測量不確定度理解與應用(yòng)(五)
測(cè)量不確(què)定度評定在不同應用(yòng)中的差別
講授人:中(zhōng)國計量科學研究院研究員 倪育才
測量不確(què)定度評定的應用範圍很廣。對於不同的場合和不同(tóng)的要求,測量不確定度評定的原理和步(bù)驟是(shì)相(xiàng)同的,但在具體細節上會稍有差別。
1.特定測量結果的不確定度評定
評定一(yī)個已經得到的特定測量結果的不確定度,這是測(cè)量不確定度評定(dìng)最基本的情況。由於測量已經完成(chéng),測量結果(guǒ)也已經得到,因此在(zài)這種情況下的測量對象、測量(liàng)儀器、測量方法、測量條件、測量人(rén)員、測量和數據處理程(chéng)序等都(dōu)是已經確定(dìng)而不能改變(biàn)的。如果對同一測量(liàng)對象,用同樣的方(fāng)法和設備,並由相同的人員重新進行測量,則不僅測量結果可(kě)能會稍有不同,其(qí)測量(liàng)不(bú)確定度也可能會受測量條件改變的影響(xiǎng)而變化。由於這時要(yào)求得到該特定測(cè)量結果的不確(què)定度,因此(cǐ)不確定度評定應針對該特定測量(liàng)條件進行。所得到的測量不確定度(dù)是該特定測量結果的不確定度,一般不要將其用(yòng)於其他(tā)的同類測量中。
例如,對某一物體的長度進行(háng)測量,若測得(dé)被測物(wù)體和參考(kǎo)標準的溫度t=19.50℃,其測量不確(què)定(dìng)度為u(t)=0.02℃,在(zài)進行不確定度評定時,作為(wéi)主要影響量的溫度的估計值應取實際(jì)測得的溫度19.5℃,而其不確定度u(t)直(zhí)接取0.02℃。如果對該長(zhǎng)度重複進行測量,則由於溫度t的數值可能會發生變(biàn)化,因此從原則上說評定得到的不確定度也將不同。
2.常規(guī)測量的不確定度評定
在(zài)實際工作中,有許多測量是常規(guī)性的,例如量(liàng)具和測(cè)量儀器的檢定(dìng)和校準,以及質檢部(bù)門對一(yī)些大宗的材料或(huò)產品的檢驗,對(duì)於這類測量,測量儀(yí)器、測量方法(fǎ)和測量程序是固定不變(biàn)的;測量對(duì)象是類似(sì)的,並且滿足一定要求;測量人員可以不同,但均是經過培訓的合格人員;測(cè)量條件是由檢定規程、校準規範、國際標準(zhǔn)、國家標準或部門標準等技術文件規定的,測量過程就是(shì)在該重複性條件(jiàn)下進(jìn)行。一般說(shuō)來,這時的測量不確定度會(huì)受測量條件(jiàn)改(gǎi)變的影響。但由於測量條件已被限製在一定的範圍內,隻要滿(mǎn)足這一規定的條件,其測量不確定度就能滿(mǎn)足(zú)使用要(yào)求。對(duì)於這類常規的測量工作,進行(háng)測(cè)量不確定度評定(dìng)時應假(jiǎ)設其環境條件正好滿足所規定的合格條件。這樣評定得到的測量不確定度是在規定條件下可能(néng)得到的最大不(bú)確定(dìng)度。也就是說,在實際的測量中隻要測量條件滿足要求,測量不確定度肯定不會大於此值。通常就將此不確(què)定度提供給用戶,這樣做的好處是不必對(duì)每一個測量(liàng)結果單獨評定其不確定(dìng)度,除非用戶對測量不確定(dìng)度另有更高的要求。這時給出的測量不確定度並不是該實驗室所能達到(dào)的(de)最小不(bú)確定度,而是(shì)在常規測量中至少可(kě)以達到的測量不確定度。在建立計量標準時,JJF1033-2001《計(jì)量標(biāo)準考(kǎo)核規範(fàn)》規定,應在《計量標準技(jì)術報告》中給出這一不確定度。
在上例中,如果被測物體(tǐ)是量塊,並且(qiě)進(jìn)行的是量塊的常規檢(jiǎn)定,若技(jì)術文件(jiàn)規定該測量的溫度條件是20℃±1℃,於是在進行測量不確定(dìng)度評定時,作為主(zhǔ)要(yào)影響量溫度的測量不確定度應(yīng)根據上述溫度條件20℃±1℃,並由假(jiǎ)定的概率分布(例如矩形分布)通過B類評定得到。
3.評(píng)定實驗室的校準測量能力
校準測量能力(calibration measurement capability)也稱為最(zuì)佳測量能(néng)力(best measurement capability,常(cháng)簡稱為BMC)。其定義為:“通常(cháng)提供(gòng)給用戶的最(zuì)高校準測量水平,它用包含因子k=2的擴展不確定度表示”。校(xiào)準測量能力是(shì)實驗室對於特定的測(cè)量任務可能達到的最小不確(què)定度。也就是說,當使用實驗室可能得到的最好測量設備,在可能達到的最佳測(cè)量條件下,它是對於性能最好的測量(liàng)對象(xiàng)所得到的測量不(bú)確定度。或者說,它是當不確定(dìng)度概算中所有(yǒu)的不確定度分量都達(dá)到可能的最小(xiǎo)值時,實驗室得到的測量不確定度。有時也用(yòng)合成標準不確(què)定(dìng)度uc,min表示對於該測量任務的校準測量能力。因此,校準測量能(néng)力表示實驗室可能達到的最高水平,但並(bìng)不表示實驗室在一般的常規校準中均能達到這一水平。在實驗室認可工作中,要求申請認可的實驗(yàn)室申報該實驗室的最佳測量能力,並應對實驗室申報的最佳測量能力進行認可。
在上例中,如果要得到(dào)量塊(kuài)的最(zuì)佳測(cè)量能力,則可假定其溫度狀態處於實驗(yàn)室內可能(néng)達到的最佳狀態,例如(rú)20.0℃±0.2℃,並由此估算由(yóu)溫度引入的(de)不確定度分量。
4.測量過程的設計和開發
在實際工作中,經常(cháng)會遇到測量過程的設計(jì)和開發問題。此時主要的(de)測(cè)量設備往往已(yǐ)經確(què)定,而且事先知道希望達到的(de)測量不確定度。通過不確定度管理程序,采用逐步逼近法對測量不確定度進行反複評定,可以得到不僅滿足所要求的測量不確定度,並且(qiě)也可得到在經(jīng)濟上比較(jiào)合理的(de)測量程序和至少應(yīng)滿足的測量條件。
也可以通過不確定度管理程(chéng)序,確定(dìng)所用的測量設備是否能滿足要求。
現以環規校準(zhǔn)為例,說明如何采用逐步逼近法來設計和開(kāi)發合適的測量過程。
(1)測量任務和(hé)目(mù)標不確定(dìng)度
測量任務為對Ф100mm×15mm環規的對稱平麵中確定方向的兩點直徑進(jìn)行校(xiào)準。目標不確定度為UT=1.5μm。
(2)測量原(yuán)理、測量方法、測量程序和測量條件
采用機械接(jiē)觸式(shì)測量機,與一標(biāo)稱直徑相(xiàng)同的參考環(huán)規進行(háng)比較。
假定臥式測量機的最大允許誤差為±0.6μm。測量中被測環(huán)規和參考環規之間的溫度差小於(yú)1℃。由重(chóng)複性測量得到,兩環規直徑差測量的標(biāo)準偏差為0.7μm。兩環規線膨脹係數之相對差假定小於10%。
(3)逐步逼近法
逐步逼近法一般包括至少兩次的各不確定度分量的重複評估。其中第(dì)一次評估是十(shí)分粗略、快速以(yǐ)及低成(chéng)本的,其(qí)目的是識別最大的(de)幾個不確定度分量。要確保每一(yī)個不確定度分量的大小隻允許高估,而不能(néng)低估(gū)。此後的每一(yī)次評估(gū)(如果有的話)則僅將最大幾(jǐ)個分量的“上界”重新進行更精確的評定,即(jí)適當降低高估的程度,以將不確定度的估計值(uc或U)減小到能被接受的程度。
(4)首次評估
在考慮了5項主要的不確定度分量後,得到首次評估的測(cè)量不確定度分量匯總表(在(zài)評定過程(chéng)中假(jiǎ)定轉換因子(zǐ)b等於包含因子k的倒數。對於U形分布、矩形分布(bù)和正態分布,取轉換因子(zǐ)b分別近似地為0.7,0.6和0.5。)。
由於首次評估得(dé)到的擴展不確定度(dù)UE1不滿(mǎn)足判據UE1<UT,因此還須進一步改進測量條件。由首次評估的不確定(dìng)度概算可知(zhī),最大的不確定度分(fèn)量為uTD,它是由兩環規之(zhī)間1℃的允許溫度差所引起(qǐ)的。因此解決的辦法(fǎ)是應該改進溫度的平衡狀態,這就(jiù)是說,要有更長的平衡溫(wēn)度時間(jiān),也許還應該采取更有效的隔熱,以防止裝卸和測量時操作人員體溫的(de)影響。在(zài)此情況下,減小其他(tā)不確定度分量對合成標準不確定度和擴展不確定度的影(yǐng)響,都幾乎不起作用。
兩環規之間的允許溫度差假定不超過0.5℃。
(5)第二次評估
將(jiāng)兩環(huán)規之間的允許溫度差由1℃改為0.5℃。表2給出第二次評估的不確定度概算匯總。
與首(shǒu)次評估相比,黑框內的分量已作(zuò)了(le)改變。由於第二次評估得(dé)到的不確定度UE2=1.46μm≤UT=1.5μm,表明目標不確定度已得到滿(mǎn)足(zú)。因此當兩環規之間的溫度差被限製在0.5℃以內後,該測量條件是合格的。
在采用(yòng)逐步逼近法並進行首次評估後,可以按照不確定度分量的相對大小(xiǎo),製定減小不確定度的策略。無疑,總是應該優先改(gǎi)進當時情(qíng)況下最大的不確(què)定度分量。隨著重複評估次數的增加,各不確(què)定度分量的高估程度將(jiāng)越來越低,其測量結(jié)果(guǒ)的不確定度將越來(lái)越小,直到滿足(zú)目標不確定度的要求。當然,也有可能到最後也無法滿足目標(biāo)不確定度的要求,這表明在目前的(de)測量條件下已無法達到當初(chū)確定的目標不確定度。這時有兩種解決辦法,改用(yòng)更好的(de)測量設備或降低目標不確定度。
采用逐步逼近法所得到(dào)的測量不確定度雖然不(bú)一定是本實驗(yàn)室所能得到的最小不確定度,但給出的測量條件卻是在經濟上最合理的。評定得到的測量不確定度應該小於目標不確定度,但不應(yīng)過分小於目標不確定度,否則在技術上雖然是可行的,但在經(jīng)濟上是不合理的。也就是說,為完成該任務所付出的(de)代價太大或者說測量的成(chéng)本太高。