本帖最后由 史錦順 于 2014-5-10 21:51 編輯
- 誤差理論解謎團 ——論四種不確定度 - 史錦順 - 劉彥剛網友發帖,原題為“示值和示值誤差的測量不確定度是一樣的嗎?”諸網友討論熱烈,已有一百多帖,各有說法,難以統一。為什么? 蘇軾詩云:“不識廬山真面目,只緣身在此山中”,站在不確定度論的立場上,沒法解開不確定度的謎團。 筆者站在不確定度論的局外,用誤差理論來看這個問題,就另有說法。順便講一下與此相關的不確定度論的幾個問題。 - 先說一下,什么是不確定度。不確定度等效于“誤差范圍”。這是我與njlyx先生的共識。等效于時間頻率國家基準銫頻標的用法(不確定度等效于準確度),也是安捷倫公司與福祿克公司的用法(不確定度等效于準確度accuracy)。 - 原題詳細寫出是:示值的不確定度與示值誤差的不確定度一樣嗎? 如果單純從字面回答,當然不一樣。但學術討論是為了解決實際問題,因此必須聯系計量工作的實際。 - (一)對校準的理解 校準一詞來自英文的“calibration”。 國際上的校準是合格性管理,因而必須開具合格證。(我已托人在國外兩家大公司查證,測量儀器都標識校準合格證。) 中國式的校準,與檢定不同,不開合格證;而把校準理解為尋求修正值,這是不同于國際上的“校準”的,本文稱其為“校正”,以示區別。校正必須給出“系統誤差”,同時要給出此“系統誤差”的誤差范圍。這樣,用戶可據此考慮該不該修正。修正操作,消除了系統誤差,卻同時增加了一項誤差,那就是確定系統誤差時的誤差范圍(校正誤差)。如果系統誤差絕對值遠大于校正誤差范圍,則修正可行;如果校正誤差范圍大于系統誤差的絕對值,那修正不如不修正,則修正不可行。如果修正的誤差范圍與系統誤差的絕對值大體差不多,也不該修正。費事而可能不得好。 - (二)計量不確定度評定的基本作法 用被檢測量儀器測量標準器。記下示值。設標準的標稱值為B,示值為Xi. 評定出校準不確定度。 - GUM評定的方法是對測得值函數作泰勒展開。 歐洲的樣板評定,直接寫出偏差公式,這是測得值函數泰勒展開的簡化形式。 中國的樣板評定,與國際上的通用方式是一致的。 本文將各種形式的評定歸并于如下的形式,統稱不確定度計量評定,簡稱計量評定。 - 不確定度計量評定的基本公式(又稱數學模型)是 EX= X―B (1) 對(1)式作泰勒展開 EX(0)+ ΔEX = X(0) + ΔX(分辨)+ ΔX(重復)+ ΔX(其他)―[B(0) +ΔB(標)] (2) 其中 EX(0) = X(0) ― B(0) (3) (3)代入(2),得不確定度計量評定的基本公式為: ΔEX =ΔX(分辨)+ ΔX(重復)+ ΔX(其他) ―ΔB(標) (4) X是被測量,B是標準的標稱值,EX是差值,加“(0)”表示無校正誤差時的量。所求的的量,即系統誤差的值是EX(0) ,它等于示值的期望值X(0)減標準的真值B(0)。 ΔEX 是要評定的不確定度(元),ΔX(分辨)表示被檢儀器分辨力因素,ΔX(重復)表示“用測量儀器測量計量標準”時讀數的重復性,ΔX(其他)是被檢儀器其他因素(各種隨機因素,只是不包括系統誤差)的影響;ΔB(標)是標準的誤差。 依據(1)(4)式進行不確定度評定,是當前計量不確定度評定的常規。中國的評定如此,歐洲的評定也是如此。其本質就是GUM的泰勒展開法。 計量(包括檢定與校準)的不確定度評定就是按公式(4)進行計算。其結果就是被檢儀器的隨機誤差范圍加上標準的誤差范圍。(合成計算取方和根。) - (三)三種不同的誤差及對應的不確定度 1 示值的誤差范圍(對應示值的不確定度) 包括:示值的系統誤差、示值的隨機誤差范圍 - 2 確定示值誤差范圍的誤差范圍(對應示值誤差的不確定度) 誤差理論認為只有標準的誤差范圍一項。 不確定度論認為還要包括被檢儀器的隨機誤差(該包括嗎?) - 3 確定示值系統誤差的誤差范圍(對應校正值的不確定度) 包括:計量標準的誤差范圍;被檢儀器的隨機誤差范圍。 - 在誤差理論中,誤差元構成誤差范圍,又把誤差分類為系統誤差與隨機誤差。不同的誤差范圍的異同,由其包含內容決定,因而區分是容易的。不確定度是個集合的概念,卻沒有構成該集合的單元,因此極易混淆。 以上,將不確定度對應的誤差范圍概念列出,再分析各種不確定度的異同,就容易了。 三種誤差范圍,對應三種不確定度。 由此回答劉彥剛的問題。 示值的不確定度對應示值的誤差范圍,它包含測量儀器的系統誤差與隨機誤差范圍。 示值誤差的不確定度對應確定示值誤差時所用工具的誤差范圍,就是計量時所用標準的誤差范圍。因此,A示值的不確定度與B示值誤差的不確定度截然不同,A是B的三倍多。 - 為什么又有許多人說示值的不確定度與示值誤差的不確定度一樣呢?這話是來之有據的,是符合當今計量的不確定度評定的實際的。因為按不確定度的評定方法,示值的模型是Y=X,而示值誤差的模型是Y=X-B,B的誤差又很小,所以二者的不確定度就基本相等了(因多一項,示值誤差的不確定度比示值的不確定度還大)。下面具體分析各種情況的不確定度。 - (四)校正中的不確定度評定 中國式的校準,本質是校正,目的是得到修正值,用來改正示值,以減小示值的誤差范圍。 示值的誤差范圍是示值的誤差元(示值減真值)的絕對值的一定概率(3σ,99.73%)意義下的最大可能值。 校準的目的既然是用于“修正”,那就必須給出系統誤差元的值(包括量值與符號),還要給出系統誤差的誤差范圍。因此,校準給出的誤差范圍是確定系統誤差時的誤差范圍,包括有:計量標準的誤差范圍,被校儀器示值的隨機誤差諸因素構成的隨機誤差范圍。 當今的計量不確定度評定,大體包括這些內容。因此對于“校正”,當前的作法基本正確。 - (五)檢定裝置考核的不確定度評定 基于公式(4)進行的不確定度評定,用于對檢定裝置的評定,是錯誤的。把被檢儀器的性能,算在檢定裝置的檢定能力上,這是混淆對象與手段的作法,是不確定度評定的致命傷。 我國著名不確定度專家葉德培先生,在錄像講課(優酷網)中,尖銳地指出并剖析過這個錯誤。此話出自一個長期宣傳不確定度論的學者之口,就更難能可貴,說明這是不可否認的錯誤。 - (六)合格性判別中的不確定度 檢定要進行合格性判別。國際上的校準,是合格性管理與合格性性認證的一種手段,也是要做合格性判別的。 合格性判別是計量的基本程序,合格性判據公式是計量不確定度評定的最基本的公式(我國的標準是《JJF1094-2002 測量儀器特性評定》)。從現行的判別公式,可以說明:誤差理論不可少,誤差范圍是主體,仍然起決定作用;而不確定度評定,最好情況是擺設,有時則形成錯誤。理由如下: 1 當前規范的判別式為 | Δ | ≤ MPEV - U95 (5) 公式(5)中的MPEV,即最大允許誤差,就是誤差元的絕對值的一定概率意義下(3σ,99.73%)的最大可能值,就是誤差范圍,也叫極限誤差,就是準確度。它是測量儀器的誤差范圍的指標值,是合格的標度。判別式中的|Δ|,是實測結果(應取最大值),就是測得的誤差元(視在誤差,測得值減標準的標稱值)的絕對值的最大值。正常情況,U95小于MPEV/3,U95可略,判別式成為: | Δ | ≤ MPEV (6) 公式(6)式中都是誤差理論的量,與不確定度沒關系。不確定度U95評了也沒用。這就是說,在正常的情況下,不確定度是擺設。 2 當U95較大的場合,即當U95 >MPEV/3時,要用(5)式。該用U95。但請注意,此時的公式(5)是錯誤的,不能用。 檢定的誤差,就是所用標準的誤差。(如果有附加裝置,其誤差要計入標準的誤差中)。正確的判別公式為: | Δ | ≤ MPEV – R(標) (7) R(標)是標準的誤差范圍。R(標)是U95的構成因素之一,R(標)加上一些“其他因素”就是U95。因此U95要比R(標)大得多。“其他因素”包括兩部分,第一部分是主體,就是被檢測量儀器的重復性、分辨力、溫度影響、機械不良等,第二部分是環境如溫度對標準的影響。實際情況是,這第二部分極小,即使有也應該體現在標準的誤差中(計量必須保證標準的使用條件)。于是,“其他因素”實際就是被檢測量儀器的一些性能。 被檢儀器的不良(包括被檢測量儀器的重復性、分辨力、溫度影響、機械不良等),必然體現在│Δ│中,再把這些拉出來,放在U95中,也就是放在判別式(7)的右側,于是 | Δ | ≤ MPEV - U95 (5) 等效于 | Δ | ≤ MPEV – [ R(標)+“其他因素”] (8) (8)式比正確式(7)式,多了個“其他因素”項。這一項是不該加的。因而混合模式的公式(5)是錯誤的。 這就是說:當U95可略時,不確定度評定不起作用,評定是擺設;當U95不可略時,本來按(7)式判別的合格被檢儀器,而按(5)式判別,就不能合格了。這是錯誤判別。 因此,合格性判別中不確定度評定,當U95較小時是多余的(略去);當U95較大時,是錯誤的(本來合格儀器不能判為合格)。“其他因素”本是| Δ | 的一部分,再拉出來,是重計;況且此項有時很大,堵死合格性的門口,使檢定無法進行。游標卡尺、數字頻率計,都是這種情況。按不確定度的評定與判別方法,全世界的游標卡尺、數字頻率計都不能合格。多么荒謬! - (七)測量儀器示值的不確定度 示值的不確定度對應于示值的誤差范圍(包括系統誤差與隨機誤差范圍)。 計量的本來任務就是確定測量儀器的誤差范圍。用被檢測量儀器測量計量標準。測得值的平均值減標準值是系統誤差。N個值的分散性,就是儀器的隨機誤差。按貝塞爾公式計算σ,3σ就是隨機誤差范圍,隨機誤差范圍與系統誤差的絕對值合成(取算術和或方和根),就是測量儀器的誤差范圍。實踐操作,可簡化處理,取│Δ│max為實測誤差范圍值。 - 根據VIM3,測量不確定度,就是儀器示值的不確定度,是以一定概率包含真值的區間的半寬,因此它就是測量儀器的誤差范圍。計量中,已經實測獲得,還評定什么?而且按評定模型y=x,分析一通,卻少了關鍵的系統誤差。計量場合有標準,有相對真值,明擺著的實測得到的、可靠的數據你不要,卻憑估計來評定一番,豈不怪哉? - 這種瞪眼不看事實的胡亂評定,完全錯了! - 校準給出的“不確定度”包括計量標準的誤差范圍與被檢儀器的各隨機因素構成的誤差范圍,它就是誤差理論指出的“校正值的誤差范圍”,它不包括系統誤差,因而它不是示值的誤差范圍,也就是說它不是“與示值誤差范圍對應”的示值不確定度。 測量儀器校準給出的不確定度是“校正值”的不確定度,也不是儀器示值誤差的不確定度。 - (八)我對“修正”之拙見 校準證書給出的不確定度是按模型(1)、公式(4)評定的。這個不確定度,是系統誤差的不確定度。修正可以抵消掉已定的系統誤差,但卻增加了確定系統誤差時的誤差,因此,只有系統誤差很大時,才可修正。單值的計量標準(量塊、砝碼),修正是可行的。對測量儀器來說,由于可能的測量點數(量程除以分辨力)極大,修正難以進行。筆者估計,99%以上的測量儀器、99.9%以上的測得值是不修正的。測量計量理論如果把著眼點放在“修正”上,那就迷失了方向。 我的少年時期,衣服要補,襪子要補;現在,我的孫子、孫女都自己有汽車,誰還穿打補丁的衣服?如今,補襪子的人大概很少吧? 我搞一輩子測量計量,前半生是條件艱苦的年代,尚且沒搞過一次修正,選用合格的儀器多好,何必修正?當今的測量計量,條件難道還不如從前嗎? 我認為測量計量中的“修正”,是不得已而為之,不是正道。“修正”難于管理,也易出錯。我一生中知道的唯一的計量事故,是計量院的一位檢定員填錯了修正值的正負號。出事故該受處分,但明明有條件不修正(測量要備夠格的測量儀器,計量必須有夠格的計量標準),何必去搞那既麻煩(要經上級校準)又有風險(修正不好,反爾增大誤差)的“修正”呢? - 計量的不確定度評定,唯一可用之處是確定系統誤差的場合。當然,這也是誤差理論與計量實踐早已解決了的問題。不確定度理論與不確定度評定,沒有任何一項誤差理論所不具備的功能。 - |