对测量不确定度概念的理解

 

测量不确定度的概念引入我国相对时间较短,在许多发达国家和发展中国家已经普遍采用,无论哪个领域进行测量,在给出完整的测量结果时普遍采用测量不确定度。在经济全球化的今天,测量不确定度评定与表达方法的统一,乃是科技交流和国际贸易的迫切要求,它是各国进行的测量及其所得到的结果可以进行互相比较,取得相互承认或共识的基础上。因此,统一测量不确定度的评定和表达方法具有广泛性和实用性。

目前,工程检测实验室对测量不确定度的应用处于起步阶段,多数检测人员认为测量不确定度评定是对校准实验室而言的,对测量不确定度的概念模糊,对评定方法不甚了解。为了强化理解,本文以测量误差与测量不确定度的定义解析,了解两者的区别,首先在概念上理解测量不确定度;通过介绍测量不确定度A类和B类评定方法的异同点,使检测人员初步认知测量不确定度的评定方法,为今后开展测量不确定度的评定工作打下基础。　

测量误差与测量不确定度从定义、评定方法、成方法、表达形式及分量的分类等方面均有区别。

测量误差是“测量结果减去被测量的真值”(JJF1001-1998),简称误差。一个量的真值,是在被观测时本身所具有的真实大小,只有完整的测量才能得到真值,而实际上任何测量都有缺陷,因此,真值是一个理想化的概念。由于真值无法确切地知道,所以误差也无法准确知道。由定义可知误差是两个量值之差,即误差表示的是一个差值,而不是区间。误差是一个具有确定符号的量值,或正或负。过去通过误差分析所得到的测量结果的“误差”,实际上是被测量不能确定的范围,并非误差。

测量不确定度从词意上理解,意味着对测量结果有效性的可疑程度或不肯定程度。从传统意义上理解,它是被测量真值所处范围的估计值,但是真值是不存在的,是难以达到的理想值。

JJF1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》对测量不确定度的定义:根据所用到的信息,表征赋予被测量值分散性的非负数。而在JJF1059-1999中的定义是: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。不论采用何种定义,其评定方法均相同,表达形式也一样。

规范中的定义有些抽象,我们姑且给出更通俗解释,不确定度一词指可疑程度,广义而言,测量结果不确定度反映了人们对测量结果不能肯定的程度,或是对测量结果正确性的可疑程度,也是人们对真值所处范围或测量误差可能的范围的一种估计。

测量不确定度是表示测量值分散性的,它仅表示分散性而不表示系统性偏差。因此,如发现测量值中有显著的系统性偏差,要加以修正。未知的系统性偏差可作为分散性处理。

在测量不确定度定义中“赋予”这个词很关键:由于测量不确定度是表示测量分散性的参数,是一个“模糊”的范围,它的边界需要人“赋予”;因此,这种“赋予”不可避免地要取决于评定者的主观意识(资源、信息、能力、经验)以及客观需求(精密度要求、置信度要求、风险性要求)。这种“赋予”应是合理的,要求符合统计规律,符合实际情况,符合JJF1059.1-2012的规定。

测量不确定度评定应掌握对测量不确定度来源“既不遗漏,也不重复”的原则,但对较小的分量来说,有些重复或遗漏是可以容忍的;在不确定度分量中如果发现有显著的系统性的偏差,则应将测量值修正后再评定。该系统性偏差是否显著可以用t检验来判别;在不确定度分量中如果发现有粗大误差或明显异常值、离群值,则应将其剔除后再参与评定。剔除的方法可按GB4883-2008《数据的统计处理和解释正态样本离群值的判断和处理》进行。

按有无量纲分类,可分为绝对测量不确定度和相对测量不确定度。绝对不确定度即不确定度的量纲与被测量量纲相同;相对不确定度指不确定度除以测量值的期望(平均值),无量纲,常以百分数表示。

1)标准不确定度:以标准偏差来表示的不确定度

2)扩展不确定度:以标准偏差倍数来表示的不确定度

可分为校准的不确定度和检测的不确定度:

1)校准的不确定度用计量标准器校准工作计量器具引入的不确定度,也就是工作计量器具示值误差的不确定度。该不确定度由实施校准的机构给出。

2)检测的不确定度用工作计量器具(仪器、仪表、装置、量具)确定被测量量值的不确定度。

用统计分析的方法对观测列进行不确定度评定叫A类评定。只要有条件(人力、时间、设备、材料、方法和资金)都可以对被测量采用A类评定,但对样品破坏性试验是例外。由于A类评定是在重复性或复现性试验的基础上进行的,所以比较真实、客观、有说服力。但是,在做重复性或复现性试验时,要充分考虑各个影响量的作用,按照预先的设计方案,让这些影响量发挥作用(对不确定度产生贡献)或者有意识地避免某个影响量发挥作用。在A类评定时,做重复性或复现性试验是有条件、有目的的,不能随心所欲或盲目地做,否则容易发生重复评定或遗漏某些影响量的情况。这里需要强调,在作A类评定的重复性试验时,必须是在短时间内做的连续的独立的测量。

用不同于对观测列进行统计分析的方法的评定叫做B类评定。通常只要可能在确保进行A类评定的同时进行B类评定。B类评定有时取决于人的经验,是一种比较近似的估计。B类评定一般是先确定影响量引起被观测值变化的范围(半宽),同时估计这一变化可能的分布,再推算出不确定度分量。其实“分布”就是一种数理统计特征。所以,B类评定本质上还是离不开统计分析的方法,只不过这种统计分析,不是通过评定者重复试验得出的,而是基于他人的统计分析结果,或者理论上推算出来的。

1)在评定不确定度时不一定非要有A类评定,可以只有B类评定分量。有时,有好几个分量都可以用A类评定。但是,可能至少会有一个B类评定的分量。例如在检测工作中,通过仪器校准得到的示值误差的不确定度分量是必须考虑的B类评定分量。

2)无论是A类评定还是B类评定,都要注意既不遗漏(分量)、也不重复。实际工作中常出现的情况是:同一个影响量在A类评定时已经起作用了,而评定人员并不清楚,又在B类评定时考虑了它的贡献。例如,读数误差和量化误差的影响,除非实验室在安排试验时,刻意避免产生或尽量缩小读数误差(如加读数放大镜)及量化误差(微量递增输入量),否则在试验时,它们肯定要参与对不确定度的贡献。但是,有些实验室不管A类评定重复试验时的情况如何,在B类评定中又加入了读数误差、量化误差的影响分量。这是典型的重复评定的例子。反之,有些仪器分辨率太差,重复测量结果几乎没有差别,A类评定分量几乎为零,这时则必须考虑由分辨率引入的B类评定分量。