测量不确定度评定与表示系列讲座

((管理MANAGEMENT\运基础知识讲座编者按:]]F1059-1999(测量不确定度评定与表示》颁布实施至今已10多年，随着我国科学技术的迅猛发展和计量管理工作的不断规范，同时为了与国际接轨，国家质检总局组织对J]F1059一1999进行了修订。修订后的]]F1059.1-2012(测量不确定度评定与表示》于2013年6月开始实施。为了使广大计量工作者更好地掌握测量不确定度评定与应用的基础知识，深入了解]H059.1-2012的修订重点及变化，本刊特约请]F1059.1一2012的主要起草人叶德培老师从以下6个方面开展系列讲座:第一讲测量不确定度评定的技术规范及其适用条件第二讲测量不确定度评定中的-些基本术语及概念(一}第三讲测量不确定度评定中的一些基本术语及概念{二)第四讲GUM法评定测量不确定度(-)第五讲GUM法评定测量不确定度{二}第六讲蒙特卡洛法评定测量不确定度简介《跚噩茄圃童医i罩量与毒贡》摆到自匪第一讲测量不确定度评定的技术规范及真适用条件口航天科工集团203所叶德培-、国际动向关于测量不确定度的评定与表示方法自20世纪80年代以来受到国际计量界的高度重视，并得到不断发展。1993年，经过工作组近7年的努力，完成了《测量不确定度表示指南》的第一版，并以7个权威的国际组织的名义联合发布，由ISO正式出版发行。1995年在对《测量不确定度表示指南-1993}作了一些更正后重新印刷，即GuideωtheExpressionrifUncertaintyinMeasure­mmt-airrectedandreprinted,1995(GUM1995)，为在全世界采用统一的测量结果的不确定度评定和表示方法48中酣睛却13.7奠定了基础。1997年由7个国际组织创立了计量学指南联合委员会。CGM)，由国际计量局(BIPM)局长任主任，]CGM有两个工作组。工作组1为测量不确定度表示工作组其任务是促进GUM的使用并为其广泛应用而制定补充件及其他文件，发布的国际标准的代号为ISO/IECGuide98。工作组2为国际计量学基本词汇和通用术语(VIM)工作组其任务是修订和促进VIM的使用。2005年国际实验室认可合作组织(ILAC)正式参加该联合委员会后变成由8个国际组织联合发布有关文件。2007年发布了ISO/IECGuide99一2007{国际计量学基本词汇一一基本和通用概念和术语(VIM)，2008年发布了ISO/IECGuide98-3:2008《测量不确定度表示指南}(GUM)。ISO/IECGuide饨的总名称是测量不确定度包括以下各部分:标准已发布的部分:一-ISO/IECGuide98-1，标准的第1部分:对测量不确定度表示指南的介绍。一-ISO/IECGuide98-3:2008，标准的第3部分:测量不确定度表示指南(简称GUM)，其内容与GUM:1995基本相同，仅作了少量修改。一一一ISO/IECGuide98-3/Suppl.1:2008，是Guide98寸的一个补充件:用蒙特卡洛法传播分布(简称MCM)。用标准在计划中待制定的部分:一一第2部分:概念和基本原理一一第4部分:测量不确定度在合格评定中的作一一第5部分:最小二乘法的应用ISO/IECGuide98-3的计划中待制定的补充件:一一补充件2:具有任意多个输出量的模型一一补充件3.模型化二、国家计量技术规范的制修订情况1999年1月，我国颁布了国家计量技术规范]]F1059一1999{测量不确定度评定与表示》。它以计量技术法规的形式规定了我国采用国际指南推荐方法的具体要求，以便在测量结果及其不确定度的评定与表示方法上与国际接轨，以利于我国的国际交往和经济发展。规范颁布至今10多年来，对全国范围内使用和评定测量不确定度，尤其在计量标准ES噩噩面回回叶德培，研究员，1963年毕业于清华大学无线电电子学系，参加工作后一直从事计量工作。退休前为航天科工集团203所计量总师。曾基础知识讲~任航天部无线电计量测试研究所微波计量室主任，航天工业总公司二院科技委委员、航天工业总公司科技委计量测试专业组组长、国防科工委计量测试技术委员会副主任委员、中国电子学会测量与仪器分会高级委员、国家军用标准国防计量标准化委员会委员、国家计量高技术联合实验室科学技术委员会委员、全国计量测试专家咨询委员会委员、全国计量学名词审定委员会委员、全国法制计量委员会顾问、总装军事计量专家组专家等。曾参加多部国家计量技术规范和国家军用标准的编制、军用实验室认可及计量人员培训n等工作。主要著作有〈中国大百科全书电子与计算机卷的衰减测量)、〈计量保证方案入门〉、〈测量不确定度〉、〈统计技术与计量学〉、〈计量基础知识〉、〈对测量不确定度的理解、评定与应用〉等。----------------------.…----------啕…---------…-----当GUM方法不适用时可以采用蒙特卡洛法即概率分布传播的方法进行不确定度评定，使不确定度的应用更加深化。国际计量学术语也相应提出了许多有关的术语新定义，为了总结10多年来的经验以及进一步规范和推广测量不确定度评定的方法，国家的建立、计量技术规范的制定、证书/报告的发布和质检总局在广泛征求意见的基础上，对]]F1059-量值的国际比对等方面起到了重要的指导和规范1999进行了修订。目前，修订后的刀F1059分为两个作用。部分，]]F1059.1-2012{测量不确定度评定与表示》测量不确定度的应用和规范化标志着我国计量是依据10多年来我国贯彻]F1059一1999的经验以及事业发展的水平，国家质检总局一直十分重视这项工作。随着我国科学技术的迅猛发展和计量管理工作的不断规范，特别是国际标准化组织已正式颁布了ISOIIECGuide98-3:2008及其补充标准，并说明最新的国际标准ISO/IECGuide98-3:2008对]F1059-1999修订后的版本;]]F1059.2一2012{用蒙特卡洛法评定测量不确定度》是依据ISOIIECGuide98-3/Suppl.1:2008制定的。2013.7中国计量49({管理MANAG\七二基础知识讲座三、JJF1059.1-20l2的适用范围和适用条件1.JJF1059.1-2012的适用范围(1)刀FI059.1-2012是一个通用规范，该规范适用于涉及有明确定义的、并可以用唯一值表征的被测量估计值的不确定度的评定与表示。例如:直接用数字电压表测量频率为50Hz的某实验室的电源电压，电压是被测量，它有明确的定义和特定的测量条件，用的测量仪器是数字电压表，进行3次测量，取其平均值为被测量的最佳估计值，其值为220.5V.它是被测量的估计值并用一个值表征的。现高规范对这样的测得值进行测量不确定度评定和表示是适用的。又如=通过对电路中的电流I和电压同甘测量，用公式P司的，十算出功率值P，这属于间接测量，也符合有明确定义的并可用唯一值表征的条件，因此jjFI059.1-2012是适用的。(2)当被测量为导出量，其测量模型即函数关系式中的多个变量又由另外的函数关系确定时，对于被测量估计值的不确定度评定，jjFl059.1-2012的基本原则也是适用的。但是评定起来比较复杂。例如:被测量功率P是输入量电流I和温度t的函数，其测量模型为:P=CoI2/(t+化)，而电流I和温度t又由另外的函数确定:I=JI;;孔，t气lfJ2(t)R2，一岛。评定功率p的测量不确定度时，]Fl059.1-2012同样适用。(3)对于被测量呈现为一系列值的分布，或对被测量的描述为一组量时则被测量的估计值也应该是一组量值，测量不确定度应相应于每一个估计值给出，并应给出其分布情况及其相互关系。(4)当被测量取决于一个或多个参变量时，例如以时间或温度等为参变量时，被测量的测得值是随参变量变化的直线或曲线对于在直线或曲线上任意一点的估计值，其测量不确定度是不同的。测量不确定度的评定可能要用到最小二乘法、矩阵等数学运算，但jjFl059.1-2012的基本原则也还是适用的。(5)jjFI059.1-2012的基本原则也可用于在统计控制下的测量过程的测量不确定度的评定，但A类评定时需要考虑测量过程的合并标准偏差从而得到50中国计量2013.7标准不确定度。(6)jJF1059.1一2012也适用于实验、测量方法、测量装置和测量系统的设计和理论分析中有关不确定度的评定与表示，许多情况下是根据对可能导致不确定度的来源进行分析与评估，预估测量不确定度的大小。(7)jJFI059.1-2012仅提供了评定和表示测量不确定度的通用规则，涉及一些专门的测量领域的特殊问题的不确定度评定，可能不够具体。如果必要，刀FI059.1-2012鼓励各计量专业技术委员会以此规范为依据制定专门的技术规范或指导书。2.JJF1059.1-2012的主要适用条件jjFl059.1-2012是采用测量不确定度表示指南的方法评定测量不确定度，简称GUM法，其主要适用条件为以下3条:(1)可以假设输人量的概率分布呈对称分布。(2)可以假设输出量的概率分布近似为正态分布或t分布。(3)测量模型为线性模型、可转化为线性的模型或可用钱性模型近似的模型。jjFI059.1-2012中的主要两字是指:从严格意义上说，在规定的3个条件同时满足时，GUM法是完全适用的，但并不是在不满足这些条件的情况下绝对不能用。当其中某个条件不完全满足时，有些情况下可能可以作近似、假设或适当处理后使用。在测量要求不太高的场合，这种近似、假设或处理是可以接受的。但在要求相当高的场合必须在了解GUM适用条件后予以慎重处理。关于GUM法适用条件的理解具体如下:(1)GUMl去适用于可以假设输入量的概率分布呈对称分布的情况。在GUMi去评定测量不确定度时，首先要评定输入量的标准不确定度，除了A类评定外(一般情况下，由各种随机影响造成测得值的分散性可假设为对称的正态分布)，许多情况下是采用B类评定，只有输入量的概率分布为对称分布肘，才可能确定区间半宽度，评定得到输入量的标准不确定度。常用的对称分布如:正态分布、均匀分布、三角分布、梯形分布、反正弦分布等。如果输入量呈指数分布、γ分布、泊松分布等非对称分布时一般来说GUM法是不适用的。实际情况下常遇到有些输人量的估计值是用仪器测量得到的，一般情况下仪器的最大允许误差是双侧对称分布的区间，但有些情况下，仪器的最大允许误差可能是一个非对称的区阁、甚至是单侧区间。在界限不对称时，只有假设或近似为对称区间后才能进行B类评定。(2)GUM法适用于输出量的概率分布近似或可假设为正态分布或t分布的情况。对于这一条应理解为GUM法适用于:输出量Y为正态分布、近似为正态分布，或者可假设为正态分布，此时，Y-Y/U，(y)接近t分布的情况。①当测量模型中输入量很多或确定输出量时导致不确定度的来源很多，相互独立且各不确定度分量大小相近时，可以认为输出量的概率分布近似为正态分布。例如Y=CtXt+C2)马+……+C0N'如果其所有的输入量元是用正态分布表征，贝。凶9分布也是正态分布。然而，输入量X很多时，即使元的分布不是正态的，根据中心极限定理凶9分布通常可以用正态分布近似。矩形分布是非正态分布的极端例子，但即使只有3个等宽度的矩形分布，其卷积接近正态分布(参见ISO/IECGuide98-3:2008,G.2.1，G.2.2)。所以，许多情况下假设输出量接近正态分布是合乎实际的，GUM法中，约定采用k=2的扩展不确定度U，由它确定的包含区间的包含概率约为95%左右，就是在接近正态分布的基础上得出的。②若用算术平均值作为被测量(即输出量)的最佳估计值y，其扩展不确定度为曰，当y服从正态分布时，贝Ij算术平均值与算术平均值的标准偏差之比服从缩放平移t分布，~Py/uc的分布为自由度为阳、输出估计值为y、方差为(叼/kp)2的t分布。所以，GUM法中规定，可以用查t分布的t值表来确定包含概率为p的包含因子kp，从而得到马和包含概率为p的包含区Jì目y士叫。③当输出量的概率分布