不确定度概念、使用与评定

不确定度的概念、使用与评定——与中国电力科学研究院技术交流报告（2018.09.27）郭晓涛目录/Contents01计量概述02不确定度的概念03不确定度的使用04不确定度的评定05其它问题与总结01计量概述4计量/Metrology0.001m0.0001m0.00001m到底多长是“1米”？最后一位小数在哪里？度量衡——商鞅方升计量——米制公约计量科学研究、计量体系发展……利用技术和法制手段实现单位统一和量值准确可靠的测量。5现代计量学c0=299792458m/s1秒：铯133原子基态的两个超精细能阶之间跃迁时所辐射的电磁波的周期的9,192,631,770倍的时间米（1799）：通过巴黎的子午线上从地球赤道到北极点的距离的一千万分之一1米：光在真空中行进1/299792458秒的距离*所以赤道长度约为4万千米*第一个米原器差了0.2毫米导致赤道长度比4万千米多7863米1×10-7m4×10-9m不再仅仅是尺、斗、秤，基准量子化是物理学的基础之一为世界范围内社会活动提供广泛而基础的支撑10-16s6量值传递体系国际计量局国家计量机构NISTNPLPTBNIM地方计量机构行业计量机构检测实验室产品……将准确一致的量值传递到需要的地方量值的准确程度在逐渐变化（不确定度传播）需要有共同的语言（不确定度的意义）如何掌控好过程（不确定度评定）新趋势：量子化与扁平化以上仅为通俗地介绍不确定度的背景，并不全面02不确定度的概念8不确定度概念1977/1997CommitteeforGuidesinMetrology(JCGM)Evaluationofmeasurementdata—Guidetotheexpressionofuncertaintyinmeasurement(GUM)测量不确定度（MeasurementUncertainty），简称“不确定度（Uncertainty）”Parameter,associatedwiththeresultofameasurement,thatcharacterizesthedispersionofthevaluesthatcouldreasonablybeattributedtothemeasurand.JCGM100:2008根据所用到的信息，表征赋予被测量值分散性的非负参数。JJF1059.19不确定度的常见表达Y=X,U=UX;k=kpL=1.003m,U=0.001m;k=2P=1.02mW,U=0.01mW;k=2P=0.2dBm,U=0.1dB;k=2不确定度是测量结果的重要组成部分！10概念的独特性不确定度Uncertainty误差Error/Accuracy准确度、准确性、精确度、精密度……/真值？根本就测不准？理论真值测不准原理过去？更重要的是将来对未来测量结果分散性的定量估计和描述定义不规范统一包含很多定性的成分定义规范统一定量曾经流行仍能看到很常见广泛使用03不确定度的使用12不确定度使用的有效范围1、只对确定的定量参数有效等级A、B、C等评不了不确定度2、输入量的概率分布呈对称分布、输出量的概率分布近似为正态分布或t分布合格判定就不是对称分布的不对称或正态分布的时候可以近似处理3、测量模型为线性模型、可以转化为线性模型或者可以用线性模型近似非线性模型情况下可能也有不确定度，但不能用GUM法评定“有明确定义的、并可用唯一值表征的被测量估计值”JCGM100:2008JJF1059.1-2012GUMJCGM101:2008JJF1059.2-2012MonteCarloJCGM101:2011Anynumberofoutputquantities13MonteCarlo方法举例无线信道VNAOUTINTXTX无线信道参数的计算均方根时延展宽信道测量系统14使用已有的不确定度资源仪器说明书其它技术资料：检定证书、校准证书、技术报告等•最乐意看到规范的不确定度描述•不规范的描述，或需要转化的指标•注意区别“典型值”15形成自己的不确定度资产确定自己的能力•有不确定度就是进步•更小的不确定度，体现更高的技术水平可以被继续使用•量值传递具有规范性•通用性和广泛性不是所有的量都能做不确定度评定没有必要不停的做不确定度评定，但是不确定度的理念值得始终坚持•尚未建立源头：例如网络流量•量值传递链条不完整：例如数字技术•测量方法上不完善：例如无线信道参数这个时候也是有一些其它工作可以做04不确定度的评定17从最简单的一个不确定度评定来总结最基本的不确定度评定流程测2.45GHz的载波信号的功率（0dBm）1、分析不确定度来源和建立测量模型测量模型：P=Pmea①仪表测量能力；②测量重复性。2、评定标准不确定度ui①仪表测量能力导致的不确定度分量u1=0.042dB②测量重复性导致的不确定度分量u2=0.02dB。次数测量值(dBm)1-0.072-0.053-0.064-0.065-0.066-0.057-0.048-0.059-0.0510-0.063、计算合成标准不确定度uc各分量独立不相关，22c21uuu=0.05dB4、确定扩展不确定度U取包含因子k=2，U=2Uc=0.1dB18序号不确定度来源类型符号及数值dB分布包含因子标准不确定度符号及数值dB1参考源输出电平最大允许误差Ba1=0.04均匀3u1=0.032功率计探头校准因子Ba2=0.10上级标准2u2=0.053自校准时功率传感器与参考源的失配误差Ba3=0.02均匀3u3=0.014功率传感器与E4438C信号发生器输出端口失配误差Ba4=0.09反正弦2u4=0.065测量重复性A－－－u5=0.02常见问题展开1：多个不确定度来源的确定与分析1）功率计参考源输出电平最大允许误差a1；2）功率计探头校准因子误差a2；3）自校准时功率传感器与参考源的失配误差a3；4）功率传感器与E4438C信号发生器输出端口失配误差a4；5）测量重复性。从技术上全面考虑考虑典型分布考虑多个不确定度来源的实例不确定度分量转换为标准不确定度33233233233233233233233219常见问题展开2：合成标准不确定度与常见疏漏最常见的：认为标准不确定度分量之间不相关，则直接用平方和开平方得到合成标准不确定度如果测量模型是复杂模型，但是分量之间互不相关非线性单位（dB）不能直接平方与开平方!!!10WdBm10log1mWPP20常见问题展开3：不确定度的最终表现形式不确定度没有正负号不确定度的有效数字1~2位P=1.02mW,U=0.01mW;k=2单个的不确定度分段或者矩阵形式THDRange10Hzto10kHz10kHzto100kHz100kHzto200kHz0.003%to0.01%6//0.01%to0.03%26/0.03%to0.3%24100.3%to1%2241%to100%0.624Expandeduncertainty/(%)用函数的形式表示国家衰减基准NationalAttenuationStandard频率:10kHz~40GHz衰减:0dB~90dB不确定度:(0.002+0.0002×A)dBk=2保存机构：计量院用相对不确定度表示国家功率基准NationalPowerStandard频率:10MHz~50GHz功率:10mW不确定度:0.5%k=2保存机构：计量院不确定度可以往大了评，但不能往小了评28.05=2921不常见问题不展开不确定度分量有相关性及相关系数自由度一系列概念测量精密度测量重复性测量复现性零的测量不确定度几个不常用方法和操作贝塞尔公式法极差法合并标准偏差预评估重复性符号、格式与含义的对应05其它问题与总结23信息电子领域的特殊性涉及的都是基本物理量的导出量甚至“多层导出量”不确定度的水平普遍没有那么高很多时候不满足10倍量传，甚至3倍量传也做不到涉及的设备和应用参数非常多测量仪器的发展已经在较高水平上进入瓶颈带来综合影响开展不确定度评定和应用的难度更大但需求也更大24辩证思考不确定度这一体系比对基标准层面的研究溯源链条的梳理与研究能力验证先进测试方法的研究不确定度的体系很理想，但没有任何体系是完美和万能的25简单总结什么是不确定度（概念）为什么要有不确定度（由来、发展、范围、理念）怎么评不确定度（主要介绍测试实验室的常见形式和常见问题）衷心希望“不确定度”这一技术概念能够更加广泛的为更多的机构提供帮助欢迎批评指正！[e-mail]