(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)度(du)(du)的(de)(de)應用(yong)處于起步階段,多數檢(jian)測(ce)(ce)(ce)人(ren)員(yuan)認(ren)為(wei)測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)不(bu)確(que)(que)(que)定(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)度(du)(du)評(ping)(ping)定(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)是對校準(zhun)實驗室(shi)(shi)而言的(de)(de),對測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)不(bu)確(que)(que)(que)定(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)度(du)(du)的(de)(de)概念(nian)模糊(hu),對評(ping)(ping)定(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)方法不(bu)甚了(le)解。為(wei)了(le)強化(hua)理(li)解,本文以(yi)測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)誤(wu)差與測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)不(bu)確(que)(que)(que)定(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)度(du)(du)的(de)(de)定(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)義(yi)解析,了(le)解兩者的(de)(de)區(qu)別,首先在(zai)概念(nian)上理(li)解測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)不(bu)確(que)(que)(que)定(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)度(du)(du);通過介紹(shao)測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)不(bu)確(que)(que)(que)定(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)度(du)(du)A類和B類評(ping)(ping)定(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)方法的(de)(de)異同點,使(shi)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)人(ren)員(yuan)初步認(ren)知測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)不(bu)確(que)(que)(que)定(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)度(du)(du)的(de)(de)評(ping)(ping)定(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)方法,為(wei)今后開展(zhan)測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)不(bu)確(que)(que)(que)定(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)度(du)(du)的(de)(de)評(ping)(ping)定(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)(ding)工作打下基礎。
測量誤差與測量不確定度區(qu)別
測量誤差與測量不確定度從定義、評定方(fang)法、成方(fang)法、表達形式及分(fen)量的分(fen)類等方(fang)面均有區別。
1.測量誤差
測量(liang)誤(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)是(shi)(shi)“測量(liang)結(jie)(jie)果減去被測量(liang)的(de)真(zhen)(zhen)值”(JJF1001-1998),簡(jian)稱誤(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)。一個(ge)(ge)量(liang)的(de)真(zhen)(zhen)值,是(shi)(shi)在被觀測時本身所(suo)(suo)具(ju)有的(de)真(zhen)(zhen)實大小,只有完整的(de)測量(liang)才能(neng)得(de)(de)到真(zhen)(zhen)值,而實際上任何測量(liang)都有缺陷(xian),因此,真(zhen)(zhen)值是(shi)(shi)一個(ge)(ge)理想化的(de)概念(nian)。由于真(zhen)(zhen)值無法確(que)切(qie)地知道(dao),所(suo)(suo)以誤(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)也(ye)無法準確(que)知道(dao)。由定義(yi)可(ke)知誤(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)是(shi)(shi)兩個(ge)(ge)量(liang)值之差(cha)(cha),即誤(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)表(biao)示(shi)的(de)是(shi)(shi)一個(ge)(ge)差(cha)(cha)值,而不是(shi)(shi)區間。誤(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)是(shi)(shi)一個(ge)(ge)具(ju)有確(que)定符號的(de)量(liang)值,或正或負。過(guo)去通過(guo)誤(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)分析所(suo)(suo)得(de)(de)到的(de)測量(liang)結(jie)(jie)果的(de)“誤(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)”,實際上是(shi)(shi)被測量(liang)不能(neng)確(que)定的(de)范圍(wei),并非誤(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)。
2.測量不確定(ding)度
測量不(bu)確定度(du)從詞意(yi)上(shang)(shang)理(li)解,意(yi)味著對測量結果有效性的(de)可疑程(cheng)度(du)或(huo)不(bu)肯定程(cheng)度(du)。從傳(chuan)統意(yi)義上(shang)(shang)理(li)解,它是(shi)被測量真(zhen)值(zhi)所處范(fan)圍的(de)估計值(zhi),但是(shi)真(zhen)值(zhi)是(shi)不(bu)存在的(de),是(shi)難(nan)以(yi)達到的(de)理(li)想值(zhi)。
JJF1059.1-2012《測(ce)(ce)量不確(que)定度評定與(yu)表(biao)(biao)示》對測(ce)(ce)量不確(que)定度的(de)(de)定義(yi):根據所用到的(de)(de)信息,表(biao)(biao)征(zheng)賦予被測(ce)(ce)量值(zhi)分散性(xing)的(de)(de)非(fei)負(fu)數。而(er)在JJF1059-1999中(zhong)的(de)(de)定義(yi)是:表(biao)(biao)征(zheng)合理地賦予被測(ce)(ce)量之(zhi)值(zhi)的(de)(de)分散性(xing),與(yu)測(ce)(ce)量結(jie)果相聯系的(de)(de)參數。不論采(cai)用何種(zhong)定義(yi),其評定方(fang)法均相同(tong),表(biao)(biao)達形(xing)式也(ye)一樣。
規范中的(de)定(ding)義(yi)有(you)些抽(chou)象,我(wo)們(men)(men)姑且(qie)給出(chu)更通俗解釋,不確定(ding)度(du)(du)(du)一詞指可疑(yi)(yi)程度(du)(du)(du),廣義(yi)而言,測量結果不確定(ding)度(du)(du)(du)反映了人們(men)(men)對測量結果不能肯定(ding)的(de)程度(du)(du)(du),或是對測量結果正確性的(de)可疑(yi)(yi)程度(du)(du)(du),也是人們(men)(men)對真值所處范圍或測量誤差可能的(de)范圍的(de)一種估計。
測(ce)量不(bu)確(que)定度(du)是表(biao)示測(ce)量值分散(san)性(xing)的(de),它僅表(biao)示分散(san)性(xing)而(er)不(bu)表(biao)示系(xi)統性(xing)偏差。因此,如(ru)發(fa)現測(ce)量值中有(you)顯著的(de)系(xi)統性(xing)偏差,要(yao)加以修正。未(wei)知(zhi)的(de)系(xi)統性(xing)偏差可作為分散(san)性(xing)處(chu)理。
在(zai)測(ce)(ce)量不(bu)確(que)定(ding)(ding)度(du)定(ding)(ding)義中“賦予(yu)”這(zhe)個詞很關鍵(jian):由于(yu)測(ce)(ce)量不(bu)確(que)定(ding)(ding)度(du)是(shi)表示測(ce)(ce)量分散性的(de)參數,是(shi)一個“模(mo)糊”的(de)范(fan)圍,它的(de)邊界需要(yao)(yao)人(ren)“賦予(yu)”;因此,這(zhe)種“賦予(yu)”不(bu)可避免(mian)地要(yao)(yao)取決于(yu)評定(ding)(ding)者的(de)主觀(guan)意識(資源(yuan)、信(xin)息、能力、經驗)以及客(ke)觀(guan)需求(精(jing)密度(du)要(yao)(yao)求、置信(xin)度(du)要(yao)(yao)求、風險性要(yao)(yao)求)。這(zhe)種“賦予(yu)”應是(shi)合理(li)的(de),要(yao)(yao)求符合統計規(gui)律,符合實際情(qing)況,符合JJF1059.1-2012的(de)規(gui)定(ding)(ding)。
測量不確(que)定度評定的(de)原則(ze)和前(qian)提條件
測量不(bu)(bu)(bu)確(que)(que)定(ding)度評定(ding)應掌握對測量不(bu)(bu)(bu)確(que)(que)定(ding)度來(lai)源(yuan)“既不(bu)(bu)(bu)遺漏,也不(bu)(bu)(bu)重(zhong)復”的(de)原則(ze),但對較小的(de)分(fen)(fen)量來(lai)說,有些重(zhong)復或遺漏是(shi)可(ke)以容忍的(de);在不(bu)(bu)(bu)確(que)(que)定(ding)度分(fen)(fen)量中(zhong)(zhong)如果(guo)發(fa)現有顯著的(de)系統性的(de)偏(pian)(pian)差(cha)(cha),則(ze)應將(jiang)測量值(zhi)修正(zheng)后再評定(ding)。該系統性偏(pian)(pian)差(cha)(cha)是(shi)否(fou)顯著可(ke)以用t檢驗(yan)來(lai)判別;在不(bu)(bu)(bu)確(que)(que)定(ding)度分(fen)(fen)量中(zhong)(zhong)如果(guo)發(fa)現有粗大(da)誤差(cha)(cha)或明顯異常值(zhi)、離群(qun)(qun)值(zhi),則(ze)應將(jiang)其(qi)剔(ti)除(chu)后再參與評定(ding)。剔(ti)除(chu)的(de)方法(fa)可(ke)按(an)GB4883-2008《數據的(de)統計處(chu)理和解釋正(zheng)態樣本(ben)離群(qun)(qun)值(zhi)的(de)判斷和處(chu)理》進行。
測量不確定度(du)的分類
按有無量綱分(fen)類,可分(fen)為絕對(dui)(dui)測(ce)(ce)量不(bu)確(que)(que)定(ding)(ding)度(du)和相(xiang)對(dui)(dui)測(ce)(ce)量不(bu)確(que)(que)定(ding)(ding)度(du)。絕對(dui)(dui)不(bu)確(que)(que)定(ding)(ding)度(du)即(ji)不(bu)確(que)(que)定(ding)(ding)度(du)的量綱與被測(ce)(ce)量量綱相(xiang)同;相(xiang)對(dui)(dui)不(bu)確(que)(que)定(ding)(ding)度(du)指不(bu)確(que)(que)定(ding)(ding)度(du)除以測(ce)(ce)量值的期(qi)望(平均(jun)值),無量綱,常(chang)以百分(fen)數表示。
1.按(an)賦予(yu)不確定度大小(xiao)的程度來分類
1)標準(zhun)不(bu)確定(ding)度(du):以標準(zhun)偏差來(lai)表示的不(bu)確定(ding)度(du)
2)擴展不確定(ding)(ding)度:以(yi)標(biao)準偏差倍數來(lai)表示的不確定(ding)(ding)度
2.從計量(liang)工作的(de)角度(du)分類(lei)
可分為校準的不(bu)確定(ding)度(du)和檢(jian)測的不(bu)確定(ding)度(du):
1)校(xiao)準(zhun)的不(bu)確(que)定度用計(ji)量(liang)標準(zhun)器校(xiao)準(zhun)工(gong)作(zuo)計(ji)量(liang)器具引入的不(bu)確(que)定度,也就是工(gong)作(zuo)計(ji)量(liang)器具示值誤差的不(bu)確(que)定度。該不(bu)確(que)定度由(you)實(shi)施校(xiao)準(zhun)的機構給出。
2)檢測的(de)不(bu)(bu)確定度用工作(zuo)計量器具(儀器、儀表、裝置(zhi)、量具)確定被測量量值的(de)不(bu)(bu)確定度。
3.按評定方法來分類(lei)(lei)A類(lei)(lei)評定
用(yong)統計分析的(de)(de)方法(fa)對(dui)觀(guan)測(ce)列進行(xing)不(bu)確定(ding)(ding)度評(ping)(ping)定(ding)(ding)叫A類評(ping)(ping)定(ding)(ding)。只要(yao)有(you)(you)條(tiao)件(人力(li)(li)、時(shi)(shi)間、設備、材(cai)料(liao)、方法(fa)和資(zi)金(jin))都可以(yi)對(dui)被測(ce)量(liang)(liang)(liang)采用(yong)A類評(ping)(ping)定(ding)(ding),但對(dui)樣品破壞性(xing)試(shi)驗是(shi)例外。由于A類評(ping)(ping)定(ding)(ding)是(shi)在(zai)(zai)重(zhong)復(fu)性(xing)或(huo)復(fu)現性(xing)試(shi)驗的(de)(de)基礎(chu)上進行(xing)的(de)(de),所以(yi)比較真(zhen)實(shi)、客觀(guan)、有(you)(you)說服力(li)(li)。但是(shi),在(zai)(zai)做(zuo)(zuo)重(zhong)復(fu)性(xing)或(huo)復(fu)現性(xing)試(shi)驗時(shi)(shi),要(yao)充(chong)分考慮(lv)各個影響(xiang)量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)作用(yong),按照預先的(de)(de)設計方案,讓這些影響(xiang)量(liang)(liang)(liang)發(fa)(fa)揮作用(yong)(對(dui)不(bu)確定(ding)(ding)度產生貢獻)或(huo)者有(you)(you)意識地(di)避免(mian)某個影響(xiang)量(liang)(liang)(liang)發(fa)(fa)揮作用(yong)。在(zai)(zai)A類評(ping)(ping)定(ding)(ding)時(shi)(shi),做(zuo)(zuo)重(zhong)復(fu)性(xing)或(huo)復(fu)現性(xing)試(shi)驗是(shi)有(you)(you)條(tiao)件、有(you)(you)目(mu)的(de)(de)的(de)(de),不(bu)能隨(sui)心(xin)所欲或(huo)盲(mang)目(mu)地(di)做(zuo)(zuo),否則容易發(fa)(fa)生重(zhong)復(fu)評(ping)(ping)定(ding)(ding)或(huo)遺漏(lou)某些影響(xiang)量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)情況。這里需要(yao)強(qiang)調,在(zai)(zai)作A類評(ping)(ping)定(ding)(ding)的(de)(de)重(zhong)復(fu)性(xing)試(shi)驗時(shi)(shi),必須是(shi)在(zai)(zai)短時(shi)(shi)間內做(zuo)(zuo)的(de)(de)連(lian)續的(de)(de)獨立的(de)(de)測(ce)量(liang)(liang)(liang)。
B類評(ping)定
用不同于對觀測列進(jin)行(xing)統計(ji)(ji)分(fen)(fen)(fen)(fen)析的(de)(de)方法的(de)(de)評(ping)(ping)(ping)定(ding)(ding)(ding)叫做B類(lei)評(ping)(ping)(ping)定(ding)(ding)(ding)。通常只(zhi)要(yao)可(ke)能在確(que)保進(jin)行(xing)A類(lei)評(ping)(ping)(ping)定(ding)(ding)(ding)的(de)(de)同時進(jin)行(xing)B類(lei)評(ping)(ping)(ping)定(ding)(ding)(ding)。B類(lei)評(ping)(ping)(ping)定(ding)(ding)(ding)有時取(qu)決于人的(de)(de)經驗(yan),是(shi)(shi)一種比較近似的(de)(de)估(gu)計(ji)(ji)。B類(lei)評(ping)(ping)(ping)定(ding)(ding)(ding)一般是(shi)(shi)先確(que)定(ding)(ding)(ding)影(ying)響量引起被觀測值(zhi)變(bian)化的(de)(de)范圍(半寬(kuan)),同時估(gu)計(ji)(ji)這一變(bian)化可(ke)能的(de)(de)分(fen)(fen)(fen)(fen)布(bu),再(zai)推(tui)算(suan)出不確(que)定(ding)(ding)(ding)度分(fen)(fen)(fen)(fen)量。其實(shi)“分(fen)(fen)(fen)(fen)布(bu)”就是(shi)(shi)一種數理統計(ji)(ji)特征(zheng)。所以,B類(lei)評(ping)(ping)(ping)定(ding)(ding)(ding)本(ben)質上還(huan)是(shi)(shi)離不開統計(ji)(ji)分(fen)(fen)(fen)(fen)析的(de)(de)方法,只(zhi)不過(guo)這種統計(ji)(ji)分(fen)(fen)(fen)(fen)析,不是(shi)(shi)通過(guo)評(ping)(ping)(ping)定(ding)(ding)(ding)者(zhe)重復(fu)試驗(yan)得出的(de)(de),而是(shi)(shi)基于他人的(de)(de)統計(ji)(ji)分(fen)(fen)(fen)(fen)析結果,或(huo)者(zhe)理論上推(tui)算(suan)出來的(de)(de)。
A類(lei)評定和B類(lei)評定的關系
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。《《關于實驗室認可的問答
2)無論是(shi)A類(lei)(lei)(lei)評(ping)(ping)定(ding)還是(shi)B類(lei)(lei)(lei)評(ping)(ping)定(ding),都要(yao)(yao)注意既不遺漏(分(fen)(fen)量(liang)(liang)(liang)(liang))、也(ye)不重復。實際工作(zuo)中常出現的情況(kuang)是(shi):同一個影(ying)響(xiang)(xiang)量(liang)(liang)(liang)(liang)在(zai)A類(lei)(lei)(lei)評(ping)(ping)定(ding)時(shi)已經(jing)起(qi)作(zuo)用了(le),而評(ping)(ping)定(ding)人員并不清楚,又在(zai)B類(lei)(lei)(lei)評(ping)(ping)定(ding)時(shi)考慮了(le)它的貢(gong)獻。例如,讀(du)數(shu)誤差(cha)(cha)和量(liang)(liang)(liang)(liang)化誤差(cha)(cha)的影(ying)響(xiang)(xiang),除非實驗室(shi)在(zai)安排試驗時(shi),刻意避免產生(sheng)或盡量(liang)(liang)(liang)(liang)縮小讀(du)數(shu)誤差(cha)(cha)(如加讀(du)數(shu)放大鏡)及量(liang)(liang)(liang)(liang)化誤差(cha)(cha)(微量(liang)(liang)(liang)(liang)遞增輸(shu)入(ru)(ru)量(liang)(liang)(liang)(liang)),否(fou)則在(zai)試驗時(shi),它們肯定(ding)要(yao)(yao)參與(yu)對(dui)不確(que)定(ding)度的貢(gong)獻。但(dan)是(shi),有(you)些實驗室(shi)不管A類(lei)(lei)(lei)評(ping)(ping)定(ding)重復試驗時(shi)的情況(kuang)如何(he),在(zai)B類(lei)(lei)(lei)評(ping)(ping)定(ding)中又加入(ru)(ru)了(le)讀(du)數(shu)誤差(cha)(cha)、量(liang)(liang)(liang)(liang)化誤差(cha)(cha)的影(ying)響(xiang)(xiang)分(fen)(fen)量(liang)(liang)(liang)(liang)。這是(shi)典型的重復評(ping)(ping)定(ding)的例子(zi)。反之,有(you)些儀器分(fen)(fen)辨(bian)率太差(cha)(cha),重復測量(liang)(liang)(liang)(liang)結果(guo)幾乎(hu)沒有(you)差(cha)(cha)別,A類(lei)(lei)(lei)評(ping)(ping)定(ding)分(fen)(fen)量(liang)(liang)(liang)(liang)幾乎(hu)為(wei)零,這時(shi)則必(bi)須(xu)考慮由分(fen)(fen)辨(bian)率引入(ru)(ru)的B類(lei)(lei)(lei)評(ping)(ping)定(ding)分(fen)(fen)量(liang)(liang)(liang)(liang)。
