在量值傳遞與溯源過程中,數(shù)據(jù)處理是一個關(guān)鍵步驟。人們在使用誤差理論的過程中,又發(fā)展出了不確定度概念,如何正確使用這兩個概念,是基層計(jì)量人員需要解決的問題。
一、測量誤差和測量不確定度的概念
。ㄒ唬﹪壹夹g(shù)規(guī)范(JJG1027-91)關(guān)于測量誤差的定義
測量誤差是指測量結(jié)果與被測量真值之差。它既可用絕對誤差表示,也可以用相對誤差表示。按其出現(xiàn)的特點(diǎn),可分為系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差。
根據(jù)定義,在實(shí)際使用中的測量誤差Δ等于測量儀器的示值減對應(yīng)的輸入量之真值(或約定真值)XS,即Δ=X-XS。測量誤差通?煞譃橄到y(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差兩類。誤差是客觀存在的,由于在絕大多數(shù)情況下,真值不能確定,所以真誤差也無法知道。我們只是在特定條件下尋求的真值近似值,并稱之為約定真值。但這個約定值也僅僅是相對于某一特定條件而言,所以人們針對真值的不確定,提出了不確定度這一概念。
。ǘ﹪壹夹g(shù)規(guī)范(JF1059-1999)關(guān)于測量不確定度的定義
表征合理地賦予被測量之值的分散性,與測量結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù)。它按某一置信概率給出真值可能落入的區(qū)間。此參數(shù)可以是標(biāo)準(zhǔn)差或其倍數(shù),或說明了置信水準(zhǔn)的區(qū)間的半寬度,其值恒為正。不確定度用來表征被測量的真值所處量值范圍,但它不是具體的真誤差,它只是以參數(shù)形式定量表示了對同一量多次測量結(jié)果可能所處的范圍。不確定度按其獲得方法分為A、B兩類評定分量,A類評定分量是用統(tǒng)計(jì)方法確定的分量;B類評定分量是用非統(tǒng)計(jì)方法確定的分量。
二、測量誤差和測量不確定度的聯(lián)系和區(qū)別
(一)測量不確定度是誤差理論的發(fā)展
誤差分析是測量不確定度評定的理論基礎(chǔ),誤差和不確定度雖然定義不同,但兩者他們有著密切的聯(lián)系。在不確定度B類評定時,更是離不開誤差理論所得出的結(jié)果,如數(shù)據(jù)修約帶來的誤差、標(biāo)準(zhǔn)表帶來的誤差等,不確定度的概念是誤差理論的應(yīng)用和拓展。
(二)誤差和測量不確定度的具體區(qū)別(見下表)
。ㄈy量不確定度的局限性
測量不確定度作為誤差理論的發(fā)展,自身也存在著缺陷。從定義中分析,不確定度是用來“表征合理地賦予被測量之值的分散性”,也就是說不確定度表示的區(qū)間代表了對某個量的多次測量處于其間的概率,這與誤差理論中的隨機(jī)誤差有相似之處,相當(dāng)于是對隨機(jī)誤差概念的擴(kuò)展,是對隨機(jī)誤差的范圍做出具體界定。不確定度定義中的第二句“與測量結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù)”,表示單獨(dú)使用不確定度是沒有意義的,必須和測量結(jié)果同時出現(xiàn),反映出的是測量結(jié)果的精密度。
三、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核(復(fù)查)申請書中的最大允許誤差和測量不確定度
在計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核(復(fù)查)申請書的第3頁表格中有一欄為“不確定度或準(zhǔn)確度等級或最大允許誤差”,也就是表示此三個量為并列關(guān)系。但不確定度和允許誤差無論是從概念上,還是表示的方式上都有極大的不同。
1.不確定度表示的是測量結(jié)果按照某一給定的概率處于某一區(qū)間可能,并有超出該區(qū)間的可能性,而允許誤差對測量結(jié)果的要求是絕對不能超過某一區(qū)間,否則就被判不合格。
2.最大允許誤差用符號MPE表示,其數(shù)值一般應(yīng)帶“±”號。例如可寫成“MPE:±0.1”。當(dāng)填寫不確定度時,應(yīng)使用擴(kuò)展不確定度來表示?蓪懗伞癠=0.1%(k=2)”。
3.當(dāng)同一臺裝置在復(fù)現(xiàn)性條件下,讓兩個人進(jìn)行申請書填寫,上述欄目中如果按照最大允許誤差來填寫,兩個人的選擇有相同的結(jié)果,如果按照不確定度來填寫,結(jié)果會有不同。這是因?yàn)閷ψ畲笤试S誤差的要求是一致的,而對不確定度的評定有很大的隨機(jī)性。這是因?yàn)樵u定者對不確定度分量的來源理解不同,對各分量的取舍要求不一致,從而造成合成不確定度不同。即使是合成不確定度相同,當(dāng)評定者對置信概率的要求不一致時,也會造成擴(kuò)展不確定度的不同。
四、測量同一量時出現(xiàn)兩個不同區(qū)間的不確定度
選用一只經(jīng)檢定合格的量限為150V、0.5級指針式儀表,其擴(kuò)展不確定度是U=0.75V(k=3),當(dāng)用該表測量140V電壓(采用恒壓源,誤差忽略不計(jì))時,上升時測得140V為139.9V,下降時測得140V為139.5V,存在0.4V的變差。此時測量140V出現(xiàn)的不確定度區(qū)間為138.75V~140.65V,落差值為2.1V,大于正負(fù)誤差的極限差值1.5V。如下圖所示:
由上圖可知,在對同一量的測試過程中無論是上升或下降,按照不確定度的概率區(qū)間,測量值出現(xiàn)在139.25V以下時也是可以接受的。按照誤差理論,用該表測量140V時是不會出現(xiàn)在139.25V以下的。
五、實(shí)際工作中測量誤差和測量不確定度的應(yīng)用范圍
1.由于測量誤差概念簡單,使用方便,在基層單位得到廣泛應(yīng)用。無論是絕對誤差,還是相對誤差、引用誤差,都被計(jì)量人員所熟知。一般的計(jì)量裝置和工作表計(jì),在說明書中看到的都是以測量準(zhǔn)確度(accuracy of measurement)來界定其測試性能,很少有采用不確定度(uncertainty)或擴(kuò)展不確定度(expanded uncertainty)來界定的。
2.測量不確定度由于其給定的量是用來衡量測量值的所處區(qū)間,而不是用來判斷被檢表或測量值是否合格,所以在日常工作中較少使用。
六、重復(fù)性實(shí)驗(yàn)對不確定度的影響
1.計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的重復(fù)性是指在相同測量條件下,重復(fù)測量同一個被測量,計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)提供相近示值的能力。重復(fù)性測量通常都是作為A類不確定度來源,因此在進(jìn)行不確定度評定時,應(yīng)考慮測量中被檢定對象對測量結(jié)果的影響。