電學(xué)計(jì)量的誤差分析及不確定度理論探究分析

劉佳+齊幫明+柴儉+張浩

摘 要：在電學(xué)檢定和電學(xué)校準(zhǔn)過(guò)程中，很多技術(shù)因素都會(huì)導(dǎo)致電學(xué)計(jì)量工作出現(xiàn)誤差，同樣在對(duì)不確定度進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，由于計(jì)算失誤也會(huì)導(dǎo)致誤差產(chǎn)生。因此，針對(duì)這一情況，本文主要對(duì)我國(guó)電學(xué)計(jì)量過(guò)程中存在的誤差進(jìn)行分析及對(duì)其不確定度理論進(jìn)行探究。

關(guān)鍵詞：電學(xué)計(jì)量；誤差分析；不確定度理論

【Abstract】In electrical and electrical test school registration process， many technical factors can cause electrical metrology errors， also in the analysis and calculation of the uncertainty due to miscalculation will lead to errors generated. Therefore， the response to this situation， this paper， the error of the electrical metering process exists to explore and analyze its theoretical uncertainty.

【Key words】electricity metering；error analysis； Uncertainty Theory

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，電學(xué)計(jì)量過(guò)程中所采用的測(cè)量硬件與軟件都在不斷升級(jí)，而且技術(shù)人員對(duì)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性也提出了更高的要求。因此，在電學(xué)計(jì)量過(guò)程中，及時(shí)發(fā)現(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)中存在的誤差和減小誤差至關(guān)重要。電學(xué)計(jì)量工作由于其具有靈敏度高及準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)，因此在實(shí)際計(jì)量過(guò)程中會(huì)受到諸多不利因素的干擾和影響，從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)誤差。對(duì)此，物理學(xué)家海森伯結(jié)合量子力學(xué)理論提出了一種不確定關(guān)系理論，其在電學(xué)計(jì)量過(guò)程中廣為使用。

1.電學(xué)計(jì)量的誤差分析

一般而言，電學(xué)計(jì)量中存在的誤差被稱為確定性誤差，這種系統(tǒng)誤差是按照一定的變化規(guī)律出現(xiàn)的。因此，在電學(xué)計(jì)量中可通過(guò)誤差恒值以及規(guī)律分布的誤差，針對(duì)計(jì)量結(jié)果進(jìn)行分析。在電學(xué)計(jì)量中，如果不能針對(duì)電學(xué)計(jì)量中存在的誤差進(jìn)行及時(shí)分析，則會(huì)對(duì)計(jì)量校準(zhǔn)或檢定結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重影響。這種確定性誤差與一般的電學(xué)計(jì)量偶然性誤差不同，其很難被電學(xué)計(jì)量人員發(fā)現(xiàn)，而且很難利用數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)誤差、排除誤差。所以，偶然性誤差會(huì)對(duì)計(jì)量檢定結(jié)果造成很大影響。確定性誤差可以反映電學(xué)測(cè)量過(guò)程中的不確定度。在對(duì)測(cè)量不確定度進(jìn)行評(píng)定時(shí)，技術(shù)人員只需結(jié)合數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果就可對(duì)事物的優(yōu)劣情況進(jìn)行評(píng)定。所以，電學(xué)計(jì)量的精確度對(duì)電能計(jì)量產(chǎn)品的質(zhì)量及國(guó)家經(jīng)濟(jì)效益的提升具有重要的意義。特別是在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的時(shí)代，我國(guó)對(duì)外貿(mào)易經(jīng)濟(jì)也受到電學(xué)計(jì)量測(cè)量精度的影響[1]。因此，電學(xué)計(jì)量誤差分析及不確定度理論探究，成為近年來(lái)相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者高度重視的內(nèi)容。

通過(guò)上述分析，本文發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差主要分為人為誤差及儀器誤差和測(cè)量裝置誤差、環(huán)境誤差、元件誤差、電路等因素導(dǎo)致的誤差；具體因素不同，誤差形式也不同。其中人為因素誤差主要分為操作誤差及人員誤差和溫度等外界環(huán)境誤差、計(jì)量讀數(shù)誤差等；儀器誤差一般又分為間隔采樣誤差及標(biāo)準(zhǔn)量具誤差和顯示特性誤差等；測(cè)量裝置誤差主要分為試驗(yàn)設(shè)備誤差及靈敏度誤差兩種；具體到環(huán)境因素，其主要包括電流熱效應(yīng)及磁場(chǎng)因素和電路、電場(chǎng)穩(wěn)定性等因素；至于元件因素主要包括穩(wěn)定性因素及線性因素和非線性因素等；電路因素誤差分為直角誤差及交流電路中的相角和模等因素導(dǎo)致的誤差。

2.電學(xué)計(jì)量的不確定度理論探究

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于不確定度評(píng)定的理論研究主要分為動(dòng)態(tài)測(cè)量不確定度評(píng)定方法以及靜態(tài)不確定度評(píng)定方法兩種。其中，對(duì)不確定度進(jìn)行評(píng)定，首先需建立有關(guān)的數(shù)學(xué)模型，然后對(duì)不確定度的具體來(lái)源進(jìn)行分析，最后針對(duì)不確定度進(jìn)行科學(xué)評(píng)定，其中分為A類和B類兩種，然后在此基礎(chǔ)上對(duì)不確定度進(jìn)行合成，與此同時(shí)需擴(kuò)展不確定；除此之外，還需出具不確定度報(bào)告。如下流程所示：

電學(xué)計(jì)量的不確定度理論分析圖解

結(jié)合上述圖示，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，首先需建立滿足不確定度評(píng)定的數(shù)學(xué)模型，即通過(guò)電能計(jì)量中被測(cè)變量Y與影響量Xi，建立二者之間的函數(shù)關(guān)系式[2]：

按照上述公式，在測(cè)量過(guò)程中不能重復(fù)與遺漏數(shù)據(jù)，將所有電學(xué)計(jì)量過(guò)程中可能對(duì)不確定度造成影響的相關(guān)輸入變量X代入上述數(shù)據(jù)模型中，從而根據(jù)實(shí)際情況建立新的數(shù)據(jù)模型。再通過(guò)輸入變量X的值獲得最佳參數(shù)值x，通過(guò)輸入變量Y的值獲得最佳參數(shù)值y，由此可得到新的數(shù)學(xué)關(guān)系式：

在上述計(jì)量模型中，xi的不確定度決定了被測(cè)量的不確定度。因此，對(duì)電學(xué)計(jì)量的不確定度分析，首先需針對(duì)x的不確定度進(jìn)行評(píng)定。

在對(duì)不確度進(jìn)行評(píng)定過(guò)程中，由于存在很多影響因素會(huì)導(dǎo)致電學(xué)計(jì)量結(jié)果準(zhǔn)確性受到影響。因此，標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量即是評(píng)定每個(gè)不確定度來(lái)源的標(biāo)準(zhǔn)偏差，通常可采用變量u來(lái)表示。而在合成不確定度時(shí)，可采用uc（y）表示電學(xué)計(jì)量中被測(cè)量估計(jì)值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，其主要由輸入量的不確定度合成。而擴(kuò)展不確定度通?？刹捎胾來(lái)表示，即通過(guò)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的倍數(shù)，表示電學(xué)計(jì)量不確定度，即將上述合成標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)大k倍，從而獲得測(cè)量的不確定度，最終得到如下計(jì)算公式：

在上述公式中，k通常為3或2，其主要由電學(xué)計(jì)量中被測(cè)量的效益、重要性及風(fēng)險(xiǎn)因素所決定。

最后，在出具不確定度報(bào)告時(shí)，測(cè)量不確定度采用合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度U=kuc表示，因此需將自由度和uc已知；當(dāng)采用擴(kuò)展不確定度表示測(cè)量不確定度時(shí)，需將u c、p、v以及k已知，從而將更加詳細(xì)的信息展示在不確定度報(bào)告中，提高測(cè)量結(jié)果的實(shí)用價(jià)值。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)不確定度的評(píng)定理論研究發(fā)現(xiàn)，電學(xué)計(jì)量過(guò)程中測(cè)量不確定度的評(píng)定應(yīng)用十分重要。由于電學(xué)計(jì)量結(jié)果在很大程度上與不確定度評(píng)定方式及理論存在很大關(guān)系。因此，在電學(xué)計(jì)量過(guò)程中，不僅需要提高測(cè)量硬件與軟件的技術(shù)精準(zhǔn)度，更要科學(xué)應(yīng)用不確定度評(píng)定方法和理論，從而減小測(cè)量過(guò)程中的誤差，防止受到不良因素影響，以此提高電學(xué)計(jì)量的科學(xué)性。

參考文獻(xiàn)：

[1]肖婷婷.電學(xué)計(jì)量的誤差分析及不確定度理論研究[J].科技信息，2013，16：480-481.

[2]王洋.探討電學(xué)計(jì)量的誤差分析及不確定度理論研究[J].科技與企業(yè)，2015，08：200.