测量不确定的探究

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  过去通过误差分析得到测量结果的所谓“误差”,实际上并不是真正的误差,而是被测量不能确定的范围,或者说是测量结果可能存在的最大误差。随着社会的不断发展,测量不确定度的概念以及不确定度的评定和表示方法的采用,是计量科学的一个新发展。
  1 误差
  根据误差定义,误差是一个差值,它是测量结果与真值之差。在数轴上它只表示一个点,而不是一个区间或范围。既然是一个点,它就既不应当也不可能以“±”号的形式表示。
  在实际测量中真值也是无法得到的,我们把被测量在观测时所具有的大小称为真值,因而只是一个理想的概念,只有通过完善的测量才有可能得到真值。严格意义上的真值是无法得到的。真值按其本质是不确定的。
  误差=测量结果一真值
  =测量结果一总体均值+总体均值一真值
  =随机误差+系统误差
  或:测量结果=真值+误差=真值+随机误差+系统误差
  2 测量不确定度
  (1)测量不确定度概念
  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。其中:
  ●此参数可以是诸如标准偏差或其倍数,或说明了置信水准的区间的半宽度。它不是一个点,而是一个分布区间,恒为正值,是对误差的度量。
  ●测量不确定度由多个分量组成。其中一些分量可用测量结果的统计分布估算,并用实验标准偏差表征;另一些分量则可用基于经验或其他信息的假定概率分布估算,也可用标准偏差表征。
  ●测量结果应理解为被测量之值的最佳估计,而所有的不确定度分量均贡献了分散性,包括那些由系统效应引起的分量。测量不确定度用标准不确定度和扩展不确定度来表示:U=kδ。
  (2)用测量不确定度来代替误差的理由
  ●因为真值的问题无法解决,使误差概念根基不牢。
  ●误差在合成问题上,理论上是讲不通的。误差评定方法的不一致,使不同测量结果之间缺乏可比性。
  3 测量不确定度表示
  测量不确定度是测量者合理赋予给测量结果的。为了表征这种分散性,测量不确定度可以用标准偏差,或标准偏差的倍数,或说明了置信水准区间的半宽度来表示。
  当测量不确定度用标准偏差δ表示时,称为标准不确定度,统一规定用“u”表示,这是测量不确定度的第一种表示方法。还规定测量不确定度也可以用第二种方式来表示,即可以用标准偏差的倍数kδ来表示。这种不确定度称为扩展不确定度,统一规定用字母u表示。于是可得标准不确定度和扩展不确定度的关系:U=kδ=ku。
  式中,k为包含因子(也称为覆盖因子)。
  扩展不确定度U表示具有较大置信水准区间的半宽度。包含因子有时也写成kp的形式,它与合成标准不确定度uc(y)相乘后,得到对应与置信水准为p的扩展不确定度:Up=kpuc(y)。
  在实际使用中,还规定测量不确定度也可以用第三种方式,即说明了置信水准的半宽度用a来表示。实际上也是一种扩展不确定度,当规定的置信水准为p时,扩展不确定度可以用符号Up表示。
  4 测量不确定度评定
  不确定度的评定方法有A类和B类评定两种。A类评定的不确定度仅来自于对具体测量结果的统计评定,而B类评定标准不确定度的信息为各种标准和规程等技术性文件对产品和材料性能的规定以及生产部门提供的技术文件,有时还来源于测量人员对有关技术资料和测量仪器特性的了解和经验。
  B类评定不确定度分量的信息来源大体上可以分为由检定证书或校准证书得到以及由其他各种资料得到两类。
  检定证书或校准证书通常均给出测量结果的扩展不确定度,其表示方法大体有两种:
  ●给出被测量的扩展不确定度和包含因子k根据扩展不确定度和标准不确定度之间的关系,直接得到被测量的标准不确定度。
  U(x)=U(x)/k
  ●给出被测量x的扩展不确定度Up(x)及其对应的置信概率p,此时,包含因子k与被测量的分布有关。
  不确定度的评定水平,反映了测量水平、科学技术发达的水平,因此对于测量不确定度的评定,不可回避,也不能小视。
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