GUM法评定测量不确定度

1、实用标准文案第四讲GUM法评定测量不确定度(一)【来源/作者】中国计量报【更新日期】2014-5-30 11:05:45JJF1059.1-2012测量不确定度评定与表示中关于测量不确定度评定的方法是采用国际标准ISO/IEC Guide 98-3:2008测量不确定度表示指南所规定的方法，测量不确定度表示指南的原文为" Guide to the Uncertainty in Measurement : 缩写为 GUM 所 以称其为GUM!。 GUM!是采用“不确定度传播律”得到被测量估计值的测量不确定度的方 法。 GUM!评定测量不确定度的步骤(1)明确被测量的定义。(2)明确测量

2、方法、测量条件以及所用的测量标准、测量仪器或测量系统。(3)建立被测量的测量模型，分析对测量结果有明显影响的不确定度来源。(4)评定各输入量的标准不确定度。(5)计算合成标准不确定度。(6)确定扩展不确定度。(7)报告测量结果。用GUM1评定测量不确定度的一般流程如图1所示。评定时的注意事项(1)在分析测量不确定度的来源时，应充分考虑各种来源的影响，对主要贡献的来源尽可能不遗漏、不重复。(2)标准不确定度分量的评定，可以采用 A类评定方法，也可采用 B类评定方法，采用 何种方法要根据实际情况选择。例如：有时对于随机因素的影响，由于没有重复测量的条件，也可以用B类评定。<CTSM>

3、1用GUMt评定测量不确定度的一般流程</CTSM>(3)测量中的失误或突发因素不属于测量不确定度的来源。采用测量不确定度 A类评定时，如果怀疑存在粗大误差，则应按统计判别准则进行判别， 并剔除测量数据中的异常值 (即 离群值)，然后再评定其标准不确定度。(4)若对被测量的估计值进行了修正，修正值不应计入不确定度内，但应考虑由于修正 不完善引入的不确定度。一、输入量标准不确定度的评定1.标准不确定度的 A类评定用对被测量独立重复观测，并根据测量数据进行统计分析的方法得到的实验标准偏差 就是A类评定的标准不确定度。(1)A类评定方法对被测量X,在同一条件下进行n次独立重复观测，得到测

4、得值xi(i=1,2, ,n)。用 由式(1)得到的算术平均值 X作为被测量的最佳估计值，即精彩文档(1)A类评定得到的被测量最佳估计值的标准不确定度 u("(工1)按式(2)计算：h(X)=s(X)=(2)式中：s(x k)用统计分析方法获得的任意单个测得值 Xk的实验标准偏差；s(N X)算术平均值.X的实验标准偏差。A类评定得到的标准不确定度 u(晨X)的自由度就是实验标准偏差 s(x k)的自由度。U(H(X)与 V fi )成反比，当标准不确定度较大时，可以通过适当增加测量次数以减小其 不确定度。(2)A类评定时实验标准偏差的估计方法常用贝塞尔公式法估计，此时实验标准偏差

5、s(x k)按式(3)计算：d x(”用u二 y (3)自由度为y =n-1( n为测量次数)。当测量次数较少时，也可用极差法估计实验标准偏差。测量过程的合并标准偏差对一个测量过程，采用核查的方法使测量过程处于统计控制状态，若第 j次核查时测量次数为n(自由度为vj),实验标准偏差为 5,共核查m次，则统计控制下的测量过程的 A类评定的标准不确定度可以用合并标准偏差Sp表征。测量过程的实验标准偏差按式 (4)计算：(4)/£/V j-i产1若每次核查的自由度相等(即每次核查时测量次数相同)，则式(4)变换成式(5):mJ 1(5)1H式中：Sp合并标准偏差，是测量过程长期组内标准偏差

6、的统计平均值；Sj第j次核查时的实验标准偏差；m核查次数。在过程参数Sp已知的情况下， 由该测量过程对被测量 X在同一条件下进行 n次独立重 复观测，以算术平均值.Q为被测量估计值，则其 A类评定的标准不确定度为规范化的常规测量时的合并标准偏差规范化的常规测量是指计量检测机构的测量人员按照检定规程、校准规范或测试标准,较长时期地使用同一个计量标准或测量仪器，在相同条件下检定、校准或检测一组同类被测件的同一个被测量，此时，可以用该组被测件的测得值作测量不确定度的A类评定。若对每个被测彳的被测量 X在相同条件下进行 n次独立重复测量，对第i个被测件的 测得值为x”，xi2,刈，其平均值为；若有m个

7、被测件，则有 m组这样的测得值，可按式(6)计算单个测得值的合并标准偏差sp(xk):舞J 找(6)X X 3厂叼)2t=l j-l式中：i组数(i =1, 2, , , m ； j每组测量的次数(j =1, 2, , ,n)。若对每个被测彳已分别按X次重复测量算出了其实验标准偏差Si,则m组测得值的合并标准偏差sp(xk)= ,自由度均为 n(n-1)。由同样方法对某个被测件进行n'次测量时， 由A类评定得到的被测量最佳估计值的标准不确定度为在规范化常规测量中，往往又被测件测量次数较少（例如只测3次），用合并标准偏差可以大大加大所评定的标准不确定度的自由度，也就提高了可信程度。举例：

8、用同一个计量标准装置对标称值为10kg的一批10个祛码进行校准，对每个祛码重复测量4次（n=4）,共测10个祛码（m=10）,得到10组测得值xMj=1,2,3,4 ； i=1,2, ,10）,数据如表1所示。一叫号i14 5；J 89IG.0110.0310 0210 01ID 0210. OJ10.01ID. 0110.032W.0110. QI310.01 .10.04*10 «10 JM10.01310：10.0110. 0110.0210 0110.0jo.oaID 0210.01110.044io. oimmio tn10.0310 0210.0110.0410 0210

9、10 01<CTSM表2祛码校准值的标准不确定度计算过程</CTSM>这是一种常规的祛码计量校准，以4次测量的平均值为每个祛码的校准值。计算每个祛码校准值的标准不确定度。计算过程如表2所示。所以，每个祛码校准值为 X,其标准不确定度为 0.006kg,自由度y =30。预评估重复性测量的重复性是各种随机影响量影响的综合结果，是测量不确定度的来源之一。重复 性的评定通常是：在重复性条件下对被测件进行多次独立重复观测，由测量数据计算实验标准偏差。JJF1059.1-2012规定，在日常开展同一类被测件的常规检定、校准或检测工作中， 如果测量系统稳定，测量重复性无明显变化，则可用该

10、测量系统以与测量被测件时相同的测量程序、操作者、操作条件和地点，预先对典型的被测件的典型被测量值进行n次测量（一般n不小于10）,由贝塞尔公式计算出实验标准偏差s（xk）,即测量重复性。在实际对某个被测件测量时可以只测量n'次（1 wn' <n）,以n'次测量的算术平均值作为被测量的估计值，则该被测量估计值由于重复性导致的标准不确定度为uA(x)u(X) =s(X) s(Xk)/n用这种方法评定的标准不确定度的自由度仍为Y =nM。但应注意，当怀疑测量重复性有变化时，应及时重新测量和计算实验标准偏差S(Xk)。当被测量X的估计值是由实验数据用最小二乘法拟合的一条直

11、线或曲线上得到时， 任意预期的估计值或表征曲线拟合参数的标准不确定度可以用已知的统计程序计算得到。如果一个被测量的多次测量中随机变化呈现与时间有关(即为随机过程)，常用的估计标准偏差的方法已不适用，应采用专门的方差分析求得标准偏差。例如频率稳定度的测量，由于闪烁噪声对振荡器的影响，用贝塞尔公式估计标准偏差时，标准偏差不收敛，即随取样次数的增大标准偏差也变大，因此对频率稳定度的测量采用“阿伦方差”评定标准不确定度。(3)A类评定时的注意事项A类评定方法通常比用其他评定方法所得到的不确定度更为客观，并具有统计学的严格性，但要求有充分多的重复次数。此外，这一测量程序中的重复测量所得的测得值，应相互独

12、立。A类评定时应尽可能考虑随机效应的来源，使其反映到测得值中。例如 ：a.若被测量是一批材料的某一特性，A类评定时应该在这批材料中抽取足够多的样品进 行测量，以便把不同样品间可能存在的随机差异导致的不确定度反映出来；如果要测量材料的均匀性，必须从同一材料的不同部位采集样本，在相同条件下对各个样本进行测量，使得到的数据能反映出该块材料的不均匀性。在赋予材料特性值时要把由于材料不均匀而引入的标准不确定度考虑在内。b.若测量仪器的调零是测量程序的一部分，获得A类评定的数据时应注意每次测量要重新调零，以便计入每次调零的随机变化导致的测量不确定度。c.通过测量直径计算圆的面积时，在直径的重复测量中，应随

13、机地选取不同的方向测 量直径。d.在一个气压表上重复多次读取示值时，每次把气压表扰动一下，然后让它恢复到平 衡状态后再进行读数。如果观测数据中存在异常值，应该剔除异常值后再进行A类评定。2.标准不确定度的 B类评定(1)评定方法标准不确定度的B类评定，是借助于一切可利用的有关信息进行科学判断得到估计的标准偏差。通常是根据有关信息或经3言,判断被测量的可能值区间工一心'十5，假设被测量可能值在该区间内的概率分布，根据概率分布和要求的概率 p确定k的值，则B类评定的标准不确定度UB(x)可由式(7)计算得到："(x)= 丁(7)k式中：a被测量可能值区间的半宽度； k置信因子或包

14、含因子。 根据概率论获得 的k称置信因子，当k为扩展不确定度的倍乘因子时称为包含因子。(2)区间半宽度a的确定区间半宽度a值根据有关信息确定，一般情况下，可利用的信息包括：生产厂提供的技术说明书。校准证书、检定证书、测试报告或其他文件提供的数据。手册或某些资料给出的数据。以前测量的数据或实验确定的数据。对有关仪器性能或材料特性的了解和经验。校准规范、检定规程或测试标准中给出的数据。其他有用信息。例如：生产厂的说明书给出测量仪器的最大允许误差为土A ,并经计量部门检定合格，则评定仪器不确定度时，可能值区间的半宽度为：a=A。校准证书提供的校准值，给出了其扩展不确定度为U,则区间的半宽度为:a=U

15、由手册查出所用的参考数据，同时给出该数据的误差不超过土A ,则区间的半宽度为：a=A。数字显示装置的分辨力为最低位 1个数字，所代表的量值为8 x,则区间半宽度为：a=Sx/2 。当测量仪器或实物量具给出准确度等级时，可以按检定规程所规定的该级别的最大 允许误差进行评定。根据过去的经验推断某量值不会超出的区间范围或用实验方法估计可能的区间为 x1 , x2,则区间半宽度为:a=(x2-x1)/2 。界限不对称时的区间半宽度a的确定由于GUMt只适用于对称分布的情况，以上举例中输入量都是对称分布。如果输入量的下限和上限不是对称地处于估计值的两侧，则通常要将它假设到一个对称的双侧区间后进行评定。处

16、理方法为：以上限与下限之差的一半近似为区间半宽度。在GUM4.3.8中提到：若输入量X的上限a+和下限a-相对于其最佳估计值 xi不是对称的， 下限a- =x-b-,上限为a+=x +t+,其中b-wb+。假设xi为X的期望值，在这种情况下 xi不在 a-到a+区间的中心，X的概率分布在区间内还不一定是均匀的。在缺乏资料时，最简单的近/a ( y 似方式为：取a=(a+-a-)/2 ,并设为均匀分布，取k=V 3 ,则标准方差为 12例如：在手册中给出的热膨胀系数值为a 20(Cu)=16.52 x 10-6 C-1,并说明“最小可能值是16.40 X 10-6 C -1及最大可能值是16.9

17、2 X 10-6c-1”，则取区间半宽度 a=(16.92 X 10-6 C-1-16.40 X 10-6C-1)/2=0.26 X10-6C-1,并设在区间内为均匀分布。又如：用浓度滴定计测定溶液的成分，其终点由信号的触发来指示。所加试剂的量总是 多于触发信号所必需的量，从来不会少。超出极限点的超额滴定量是一个变量。在这种情况下，要对超额量假设一个适当的概率分布，并用它确定超额量的期望值及方差。假设超额量z为均匀分布，其下限为0,上限为G,这是一个单侧区间，现设超额量的期望值心为G/2,则超额量相对于期望值 x0为对称区间x 0- C0/2 , x0+C/2,区间半宽度a=C/2。也就是 a

18、=(C0-0)/2= G/2 , 并设在区间内为均匀分布。(3) k值的确定方法已知扩展不确定度是合成标准不确定度的若干倍时，则该倍数就是包含因子k值。例如：已知U=0.2mm(k=2),则B类评定时，k值为2。假设为正态分布，根据要求的概率查表3得到k值。假设为非正态分布，卞!据概率分布查表4得到k值。P0.500.900.950.990.9973k0.676L64L962.583<CTSM表3正态分布的置信因子 k值与I率p的关系</CTSM>概率分布均匀反正弦三角梯形两点fc(p= 100% )a一万a1屈(1 +/3)1<CTSM表4几种非正态概率分布的置信因子

19、k值</CTSM>注：3为梯形上底半宽度与下底半宽度之比。（4）概率分布的假设被测量受许多相互独立的随机影响量的影响，当它们各自的效应是同等量级，即影 响大小比较接近时，无论各影响量的概率分布是什么形状，被测量的随机变化近似正态分布。如果有证书或报告给出的不确定度是具有包含概率为90% 95M 99%勺扩展不确定度U（即给出U90、U95或U99）,此时，除非另有说明，可以按正态分布评定标准不确定度。一些情况下，只能估计被测量的可能值区间的上限和下限，被测量的可能值落在区间外的概率几乎为零。 若被测量的值落在该区间内的任意值的可能性相同，则可假设为均匀分布；若落在该区间中心的可能性最大，则假设为三角