測量不確定度分析在力學(xué)計(jì)量中的應(yīng)用

張改娥，何飛，王娜，王晶(山西新華防化裝備研究院有限公司，山西 太原 030008)

0 引言

為了使力學(xué)檢測及計(jì)量時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)得到更進(jìn)一步規(guī)范，文章將會(huì)從一些常見的物理測量儀器的測量步驟以及數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并針對(duì)測量過程當(dāng)中出現(xiàn)的一些不確定度進(jìn)行更深一步的研究。在研究的過程當(dāng)中可以針對(duì)不同的物理測量儀器來構(gòu)建相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，通過構(gòu)建出來的數(shù)學(xué)模型，來分析這些不確定度的來源。明確這些不確定度的來源，對(duì)后續(xù)繼續(xù)研究力學(xué)測量中不確定度具有一定的指導(dǎo)意義。

1 測量的重要意義

眾所周知，物理實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行時(shí)，是離不開測量的。而根據(jù)被測量對(duì)象的不同，測量又被分為直接測量與間接測量。直接測量就是在對(duì)被測量對(duì)象進(jìn)行測量時(shí)，測量工具與被測量對(duì)象之間不用進(jìn)行函數(shù)關(guān)系的轉(zhuǎn)化來輔助計(jì)算。而間接測量則與此相反，還需要通過函數(shù)關(guān)系的轉(zhuǎn)化來輔助計(jì)算，才能得出測量結(jié)果。

另外，隨著中國對(duì)于力學(xué)計(jì)量當(dāng)中相關(guān)的政策的頒布，力學(xué)計(jì)量對(duì)于相關(guān)計(jì)量單位測量過程當(dāng)中的不確定度分析起到了一定的參考作用[1]。由此可見，做好力學(xué)計(jì)量當(dāng)中不確定度的分析對(duì)物理實(shí)驗(yàn)所需要的數(shù)據(jù)作出了巨大的貢獻(xiàn)。在此基礎(chǔ)之上，文章將重點(diǎn)來介紹不確定度的概念，根據(jù)如何確定計(jì)量中不確定度的來源來進(jìn)行方法上的探究，在探究的過程當(dāng)中，將重點(diǎn)以一些市場上比較常見的物理測量儀器為依據(jù)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的分析概括總結(jié)。

2 測量不確定度的概念

在介紹不確定度的來源之前，首先應(yīng)該明確什么是測量不確定度。而測量不僅僅是局限于物理實(shí)驗(yàn)當(dāng)中的，因?yàn)闇y量的范圍比較廣，除了物理實(shí)驗(yàn)，還會(huì)被應(yīng)用到農(nóng)業(yè)工業(yè)出口貿(mào)易等各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中。之所以進(jìn)行測量，主要是為了確定被測量對(duì)象的量值，之所以要確定被測量對(duì)象的量值，主要是因?yàn)闇y量的質(zhì)量直接會(huì)與國家的安全，國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等掛鉤。因?yàn)闇y量在國家領(lǐng)域來說應(yīng)用的范圍比較廣泛，尤其是航空航天領(lǐng)域，對(duì)一些精密的航天儀器在測量時(shí)，如果因?yàn)闇y量度不夠準(zhǔn)確，就會(huì)造成巨大的失誤。另外在國際進(jìn)出口貿(mào)易上，如果測量的量度不夠準(zhǔn)確，或者在測量時(shí)出現(xiàn)了不確定度，就會(huì)使得在國際貿(mào)易出口上存在一定的經(jīng)濟(jì)損失。

除了從國家領(lǐng)域的角度來考慮測量的重要性，還應(yīng)該意識(shí)到測量對(duì)于人們生活水平以及健康水平的影響，因?yàn)樵谝恍┧幬镱I(lǐng)域也要進(jìn)行測量，藥物領(lǐng)域與人們的生活以及生命安全，身體健康直接掛鉤。在藥物測量當(dāng)中也可以被分為兩個(gè)方面來探討。第一個(gè)方面就是相關(guān)專業(yè)人士在對(duì)某些藥物的計(jì)量進(jìn)行配比時(shí)，如果測量的精確度不夠，就會(huì)使得配比出來的藥物不能發(fā)揮其療效以及作用[2]。通過以上的這些例子就可以看出，不確定度在測量當(dāng)中發(fā)揮了十分重要的作用，而且測量過程當(dāng)中的不確定度，也可以被解釋為測量結(jié)果的質(zhì)量。通常情況下，測量當(dāng)中的不確定度就是用來測定某一計(jì)量單位測量結(jié)果以及質(zhì)量的參考依據(jù)，這一參考依據(jù)在應(yīng)用過程當(dāng)中，往往根據(jù)測量的不確定度大小來進(jìn)行判斷。如果計(jì)量單位當(dāng)中測量不確定度過小，就說明該統(tǒng)計(jì)單位當(dāng)中測量出來的質(zhì)量較高。相反，如果測得出來的不確定度較大，則說明測量出來的質(zhì)量比較低。而且上述這些例子還說明，在進(jìn)行決策之前，不能僅僅依靠測量的數(shù)據(jù)或者測量得出的結(jié)論來直接進(jìn)行某一事項(xiàng)的決策。因?yàn)樵跊Q策過程當(dāng)中，如果僅僅依靠這些測量的數(shù)據(jù)或者測量時(shí)得出的結(jié)論來進(jìn)行測量的話，就會(huì)給后期的工作造成無法預(yù)計(jì)的損失[3]。所以，在力學(xué)計(jì)量當(dāng)中應(yīng)該進(jìn)一步探討這些計(jì)量過程當(dāng)中出現(xiàn)不確定度的來源，找到這些不確定度存在的來源之后，就可以相對(duì)應(yīng)的提出一些解決措施，盡量減少這些不確定度出現(xiàn)的頻率。

3 測量不確定度的來源

3.1 在測量時(shí)沒有準(zhǔn)確表明相對(duì)應(yīng)的測量條件

在力學(xué)計(jì)量過程中，對(duì)一些數(shù)值進(jìn)行測量時(shí)，之所以存在許多的不確定度，主要是因?yàn)樵跍y量之前沒有對(duì)于被測量對(duì)象應(yīng)該所處的環(huán)境以及條件進(jìn)行準(zhǔn)確的描述。以最簡單的測量某一根鋼筋的長度為例，在測量時(shí)一些工作人員往往表述為測量某一根鋼筋的長度，從工作人員的表述，就可以看出其在表述過程當(dāng)中并沒有明確測量的單位精確到哪一測量單位，也沒有表述被測量對(duì)象鋼筋在測量時(shí)所處的環(huán)境。因?yàn)檫@些鋼筋在測量時(shí)，如果所處的環(huán)境不同，其所承受的壓力，壓強(qiáng)以及空氣之間的密度等這些參數(shù)都會(huì)使測量出來的鋼筋長度數(shù)據(jù)受到影響。因此在對(duì)被測量對(duì)象測量之前，沒有明確測量的單位被測量對(duì)象所處環(huán)境，就會(huì)使得測量過程當(dāng)中存在許多不確定度。正因?yàn)橛辛诉@些不確定度的存在，才會(huì)使得所測出來的數(shù)值存在一定的偏差，測量得出的結(jié)果以及質(zhì)量也會(huì)受到影響。

3.2 測量方法不當(dāng)

測量方法使用不恰當(dāng)，也會(huì)對(duì)被測量對(duì)象的精確度造成影響，但是在相關(guān)的學(xué)測量及統(tǒng)計(jì)過程當(dāng)中，要想使測量方法得到恰當(dāng)?shù)奶幚恚托枰獙?duì)被測對(duì)象所處的外部環(huán)境進(jìn)行嚴(yán)格的控制。但是大部分實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行測量時(shí)，并不能按照規(guī)定完整的復(fù)原被測量對(duì)象所要達(dá)到的測量環(huán)境，因此被測量對(duì)象所受到的壓力，壓強(qiáng)，密度等外部環(huán)境因素也不能被改變，所以測得出來的數(shù)值會(huì)存在一定的偏差。所以說再進(jìn)行決策之前，并不能僅僅依靠測量出來的數(shù)據(jù)來作為決策時(shí)的參考依據(jù)。但是也不能完全忽略這些測量得出來的數(shù)據(jù)，因?yàn)橥ㄟ^測量得出來的數(shù)據(jù)具備直接性的特點(diǎn)，所以能更加直接的反應(yīng)被測量對(duì)象在所處環(huán)境之下的相關(guān)系數(shù)。在對(duì)這些被測量對(duì)象進(jìn)行測量時(shí)，還需要不斷調(diào)整測量的方法[4]。調(diào)整測量方法時(shí)，可以根據(jù)全國各地不同實(shí)驗(yàn)室具體分布的情況來進(jìn)行探討。對(duì)大部分具有國家批準(zhǔn)資格的實(shí)驗(yàn)室相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，尤其是外部環(huán)境因素對(duì)實(shí)驗(yàn)室力學(xué)計(jì)量的影響要重點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。將所有統(tǒng)計(jì)得來的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，通過測量數(shù)據(jù)匯總分析之后，就可以按照實(shí)際情況來制定一套全國通用的測量標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中還應(yīng)該對(duì)于不確定度存在的范圍進(jìn)行嚴(yán)格的規(guī)定，只要這些實(shí)驗(yàn)室在對(duì)力學(xué)計(jì)量單位進(jìn)行測量時(shí)存在的誤差不超過所規(guī)定的范圍，其所測得的數(shù)據(jù)就具有參考意義。

3.3 測量人員讀數(shù)造成的誤差

力學(xué)計(jì)量不同于普通的單位測量，因?yàn)榱W(xué)計(jì)量在物理實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的范圍較廣，所以在對(duì)測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀數(shù)時(shí)，也對(duì)讀數(shù)人員有更高的專業(yè)要求[5]。通過調(diào)查問卷，發(fā)現(xiàn)大部分長期從事于實(shí)驗(yàn)室工作的科研人員，在讀數(shù)時(shí)具有較高的專業(yè)水平，但是也有一部分工作人員由于長期處于超負(fù)荷工作的狀態(tài)，所以其所處環(huán)境壓力較大，因此在進(jìn)行某些實(shí)驗(yàn)的讀數(shù)時(shí)，會(huì)因?yàn)閭€(gè)人原因造成讀數(shù)時(shí)的誤差。這些個(gè)別的案例也充分說明了力學(xué)計(jì)量測量過程當(dāng)中存在不確定度的因素。為了使這一影響因素對(duì)于力學(xué)計(jì)量單位的不確定度產(chǎn)生的影響降低，就需要減輕一部分實(shí)驗(yàn)室工作人員的工作壓力。對(duì)某些需要長期研究的科研項(xiàng)目應(yīng)該合理分工，分工的過程當(dāng)中還應(yīng)該考慮到每個(gè)科研人員實(shí)際的工作能力與水平。另外，還應(yīng)該分配專業(yè)的指導(dǎo)人士，在普通科研人員與專業(yè)指導(dǎo)人士的互相配合之下，這些科研人員的工作壓力才會(huì)得到更進(jìn)一步的減輕。當(dāng)這些重大科研項(xiàng)目完成之后，應(yīng)該合理安排科研人員進(jìn)行精神上的放松，這樣做才能緩解其工作時(shí)的壓力，使其繼續(xù)在科研過程當(dāng)中發(fā)揮其價(jià)值與作用?？蒲腥藛T到工作水平與能力得到進(jìn)一步鍛煉之后，其在讀書過程當(dāng)中產(chǎn)生誤差的可能性也才會(huì)更進(jìn)一步的降低，力學(xué)計(jì)量當(dāng)中存在不確定度的影響因素也會(huì)慢慢減少。

3.4 測量過程出現(xiàn)誤差

(1)測量順序。應(yīng)嚴(yán)格按照測量規(guī)范規(guī)定的進(jìn)行。遺漏或顛倒某一操作過程都有可能造成測量結(jié)果的誤差，甚至使測量失去意義。

(2)測量次數(shù)。一般來說測量次數(shù)不同，測量精度也不同，增加測量次數(shù)，可以提高測量精度。但n＞10以后，已減少得非常緩慢。此外，由于測量次數(shù)愈大，也愈難保證測量條件的恒定，從而帶來新的誤差，因此一般情況下取n=10以內(nèi)較為適應(yīng)。

(3)測量所需時(shí)間。有的測量規(guī)定必須在一定條件下，一定時(shí)間內(nèi)完成超出則結(jié)果不準(zhǔn)確。如器具潮態(tài)試驗(yàn)后的泄漏電流測試必須在5 s內(nèi)完成。

(4)測量點(diǎn)數(shù)。操作規(guī)范規(guī)定測量若干點(diǎn)。但實(shí)際檢測中，為節(jié)省時(shí)間或出于其他考慮減少或增加了測量點(diǎn)數(shù)，也對(duì)最終結(jié)果有影響，如在噪聲測試中。

(5)瞄準(zhǔn)方式。測量方法不同，采用的測量儀器不同，對(duì)應(yīng)的瞄準(zhǔn)方式也不同，如采取目測或用光學(xué)瞄準(zhǔn)，其瞄準(zhǔn)精度必然不同。

(6)方向性。測量結(jié)果須在一定穩(wěn)態(tài)下獲得，實(shí)驗(yàn)中以不同方向趨于穩(wěn)態(tài)，對(duì)于有些測量設(shè)備，如具有滯后或磁滯性的儀器讀數(shù)是不同的。

4 結(jié)語

力學(xué)計(jì)量過程當(dāng)中不確定度的存在會(huì)使得對(duì)于某些力學(xué)單位進(jìn)行測量時(shí)存在測量精度不高的現(xiàn)象，影響測量的質(zhì)量與水平。文章重點(diǎn)介紹了測量過程當(dāng)中不確定度的概念，并就這些不確定度的來源進(jìn)行了分析，但這些不確定度的來源除了文章介紹到的幾點(diǎn)之外，還有其他的來源。所以需要不斷地發(fā)掘這些不確定度來源，從而使力學(xué)計(jì)量的質(zhì)量得到更進(jìn)一步的提升與保證。