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測(cè)量投影儀的測(cè)量不確定度

測(cè)量不確定度是指“表征合理地賦予被測(cè)量之值的分散性，與測(cè)量結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù)”。

　　這個(gè)定義中的“合理”，意指應(yīng)考慮到各種因素對(duì)測(cè)量的影響所做的修正，特別是測(cè)量應(yīng)處于統(tǒng)計(jì)控制的狀態(tài)下，即處于隨機(jī)控制過程中。也就是說，測(cè)量是在重復(fù)性條件(見JJG1001－1998《通用計(jì)量術(shù)語及定義》第56條，本文××條均指該規(guī)范的條款號(hào))或復(fù)現(xiàn)性條件(見57條)下進(jìn)行的，此時(shí)對(duì)同一被測(cè)量做多次測(cè)量，所得測(cè)量結(jié)果的分散性可按58條的貝塞爾公式算出，并用重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)〔偏〕差sr或復(fù)現(xiàn)性標(biāo)準(zhǔn)〔偏〕差sR表示。

　　定義中的“相聯(lián)系”，意指測(cè)量不確定度是一個(gè)與測(cè)量結(jié)果“在一起”的參數(shù)，在測(cè)量結(jié)果(見51條)的完整表示中應(yīng)包括測(cè)量不確定度。

　　測(cè)量不確定度從詞義上理解，意味著對(duì)測(cè)量結(jié)果可信性、有效性的懷疑程度或不肯定程度，是定量說明測(cè)量結(jié)果的質(zhì)量的一個(gè)參數(shù)。實(shí)際上由于測(cè)量不完善和人們的認(rèn)識(shí)不足，所得的被測(cè)量值具有分散性，即每次測(cè)得的結(jié)果不是同一值，而是以一定的概率分散在某個(gè)區(qū)域內(nèi)的許多個(gè)值。雖然客觀存在的系統(tǒng)誤差是一個(gè)不變值，但由于我們不能完全認(rèn)知或掌握，只能認(rèn)為它是以某種概率分布存在于某個(gè)區(qū)域內(nèi)，而這種概率分布本身也具有分散性。測(cè)量不確定度就是說明被測(cè)量之值分散性的參數(shù)，它不說明測(cè)量結(jié)果是否接近真值。

　　為了表征這種分散性，測(cè)量不確定度用標(biāo)準(zhǔn)〔偏〕差表示。在實(shí)際使用中，往往希望知道測(cè)量結(jié)果的置信區(qū)間，因此，在本定義注1中規(guī)定：測(cè)量不確定度也可用標(biāo)準(zhǔn)〔偏〕差的倍數(shù)或說明了置信水準(zhǔn)的區(qū)間的半寬度表示。為了區(qū)分這兩種不同的表示方法，分別稱它們?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度。

　　在實(shí)踐中，測(cè)量不確定度可能來源于以下10個(gè)方面：

　　(1)對(duì)被測(cè)量的定義不完整或不完善；

　　(2)實(shí)現(xiàn)被測(cè)量的定義的方法不理想；

　　(3)取樣的代表性不夠，即被測(cè)量的樣本不能代表所定義的被測(cè)量；

　　(4)對(duì)測(cè)量過程受環(huán)境影響的認(rèn)識(shí)不周全，或?qū)Νh(huán)境條件的測(cè)量與控制不完善；

　　(5)對(duì)模擬儀器的讀數(shù)存在人為偏移；

　　(6)測(cè)量?jī)x器的分辨力或鑒別力不夠；

　　(7)賦與計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的值和參考物質(zhì)(標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì))的值不準(zhǔn)；

　　(8)引用于數(shù)據(jù)計(jì)算的常量和其它參量不準(zhǔn)；

　　(9)測(cè)量方法和測(cè)量程序的近似性和假定性；

　　(10)在表面上看來完全相同的條件下，被測(cè)量重復(fù)觀測(cè)值的變化。

　　由此可見，測(cè)量不確定度一般來源于隨機(jī)性和模糊性，前者歸因于條件不充分，后者歸因于事物本身概念不明確。這就使得測(cè)量不確定度一般由許多分量組成，其中一些分量可以用測(cè)量列結(jié)果(觀測(cè)值)的統(tǒng)計(jì)分布來進(jìn)行估算，并且以實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)〔偏〕差(見58條)表征；而另一些分量可以用其它方法(根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或其它信息的假定概率分布)來進(jìn)行估算，并且也以標(biāo)準(zhǔn)〔偏〕差表征。所有這些分量，應(yīng)理解為都貢獻(xiàn)給了分散性。若需要表示某分量是由某原因?qū)е聲r(shí)，可以用隨機(jī)效應(yīng)導(dǎo)致的不確定度和系統(tǒng)效應(yīng)導(dǎo)致的不確定度，而不要用“隨機(jī)不確定度”和“系統(tǒng)不確定度”這兩個(gè)業(yè)已過時(shí)或淘汰的術(shù)語。例如：由修正值和計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)帶來的不確定度分量，可以稱之為系統(tǒng)效應(yīng)導(dǎo)致的不確定度。

　　不確定度當(dāng)由方差得出時(shí)，取其正平方根。當(dāng)分散性的大小用說明了置信水準(zhǔn)的區(qū)間的半寬度表示時(shí)，作為區(qū)間的半寬度取負(fù)值顯然也是毫無意義的。當(dāng)不確定度除以測(cè)量結(jié)果時(shí)，稱之為相對(duì)不確定度，這是個(gè)無量綱量，通常以百分?jǐn)?shù)或10的負(fù)數(shù)冪表示。

　　在測(cè)量不確定度的發(fā)展過程中，人們從傳統(tǒng)上理解它是“表征(或說明)被測(cè)量真值所處范圍的一個(gè)估計(jì)值(或參數(shù))”；也有一段時(shí)期理解為“由測(cè)量結(jié)果給出的被測(cè)量估計(jì)值的可能誤差的度量”。這些曾經(jīng)使用過的定義，從概念上來說是一個(gè)發(fā)展和演變過程，它們涉及到被測(cè)量真值和測(cè)量誤差這兩個(gè)理想化的或理論上的概念(實(shí)際上是難以操作的未知量)，而可以具體操作的則是現(xiàn)定義中測(cè)量結(jié)果的變化，即被測(cè)量之值的分散性。 早在七十年代初，國(guó)際上已有越來越多的計(jì)量學(xué)者認(rèn)識(shí)到使用“不確定度”代替“誤差”更為科學(xué)，從此，不確定度這個(gè)術(shù)語逐漸在測(cè)量領(lǐng)域內(nèi)被廣泛應(yīng)用。1978年國(guó)際計(jì)量局提出了實(shí)驗(yàn)不確定度表示建議書INC-1。1993年制定的《測(cè)量不確定度表示指南》得到了BIPM、OIML、ISO、IEC、IUPAC、IUPAP、IFCC
            七個(gè)國(guó)際組織的批準(zhǔn)，由ISO出版，是國(guó)際組織的重要權(quán)威文獻(xiàn)。我國(guó)也已于1999年頒布了與之兼容的測(cè)量不確定度評(píng)定與表示計(jì)量技術(shù)規(guī)范。至此，測(cè)量不確定度評(píng)定成為檢測(cè)和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室必不可少的工作之一。由于測(cè)量不確定度的理論較新，在理解上有一定難度。本文就不確定度的一些特點(diǎn)進(jìn)行討論。
                一、測(cè)量結(jié)果是一個(gè)區(qū)域
               
            測(cè)量的目的是為了確定被測(cè)量的量值。測(cè)量結(jié)果的品質(zhì)是量度測(cè)量結(jié)果可信程度的重要的依據(jù)。測(cè)量不確定度就是對(duì)測(cè)量結(jié)果質(zhì)量的定量表征，測(cè)量結(jié)果的可用性很大程度上取決于其不確定度的大小。所以，測(cè)量結(jié)果表述必須同時(shí)包含賦予被測(cè)量的值及與該值相關(guān)的測(cè)量不確定度，才是完整并有意義的。
               
            表征合理地賦予被測(cè)量之值的分散性、與測(cè)量結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù)，稱為測(cè)量不確定度。字典中不確定度（uncertainty）的定義為“變化、不可靠、不確知、不確定”。因此，廣義上說，測(cè)量不確定度意味著對(duì)測(cè)量結(jié)果可信性、有效性的懷疑程度或不肯定程度。實(shí)際上，由于測(cè)量不完善和人們認(rèn)識(shí)的不足，所得的被測(cè)量值具有分散性，即每次測(cè)得的結(jié)果不是同一值，而是以一定的概率分散在某個(gè)區(qū)域內(nèi)的多個(gè)值。雖然客觀存在的系統(tǒng)誤差是一個(gè)相對(duì)確定的值，但由于我們無法完全認(rèn)知或掌握它，而只能認(rèn)為它是以某種概率分布于某區(qū)域內(nèi)的，且這種概率分布本身也具有分散性。測(cè)量不確定度正是一個(gè)說明被測(cè)量之值分散性的參數(shù)，測(cè)量結(jié)果的不確定度反映了人們?cè)趯?duì)被測(cè)量值準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)方面的不足。即使經(jīng)過對(duì)已確定的系統(tǒng)誤差的修正后，測(cè)量結(jié)果仍只是被測(cè)量值的一個(gè)估計(jì)
            值，這是因?yàn)?，不僅測(cè)量中存在的隨機(jī)效應(yīng)將產(chǎn)生不確定度，而且，不完全的系統(tǒng)效應(yīng)修正也同樣存在不確定度。
                原來流量量傳體系中要求上一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)器的允許誤差需小于下一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)器的1/2～
            1/3，不確定度理論的發(fā)展使得大家認(rèn)可測(cè)量結(jié)果的不確定度按不確定度評(píng)定方法進(jìn)行分析，當(dāng)被測(cè)儀器重復(fù)性很好且測(cè)量過程得到較好控制時(shí)，兩級(jí)標(biāo)準(zhǔn)器不確定度的差異可能會(huì)相差無幾，這樣就大大減少了傳遞過程中精度的損失，使得量值傳遞體系更為合理。
                二、不確定度與誤差
               
            概率論、線性代數(shù)和積分變換是誤差理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，誤差理論已自成體系。實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差是分析誤差的基本手段，也是不確定度理論的基礎(chǔ)。因此從本質(zhì)上說不確定度理論是在誤差理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其基本分析和計(jì)算方法是共同的。但在概念上存在比較大的差異。
               
            測(cè)量不確定度表明賦予被測(cè)量之值的分散性，是通過對(duì)測(cè)量過程的分析和評(píng)定得出的一個(gè)區(qū)間。測(cè)量誤差則是表明測(cè)量結(jié)果偏離真值的差值。經(jīng)過修正的測(cè)量結(jié)果可能非常接近于真值（即誤差很?。捎谡J(rèn)識(shí)不足，人們賦予它的值卻落在一個(gè)較大區(qū)間內(nèi)（即測(cè)量不確定度較大）。測(cè)量不確定度與測(cè)量誤差在概念上有許多差異.
                三、不確定度的A類評(píng)定與B類評(píng)定
               
            用對(duì)觀測(cè)列的統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)行評(píng)定得出的標(biāo)準(zhǔn)不確定度稱為A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度，用不同于對(duì)觀測(cè)列的統(tǒng)計(jì)分析來評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)不確定度稱為B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度。將不確定度分為“A”類與“B”類，僅為討論方便，并不意味著兩類評(píng)定之間存在本質(zhì)上的區(qū)別，A類不確定度是
            由一組觀測(cè)得到的頻率分布導(dǎo)出的概率密度函數(shù)得出：B類不確定度則是基于對(duì)一個(gè)事件發(fā)生的信任程度。它們都基于概率分布，并都用方差或標(biāo)準(zhǔn)差表征。兩類不確定度不存在那一類較為可靠的問題。一般來說，A類比B類較為客觀，并具有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的嚴(yán)格性。測(cè)量的獨(dú)立性、是否處于統(tǒng)計(jì)控制狀態(tài)和測(cè)量次數(shù)決定A類不確定度的可靠性。
               
            “A”、“B”兩類不確定度與“隨機(jī)誤差”與“系統(tǒng)誤差”的分類之間不存在簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系。“隨機(jī)”與“系統(tǒng)”表示誤差的兩種不同的性質(zhì)，“A”類與“B”類表示不確定度的兩種不同的評(píng)定方法。隨機(jī)誤差與系統(tǒng)誤差的合成是沒有確定的原則可遵循的，造成對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理時(shí)的差異和混亂。而A類不確定度與B類不確定度在合成時(shí)均采用標(biāo)準(zhǔn)不確定度，這也是不確定度理論的進(jìn)步之一。