對測量不確定度概念的理解
2018-07-31
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對測(ce)量(liang)不確定度(du)概念的理解
測量(liang)(liang)(liang)不確(que)定(ding)(ding)度的(de)(de)概念引入我國相(xiang)(xiang)對時間較短,在(zai)許多發(fa)達(da)國家(jia)和(he)發(fa)展(zhan)中國家(jia)已(yi)經(jing)(jing)普遍采(cai)(cai)用(yong)(yong),無論哪(na)個領域(yu)進行測量(liang)(liang)(liang),在(zai)給出完整的(de)(de)測量(liang)(liang)(liang)結果時普遍采(cai)(cai)用(yong)(yong)測量(liang)(liang)(liang)不確(que)定(ding)(ding)度。在(zai)經(jing)(jing)濟全球化的(de)(de)今天(tian),測量(liang)(liang)(liang)不確(que)定(ding)(ding)度評(ping)定(ding)(ding)與表達(da)方(fang)法的(de)(de)統一,乃是科(ke)技交流和(he)國際貿易的(de)(de)迫切(qie)要求(qiu),它是各國進行的(de)(de)測量(liang)(liang)(liang)及(ji)其所得(de)(de)到的(de)(de)結果可以(yi)進行互相(xiang)(xiang)比較,取得(de)(de)相(xiang)(xiang)互承認(ren)或共識的(de)(de)基(ji)礎上。因此,統一測量(liang)(liang)(liang)不確(que)定(ding)(ding)度的(de)(de)評(ping)定(ding)(ding)和(he)表達(da)方(fang)法具(ju)有廣泛(fan)性和(he)實用(yong)(yong)性。
目前,工程(cheng)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)實(shi)(shi)驗室(shi)(shi)對測(ce)(ce)量(liang)不(bu)(bu)(bu)(bu)確(que)(que)(que)定(ding)度(du)的(de)應用處于起步階段,多數檢(jian)(jian)測(ce)(ce)人(ren)員(yuan)認(ren)為(wei)測(ce)(ce)量(liang)不(bu)(bu)(bu)(bu)確(que)(que)(que)定(ding)度(du)評(ping)(ping)(ping)定(ding)是對校準實(shi)(shi)驗室(shi)(shi)而言的(de),對測(ce)(ce)量(liang)不(bu)(bu)(bu)(bu)確(que)(que)(que)定(ding)度(du)的(de)概念模(mo)糊(hu),對評(ping)(ping)(ping)定(ding)方法(fa)(fa)不(bu)(bu)(bu)(bu)甚了(le)解。為(wei)了(le)強化理解,本文以測(ce)(ce)量(liang)誤差與測(ce)(ce)量(liang)不(bu)(bu)(bu)(bu)確(que)(que)(que)定(ding)度(du)的(de)定(ding)義解析(xi),了(le)解兩者的(de)區別(bie),首(shou)先在(zai)概念上理解測(ce)(ce)量(liang)不(bu)(bu)(bu)(bu)確(que)(que)(que)定(ding)度(du);通過介(jie)紹(shao)測(ce)(ce)量(liang)不(bu)(bu)(bu)(bu)確(que)(que)(que)定(ding)度(du)A類(lei)和B類(lei)評(ping)(ping)(ping)定(ding)方法(fa)(fa)的(de)異(yi)同點,使檢(jian)(jian)測(ce)(ce)人(ren)員(yuan)初步認(ren)知(zhi)測(ce)(ce)量(liang)不(bu)(bu)(bu)(bu)確(que)(que)(que)定(ding)度(du)的(de)評(ping)(ping)(ping)定(ding)方法(fa)(fa),為(wei)今后(hou)開(kai)展測(ce)(ce)量(liang)不(bu)(bu)(bu)(bu)確(que)(que)(que)定(ding)度(du)的(de)評(ping)(ping)(ping)定(ding)工作打(da)下(xia)基礎。
測(ce)(ce)量誤差與測(ce)(ce)量不(bu)確(que)定度區別(bie)
測量誤(wu)差與測量不(bu)確定(ding)度從定(ding)義、評定(ding)方法、成方法、表(biao)達(da)形式及分量的(de)分類等方面均有(you)區(qu)別。
1.測量誤差(cha)
測(ce)(ce)(ce)量誤(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)是(shi)“測(ce)(ce)(ce)量結(jie)果(guo)減去被測(ce)(ce)(ce)量的(de)真(zhen)值(zhi)”(JJF1001-1998),簡稱(cheng)誤(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)。一個(ge)(ge)量的(de)真(zhen)值(zhi),是(shi)在被觀測(ce)(ce)(ce)時本身所(suo)具有的(de)真(zhen)實大小(xiao),只有完整的(de)測(ce)(ce)(ce)量才能得到(dao)真(zhen)值(zhi),而(er)(er)實際(ji)上(shang)任何(he)測(ce)(ce)(ce)量都有缺陷,因(yin)此,真(zhen)值(zhi)是(shi)一個(ge)(ge)理想化的(de)概(gai)念。由(you)于真(zhen)值(zhi)無(wu)法(fa)確(que)切地知(zhi)道(dao),所(suo)以誤(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)也無(wu)法(fa)準確(que)知(zhi)道(dao)。由(you)定義(yi)可知(zhi)誤(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)是(shi)兩(liang)個(ge)(ge)量值(zhi)之差(cha)(cha),即誤(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)表示的(de)是(shi)一個(ge)(ge)差(cha)(cha)值(zhi),而(er)(er)不是(shi)區間(jian)。誤(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)是(shi)一個(ge)(ge)具有確(que)定符號(hao)的(de)量值(zhi),或正(zheng)或負。過去通過誤(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)分(fen)析所(suo)得到(dao)的(de)測(ce)(ce)(ce)量結(jie)果(guo)的(de)“誤(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)”,實際(ji)上(shang)是(shi)被測(ce)(ce)(ce)量不能確(que)定的(de)范圍,并非誤(wu)(wu)(wu)差(cha)(cha)。
2.測量(liang)不(bu)確定度(du)
測量(liang)不(bu)(bu)確定度從詞意上理(li)解,意味著(zhu)對(dui)測量(liang)結(jie)果有效性的(de)可(ke)疑程度或不(bu)(bu)肯定程度。從傳(chuan)統意義上理(li)解,它(ta)是被測量(liang)真值(zhi)(zhi)所處范圍的(de)估計值(zhi)(zhi),但是真值(zhi)(zhi)是不(bu)(bu)存(cun)在的(de),是難以達到(dao)的(de)理(li)想值(zhi)(zhi)。
JJF1059.1-2012《測量(liang)不確定度(du)評定與表(biao)示》對測量(liang)不確定度(du)的(de)定義(yi):根據所用到的(de)信息,表(biao)征賦(fu)予被(bei)測量(liang)值分散(san)性的(de)非負(fu)數(shu)。而在JJF1059-1999中的(de)定義(yi)是(shi):表(biao)征合理地賦(fu)予被(bei)測量(liang)之值的(de)分散(san)性,與測量(liang)結果相聯系的(de)參數(shu)。不論采用何種定義(yi),其評定方法均相同,表(biao)達形式也一樣。
規范(fan)(fan)中的(de)定義(yi)有些抽(chou)象(xiang),我們(men)姑且給(gei)出更通俗(su)解釋,不(bu)確(que)(que)定度(du)一詞指可(ke)疑(yi)程(cheng)度(du),廣義(yi)而言,測量結(jie)果(guo)不(bu)確(que)(que)定度(du)反映了人們(men)對測量結(jie)果(guo)不(bu)能(neng)肯定的(de)程(cheng)度(du),或(huo)是對測量結(jie)果(guo)正確(que)(que)性的(de)可(ke)疑(yi)程(cheng)度(du),也是人們(men)對真值所(suo)處范(fan)(fan)圍或(huo)測量誤差可(ke)能(neng)的(de)范(fan)(fan)圍的(de)一種估計。
測(ce)量(liang)(liang)不確定度是表(biao)示(shi)(shi)測(ce)量(liang)(liang)值(zhi)分散(san)性的(de)(de),它僅表(biao)示(shi)(shi)分散(san)性而不表(biao)示(shi)(shi)系統性偏差。因此,如發現測(ce)量(liang)(liang)值(zhi)中(zhong)有顯著(zhu)的(de)(de)系統性偏差,要加以(yi)修正。未知的(de)(de)系統性偏差可作為分散(san)性處理。
在測量不確定(ding)(ding)度(du)定(ding)(ding)義(yi)中(zhong)“賦予”這個詞很關鍵(jian):由于測量不確定(ding)(ding)度(du)是表示測量分散性(xing)的參數,是一個“模糊”的范(fan)圍,它的邊界需(xu)要(yao)(yao)人(ren)“賦予”;因此,這種“賦予”不可避免(mian)地要(yao)(yao)取決(jue)于評定(ding)(ding)者的主(zhu)觀意識(shi)(資源、信息(xi)、能力、經(jing)驗)以及客觀需(xu)求(qiu)(qiu)(精密度(du)要(yao)(yao)求(qiu)(qiu)、置信度(du)要(yao)(yao)求(qiu)(qiu)、風險性(xing)要(yao)(yao)求(qiu)(qiu))。這種“賦予”應是合(he)理的,要(yao)(yao)求(qiu)(qiu)符(fu)合(he)統(tong)計規律,符(fu)合(he)實際情況,符(fu)合(he)JJF1059.1-2012的規定(ding)(ding)。
測(ce)量不確定度評定的原則和前提條件
測量(liang)不(bu)(bu)確(que)定(ding)(ding)(ding)度評定(ding)(ding)(ding)應掌握(wo)對測量(liang)不(bu)(bu)確(que)定(ding)(ding)(ding)度來源(yuan)“既(ji)不(bu)(bu)遺漏,也不(bu)(bu)重(zhong)復”的(de)原則(ze),但對較小的(de)分量(liang)來說,有些重(zhong)復或(huo)遺漏是可(ke)以(yi)容忍的(de);在不(bu)(bu)確(que)定(ding)(ding)(ding)度分量(liang)中如果發現有顯(xian)著(zhu)的(de)系統性(xing)的(de)偏差(cha),則(ze)應將測量(liang)值修(xiu)正后(hou)再評定(ding)(ding)(ding)。該系統性(xing)偏差(cha)是否顯(xian)著(zhu)可(ke)以(yi)用t檢驗來判別(bie);在不(bu)(bu)確(que)定(ding)(ding)(ding)度分量(liang)中如果發現有粗(cu)大誤(wu)差(cha)或(huo)明顯(xian)異常值、離群值,則(ze)應將其(qi)剔除后(hou)再參與(yu)評定(ding)(ding)(ding)。剔除的(de)方法可(ke)按GB4883-2008《數據的(de)統計(ji)處理(li)(li)和(he)解釋正態樣本離群值的(de)判斷(duan)和(he)處理(li)(li)》進行(xing)。
測量不確定度的分類
按(an)有無量(liang)綱分(fen)類(lei),可分(fen)為絕對(dui)測(ce)量(liang)不(bu)確(que)(que)定(ding)度(du)和相(xiang)(xiang)對(dui)測(ce)量(liang)不(bu)確(que)(que)定(ding)度(du)。絕對(dui)不(bu)確(que)(que)定(ding)度(du)即不(bu)確(que)(que)定(ding)度(du)的量(liang)綱與被測(ce)量(liang)量(liang)綱相(xiang)(xiang)同;相(xiang)(xiang)對(dui)不(bu)確(que)(que)定(ding)度(du)指不(bu)確(que)(que)定(ding)度(du)除以(yi)測(ce)量(liang)值(zhi)的期望(平均(jun)值(zhi)),無量(liang)綱,常以(yi)百分(fen)數表示。
1.按賦予不確定度大小的程度來分(fen)類
1)標(biao)準不確定度:以(yi)標(biao)準偏差來表(biao)示的不確定度
2)擴展(zhan)不(bu)確定度:以(yi)標準偏差倍數來表示的(de)不(bu)確定度
2.從計(ji)量工(gong)作的角度分(fen)類(lei)
可分為校準的不(bu)確定(ding)度和檢測(ce)的不(bu)確定(ding)度:
1)校(xiao)準(zhun)(zhun)的不確(que)定(ding)(ding)度用計(ji)量標(biao)準(zhun)(zhun)器校(xiao)準(zhun)(zhun)工作計(ji)量器具引入的不確(que)定(ding)(ding)度,也就是工作計(ji)量器具示值誤差的不確(que)定(ding)(ding)度。該不確(que)定(ding)(ding)度由實施校(xiao)準(zhun)(zhun)的機構給出。
2)檢測(ce)的不確(que)定(ding)(ding)度(du)(du)用(yong)工作(zuo)計量(liang)器具(ju)(儀(yi)器、儀(yi)表(biao)、裝置、量(liang)具(ju))確(que)定(ding)(ding)被測(ce)量(liang)量(liang)值的不確(que)定(ding)(ding)度(du)(du)。
3.按評定(ding)方(fang)法來分類A類評定(ding)
用統計(ji)分析的(de)方法對(dui)觀測列進行不(bu)確(que)定(ding)(ding)度評(ping)(ping)(ping)(ping)定(ding)(ding)叫A類(lei)評(ping)(ping)(ping)(ping)定(ding)(ding)。只(zhi)要有(you)條件(jian)(人力、時(shi)間(jian)、設備、材(cai)料(liao)、方法和(he)資金(jin))都可以(yi)(yi)對(dui)被測量(liang)采用A類(lei)評(ping)(ping)(ping)(ping)定(ding)(ding),但(dan)對(dui)樣(yang)品破壞(huai)性(xing)試驗(yan)是(shi)例(li)外。由(you)于A類(lei)評(ping)(ping)(ping)(ping)定(ding)(ding)是(shi)在(zai)(zai)重(zhong)復性(xing)或(huo)復現(xian)性(xing)試驗(yan)的(de)基礎上(shang)進行的(de),所以(yi)(yi)比較真實、客觀、有(you)說(shuo)服(fu)力。但(dan)是(shi),在(zai)(zai)做(zuo)重(zhong)復性(xing)或(huo)復現(xian)性(xing)試驗(yan)時(shi),要充分考慮各個(ge)影(ying)響(xiang)(xiang)量(liang)的(de)作用,按照預先的(de)設計(ji)方案(an),讓這些影(ying)響(xiang)(xiang)量(liang)發揮作用(對(dui)不(bu)確(que)定(ding)(ding)度產生貢獻(xian))或(huo)者有(you)意識地避(bi)免某(mou)個(ge)影(ying)響(xiang)(xiang)量(liang)發揮作用。在(zai)(zai)A類(lei)評(ping)(ping)(ping)(ping)定(ding)(ding)時(shi),做(zuo)重(zhong)復性(xing)或(huo)復現(xian)性(xing)試驗(yan)是(shi)有(you)條件(jian)、有(you)目(mu)的(de)的(de),不(bu)能隨心所欲或(huo)盲目(mu)地做(zuo),否則容易發生重(zhong)復評(ping)(ping)(ping)(ping)定(ding)(ding)或(huo)遺漏某(mou)些影(ying)響(xiang)(xiang)量(liang)的(de)情況。這里需要強(qiang)調,在(zai)(zai)作A類(lei)評(ping)(ping)(ping)(ping)定(ding)(ding)的(de)重(zhong)復性(xing)試驗(yan)時(shi),必須是(shi)在(zai)(zai)短時(shi)間(jian)內做(zuo)的(de)連(lian)續的(de)獨立的(de)測量(liang)。
B類評(ping)定
用(yong)不同于對觀測(ce)列進(jin)(jin)行統計(ji)分(fen)析(xi)的(de)方法(fa)的(de)評定(ding)叫做B類評定(ding)。通常(chang)只要可能在(zai)確(que)保進(jin)(jin)行A類評定(ding)的(de)同時(shi)(shi)進(jin)(jin)行B類評定(ding)。B類評定(ding)有時(shi)(shi)取決于人的(de)經驗(yan)(yan),是(shi)一(yi)種比較近(jin)似的(de)估(gu)計(ji)。B類評定(ding)一(yi)般是(shi)先確(que)定(ding)影(ying)響量引起被觀測(ce)值變化的(de)范圍(wei)(半(ban)寬),同時(shi)(shi)估(gu)計(ji)這一(yi)變化可能的(de)分(fen)布(bu),再推算出不確(que)定(ding)度分(fen)量。其實“分(fen)布(bu)”就是(shi)一(yi)種數理統計(ji)特征。所以,B類評定(ding)本質上還(huan)是(shi)離不開統計(ji)分(fen)析(xi)的(de)方法(fa),只不過(guo)這種統計(ji)分(fen)析(xi),不是(shi)通過(guo)評定(ding)者重復試驗(yan)(yan)得出的(de),而(er)是(shi)基于他人的(de)統計(ji)分(fen)析(xi)結(jie)果,或者理論(lun)上推算出來的(de)。
A類評(ping)定(ding)和(he)B類評(ping)定(ding)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A類(lei)(lei)(lei)評(ping)(ping)(ping)定(ding)還是B類(lei)(lei)(lei)評(ping)(ping)(ping)定(ding),都要注(zhu)意(yi)既(ji)不遺漏(分(fen)量(liang)(liang)(liang))、也不重復(fu)。實(shi)際工作中常(chang)出現的情況(kuang)是:同(tong)一個影(ying)(ying)響量(liang)(liang)(liang)在(zai)(zai)(zai)A類(lei)(lei)(lei)評(ping)(ping)(ping)定(ding)時已經起作用了(le),而評(ping)(ping)(ping)定(ding)人員(yuan)并(bing)不清(qing)楚(chu),又(you)在(zai)(zai)(zai)B類(lei)(lei)(lei)評(ping)(ping)(ping)定(ding)時考(kao)慮(lv)(lv)了(le)它的貢(gong)獻(xian)。例如(ru),讀數(shu)誤(wu)(wu)差(cha)(cha)和量(liang)(liang)(liang)化(hua)誤(wu)(wu)差(cha)(cha)的影(ying)(ying)響,除非(fei)實(shi)驗室(shi)在(zai)(zai)(zai)安排(pai)試(shi)驗時,刻(ke)意(yi)避免產(chan)生或盡量(liang)(liang)(liang)縮小讀數(shu)誤(wu)(wu)差(cha)(cha)(如(ru)加讀數(shu)放大(da)鏡)及量(liang)(liang)(liang)化(hua)誤(wu)(wu)差(cha)(cha)(微量(liang)(liang)(liang)遞(di)增輸入(ru)(ru)量(liang)(liang)(liang)),否則在(zai)(zai)(zai)試(shi)驗時,它們肯定(ding)要參(can)與對不確定(ding)度(du)的貢(gong)獻(xian)。但是,有(you)(you)些(xie)實(shi)驗室(shi)不管(guan)A類(lei)(lei)(lei)評(ping)(ping)(ping)定(ding)重復(fu)試(shi)驗時的情況(kuang)如(ru)何(he),在(zai)(zai)(zai)B類(lei)(lei)(lei)評(ping)(ping)(ping)定(ding)中又(you)加入(ru)(ru)了(le)讀數(shu)誤(wu)(wu)差(cha)(cha)、量(liang)(liang)(liang)化(hua)誤(wu)(wu)差(cha)(cha)的影(ying)(ying)響分(fen)量(liang)(liang)(liang)。這(zhe)是典型的重復(fu)評(ping)(ping)(ping)定(ding)的例子。反之,有(you)(you)些(xie)儀器分(fen)辨(bian)率太差(cha)(cha),重復(fu)測(ce)量(liang)(liang)(liang)結果幾(ji)乎沒有(you)(you)差(cha)(cha)別,A類(lei)(lei)(lei)評(ping)(ping)(ping)定(ding)分(fen)量(liang)(liang)(liang)幾(ji)乎為零,這(zhe)時則必須考(kao)慮(lv)(lv)由分(fen)辨(bian)率引入(ru)(ru)的B類(lei)(lei)(lei)評(ping)(ping)(ping)定(ding)分(fen)量(liang)(liang)(liang)。
