測量不確定度的來源

上期回顧：

上期介紹了測量不確定度的基礎知識，主要講解了測量不確定度的定義、表示、在符合性判斷中的應用、構成和分類五個方面的基礎知識，相信讀者對測量不確定度有了初步的認識，現簡要總結如下：

1. 測量不確定度作用：主要用於對測量結果可信程度的定量表示；

2. 測量不確定度表示：主要有兩個參數，一個用於表示大小、一個用於表示能相信的概率；

3. 測量不確定度主要分為：標準不確定度和擴展不確定度；

4. 標準不確定度：分為A類評定（使用統計方法計算獲得）和B類評定（依靠經驗和資料獲得），用求各量的方差或（和）協方差計算獲得合成標準不確定度；

5. 擴展不確定度：根據相關條件，查表得到包含因子，用包含因子×合成標準不確定度。

本期主要內容簡介：

本文由自媒體胡崴麒說計量提供。本期內容為測量不確定度的來源，主要從人（測量人員）、機（測量設備）、料（被測對象）、法（測量方法）、環（測量環境）五個方面進行分析，希望讀者能了解測量不確定度的來源後，採取措施將其減小甚至消除，提高檢測水平，確保檢測結果準確可靠。

測量不確定度的來源：

測量的目的是為了獲得準確可靠的測量結果。決定測量結果準確可靠的因素有很多，主要包括人員、設施和環境條件、檢測和校準方法及方法確認、設備及測量溯源性、抽樣、樣品管理等。實驗室在制定相關文件程序、培訓和考核人員、選擇檢測和校準設備時，應考慮到這些因素對測量結果的影響。

一、測量人員引入的不確定度：

二、測量設備引入的不確定度：

測量設備是測量儀器、測量標準、參考物質、輔助設備以及進行測量所必須的資料的總稱。

1、計量標準或標準物質的誤差

最常用的測量方式就是將被測量與計量標準或標準物質進行比較。因此計量標準、標準物質的不確定度將直接引入測量結果。

2、測量儀器特性的局限性

測量儀器的特性包括示值誤差、最大允許誤差、穩定性、響應特性、靈敏度、鑑別力（閾）、分辨力、漂移等。所以不理想的儀器特性都會直接引入測量結果的不確定度。

2.1、測量儀器的示值誤差

測量儀器的示值誤差將直接引入測量結果的不確定度。測量人員可以利用示值誤差對測量結果進行修正，但因修正不完善，也會引入不確定度。示值誤差的先驗概率分布可以由校準證書獲得，測量人員必須學會熟練閱讀檢定證書或校準證書。

（名詞解釋：先驗概率是指根據以往經驗和分析得到的概率，如全概率公式，它往往作為"由因求果"問題中的"因"出現的概率。）

2.2、準確度等級

測量儀器的準確度指「測量儀器給出的示值接近於真值的能力」。所以測量儀器準確度是測量儀器示值接近真值的程度，實際上準確度是定性的概念。

準確度等級定義為「符合一定的計量要求，使誤差保持在規定極限以內的測量儀器的等別、級別」，通常按約定注以數字或符號，被稱為等級指標。

上一級計量檢定技術機構出具的檢定證書，是依據有關技術規範對測量儀器進行評定，當測量儀器示值誤差不超出某一檔次的最大允許誤差的要求，其他相關特性也符合要求時，就判定測量儀器符合該準確度級別（即判定為合格）。如果使用這種評定方法評定合格的測量儀器時，可以直接使用其示值，而不需要依據示值誤差評定結果對測量結果進行修正，

測量儀器的最大允許誤差將直接因其測量結果的不確定度，如果沒有概率分布或包含因子的信息，測量儀器的示值誤差通常服從均勻分布。

2.3、測量儀器的分辨力

數字儀器的不確定度來源之一就是指示裝置的分辨力。即使示值是理想重複，重複性所貢獻的測量不確定度仍然不為零，因為儀器的輸入信號在一個已知區間內變動，但是數字儀器卻給出相同的示值。

2.4、測量儀器的穩定性

測量儀器穩定性定義為「測量儀器保持其計量特性隨時間恆定的能力」。穩定性通常可以用兩種方式定量表示：

用計量特性變化某個規定的量所經歷的時間；

用計量特性經規定的時間所發生的變化；

測量儀器穩定性可以按照均勻分布處理。

2.5、測量儀器的漂移

測量儀器漂移定義為「測量儀器計量特性的慢變化」。可以用以下方法來確定測量儀器的漂移。

A類評定方法：當測量儀器計量特性隨時間呈線性變化時，漂移曲線為直線，該直線的斜率即漂移率。在測得隨時間變化的一系列觀測值後，可以用最小二乘法擬合得到最佳直線，並計算漂移率。

B類評定方法：用測量標準在一定時間內（依據技術規範要求）觀測被評定測量儀器計量特性隨時間的慢變化，記錄前後的變化值或畫出觀測值隨時間變化的漂移曲線。

2.6、測量儀器的響應時間

測量儀器響應時間定義為「激勵受到規定突變的瞬間，與響應達到並保持其最終穩定值在規定極限內的瞬間，這兩者之間的時間間隔」。響應時間的實質是因為測量儀器的滯後效應。

評定響應時間的方法通常是，對被評定測量儀器輸入一個瞬間突變的激勵，記錄輸出響應隨時間變化的曲線。計算輸出響應達到並保持其最終穩定值在某一極限內的瞬間，與輸入激勵瞬間的時間間隔，該時間間隔即為測量儀器相應於規定極限的響應時間。

三、測量方法引入的不確定度：

要正確可靠地進行測量，先要熟悉和掌握測量方法的原理和定義，做到「三清楚：清楚測量什麼、如何測量、為何這樣測量」，其次要熟悉測量過程，了解和掌握關鍵控制因素，最後要熟練掌握數據處理方法，包括引用數據的正確使用、異常值剔除、數據修約等。

1、測量原理引入的不確定度

主要因素有對被測量的定義不完整或不完善、實現被測量定義的方法不夠理想。

2、測量過程引入的不確定度

2.1、測量程序

通常技術標準、規範、規程或作業指導書對測量程序進行了嚴格規定，但是某種特定的需求，如客戶要求，偏離了測量程序或省略了某些操作，將引起測量結果的不確定度。

2.2、測量次數

測量結果的最佳估計值應該是無限多次測量結果的算術平均值，而實際上是進行有限次數的測量。在實際工作中，有時測量結果僅由一次測得值給出（破壞性試驗是極端的例子），從而要引入測量不確定度。

即使進行多次測量，由多次測量的算術平均值給出測量結果，由於測量的分散性將引起測量結果的不確定度。

2.3、其他因素

諸如測量時間（長和短）、測量取樣點數（多和少）、瞄準方式（目測和光學瞄準）、加載方向（進程和回程）等因素引入的不確定度。

3、數據處理引入的不確定度

3.1、物理常數或引用數據的不確定度

外部資料、手冊提供的物理常數、數據有很多，它們都是在以前的測量的基礎上或是理論計算的結果，所得結果不可避免地存在不確定度。

3.2、算法和算法實現的不確定度

採用不同的算法處理數據，如計算實驗標準偏差，可以使用貝塞爾法、極差法、最大殘差法，所得結果必然不同。

在選擇校準模型時，如對曲線的響應用直線校準，會導致較差的擬合，因此引入較大的不確定度。

數據修約能導致最終結果的不確定度。

四、被測對象引入的不確定度

1、取樣的代表性不夠

例如測量所用的樣塊在材料的成分或均勻性方面不能完全代表定義的被測量，則該樣塊將引入測量不確定度。

2、樣品效應

在化學檢測中，複雜基體的被分析物回收率或儀器的響應可能受基體成分的影響。由於改變的熱力情況或光分解影響，樣品的穩定性在分析過程中可能會發生變化，因而引入了不確定度。

3、被測量不穩定

被測量的某些相關特性受環境或時間因素的影響，在測量過程中保持動態變化，因而引入不確定度。

五、測量環境引入的不確定度

1、對環境條件的測量和控制不完善

所有測量都應在規定的環境條件下進行，實驗室測量環境因素包括：溫度、相對溼度、大氣壓力、空氣流動、空氣組成、汙染、振動、噪聲、熱輻射、電磁幹擾和供電電源變化等方面。

另外對需定溫處理的樣品，其存放時間和存放條件應作為不確定度來源考慮。

2、對測量過程受環境影響的認識不周全

在開闊場地或替代試驗場地進行輻射幹擾電廠強度的測量中，場地衰減會引入不確定度。噪聲測量中，本底噪聲的影響也會引入不確定度。

3、沒有滿足測量儀器規定的環境條件

測量儀器有嚴格的使用條件的規定，諸如額定操作條件、極限條件、參考條件等。如果不能滿足這些條件，都會引入相應的不確定度。

結語：

以上就是從人（測量人員）、機（測量設備）、料（被測對象）、法（測量方法）、環（測量環境）五個方面對產生測量不確定度的因素和原因進行說明，下期關注測量誤差與測量不確定度的主要區別。