日常檢測(cè)中測(cè)量結(jié)果不確定度的評(píng)定

日常檢測(cè)中測(cè)量結(jié)果不確定度的評(píng)定(根據(jù)李慎安原文編)
　
當(dāng)前國(guó)際上所承認(rèn)并在執(zhí)行中的GUM(測(cè)量不確定度表述導(dǎo)則，1995修正再版)以及據(jù)以制定和原則上等同采用的JJF1059—1999《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》在有些人認(rèn)為:所規(guī)定的方法過(guò)分遷就基標(biāo)準(zhǔn)研究及其國(guó)際比對(duì)工作的需要，忽視了“一般測(cè)量”與“基標(biāo)準(zhǔn)研究”間的本質(zhì)差異，使得它在“一般測(cè)量”領(lǐng)域是不可執(zhí)行的，從而無(wú)法在廣泛的領(lǐng)域內(nèi)充當(dāng)統(tǒng)一測(cè)量準(zhǔn)確度評(píng)估方法的基礎(chǔ)。
　　JJF1059—1999所規(guī)定的規(guī)則，不僅適用于建立國(guó)家計(jì)量基準(zhǔn)、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)及其國(guó)際比對(duì)，而且也適用于生產(chǎn)過(guò)程中的檢驗(yàn)和測(cè)試等大量日常的準(zhǔn)確度并不很高的測(cè)量結(jié)果不確定度的評(píng)定與表述，但的確，一個(gè)規(guī)范為了照顧到它的適用范圍，某種程度的系統(tǒng)性和全面性，應(yīng)加以考慮。在JJF1059—1999中也不例外，例如:3.4節(jié)提出:核查標(biāo)準(zhǔn)和控制圖可以表明測(cè)量過(guò)程是否處于統(tǒng)計(jì)控制狀態(tài)之中，有助于數(shù)學(xué)模型的建立和測(cè)量不確定度的評(píng)定。事實(shí)上，大量的日常測(cè)量并沒(méi)有建立核查標(biāo)準(zhǔn)和控制圖的需要。又例如:6.2節(jié)所提出的不確定度傳播中的高階項(xiàng)在明顯非線性時(shí)需加以考慮的問(wèn)題。日常大量的測(cè)量中，盡管輸入量與輸出量的函數(shù)關(guān)系是非線性的，由于所要求的準(zhǔn)確度并不那么高而都不去考慮。JJF1059—1999提出了諸如上述問(wèn)題，絕沒(méi)有要求在任一個(gè)評(píng)定中都必須做到的含義。
　　不確定度分量的評(píng)定方法，按是否是統(tǒng)計(jì)方法分成了A、B兩類，但是在日常測(cè)量工作中，不確定度的評(píng)定并不見得既有A類分量也有B類分量，往往只有A類或只有B類。這也絕不能認(rèn)為JJF1059—1999不適用于“一般測(cè)量”。
　　在測(cè)量結(jié)果的完整表述中，應(yīng)包括測(cè)量不確定度，必要時(shí)還應(yīng)說(shuō)明有關(guān)影響量的取值范圍。這一點(diǎn)，在技術(shù)規(guī)范JJF1001—1998《通用計(jì)量術(shù)語(yǔ)及定義》以及JJF1059—1999中均明確指出。但是，并不意味著“一般測(cè)量”的測(cè)量結(jié)果必須都采用完整表述。JJF1059的8.1節(jié)明確指明，按技術(shù)規(guī)范要求，無(wú)需給出測(cè)量不確定度者當(dāng)然可以不給。這里指的技術(shù)規(guī)范既可以是國(guó)家公布的，也可以是行業(yè)、企業(yè)內(nèi)部的。此外，在8.2節(jié)中進(jìn)一步明確在工業(yè)、商業(yè)等日常大量測(cè)量中，有時(shí)雖沒(méi)有任何明確的不確定度報(bào)告，但其不確定度可以按規(guī)定評(píng)定。這就是說(shuō)，可以評(píng)定甚至需要評(píng)定，但不一定要與測(cè)量結(jié)果同時(shí)報(bào)告。
　　測(cè)量結(jié)果不確定度的評(píng)定，無(wú)論是“基標(biāo)準(zhǔn)研究”還是“一般測(cè)量”，其基本規(guī)則是完全一致的。這就是:測(cè)量結(jié)果不確定度往往由若干分量構(gòu)成，而各分量的評(píng)定，既可用統(tǒng)計(jì)方法，也可用非統(tǒng)計(jì)方法，都用標(biāo)準(zhǔn)偏差表征；合成時(shí)采用其方差之和，必要時(shí)要加進(jìn)協(xié)方差。唯一的不同之處在于基標(biāo)準(zhǔn)研究和國(guó)際比對(duì)中，可以采用合成方差的標(biāo)準(zhǔn)偏差，而在一般測(cè)量或其他測(cè)量中，則一般采用擴(kuò)展不確定度，即用標(biāo)準(zhǔn)偏差的倍數(shù)給出以便于顯示真值所處范圍或測(cè)量結(jié)果之可能誤差不致超過(guò)的值。這種區(qū)別只是表述形式上的區(qū)別而非評(píng)定方法的本質(zhì)不同，更不能認(rèn)為GUM或JJF1059無(wú)法在廣泛的領(lǐng)域內(nèi)充當(dāng)統(tǒng)一測(cè)量準(zhǔn)確度評(píng)估方法的基礎(chǔ)。
　　例如，用1只零級(jí)千分尺來(lái)測(cè)量標(biāo)稱值為50mm的圓棒直徑。直徑按技術(shù)需求，其合格的允差帶有20μm。零級(jí)千分尺的最大允許示值誤差(MPE)不超過(guò)±2μm。其絕對(duì)值占允差帶的十分之一，通常認(rèn)為采用零級(jí)千分尺來(lái)檢驗(yàn)這一直徑是否合格是充分可靠的。而且，即令被測(cè)件的溫度與千分尺的溫度最大可能相差10℃，其線膨脹系數(shù)最大可能相差10×10-6℃-1，由此而帶來(lái)的可能誤差只有50mm×10℃×10-6℃-1=0.5μm而可以忽略不計(jì)(只占千分尺MPE的四分之一)。
　　用千分尺測(cè)量時(shí)，對(duì)其示值是不做修正的，也就是修正值為零。這個(gè)零的不確定度按MPE來(lái)評(píng)定，這種評(píng)定不論是基標(biāo)準(zhǔn)研究還是一般測(cè)量也是相同的。MPE既然是±2μm，我們可以估計(jì)其示值誤差在2μm的范圍內(nèi)的概率分布是矩形的，因此，修正值(零)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度可以評(píng)定為(1/ 根號(hào)3)μm≈1.24μm。
　　如果按規(guī)定是隨機(jī)地取4個(gè)不同位置測(cè)量所得直徑的算術(shù)平均值作為結(jié)果來(lái)做出該直徑是否合格的結(jié)論，則應(yīng)評(píng)定平均值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差，4個(gè)不同位置的直徑并不會(huì)相等，不同位置的直徑變化與千分尺的示值不穩(wěn)定以及估讀隨機(jī)效應(yīng)可以通過(guò)歷次檢測(cè)結(jié)果的記錄，按合并樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差Sp的評(píng)定方法(見JJF1059第4.3節(jié))評(píng)定，取Sp/根號(hào)4作為4次測(cè)量平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差，如果并非經(jīng)常的常規(guī)測(cè)量，沒(méi)有Sp，為要探討測(cè)量方法，分析4次的平均值是否可靠，則應(yīng)把不同位置取得充分多一些，例如20～30個(gè)位置，各進(jìn)行一次測(cè)量，得出20～30個(gè)結(jié)果，按貝塞爾方法求出單次測(cè)量結(jié)果的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差。由于這些測(cè)量結(jié)果是用同一千分尺測(cè)出的，其中不包括零修正的不確定度分量(1.2μm)，而是與零修正充分獨(dú)立(不相關(guān))的另一個(gè)分量。拿它除以根號(hào)4就是任4個(gè)位置的平均直徑的重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)偏差。重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)偏差與零修正標(biāo)準(zhǔn)偏差按方法合成為合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度。其兩倍可作為測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度，一般認(rèn)為，其不應(yīng)超過(guò)五分之一的允差(20μm的五分之一，4μm)，這種檢測(cè)方法及其合格與否的結(jié)論就充分可靠了。當(dāng)然，經(jīng)過(guò)不確定度的評(píng)定，認(rèn)可了這樣的檢測(cè)方法之后，給出測(cè)量結(jié)果或給出是否合格的結(jié)論時(shí)，未必有要交代測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度的必要。
　　從上例來(lái)看，一般測(cè)量中不確定度的評(píng)定往往是需要的，而且也是應(yīng)該的，并且可以采用GUM或JJF1059所規(guī)定的方法。