测量不确定度评定与表示JJF1059-1999

1测量不确定度评定与表示JJF1059-1999(简述)中国计量科学研究院2中国计量科学研究院3第一章引言4正确表示不确定度的意义测量在科学技术、国防建设、工农业生产、国内外市场贸易以及人民生活的各个方面和领域中无时无刻地存在。测量的质量往往会直接影响到国家和企业的经济利益，影响国防军工产品的质量。如果对航天飞船的重量测量偏低，可能会导致飞船发射的失败……5正确表示不确定度的意义测量不确定度表明了测量结果的量，质量愈高不确定度愈小，测量结果的使用价值愈高；质量愈差不确定度愈大，使用价值愈低。在检测校准工作中，没有不确定度的测量结果不具备使用价值。测量结果是否有用，在很大程度上取决于测量不确定度的大小，报告测量结果的同时必须报告不确定度，才是完整的和有意义的。6不确定度的发展过程●1963年，NBS(NIST)“埃森哈特”提出测量不确定度概念。●1978年国际计量局(BIPM)发出不确定度征求意见书，征求各国和国际组织的意见。●1980年，国际计量局提出了实验不确定度建议书INC-1（1980）。●1981年第70届国际计量委员会（CIPM）批准上述建议，并发布CI-1981建议书。●1986年组成国际不确定度工作组，负责制定用于计量、生产、科学研究中的不确定度指南。7不确定度的发展过程●1993年出版了《测量不确定度表示与指南》（GuidetotheExpressionofUncertaintyinMeasurement，简(GUM）。由BIPM、ISO、IEC、IUPAC、IUPAP、IFCC、OIML等七个国际组织的名义提出。1995年进行了订正和重印●1999年国家质量技术监督局批准发布了JJF1059-1999《测量不确定度评定与表示》,该规范原则上等同采用了GUM的基本内容。。第1页8不确定度的相关要求、指南●CNAS-CL07:2006《测量不确定度评估和报告通用要求》；●CNAS-GL05:2006《测量不确定度要求实施指南》；●CNAS-GL06:2006《化学分析中不确定度的评估指南》（等同采用EURACHEM）；●CNAS-GL07:2006《EMC检测领域不确定度的评估指南》；●CNAS-GL08:2006《电器领域不确定度的评估指南》；●CNAS-GL09:2006《校准领域不确定度的评估指南》（等同采用EA04）。JJF1135《化学分析测量不确定度评定》9不确定度的主要应用领域(1)建立国家计量基准、标准及国际比对；(2)标准物质、标准参考数据；(3)测量方法、检定规程、校准规范等；(4)科学研究及工程领域的测量；第1页10不确定度的主要应用领域(5)计量认证、计量确认、质量认证以及实验室认可；(6)测量仪器的校准和检定；(7)生产过程的质量保证以及产品检验测试；(8)贸易结算、医疗卫生、安全防护、环境监测及资源测量。第2页11第二章测量基本术语第2～7页12测量误差的定义测量误差测量误差测量值真值＝－真值是指与给定的特定量一致的值。当测量不完善时，通常不能获得真值。真值是一个理想概念，常用约定真值代替。在不确定度评定中，常称“校准值或标准值”为“真值”第6页13关于允差测量仪器的特性可以用最大允许误差、示值误差等术语描述。在技术规范、规程中规定的测量仪器允许误差极限，称为“最大允许误差”或“允许误差限”。它是制造厂对某种型号仪器所规定的示值误差的允许范围，而不是某台仪器实际存在的误差。测量仪器的最大允许误差可在仪器说明书中查到，表示时有正负号。仪器设备的允差是贡献给测量不确定度的一个重要分量。在评定测量不确定度时，了解和解释允差的确含义和用途是重要的。14准确度定义：测量结果与被测量真值的一致程度。【注】1.不要用术语精密度代替准确度。2.准确度是一个定性的概念。鉴于不可能准确地确定真值的大小，因而定义“准确度”这个术语说明测量结果与被测量的真值的接近程度，所以准确度是一个定性的概念。因而准确度不能量化，也不能作为一个量进行运算。第3页15第4页测量不确定度测量不确定度定义表征合理地赋予被测量之值的分散性，与测量结果相联系的参数。不确定度可以是诸如标准偏差或其倍数，或说明了置信水准的区间的半宽度。16标准不确定度和扩展不确定度●以标准偏差表示的不确定度称为标准不确定度，以u表示。●以标准偏差倍数表示的不确定度称为扩展不确定度，以U表示。扩展不确定度表明了具有较大置信概率的区间半宽度。第5页17不确定度A类和B类评定方法不确定度通常由多个分量组成，对每一分量都要求评定其标准不确定度。评定方法分为A、B两大类：●A类评定是用对观测列进行统计分析的方法，以实验标准偏差表征；●B类评定则用不同于A类的其他方法，以估计的标准偏差表示。●各标准不确定度分量的合成称为合成标准不确定度，它是测量结果的标准偏差的估计值。第5页18标准不确定度定义：以标准偏差表示的测量不确定度。用符号u表示。也可以用相对不确定度表示，x是被测量X的最佳估值。第5页)0()(relxxxuu19合成标准不确定度定义：当测量结果是由若干个其它量的值求得时，按其它各量的方差和协方差算得的标准不确定度。用符号uc表示。也可以用相对不确定度表示，y是被测量Y的最佳估值。第5页)0()(ccrelyyyuu20扩展不确定度定义：确定测量结果区间的量，合理赋予被测量之值分布的大部分可望含于此区间。用大写斜体英文字母U表示。也可以用相对不确定度表示，y是被测量Y的测量结果。第5页)0(relyyUU21包含因子k定义：为求得扩展不确定度，对合成标准不确定度所乘之数字因子。注：1.包含因子等于扩展不确定度与合成标准不确定度之比。2.包含因子有时也称覆盖因子。3.根据其含义可分为两种：k=U/uc；kp=U/uc。4.一般在2~3之间。5.下脚标p为置信概率，即置信区间所需之概率。第5页22测量不确定度的结构A类标准不确定度标准不确定度合成标准不确定度B类标准不确定度测量不确定度U（当无需给出Up时,k=2~3）扩展不确定度Up（p为置信概率）小写英文字母u(斜体)表示大写英文字母U(斜体)表示23如何理解测量不确定度？定义的注1还指出，测量不确定度是“说明了置信水准的区间的半宽度”。也就是说，测量不确定度需要用两个数来表示：一个是测量不确定度的大小，即置信区间；另一个是置信水准（或称置信概率），表明测量结果落在该区间有多大把握。置信区间置信水准24测量误差与测量不确定度的主要区别序号含义测量误差测量不确定度1定义测量误差用来定量表示测量结果与真值的偏离大小。“测量结果减去被测量的真值”。测量误差是一个确定的值。在数轴上表示为一个点。测量不确定度用来定量表示测量结果的可信程度。“表征合理地赋予被测量之值的分散性，与测量结果相联系的参数”。测量不确定度是一个区间。可以用诸如标准偏差或其倍数，或说明了置信水准的区间的半宽度表示。2分类按出现在测量结果中的规律分类。分为系统误差和随机误差，它们都是无限多次测量下的理想概念。按评定方法分类：用测量列结果的统计分布评定不确定度的方法称为A类评定方法，并用实验标准偏差表征；用基于经验或其他信息的假定概率分布评定方法称为B类评定方法，也可用标准偏差表征。25测量误差与测量不确定度的主要区别序号含义测量误差测量不确定度3可操作性由于真值未知，所以不能得到测量误差的值。当用约定真值代替真值时，可以得到测量误差的估计值。没有统一的评定方法。可以根据实验、资料、理论分析和经验等信息进行分析评定，合理确定测量不确定度的置信区间和置信水准(或置信水平或置信概率)。由权威国际组织制定了测量不确定度评定和表示的统一方法GUM，具有较强的可操作性。不同技术领域的测量不尽相同，有其特殊性，可以在GUM的框架下制定相应的评定方法。4表述方法是一个带符号的确定的数值，非正即负(或零)，不能用正负号()表示。约定为(置信)区间半宽度，恒为正值。当由方差求得时，取其正平方根值。完整的表述应包括两个部分：测量结果的置信区间(测量结果不确定度的大小)，以及测量结果落在该置信区间内的置信概率(或置信水平或置信水准)。26测量误差与测量不确定度的主要区别序号含义测量误差测量不确定度5合成方法误差等于系统误差加随机误差。由各误差分量的代数和得到。当不确定度各分量彼此独立无关时，用方和根方法合成，否则要考虑相关项。6结果修正可以用已知误差对未修正测量结果进行修正，得到已修正测量结果。不能用测量不确定度修正测量结果。对已修正测量结果进行测量不确定度评定时，应评定修正不完善引入的不确定度7实验标准差来源于给定的测量结果，它并不表示被测量估计值的随机误差。来源于合理赋予的被测量的值，表示同一观测列中，任一估计值的标准不确定度。27测量误差与测量不确定度的主要区别序号含义测量误差测量不确定度8结果说明测量误差用来定量表示测量结果与真值的偏离大小。误差是客观存在且不以人的认识程度而转移。误差属于给定的测量结果，相同的测量结果具有相同的误差，而与得到该测量结果的测量设备、测量方法和测量程序无关。测量不确定度用来定量表示测量结果的可信程度。测量不确定度与人们对被测量、影响量，以及测量过程的认识有关。在相同条件下进行测量时，合理赋予被测量的任何值，都具有相同的测量不确定度，即测量不确定度与测量方法有关。9自由度不存在。可作为不确定度评定可靠程度的指标。自由度是与不确定度的相对标准不确定度有关的参数。10置信概率不存在。当了解分布时，可按置信概率给出置信区间。28第三章产生测量不确定度的原因测量模型化和数理统计基本知识29不确定度来源（1）对被测量的定义不完整或不完善；（2）实现被测量定义的方法不理想；（3）取样的代表性不够，即被测量的样本不能完全代表所定义的被测量；（4）对测量过程受环境影响的认识不周全，或对环境条件的测量与控制不完善；（5）对模拟式仪器的读数存在人为偏差（偏移）；测量仪器计量性能（如灵敏度、鉴别力阈、分辨力、稳定性及死区等）的局限性；（7）赋予计量标准的值或标准物质的值不准确；（8）引用的数据或其他参数的不确定度；（9）与测量方法和测量程序有关的近似性和假定性；（10）被测量重复观测值的变化等等。第7～8页30建立数学模型Y=f(X1，X2，，XN)(2)在数学模型中，输入量X1，X2，，XN可以是：(1)由当前直接测量的量。它们的值与不确定度可得自单一观测、重复观测、依据经验对信息的估计，并可包含测量仪器读数的修正值，以及对周围环境温度、大气压、湿度等影响量的修正值。(2)由外部来源引入的量。如已校准的测量标准、测量仪器、有证标准物质、手册所得的测量值或参考数据。第8页31建立数学模型(续)xi的不确定度是y的不确定度来源。寻找不确定度来源时，可以从测量仪器、测量环境、测量人员、测量方法、被测量等各方面考虑。应做到不遗漏、不重复，特别要考虑对测量结果影响大的不确定度来源。y的不确定度来源取决于xi的不确定度，为此首先必须评定xi的标准不确定度u(xi)。32数理统计基本知识基本统计计算通过多次重复测量并进行某些统计计算，可增加测量得到的信息量。有两项最基本的统计计算：求一组数据的平均值或算术平均值（数学期望），以及求单次测量或算术平均值的标准偏差（方差）。33最佳估值┈┈多次测量的平均值一般而言，测量数值越多，得到的“真值”的估计值就越好。理想的估计值应当用无穷多数值集来求平均值。但是增加读数要做额外的工作，并增大测量成本，且会产生“缩小回报”的效果。什么是合理的次数呢？10次是普遍选择的，因为这能使计算容易。20次读数只比10次给出稍好的估计值，50次只比20次稍好。根据经验通常取6～10次读数就足够了。数学期望34分散范围（区间）－标准偏差●定量给出分散范围的常见形式是标准偏差。一个数集的标准偏差给出了各个读数与该组读数平均值之差的典型值。●根据“经验”，全部读数大概有三分之二（68.27％）会落在平均值的正负（±）一倍标准偏差范围内，大概有全部读数的95％会落在正负两倍标准偏差范围内。虽然这种“尺度”并非普遍适