4-测量不确定度.

　误差概念和误差分析在用于评定测量结果时,有时显得既不完备，也难于操作。一种更为完备合理、可操作性强的评定测量结果的方法。寻求诞生测量不确定度第一页，共69页。第一节测量不确定度的基本概念一、概述1927年德国物理学家海森堡提出测不准关系，也称为不确定度关系。1953年Y.Beers在《误差理论导引》一书中给出实验不确定度。1970年C.F.Dietrich出版了《不确定度、校准和概率》。1973年英国国家物理实验室的J.E.Burns等指出，当讨论测量准确度时，宜用不确定度。1978年国际计量局发出不确定度征求意见书，征求各国和国际组织的意见。1980年，国际计量局提出了实验不确定度建议书INC-1（1980）。第二页，共69页。1981年10月国际计量委员会提出了建议书（CI-1981），同意INC-1。1986年组成国际不确定度工作组，负责制定用于计量、生产、科学研究中的不确定度指南。1993年出版了《测量不确定度示指南》（GuidetotheExpressionofUncertaintyinMeasurement，简称GUM）。1999年中国人民解放军总装备部批准发布了GJB3756-99《测量不确定度的表示及评定》。1999年国家质量技术监督局批准发布了JJF1059-1999《测量不确定度评定与表示》,这规范原则上等同采用了GUM的基本内容。第三页，共69页。不确定度的应用领域（1）一些产品生产过程中的质量检测、质量保证与控制，以及商品流通领域中的商品检验等有关质量监督、质量控制和建立质量保证体系的质量认证活动；（2）建立、保存、比较溯源于国家标准的各级标准、仪器和测量系统的校准、检定、封缄和标记等计量确认活动；第四页，共69页。（3）基础科学和应用科学领域中的研究、开发和试验，以及实验室认可活动；（4）科学研究与工程领域内的测量，以及与贸易结算、医疗卫生、安全防护、环境与资源监测等有关的其他测量活动；（5）用于对可以用单值和非单值表征被测量的测量结果的评定，以及对测量和测量器具的设计和合格评定。第五页，共69页。二、测量不确定度的定义测量不确定度（uncertaintyofmeasurement）测量结果带有的一个参数，用于表征合理地赋予被测量值的分散性。该参数是一个表征分散性的参数。它可以是标准差或其倍数，或说明了置信水平的区间半宽度。该参数一般由若干个分量组成，统称为不确定度分量该参数是通过对所有若干个不确定度分量进行方差和协方差合成得到。所得该参数的可靠程度一般可用自由度的大小来表示第六页，共69页。不确定度的来源（1）对被测量的定义不完整或不完善（2）复现被测量定义的方法不理想（3）测量所取样本的代表性不够（4）对测量过程受环境影响的认识不周全，或对环境条件的测量与控制不完善（5）对模拟式仪器的读数存在人为偏差（6）仪器计量性能上的局限性第七页，共69页。（7）赋予测量标准和标准物质的标准值的不准确（8）引用常数或其它参量的不准确（9）与测量原理、测量方法和测量程序有关的的近似性或假定性（10）在相同的测量条件下，被测量重复观测值的随机变化第八页，共69页。（11）对一定系统误差的修正不完善（12）测量列中的粗大误差因不明显而未剔除（13）在有的情况下，需要对某种测量条件变化，或者是在一个较长的规定时间内，对测量结果的变化作出评定。应把该相应变化所赋予测量值的分散性大小，作为该测量结果的不确定度。第九页，共69页。不确定度评定方法的分类A类评定（typeAevaluationofuncertainty）指用对样本观测值的统计分析进行不确定度评定的方法。B类评定（typeBevaluationofuncertainty）指用不同于统计分析的其他方法进行不确定度评定的方法。第十页，共69页。几个相关的名词与概念标准不确定度（standarduncertainty）用标准差表示测量结果的不确定度，一般用符号u来表示。对于不确定度分量，常在u上加小脚标进行表示，如u1，u2，……un等。合成（标准）不确定度（combinedstandarduncertainty）当测量结果由若干个其他量的值求得时，测量结果的合成标准不确定度等于这些量的方差和（或）协方差加权和的正平方根，其中权系数按测量结果随这些量变化的情况而定。用符号uc表示。第十一页，共69页。扩展不确定度（expandeduncertainty）规定了测量结果取值区间的半宽度，该区间包含了合理赋予被测量值的分布的大部分。用符号U或UP表示。包含因子（coveragefactor）为获得扩展不确定度，对合成标准不确定度所乘的倍数因子。常用符号k或kP来表示。在国内，有的也其称为覆盖因子，其取值一般在2与3之间。第十二页，共69页。第二节标准不确定度评定　采用统计分析的方法评定标准不确定度，用实验标准差或样本标准差表示。单次测量值作为被测量　的估计值当用n次测量的平均值作为被测量的估计值单次测量的实验标准差n次测量的实验标准差计算实验标准差的方法：贝塞尔公式，极差法一、A类评定方法第十三页，共69页。二、B类评定方法B类评定方法获得不确定度，不是依赖于对样本数据的统计，他必然要设法利用与被测量有关的其他先验信息来进行估计。因此，如何获取有用的先验信息十分重要，而且如何利用好这些先验信息也很重要第十四页，共69页。1、B类评定的信息来源①过去的测量数据⑤测量仪器的特性和其他相关资料等；⑥测量者的经验与知识；⑦假设的概率分布及其数字特征。②校准证书、检定证书、测试报告及其他证书文件③生产厂家的技术说明书④引用的手册、技术文件、研究论文和实验报告中给出的参考数据及不确定度值等第十五页，共69页。2、B类评定的方法（1）若由先验信息给出测量结果的概率分布，及其“置信区间”和“置信水平”置信区间的半宽度置信水平　的包含因子（2）若由先验信息给出的测量不确定度U为标准差的k倍时（3）若由先验信息给出测量结果的“置信区间”及其概率分布置信区间的半宽度置信水平接近1的包含因子第十六页，共69页。几种常见误差的分布情形及其标准不确定度估计（1）舍入误差　舍入误差的最大误差界限为0.5（末），按均匀分布考虑，故标准不确定度为（2）引用误差　测量上限为　的　级电表，其最大引用误差限（即最大允许不确定度）为按均匀分布考虑，故标准不确定度为第十七页，共69页。（3）示值误差　某些测量仪器是按符合“最大允许误差”要求而制造的，经检验合格，其最大允许误差为按均匀分布考虑，故标准不确定度为（4）仪器基本误差　设某仪器在指定条件下对某一被测量进行测量时，可能达到的最大误差限为按均匀分布考虑，故标准不确定度为第十八页，共69页。（5）仪器分辨力　设仪器的分辨力为　，则其区间半宽度为按均匀分布考虑，故标准不确定度为（6）仪器的滞后滞后引起的标准不确定度为第十九页，共69页。　设校准证书给出名义值10Ω的标准电阻器的电阻　　　　　　　　　　　，测量结果服从正态分布，置信水平为99％。求其标准不确定度。【解】根据题意，该标准电阻器的置信区间半宽度查表得计算第二十页，共69页。三、自由度由于不确定度是用标准差来表征，因此，不确定度的评定质量就取决于标准差的可信赖程度。而标准差的信赖程度与自由度密切相关，自由度愈大，标准差愈可信赖。所以，自由度的大小就直接反映了不确定度的评定质量不确定度的评定质量标准差的可信赖程度自由度第二十一页，共69页。　对于一个测量样本，自由度等于该样本数据中n个独立测量个数减去待求量个数1。　对某量X进行n次独立重复测量，用贝塞尔公式估计实验标准差的自由度为n-1。　按估计相对标准差来定义的自由度称为有效自由度　（或　）情形1情形2情形3自由度（degreesoffreedom）　计算总和中独立项个数，即总和的项数减去其中受约束的项数。第二十二页，共69页。　最常用的是按贝塞尔公式计算标准差的自由度公式２34567891015201234567891419极差法1.92.63.33.94.65.25.86.46.98.39.50.91.82.73.64.55.36.06.87.510.513.1表7-3几种A类评定不确定度的自由度1Bessel　公式最大误差法0.9第二十三页，共69页。B类评定的自由度　对于B类评定的不确定度，其自由度一般通过相对标准不确定度来折算。00.100.200.250.300.400.5050128632自由度表7-4　相对标准不确定度与自由度的关系　相对标准不确定度第二十四页，共69页。　用游标卡尺对某一试样的尺寸重复测量10次，得到的测量列如下（单位：mm）75.01，75.04，75.07，75.00，75.03，75.09，75.06，75.02，75.05，75.08求该重复测量中随机变化引起的标准不确定度分量及其自由度。【解】本例估计的是重复测量中随机变化引起的标准不确定度分量，可根据已知样本数据进行Ａ类评定第二十五页，共69页。按极差法求取极差查表3-1得，则标准差查表7-3其自由度　用两种方法估计得到的标准差很接近，但自由度有明显不同，可见用贝塞尔公式更好一些。由贝塞尔公式其自由度第二十六页，共69页。第三节测量不确定度的合成一、合成标准不确定度　当测量结果受多个因素影响而形成若干个不确定度分量时，测量结果的标准不确定度通过该多个标准不确定度分量合成得到的。第ｉ个标准不确定度分量第ｉ和第j个标准不确定度分量之间的相关系数不确定度分量的个数合成标准不确定度第二十七页，共69页。输出量估计值的标准不确定度输入量估计值和的标准不确定度函数在处的偏导数，称为灵敏系数，在误差合成公式中称其为传播系数；和在处的相关系数标准不确定度传播公式第二十八页，共69页。ui直接测量的不确定度分量直接测量的不确定度分量的合成公式记第二十九页，共69页。当和相互独立时,标准不确定度传播公式第三十页，共69页。常见的间接测量函数模型（1）设　　　,各　之间互不相关，则有（2）设　　　　，各　之间互不相关，则有相对标准不确定度的表示形式第三十一页，共69页。二、有效自由度　合成标准不确定度的自由度称为有效自由度，一般用　来表示。设被测量有　个影响测量结果的分量，记为　　　　　　，当各分量　均服从正态分布，且相互独立时，可根据韦尔奇-萨特思韦特（Welch-Satterthwaite）公式来计算其合成标准不确定度的有效自由度。第三十二页，共69页。来源序号12345合成结果基准尺读数电压表电阻表温度1.01.01.42.02.05104161不确定度符号数值符号数值自由度3.57.8　某测量结果含5个不确定度分量，每个分量的大小及自由度见下表，它们之间的协方差均为零，求其合成标准不确定度和有效自由度。第三十三页，共69页。【解】根据题意，按公式计算合成标准不确定度有效自由度第三十四页，共69页。　被测电压的已修正结果为　　　　，其中重复测量6次的算术平均值　=0.928571V，A类标准不确定度为　　　。修正值　　　　，修正值的标准不确定度由B类评定方法得到，　　　　　　，估计的相对误差为25%。试求V的合成标准不确定度、相对标准不确定度及其自由度。【解】由合成标准不确定度的计算公式得第三十五页，共69页。自由度查B类评定自由度表得有效自由度相对标准不确定度为第三十六页，共69页。　测量环路正弦交变电位差幅值V，电流幅值I，各重复测量5次，得到如下表所示的数据，相关系数ρ=－0.36，试根据测量值，求阻抗R的最佳值及其合成标准不确定度。5.007次数123454.9945.0054.9904.99919.63919.663电位差幅值V电流幅值mA19.64019.68519.675第三十七页，共69页。【解】根据算术平均值和标准差的计算公式得第三十八页，共69页。电阻的最佳值为合成标准不确定度相对标准不确定度为第三十九页，共69页。三、扩展不确定度扩展不确定度的两种方法表示在传统场合多用合成标准不确定度来表示测量结果的分散性，但在许多领域，常要求用扩展不确定度来表示合成标准不确定度乘以包含因子给定的置信概率或置信水平第四十页，共69页。包含因子的确定方法自由度法超越系数法简易法扩展不确定度表示方法中，关键是确定包含因子常用方法第四十一页，共69页。自由度法有效自由度置信水平，常取95%或99%扩展不确定度近似按下两式表示包含因子可取为当足够大时,或第四十二页，共69页。　设　　　　　　　　　　，输入量　、　、　服从正态分布，分别用独立重复测量了　=10、　=5、　=15次的算术平均值　、　和　作为它们的估计值，相对标准不确定度分别为　　　=0.25%、　　　=0.57%、　　　=0.82%，试计算相对合成标准不确定度、有效自由度和扩展不确定度（置信水平为95%）。【解】根据合成标准不确定度的计算公式，得第四十三页，共69页。由于则根据有效自由度计算查t分布表得最后得相对扩展不确定度第四十四页，共69页。超越系数法　当无法获得自由度信息，而大致知道测量分布且为对称分布时，可以根据分布的四阶矩（即超越系数）来确定其包含因子。合成分布的超越系数设有若干个不确定度分量，每个分量对应的分布均对称，其超越系数(可查表得到)，合成标准不确定度为算得后，再查表，即可得合成分布的包含因子第四十五页，共69页。　已知影响某测量结果的有六个主要的不确定度源，其分布及大小见下表所示。假设它们之间相互独立，试按置信水平　　　，估计其扩展不确定度。序号分布区间半宽度分布因子标准差超越系数1均匀0.061.710.0351－1.22均匀0.321.710.187－1.23均匀0.501.710.292－1.24反正弦0.631.410.447－1.55反正弦0.561.410.397－1.56正态0.100合成结果1.62.320.699－0.45第四十六页，共69页。【解】根据各自所服从的分布和给定的区间半宽度，获得分布因子和标准差，以及超越系数，列于上表（加红字）。合成标准不确定度超越系数根据　　　，查超越系数表，并插值计算得　　　，最后，得扩展不确定度第四十七页，共69页。简易法不知道　自由度和有关合成分布的信息，被测量值的估计区间及其置信水平。怎么办？取包含因子k=2或3简易法第四十八页，共69页。　用卡尺对某工件直径重复测量了三次，结果为15.125，15.124和15.127mm。试写出其测量的最佳估计值和测量重复性。已知该卡尺的产品合格证书上标明其最大允许误差为0.025mm，假设测量服从三角分布（置信因子取　），估计其不可信赖程度为25%。试表示其测量结果。【解】（1）计算算术平均值和测量重复性因　　　，用极差法估计s，有第四十九页，共69页。计算算术平均值的标准偏差，即多次测量的重复性（3）用B类评定方法估计测量不确定度分量之二（4）求合成标准不确定度（2）用A类评定方法估计测量不确定度分量之一第五十页，共69页。自由度法其不可信赖程度为25%，卡尺允许误差极限分量的自由度为重复测量分量的自由度为则有效自由度扩展不确定度第五十一页，共69页。重复测量分量服从正态分布，有卡尺允许误差极限分量服从三角分布，查表有计算超越系数按　　　　，查超越系数表得　　　扩展不确定度简易法取　　　，有超越系数法第五十二页，共69页。第六节　测量结果表示方法一个完整的测量结果被测量的最佳估计值，一般由算术平均值给出有关测量不确定度的信息第五十三页，共69页。测量不确定度用合成标准不确定度表示合成标准不确定度自由度测量不确定度用扩展不确定度表示扩展不确定度U合成标准不确定度自由度包含因子置信水平＋＋＋＋＋第五十四页，共69页。１、合成标准不确定度表示方式某标准砝码的质量　，其测量的估计值　　　　　合成标准不确定度　　　　　，自由度(1)，或，(2)(3)括号内的数值按标准差给出，其末位与测量结果的最低位对齐括号内的数值按标准差给出，单位同测量结果一样第五十五页，共69页。2、扩展不确定度表示方式某标准砝码的质量　，其测量的估计值　　　　合成标准不确定度　　　　　，自由度　　包含因子　　　，扩展不确定度或或或第五十六页，共69页。包含因子　　　或或扩展不确定度第五十七页，共69页。数字位数与数据修约规则在表示测量结果时，究竟取几位数字为好呢？总结以下原则(1)最后报告的不确定度有效位数一般不超过两位多余部分推荐当保留两位有效数字时，按“不为零即进位”；0.001101　0.0012修约后的不确定度数值的位数对齐(2)被测量的估计值的位数也要进行相应的修约第五十八页，共69页。测量结果的最终表示在最终表示测量结果的场合，规范和完整的表示方式有以下两种：（1）区间半宽度表示方式：测量结果=最佳估计值±测不准部分（单位）（置信水平，自由度）（2）标准偏差表示方式：测量结果=最佳估计值（测不准部分）（单位）（自由度）第五十九页，共69页。用数字电压表测量某直流电压问题　　用数字电压表在标准条件下对10伏直流电压进行了10次测量，得到10个数据如下表所示。由该数字电压表的检定证书给出，其示值误差按3倍标准差计算为3.510-6V。同时，在进行电压测量前，对数字电压表进行了24小时的校准，在10V点测量时，24小时的示值稳定度不超过15µV。试分析评定对该10伏直流电压量的测量结果。1234567891010.00010710.00010310.00009710.00011110.00009110.00010810.00012110.00010110.00011010.000094第六十页，共69页。计算最佳估计值10次电压测量的算术平均值分析测量不确定度来源（3）数字电压表测量重复性引起的不确定度u3（1）数字电压表示值稳定度引起的不确定度u1（2）数字电压表示值误差引起的不确定度u2【解】第六十一页，共69页。　24小时的示值稳定度不超过15µV。按均匀分布考虑，其置信因子为　　，则得标准不确定度分量　给出示值稳定度的数据可靠，按不可靠性10%考虑，取其自由度（1）数字电压表示值稳定度引起的不确定度分量u1第六十二页，共69页。（2）数字电压表示值误差引起的不确定度分量u2　示值误差按3倍标准差计算为　　　　故在10V点测量时，由其引起的标准不确定度分量由检定证书给出的示值误差数据可靠，取其自由度第六十三页，共69页。（3）电压测量重复性引起的不确定度分量u3贝塞尔公式计算标准差算术平均值的标准差算术均值为测量结果重复性引起的不确定度分量其自由度第六十四页，共69页。根据韦尔奇-萨特思韦特公式，其有效自由度为由于不确定度分量u1、u2、u3相互独立，它们之间的相关系数为0。根据合成标准不确定度的计算公式得第六十五页，共69页。计算扩展不确定度取置信概率为99%，包含因子故该电压测量结果的扩展不确定度测量结果报告用数字电压表测量该直流电压的结果第六十六页，共69页。例2：用5位半的数字多用表对1MΩ的电阻进行测量。该数字表的最大允许误差为：±（0.005%×读数+3×最低位数值）；在室温下对电阻重复10次测量，测量数据为：999.31，999.41，999.59，999.26，999.54，999.23，999.14，999.06，999.92，999.62（单位：Ω），求该测量不确定度（K=2).第六十七页，共69页。10次测量结果为：Ω标准不确定度评定1）A类评定ΩΩ2）B类评定ΩΩ第六十八页，共69页。3）合成标准不确定度kΩ4）扩展不确定度U=kuc=2×0.094=0.188kΩ≈0.2kΩ5）测量结果报告R=(999.4±0.2)kΩ第六十九页，共69页。