测量不确定度评定培训讲演稿-经典.ppt
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1、测量不确定度评 定,1,第一节 引 言,一、正确表示不确定度的意义 测量不确定度表明了测量结果的质量,质量愈高不确定度愈小,测量结果的使用价值愈高;质量愈差不确定度愈大,使用价值愈低。在检测校准工作中,没有不确定度的测量结果不具备使用价值。测量结果是否有用,在很大程度上取决于测量不确定度的大小,报告测量结果的同时必须报告不确定度,才是完整的和有意义的。,2,二、不确定度的发展过程,1963年,NBS(NIST)提出测量不确定度概念。1978年国际计量局(BIPM)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)。1986
2、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。,美国技术标准研究院,3,二、不确定度的发展过程,1993年出版了测量不确定度表示与指南(Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement,简称GUM)。1995年进行了修订和重印 1999年国家质量技术监督局批准发布了JJF 1059-1999 测量不确定度评定与表示,该 规范原则上等同采用了GUM的基本内容。2008年ISO/IEC Guide 98-3:2008。,4,二、不确定度的发展过程,CNAS-CL06:2006 量值溯源要求;CNAS-CL07
3、:2006 测量不确定度评估和报告通用要求;CNAS-GL06:2006化学分析中不确定度的评估指南(等同采用EURACHEM);CNAS-GL07:2006EMC检测领域不确定度的评估指南;CNAS-GL08:2006电器领域不确定度的评估指南;CNAS-GL09:2006校准领域不确定度的评估指南(等同采用EA04)。,5,二、不确定度的发展过程,测量不确定度的处理是由误差处理方法(有时称“传统方法”或“真值方法”)演变成不确定度处理方法的。虽然对误差方法并没有确定的描述,但通常理解为,最终可以用与被测量定义相一致的单一真值来描述被测量。在误差方法中,测量目的是要确定尽可能接近该单一真值的
4、量值。由于“误差”的存在,误差方法认为仪器和测量并不能产生该真值,“误差”分为系统的和偶然,并假定这两类误差总是可以被识别的。在“误差传递”中,必须对它们做不同的处理,但是,通常没有一种一致的规则能将它们合成而构成给定测量结果的总误差。通常只能估计总误差绝对值的上限,并不精确地称之为“不确定度”。,6,二、不确定度的发展过程,在CIMP建议书INC1(1980)不确定度表示中提出不确定度分量应分为A和B两类,无论是用统计方法评定还是用其他方法评定,并且也用方差来处理B类分量而将它们合成。在GUM(测量不确定度表示指南)(1993,修订版1995)中,详述了不确定度方法的观念,在假设被测量能用概
5、念上的单一值来表征的前提下,着重于通过一个显式测量模型进行测量不确定度的数学处理。此外,在GUM以及在IEC的文件中,对已校准的仪器的单次读数提供了关于不确定度方法的指导,这是工业计量中通常遇到的一种情况。,7,二、不确定度的发展过程,在不确定度方法中,测量目的不是要确定一个尽可能接近真值的值。恰恰相反,在不确定度方法中,假定由测量信息只可能赋予被测量值一个区间。增加相关的信息可以减小合理地赋予被测量的这组值。但是,因为被测量的定义所固有的细节的有限说明,即使是最精细的测量也不能将该区间缩小到单一值;因此定义不确定度(definitional uncertainty)就对任何测量的不确定度固定
6、了一个最小范围。该范围中的一个值可以用于表征这个区间,这个值称之为“被测量量值”。,8,二、不确定度的发展过程,在GUM中,相对于被研究的测量不确定度,认为定义不确定度可以忽略。因此可以用一个概念上的单一值表示被测量(数学期望/平均值)。这样,测量的目的就是建立一种可能性,依据可以由测量得到的信息使概念上的单一值落在被测量量值的区间内。在GUM中,为了阐明测量目的而保留了真值的概念,但认为形容词“真”是多余的。因约定俗成,故在通常的应用中保留了该术语及其概念。,9,测量不确定度表明了这样一个事实,对给定的被测量和给定的被测量的测量结果,存在的不是一个值,而是分散在测量结果附近的无穷多个值,这些
7、值是与所有观测值和数据以及人们对物理世界的认识相一致的,并按不同的置信程度可以赋予被测量的。不确定度是一个区间,所以,GUM这样定义测量不确定度:“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”。20多年来的实践使人们对不确定度有了更进一步地认识,不确定度不仅用于表征测量结果,如“定义不确定度”。所以,3rd VIM(ISO/IEC GUIDE 99)的不确定度定义为“基于所用信息表征赋予被测量之量值的分散性,是非负的参数”。,10,三、不确定度的主要应用领域,(1)建立国家计量基准、标准及国际比对;(2)标准物质、标准参考数据;(3)测量方法、检定规程、校准规范等;(4)科学研究
8、及工程领域的测量;,11,三、不确定度的主要应用领域,(5)计量认证、计量确认、质量认证以及实 验室认可;(6)测量仪器的校准和检定;(7)生产过程的质量保证以及产品检验测试;(8)贸易结算、医疗卫生、安全防护、环境 监测及资源测量。,12,CNAS-CL07:2006 测量不确定度评估和报告通用要求,对于校准实验室,其测量不确定度的评定程序和方法应符合有关规定,对用于校准和自校准所建立的计量标准和校准方法均须提供测量不确定度评定评估报告,对承担量值传递的标准和仪器设备,应在其校准证书上报告测量不确定度。检测实验室必须建立测量不确定度的评定评估程序。对于不同的检测项目和检测对象,可以采用不同的
9、评定评估方法。检测实验室应有能力对每一项有数值要求的测量结果进行测量不确定度评定评估,13,四、名词术语,1 量 quantity 可用一个数和一个参考量(reference)表示大小的现象、物体或物质的属性。【注】参考量(reference)可以是某个测量单位、测量程序或标准物质。,14,2 量值 quantity value;value of a quantity;value 用一个数和一个参考量(reference)表示的量的大小。【例】某杆的长度:5.34m或534cm;某物体的质量:0.152kg或152g。【注】根据参考量的类型,量值可以是:数和测量单位的乘积;对于量纲为1的量,单
10、 位1通常是不写出的;相对于测量程序的数和参考量(reference);数和参考物质。,15,3 量的真值 true quantity value,true value of quantity 与量的定义一致的量值。【注1】在描述测量的误差处理方法中,认为真值是单一的,实际上是不可知的。不确定度处理方法认为,由于一个量的定义细节的固有局限性,不存在单一真值,只存在与定义一致的一组真值。还有一些方法认为,完全不需要真值的概念,而是依赖测量结果的计量学兼容性概念来评价其有效性。【注2】对基本常量的特殊情况,可以认为量具有单一真值。【注3】在被测量的定义不确定度与测量不确定度的其它分量相比可忽略时,
11、可以认为被测量具有“概念上单一”的量值。这就是GUM采用的方法,而“真”字认为是多余的。,16,4 约定量值 conventional quantity value 为某种用途通过协议赋予某量的量值。【例1】标准自由落体加速度(以前称标准重力加速度)gn=9.80665 ms2。【例2】约瑟夫逊常量的约定量值 KJ-90=483597.9 GHz V1。【例3】某质量标准的约定量值 m=100.00347kg。【注1】术语“约定真值”有时用于此概念,但不鼓励使 用。【注2】约定量值仅是真值的估计值。【注3】约定量值通常被认为具有适当小(可能为零)的 测量不确定度,17,5 被测量 measur
12、and 欲测量的量。【注1】被测量的详细说明需要有量类(kind of quantity)的知 识,量的现象、物体或物质状态的描述,包括相关的组 分,以及所涉及的化学基体描述。【注2】在第2版VIM和IEC60050-300:2001中,被测量定义为“作为测量对象的特定量”。【注3】测量(包括测量系统和进行测量的测量条件)可能会改变 测量中的量的现象、物体和物质,使其不同于定义的被 测量。在这种情况下,适当的修正是必须的。【例】当用具有足够大内部电导的电压表测量干电池两极之 间的电位差时,可能会降低电位差。开路电位差可从 干电池和电压表的内阻计算得到。【注4】在化学领域,物质或化合物的“分析”
13、或名称,有时被用 作“被测量”的术语。这种用法是不正确的,因为这些术 语未涉及到量。,18,6 测量结果 measurement result,result of measurement 赋予被测量的一组量值以及其它适用的相关信息。【注1】测量结果通常包含一组量值的“相关信息”,其中有一些更适宜表示被测量。它可用概率 密度函数(PDF)的形式表示。【注2】测量结果通常表示为单个被测量量值和测量 不确定度。对于某些用途而言,如果认为测 量不确定度可以忽略不计,则测量结果可以 表示为单个被测量量值。在许多领域中这是 表示测量结果的通用方式。【注3】在传统文献和VIM的早期版本中,测量结果 定义为赋
14、予被测量的值,并根据上下文解释 说明是示值、未修正结果或已修正结果。,19,7 测量准确度 measurement accuracy 测量值与被测量真值之间的一致程度。【注1】“测量准确度”这个概念不是一个量,不给出 量的数值。当某测量提供较小的测量误差时 就说该测量更准确。【注2】术语“测量准确度”不应用于“测量正确度”,也不应将“测量精密度”用于“测量准确度”,但是测量准确度还是与这些概念有关的。【注3】“测量准确度”有时被理解为赋予被测量的“各 测量值”之间的一致程度。,20,8 测量正确度 measurement trueness,trueness of measurement 正确度
15、 trueness 无穷多次重复测量的测量平均值与参考量值之间的一致程度。【注1】测量正确度不是一个量,不能用数值表示,ISO 5725说明了如何衡量一致程度。【注2】测量正确度反过来说明系统测量误差,但不 涉及随机测量误差。【注3】测量正确度不能用于“测量准确度”,反之亦 然。,21,9 测量精密度 measurement precision 精密度 precision 在规定条件下,重复测量相同或类同被测对象所得示值或测得量值之间的一致程度。【注1】测量精密度在数值上通常用不精密度表示,诸如规定 测量条件下的标准偏差、方差或变异系数。【注2】“规定条件”可以是测量的重复性条件,期中测量精密
16、 度条件或测量复现性条件(参见ISO 5725-5:1998)。【注3】测量精密度用于定义重复性,期中测量精密度或测量 复现性。【注4】有时“精密度”被错误地用于表示测量准确度。,22,10 重复性测量条件 repeatability condition of measurement 重复性条件 repeatability condition 包括相同测量程序、相同操作者、相同测量系统、相同工作条件和相同地点,以及在短时间内对相同或类同被测对象重复测量的一组条件表示的测量条件。【注1】测量条件是重复性条件仅指相对于一组规定 的重复性条件。【注2】在化学中,使用术语“内在精密测量条件(intra
17、-serial precision condition of measurement)”表示此概念。,23,11 复现性测量条件 reproducibility condition of measurement 复现性条件 reproducibility condition 包括不同地点、操作者、测量系统,以及对相同或类同被测对象重复测量的一组条件表示的测量条件。【注1】不同测量系统可以使用不同测量程序。【注2】在技术规范中应给出改变的和不变的 条件以及改变到什么程度。,24,12 测量重复性 measurement repeatability 重复性 repeatability 一组重复性测
18、量条件下的测量精密度。13 测量复现性 measurement reproducibility 复现性 reproducibility 复现性测量条件下的测量精密度。【注】ISO 5725-2:1998给出了相关的统计术语。,25,14 测量不确定度 measurement uncertainty基于所用信息表征赋予被测量之量值的分散性,是非负的参数。【注1】测量不确定度包括系统效应引起的分量,诸如与修正 量和测量标准所赋量值有关的,以及与定义不确定度有 关的分量。有时不对估计的系统效应进行修正,而是构 成相关的不确定度分量。【注2】此参数可以是诸如称为标准测量不确定度的标准偏差(或其倍数),
19、或者是说明了包含概率的区间半宽度。【注3】通常,测量不确定度由多个分量组成。其中一些分量 可以采用测量不确定度A类评定,由测量列量值的统计 分布评定,并用标准偏差表征。而另一些分量可以采用 测量不确定度B类评定,根据经验或其它信息的概率密 度函数评定,也可用标准偏差表征。【注4】通常,对于一组给定的信息,需要了解有关的赋予被 测量之量值的测量不确定度。该量值的变更将引起与其 有关的不确定度的变更。,26,15 测量不确定度A类评定 Type A evaluation of measurement uncertainty A类评定 Type A evaluation 通过对规定测量条件下获得的测
20、得量值的统计分析评定测量不确定度分量。【注1】各种类型的测量条件见测量的重复性条件,中 间测量精密度条件和测量复现性条件。【注2】关于统计分析的资料可参见ISO/IEC Guide 98-3:2008(GUM)。【注3】A类评定也参见ISO/IEC Guide 98-3:2008(GUM),;ISO 5725;ISO 13528;ISO/TS 21748;ISO 21749。,27,16 测量不确定度B类评定 Type B evaluation of measurement uncertainty B类评定 Type B evaluation 用不同于测量不确定度A类评定的方法评定测量不确定度
21、分量。【例】评定依据的有关信息:权威机构发布的量值,有证参考物质的量值,校准证书,漂移,经检定的测量仪器的准确度等级,人员经验给出的极限值。【注】B类评定定义参见ISO/IEC Guide 98-3:2008(GUM),。,28,17 标准测量不确定度 standard measurement uncertainty 测量标准不确定度 standard uncertainty of measurement 标准不确定度 standard uncertainty 用一倍标准偏差表示的测量不确定度。,29,18 合成标准测量不确定度 combined standard measurement un
22、certainty 合成标准不确定度 combined standard uncertainty 由测量模型中各输入量有关的标准测量不确定度获得的标准测量不确定度。【注】在测量模型中输入量相关的情况下,在 计算合成标准不确定度时还应考虑协方 差。合成标准不确定度,也见ISO/IEC Guide 98-3:2008(GUM),。,30,19 相对标准测量不确定度 relative standard measurement uncertainty 用被测量量值的绝对值除标准测量不确定度。20 不确定度预估 uncertainty budget 测量不确定度的说明,包括测量不确定度的分量及它们的计算
23、和合成。【注】不确定度预估应该包括测量模型、估算,以及测 量模型中各个量的测量不确定度、协方差、应用 的概率密度函数的类型、自由度、测量不确定度 评定的类型和包含因子。,31,21 扩展测量不确定度 expanded measurement uncertainty 扩展不确定度 expanded uncertainty 合成标准不确定度与一个大于1的因子的乘积。【注1】该因子与测量模型输出量的概率分布类型和 所选择的包含概率有关。【注2】在本定义中术语“因子”是指包含因子。【注3】扩展不确定度在INC-1(1980)建议书(参 见GUM)的第5节中称为“总不确定度”,IEC文件中简称“不确定度
24、”。,32,22 包含区间 coverage interval 基于有用信息,具有说明了概率的被测量的一组真值所包含的区间。【注1】包含区间不须要以测得量值为中心。参见 ISO/IEC Guide 98-3:2008(GUM)/补充材料1。【注2】包含区间不应该称为“置信区间”,以避免与统 计学概念混淆。参见ISO/IEC Guide 98-3:2008(GUM),。【注3】包含区间可以由扩展不确定度导出。参见 ISO/IEC Guide 98-3:2008(GUM),。,33,23 包含概率 coverage probability 在规定的包含区间内包含一组被测量真值的概率。【注1】本定义
25、适用于GUM中表述的不确定度方法。【注2】包含概率在GUM中又称为“置信水准”。24 包含因子 coverage factor 为求得扩展不确定度,对合成标准不确定度所乘的大于1的数。【注】包含因子通常用符号k表示(见)。,34,25 自由度 degrees of freedom 在方差计算中,和的项数减去对和的限制数。【注1】在重复条件下对测量作n次独立测量时的样本方差为,其中残差为,。因此,和的项数即为残差的个数 n,而是一个约束条件,即限制数为1。由此可得自由 度vn1。【注2】当测量所得n组数据用t个未知数按最小二乘法确定经 验模型时,自由度vnt。【注3】自由度反映相应实验标准差的可
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