對測量不確定度概念的理解
2018-07-31
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對(dui)測量不(bu)確定(ding)度概(gai)念的理解
測(ce)(ce)量不(bu)確定(ding)度(du)的(de)概念引入我國(guo)相對時間較(jiao)短,在許(xu)多發達國(guo)家和(he)發展中國(guo)家已經普(pu)遍采用(yong),無論哪個領域進行測(ce)(ce)量,在給出完整的(de)測(ce)(ce)量結(jie)果時普(pu)遍采用(yong)測(ce)(ce)量不(bu)確定(ding)度(du)。在經濟全球化(hua)的(de)今天,測(ce)(ce)量不(bu)確定(ding)度(du)評定(ding)與(yu)表達方法的(de)統(tong)一,乃是(shi)(shi)科技(ji)交流和(he)國(guo)際貿易的(de)迫(po)切(qie)要求,它是(shi)(shi)各(ge)國(guo)進行的(de)測(ce)(ce)量及其所得到的(de)結(jie)果可以進行互(hu)相比(bi)較(jiao),取(qu)得相互(hu)承認或共識的(de)基礎(chu)上。因此,統(tong)一測(ce)(ce)量不(bu)確定(ding)度(du)的(de)評定(ding)和(he)表達方法具有(you)廣泛性和(he)實用(yong)性。
目前,工程檢(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)實驗(yan)室(shi)對(dui)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)不(bu)(bu)確(que)(que)定(ding)(ding)(ding)(ding)度(du)的(de)(de)(de)應用處于(yu)起步(bu)階段,多數檢(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)人員認為測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)不(bu)(bu)確(que)(que)定(ding)(ding)(ding)(ding)度(du)評(ping)(ping)定(ding)(ding)(ding)(ding)是對(dui)校(xiao)準實驗(yan)室(shi)而言的(de)(de)(de),對(dui)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)不(bu)(bu)確(que)(que)定(ding)(ding)(ding)(ding)度(du)的(de)(de)(de)概(gai)念(nian)模(mo)糊,對(dui)評(ping)(ping)定(ding)(ding)(ding)(ding)方法(fa)不(bu)(bu)甚了解(jie)。為了強化理解(jie),本(ben)文(wen)以測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)誤差(cha)與(yu)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)不(bu)(bu)確(que)(que)定(ding)(ding)(ding)(ding)度(du)的(de)(de)(de)定(ding)(ding)(ding)(ding)義(yi)解(jie)析,了解(jie)兩者的(de)(de)(de)區別,首先(xian)在概(gai)念(nian)上理解(jie)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)不(bu)(bu)確(que)(que)定(ding)(ding)(ding)(ding)度(du);通過介(jie)紹測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)不(bu)(bu)確(que)(que)定(ding)(ding)(ding)(ding)度(du)A類(lei)和(he)B類(lei)評(ping)(ping)定(ding)(ding)(ding)(ding)方法(fa)的(de)(de)(de)異同點(dian),使(shi)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)人員初(chu)步(bu)認知測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)不(bu)(bu)確(que)(que)定(ding)(ding)(ding)(ding)度(du)的(de)(de)(de)評(ping)(ping)定(ding)(ding)(ding)(ding)方法(fa),為今后開展測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)不(bu)(bu)確(que)(que)定(ding)(ding)(ding)(ding)度(du)的(de)(de)(de)評(ping)(ping)定(ding)(ding)(ding)(ding)工作打下基礎。
測量誤差與測量不確定(ding)度區別(bie)
測量誤(wu)差與測量不確定(ding)度從定(ding)義、評定(ding)方(fang)法、成方(fang)法、表(biao)達形式(shi)及分(fen)(fen)量的分(fen)(fen)類等(deng)方(fang)面(mian)均有區別(bie)。
1.測量誤差(cha)
測(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)誤(wu)(wu)差(cha)(cha)是(shi)“測(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)結果減去被(bei)測(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)的(de)真(zhen)值(zhi)”(JJF1001-1998),簡稱誤(wu)(wu)差(cha)(cha)。一(yi)個量(liang)(liang)(liang)(liang)的(de)真(zhen)值(zhi),是(shi)在被(bei)觀測(ce)時本(ben)身所(suo)具有(you)的(de)真(zhen)實大小(xiao),只有(you)完(wan)整(zheng)的(de)測(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)才能得(de)到真(zhen)值(zhi),而實際上任何測(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)都有(you)缺陷,因此,真(zhen)值(zhi)是(shi)一(yi)個理(li)想化的(de)概念。由于真(zhen)值(zhi)無法確(que)切(qie)地知道,所(suo)以誤(wu)(wu)差(cha)(cha)也無法準(zhun)確(que)知道。由定(ding)義可知誤(wu)(wu)差(cha)(cha)是(shi)兩個量(liang)(liang)(liang)(liang)值(zhi)之差(cha)(cha),即誤(wu)(wu)差(cha)(cha)表示(shi)的(de)是(shi)一(yi)個差(cha)(cha)值(zhi),而不是(shi)區(qu)間。誤(wu)(wu)差(cha)(cha)是(shi)一(yi)個具有(you)確(que)定(ding)符號的(de)量(liang)(liang)(liang)(liang)值(zhi),或(huo)正或(huo)負。過(guo)去通過(guo)誤(wu)(wu)差(cha)(cha)分(fen)析所(suo)得(de)到的(de)測(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)結果的(de)“誤(wu)(wu)差(cha)(cha)”,實際上是(shi)被(bei)測(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)不能確(que)定(ding)的(de)范圍,并非(fei)誤(wu)(wu)差(cha)(cha)。
2.測量不確定度(du)
測量不確(que)定度(du)從詞意上(shang)理解,意味著(zhu)對測量結果有(you)效性的(de)(de)可疑程度(du)或不肯定程度(du)。從傳統意義上(shang)理解,它是被(bei)測量真值所處(chu)范圍的(de)(de)估計值,但是真值是不存在(zai)的(de)(de),是難(nan)以達到的(de)(de)理想值。
JJF1059.1-2012《測(ce)量(liang)不確定(ding)(ding)(ding)度評定(ding)(ding)(ding)與表(biao)示》對測(ce)量(liang)不確定(ding)(ding)(ding)度的(de)定(ding)(ding)(ding)義(yi):根(gen)據所用(yong)到(dao)的(de)信息,表(biao)征(zheng)賦(fu)予被測(ce)量(liang)值分散性的(de)非負數。而(er)在JJF1059-1999中的(de)定(ding)(ding)(ding)義(yi)是(shi):表(biao)征(zheng)合理地賦(fu)予被測(ce)量(liang)之值的(de)分散性,與測(ce)量(liang)結果相聯系的(de)參數。不論(lun)采用(yong)何種定(ding)(ding)(ding)義(yi),其(qi)評定(ding)(ding)(ding)方法均相同,表(biao)達形式(shi)也一(yi)樣。
規(gui)范中的(de)定義有些抽象,我們(men)(men)姑(gu)且給出更通俗(su)解釋,不(bu)確定度(du)(du)(du)一詞(ci)指可(ke)疑(yi)程(cheng)度(du)(du)(du),廣義而言,測量(liang)結(jie)果不(bu)確定度(du)(du)(du)反映(ying)了(le)人們(men)(men)對(dui)測量(liang)結(jie)果不(bu)能肯定的(de)程(cheng)度(du)(du)(du),或(huo)是對(dui)測量(liang)結(jie)果正(zheng)確性的(de)可(ke)疑(yi)程(cheng)度(du)(du)(du),也是人們(men)(men)對(dui)真(zhen)值所處范圍(wei)或(huo)測量(liang)誤差可(ke)能的(de)范圍(wei)的(de)一種估計。
測(ce)量不(bu)(bu)確(que)定度是表示測(ce)量值分(fen)(fen)散(san)性(xing)的,它僅表示分(fen)(fen)散(san)性(xing)而不(bu)(bu)表示系(xi)統性(xing)偏(pian)差。因此,如發現測(ce)量值中有(you)顯著的系(xi)統性(xing)偏(pian)差,要(yao)加以修正。未知的系(xi)統性(xing)偏(pian)差可作(zuo)為分(fen)(fen)散(san)性(xing)處理(li)。
在測量(liang)不(bu)確定度定義(yi)中(zhong)“賦(fu)予”這(zhe)個詞很關鍵:由于測量(liang)不(bu)確定度是(shi)表(biao)示測量(liang)分散性的(de)(de)(de)(de)參數,是(shi)一個“模糊”的(de)(de)(de)(de)范圍,它的(de)(de)(de)(de)邊(bian)界需(xu)要人“賦(fu)予”;因此,這(zhe)種“賦(fu)予”不(bu)可避(bi)免地要取決于評(ping)定者的(de)(de)(de)(de)主(zhu)觀(guan)(guan)意識(資源、信(xin)息(xi)、能(neng)力(li)、經(jing)驗)以(yi)及客觀(guan)(guan)需(xu)求(qiu)(精密度要求(qiu)、置信(xin)度要求(qiu)、風(feng)險性要求(qiu))。這(zhe)種“賦(fu)予”應是(shi)合(he)理的(de)(de)(de)(de),要求(qiu)符合(he)統計規(gui)律,符合(he)實際(ji)情況,符合(he)JJF1059.1-2012的(de)(de)(de)(de)規(gui)定。
測量不確(que)定度評(ping)定的原則和(he)前提條(tiao)件
測量(liang)(liang)不(bu)(bu)確(que)定(ding)(ding)度(du)評(ping)定(ding)(ding)應(ying)掌握對(dui)測量(liang)(liang)不(bu)(bu)確(que)定(ding)(ding)度(du)來源“既不(bu)(bu)遺(yi)漏,也不(bu)(bu)重復”的原則(ze),但對(dui)較(jiao)小的分量(liang)(liang)來說(shuo),有(you)些重復或遺(yi)漏是可以容忍的;在不(bu)(bu)確(que)定(ding)(ding)度(du)分量(liang)(liang)中如果發(fa)(fa)現有(you)顯著的系統(tong)性的偏差,則(ze)應(ying)將(jiang)測量(liang)(liang)值(zhi)(zhi)修正后再(zai)評(ping)定(ding)(ding)。該(gai)系統(tong)性偏差是否顯著可以用t檢(jian)驗來判別;在不(bu)(bu)確(que)定(ding)(ding)度(du)分量(liang)(liang)中如果發(fa)(fa)現有(you)粗(cu)大誤差或明顯異常(chang)值(zhi)(zhi)、離群值(zhi)(zhi),則(ze)應(ying)將(jiang)其(qi)剔除后再(zai)參與評(ping)定(ding)(ding)。剔除的方(fang)法可按GB4883-2008《數(shu)據的統(tong)計處(chu)理(li)和解釋(shi)正態樣本離群值(zhi)(zhi)的判斷和處(chu)理(li)》進行。
測量不確定度(du)的分類
按有無(wu)量(liang)綱分類,可分為絕對測(ce)量(liang)不(bu)確(que)(que)(que)定(ding)度(du)和相對測(ce)量(liang)不(bu)確(que)(que)(que)定(ding)度(du)。絕對不(bu)確(que)(que)(que)定(ding)度(du)即不(bu)確(que)(que)(que)定(ding)度(du)的量(liang)綱與(yu)被測(ce)量(liang)量(liang)綱相同;相對不(bu)確(que)(que)(que)定(ding)度(du)指不(bu)確(que)(que)(que)定(ding)度(du)除以測(ce)量(liang)值的期望(平均值),無(wu)量(liang)綱,常以百分數表示。
1.按賦予不確(que)定度大小的程度來分類(lei)
1)標準不(bu)確定度(du):以標準偏(pian)差來表示的(de)不(bu)確定度(du)
2)擴展不確定(ding)度(du):以標(biao)準偏差倍(bei)數來表示(shi)的(de)不確定(ding)度(du)
2.從計(ji)量(liang)工作的角度分類
可(ke)分為校準(zhun)的不確定度(du)和檢測的不確定度(du):
1)校準的(de)不確(que)(que)定度用(yong)計(ji)(ji)量標準器(qi)校準工(gong)(gong)作計(ji)(ji)量器(qi)具引(yin)入(ru)的(de)不確(que)(que)定度,也就是工(gong)(gong)作計(ji)(ji)量器(qi)具示(shi)值誤差的(de)不確(que)(que)定度。該不確(que)(que)定度由實施校準的(de)機構給(gei)出。
2)檢測的(de)不(bu)確(que)定度用工作計量(liang)(liang)器(qi)具(儀(yi)器(qi)、儀(yi)表、裝(zhuang)置、量(liang)(liang)具)確(que)定被(bei)測量(liang)(liang)量(liang)(liang)值(zhi)的(de)不(bu)確(que)定度。
3.按(an)評定方法來(lai)分類A類評定
用(yong)(yong)統計分(fen)(fen)析的(de)(de)方法對(dui)觀(guan)測(ce)(ce)列進行(xing)不(bu)確(que)定(ding)(ding)度(du)評(ping)定(ding)(ding)叫A類(lei)評(ping)定(ding)(ding)。只要(yao)有(you)(you)(you)條件(人力、時(shi)(shi)間(jian)、設備、材料、方法和(he)資金)都(dou)可以對(dui)被(bei)測(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)采用(yong)(yong)A類(lei)評(ping)定(ding)(ding),但對(dui)樣品破壞性(xing)(xing)(xing)試(shi)驗(yan)是(shi)例外。由于A類(lei)評(ping)定(ding)(ding)是(shi)在(zai)(zai)重復(fu)(fu)性(xing)(xing)(xing)或(huo)(huo)復(fu)(fu)現性(xing)(xing)(xing)試(shi)驗(yan)的(de)(de)基(ji)礎上進行(xing)的(de)(de),所以比較真(zhen)實、客觀(guan)、有(you)(you)(you)說服力。但是(shi),在(zai)(zai)做(zuo)重復(fu)(fu)性(xing)(xing)(xing)或(huo)(huo)復(fu)(fu)現性(xing)(xing)(xing)試(shi)驗(yan)時(shi)(shi),要(yao)充分(fen)(fen)考慮各個影響量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)作用(yong)(yong),按照預先的(de)(de)設計方案,讓這些影響量(liang)(liang)(liang)發揮作用(yong)(yong)(對(dui)不(bu)確(que)定(ding)(ding)度(du)產生貢獻)或(huo)(huo)者有(you)(you)(you)意識地(di)避免某(mou)個影響量(liang)(liang)(liang)發揮作用(yong)(yong)。在(zai)(zai)A類(lei)評(ping)定(ding)(ding)時(shi)(shi),做(zuo)重復(fu)(fu)性(xing)(xing)(xing)或(huo)(huo)復(fu)(fu)現性(xing)(xing)(xing)試(shi)驗(yan)是(shi)有(you)(you)(you)條件、有(you)(you)(you)目的(de)(de)的(de)(de),不(bu)能隨心所欲或(huo)(huo)盲目地(di)做(zuo),否則容易(yi)發生重復(fu)(fu)評(ping)定(ding)(ding)或(huo)(huo)遺漏(lou)某(mou)些影響量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)情況(kuang)。這里需要(yao)強調,在(zai)(zai)作A類(lei)評(ping)定(ding)(ding)的(de)(de)重復(fu)(fu)性(xing)(xing)(xing)試(shi)驗(yan)時(shi)(shi),必須是(shi)在(zai)(zai)短(duan)時(shi)(shi)間(jian)內(nei)做(zuo)的(de)(de)連續的(de)(de)獨立的(de)(de)測(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)。
B類評(ping)定
用不(bu)(bu)(bu)同(tong)于(yu)對觀測列進(jin)行統(tong)計分(fen)析(xi)的(de)(de)(de)方法的(de)(de)(de)評(ping)定(ding)叫做B類評(ping)定(ding)。通常(chang)只要(yao)可能(neng)(neng)在確保進(jin)行A類評(ping)定(ding)的(de)(de)(de)同(tong)時(shi)(shi)進(jin)行B類評(ping)定(ding)。B類評(ping)定(ding)有時(shi)(shi)取決于(yu)人的(de)(de)(de)經驗,是(shi)一(yi)種比較近似(si)的(de)(de)(de)估(gu)計。B類評(ping)定(ding)一(yi)般是(shi)先(xian)確定(ding)影響量引起被觀測值變化的(de)(de)(de)范圍(半寬),同(tong)時(shi)(shi)估(gu)計這(zhe)一(yi)變化可能(neng)(neng)的(de)(de)(de)分(fen)布,再推(tui)(tui)算出不(bu)(bu)(bu)確定(ding)度分(fen)量。其實“分(fen)布”就(jiu)是(shi)一(yi)種數(shu)理統(tong)計特征。所以,B類評(ping)定(ding)本質上還是(shi)離不(bu)(bu)(bu)開統(tong)計分(fen)析(xi)的(de)(de)(de)方法,只不(bu)(bu)(bu)過(guo)這(zhe)種統(tong)計分(fen)析(xi),不(bu)(bu)(bu)是(shi)通過(guo)評(ping)定(ding)者(zhe)重復試驗得出的(de)(de)(de),而是(shi)基于(yu)他人的(de)(de)(de)統(tong)計分(fen)析(xi)結(jie)果,或(huo)者(zhe)理論上推(tui)(tui)算出來(lai)的(de)(de)(de)。
A類(lei)評(ping)定和B類(lei)評(ping)定的(de)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)評(ping)定(ding)(ding)還(huan)是B類(lei)評(ping)定(ding)(ding),都要注意(yi)既不遺漏(分(fen)量(liang)(liang)(liang)(liang))、也不重復(fu)。實(shi)際工作中(zhong)常出現的(de)情況(kuang)是:同一(yi)個(ge)影響量(liang)(liang)(liang)(liang)在(zai)A類(lei)評(ping)定(ding)(ding)時(shi)(shi)(shi)已經起作用了,而評(ping)定(ding)(ding)人員并不清楚(chu),又在(zai)B類(lei)評(ping)定(ding)(ding)時(shi)(shi)(shi)考慮了它(ta)的(de)貢(gong)獻。例如,讀數誤差(cha)和量(liang)(liang)(liang)(liang)化誤差(cha)的(de)影響,除非實(shi)驗室在(zai)安排(pai)試驗時(shi)(shi)(shi),刻意(yi)避免(mian)產生(sheng)或盡量(liang)(liang)(liang)(liang)縮小讀數誤差(cha)(如加(jia)讀數放大鏡)及量(liang)(liang)(liang)(liang)化誤差(cha)(微量(liang)(liang)(liang)(liang)遞增輸入量(liang)(liang)(liang)(liang)),否則在(zai)試驗時(shi)(shi)(shi),它(ta)們肯定(ding)(ding)要參與對不確定(ding)(ding)度的(de)貢(gong)獻。但是,有(you)些實(shi)驗室不管A類(lei)評(ping)定(ding)(ding)重復(fu)試驗時(shi)(shi)(shi)的(de)情況(kuang)如何(he),在(zai)B類(lei)評(ping)定(ding)(ding)中(zhong)又加(jia)入了讀數誤差(cha)、量(liang)(liang)(liang)(liang)化誤差(cha)的(de)影響分(fen)量(liang)(liang)(liang)(liang)。這(zhe)是典型的(de)重復(fu)評(ping)定(ding)(ding)的(de)例子。反(fan)之,有(you)些儀器分(fen)辨率(lv)太差(cha),重復(fu)測量(liang)(liang)(liang)(liang)結果幾(ji)乎沒有(you)差(cha)別,A類(lei)評(ping)定(ding)(ding)分(fen)量(liang)(liang)(liang)(liang)幾(ji)乎為零(ling),這(zhe)時(shi)(shi)(shi)則必須考慮由分(fen)辨率(lv)引入的(de)B類(lei)評(ping)定(ding)(ding)分(fen)量(liang)(liang)(liang)(liang)。
