测 量 不 确 定 度 丨 科普篇①

发表时间:2021-11-17      点击次数:468

测 量 不 确 定 度 


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        测量不确定度是与测量结果关联的一个参数,用于表征合理赋予被测量的值的分散性。它可以用于“不确定度"方式,也可以是一个标准偏差(或其给定的倍数)或给定置信度区间的半宽度。该参量常由很多分量组成,它的表达(GUM)中定义了获得不确定度的不同方法。


定    义

测量不确定度是“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"。


这个定义中的“合理",意指应考虑到各种因素对测量的影响所做的修正,特别是测量应处于统计控制的状态下,即处于随机控制过程中。也就是说,测量是在重复性条件(见JJF1001-2011《通用计量术语及定义》第5.14条,本文×.×条均指该规范的条款号)或复现性条件(见5.15条)下进行的,此时对同一被测量做多次测量,所得测量结果的分散性可按5.17条的贝塞尔公式算出,并用重复性标准〔偏〕差sr或复现性标准〔偏〕差sR表示。


定义中的“相联系",意指测量不确定度是一个与测量结果“在一起"的参数,在测量结果的完整表示中应包括测量不确定度。


通常测量结果的好坏用测量误差来衡量,但是测量误差只能表现测量的短期质量。测量过程是否持续受控,测量结果是否能保持稳定一致,测量能力是否符合生产盈利的要求,就需要用测量不确定度来衡量。测量不确定度越大,表示测量能力越差;反之,表示测量能力越强。不过,不管测量不确定度多小,测量不确定度范围必须包括真值(一般用约定真值代替),否则表示测量过程已经失效。


原    理

测量不确定度从词义上理解,意味着对测量结果可信性、有效性的怀疑程度或不肯定程度,是定量说明测量结果的质量的一个参数。实际上由于测量不完善和人们的认识不足,所得的被测量值具有分散性,即每次测得的结果不是同一值,而是以一定的概率分散在某个区域内的许多个值。虽然客观存在的系统误差是一个不变值,但由于我们不能完全认知或掌握,只能认为它是以某种概率分布存在于某个区域内,而这种概率分布本身也具有分散性。测量不确定度就是说明被测量之值分散性的参数,它不说明测量结果是否接近真值。


为了表征这种分散性,测量不确定度用标准〔偏〕差表示。在实际使用中,往往希望知道测量结果的置信区间,因此,在本定义注1中规定:测量不确定度也可用标准〔偏〕差的倍数或说明了置信水准的区间的半宽度表示。为了区分这两种不同的表示方法,分别称它们为标准不确定度和扩展不确定度。 [1]


来    源

在实践中,测量不确定度可能来源于以下10个方面:

⑴对被测量的定义不完整或不完善;

⑵实现被测量的定义的方法不理想;

⑶取样的代表性不够,即被测量的样本不能代表所定义的被测量;

⑷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;

⑸对模拟仪器的读数存在人为偏移;

⑹测量仪器的计量性能的局限性。测量仪器的不准或测量仪器的分辨力、鉴别力不够;

⑺赋与计量标准的值和参考物质(标准物质)的值不准;

⑻引用于数据计算的常量和其它参量不准;

⑼测量方法和测量程序的近似性和假定性;

⑽在表面上看来完全相同的条件下,被测量重复观测值的变化。


由此可见,测量不确定度一般来源于随机性和模糊性,前者归因于条件不充分,后者归因于事物本身概念不明确。这就使得测量不确定度一般由许多分量组成,其中一些分量可以用测量列结果(观测值)的统计分布来进行估算,并且以实验标准〔偏〕差(见5.17条)表征;而另一些分量可以用其它方法(根据经验或其它信息的假定概率分布)来进行估算,并且也以标准〔偏〕差表征。所有这些分量,应理解为都贡献给了分散性。若需要表示某分量是由某原因导致时,可以用随机效应导致的不确定度和系统效应导致的不确定度,而不要用“随机不确定度"和“系统不确定度"这两个业已过时或淘汰的术语。例如:由修正值和计量标准带来的不确定度分量,可以称之为系统效应导致的不确定度。



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