實(shí)驗(yàn)室自校準(zhǔn)項(xiàng)目測(cè)量不確定度評(píng)定

【摘要】科學(xué)的測(cè)量不確定度的評(píng)定是對(duì)測(cè)量結(jié)果偏離真實(shí)值的程度進(jìn)行定量分析的過(guò)程。本文以檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室混凝土試模自校準(zhǔn)中，長(zhǎng)度的測(cè)量不確定度評(píng)定過(guò)程來(lái)分析在具體的評(píng)定過(guò)程中如何選取評(píng)定的分量、一些典型的分量如何評(píng)定計(jì)算。

【關(guān)鍵詞】測(cè)量不確定度；評(píng)定；自由度；擴(kuò)展不確定度；A類(lèi)評(píng)定、B類(lèi)評(píng)定

檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室為了保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和檢測(cè)活動(dòng)的有效性，要對(duì)計(jì)量器具開(kāi)展量值溯源活動(dòng)，量值溯源的形式除了檢定和校準(zhǔn)外，自校準(zhǔn)作為前兩種形式的補(bǔ)充也存在于大部分檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室的計(jì)量管理活動(dòng)中。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部制定自校準(zhǔn)規(guī)程，計(jì)量管理人員根據(jù)規(guī)程開(kāi)展自校準(zhǔn)并出具自校準(zhǔn)報(bào)告，儀器被確認(rèn)自校準(zhǔn)參數(shù)符合要求后便可以直接投入檢測(cè)活動(dòng)中，這是大部分檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室自校驗(yàn)活動(dòng)的通用做法。針對(duì)這種通用做法，筆者提出了這樣的疑問(wèn)：自校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)是否可信，如果可信，可信度是多少。畢竟實(shí)驗(yàn)室其他的計(jì)量器具在送至校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)校準(zhǔn)得到的校準(zhǔn)報(bào)告中，會(huì)注明校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的測(cè)量不確定度，通過(guò)這個(gè)不確定度我們可以明確的知道該校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的偏差范圍，以及該數(shù)據(jù)處于該偏差范圍的概率。由此，為了確保自校準(zhǔn)的科學(xué)有效，就需要進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)量不確定度的評(píng)定。

測(cè)量不確定度的概念是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)。它說(shuō)明了置信水準(zhǔn)的區(qū)間半寬度，以及測(cè)量結(jié)果落于該區(qū)間的概率。

由于影響測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性的因素很多，人員的能力水平、自校準(zhǔn)用儀器設(shè)備的準(zhǔn)確度、測(cè)量方法、環(huán)境條件等均有可能對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響，我們?cè)谧鰷y(cè)量不確定度評(píng)價(jià)時(shí)要對(duì)所有我們有能力知道的影響因素進(jìn)行分析，根據(jù)被校儀器的特性選取必要因素，對(duì)其進(jìn)行定量分析，通過(guò)適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計(jì)方法對(duì)這些因素的影響量值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度。這是我們?cè)u(píng)定測(cè)量不確定度的基本思路。下面以混凝土試模為例對(duì)這一評(píng)定過(guò)程做一個(gè)必要的說(shuō)明。

混凝土試模（規(guī)格：150mm×150mm×150mm）的自校驗(yàn)項(xiàng)目主要包括：長(zhǎng)寬高尺寸、垂直度公差、連接面間隙、平面度，現(xiàn)以長(zhǎng)度方向的尺寸為例來(lái)說(shuō)明。尺寸的測(cè)量工具是游標(biāo)卡尺，試模的工作環(huán)境溫度為20℃，測(cè)量結(jié)果是以三次重復(fù)測(cè)量的平均值來(lái)表示，假設(shè)實(shí)驗(yàn)室參與日常自校準(zhǔn)測(cè)量的人員和評(píng)定時(shí)測(cè)量人員為同一人，分析評(píng)定過(guò)程如下：

1、首先建立數(shù)學(xué)模型：L=l

式中：L---- 試模尺寸值；

l--------游標(biāo)卡尺的讀數(shù)值。

2、對(duì)上述條件進(jìn)行分析可以看到測(cè)量不確定度的來(lái)源包括：校準(zhǔn)用器具游標(biāo)卡尺的分度值量化和示值誤差、環(huán)境溫度的偏離導(dǎo)致的游標(biāo)卡尺和試模實(shí)際尺寸的變化、以及人員的讀數(shù)誤差、人員的操作水平、人員的測(cè)量方法。其中人員的讀數(shù)誤差、操作水平、測(cè)量方法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度的貢獻(xiàn)的評(píng)定為A類(lèi)評(píng)定，通過(guò)對(duì)j個(gè)試模的長(zhǎng)度分別作3次重復(fù)測(cè)量，得到j(luò)組數(shù)據(jù)（l11、l12、l13），（l21、l22、l23）…（lj1、lj2、lj3），考慮到不確定度的A類(lèi)評(píng)定對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度的貢獻(xiàn)，一般j的取值應(yīng)大于6，但過(guò)大的取值勢(shì)必造成評(píng)定工作量的增加，所以一般不超過(guò)10。

計(jì)算每組數(shù)據(jù)的算術(shù)標(biāo)準(zhǔn)差：

計(jì)算合并樣本標(biāo)準(zhǔn)差：

計(jì)算自由度：v（L1）=3（j-1）；

接下來(lái)要對(duì)合并樣本標(biāo)準(zhǔn)差評(píng)估，計(jì)算sj的算術(shù)標(biāo)準(zhǔn)差：

如果，則測(cè)量狀態(tài)穩(wěn)定，高可靠性的合并樣本標(biāo)準(zhǔn)差sp可以使用；否則要對(duì)sj數(shù)據(jù)列進(jìn)行分析，剔除離散性大的數(shù)據(jù)，重新評(píng)定，至此測(cè)量不確定度的A類(lèi)評(píng)定完成，測(cè)量系統(tǒng)誤差引起的測(cè)量不確定度分量u （L1）= sp。

3、測(cè)量不確定度的B類(lèi)評(píng)定包括對(duì)校準(zhǔn)用器具游標(biāo)卡尺的分度值量化和示值誤差、環(huán)境溫度的偏離導(dǎo)致的游標(biāo)卡尺和試模實(shí)際尺寸的變化的評(píng)定。

3.1游標(biāo)卡尺的分度值為0.02mm，量化值為（0.02/2）mm；參考JJF1059-1999，估計(jì)其為均勻分布；包含因子為，故游標(biāo)卡尺分度值量化誤差引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定分項(xiàng)：

；

該不確定度分量可以認(rèn)為是已知量，故可以認(rèn)為自由度ν（L2）→∞。

3.2游標(biāo)卡尺測(cè)量范圍在150mm～200mm時(shí)，最大允許誤差±0.03mm；參考JJF1059-1999，估計(jì)其為均勻分布，包含因子為包含因子為，故游標(biāo)卡尺示值誤差引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分項(xiàng)為： ；

估計(jì) ，則其自由度ν（L3）=50。

3.3在環(huán)境溫度的偏離導(dǎo)致的游標(biāo)卡尺和試模實(shí)際尺寸的變化方面，兩者材質(zhì)相近，受溫度偏差的影響，兩者的變化方向一至，且受溫度的影響，兩者尺寸的變化相對(duì)于前面三個(gè)分量可以忽略，估可以不對(duì)該分量進(jìn)行評(píng)定。

3.4完成了以上三個(gè)分量的評(píng)定，接下來(lái)通過(guò)以下公式計(jì)算L的標(biāo)準(zhǔn)不確定度及自由度：；

3.5接下來(lái)是合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定，首先根據(jù)前面的數(shù)學(xué)模型來(lái)計(jì)算靈敏度系數(shù)：；

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc（L）=┃c┃ui。

3.6、擴(kuò)展不確定度的評(píng)定時(shí)，先確定置信概率，根據(jù)置信概率p和ν（L）在JJF1059-1999附錄A中查找t分布表中tp的值，擴(kuò)展不確定度Up= uc（L）×tp。

至此合成不確定度評(píng)定完成，最終報(bào)告中的表現(xiàn)形式為（舉例）U95=0.07mm，νeff=25。

通過(guò)上述舉例可以看到，測(cè)量不確定度的評(píng)定是建立在對(duì)測(cè)量過(guò)程充分了解的基礎(chǔ)上的，我們要合理考慮參與評(píng)定的不確定度分量，做到對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度有較大貢獻(xiàn)的分量不遺漏，貢獻(xiàn)輕微的合理舍去，科學(xué)選取A類(lèi)評(píng)定時(shí)的測(cè)量組數(shù)。這樣才能使我們的測(cè)量不確定評(píng)定既有效，又不至于變成一項(xiàng)工作的負(fù)擔(dān)。