測(cè)量系統(tǒng)不確定度分析及其動(dòng)態(tài)性研究

測(cè)量系統(tǒng)不確定度分析及其動(dòng)態(tài)性研究

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2002-10-31

1 引言 　　測(cè)量不確定度是測(cè)量系統(tǒng)最基本也是最重要的特性指標(biāo),是測(cè)量質(zhì)量的重要標(biāo)志。當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)的特性隨時(shí)間發(fā)生變化時(shí),測(cè)量系統(tǒng)不確定度將伴隨著工作時(shí)間的延續(xù)而發(fā)生變化與漂移。 　　將不確定度原理引入測(cè)量系統(tǒng)分析,并基于測(cè)量系統(tǒng)不確定度的動(dòng)態(tài)特性,研究測(cè)量系統(tǒng)全壽命過程中的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,為科學(xué)地評(píng)價(jià)測(cè)量系統(tǒng),確定測(cè)量系統(tǒng)的檢定周期,合理進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)的預(yù)防性維護(hù)和糾正性維護(hù),提高測(cè)量系統(tǒng)的有效性等提供重要份依據(jù),具有很高的學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)際意義。 2 測(cè)量系統(tǒng)不確定度的分析 　　測(cè)量系統(tǒng)的概念不只局限于測(cè)量?jī)x器、測(cè)量設(shè)備的范疇,而是指用來對(duì)被測(cè)量賦值的操作程序、評(píng)價(jià)人、量具、設(shè)備、環(huán)境及軟件等要素的綜合,是獲得測(cè)量結(jié)果的整個(gè)過程。一個(gè)完整的測(cè)量過程,引起測(cè)量不確定度的因素有很多,包括被測(cè)量的定義不完整、被測(cè)量的定義值實(shí)現(xiàn)不理想,被測(cè)量的樣本不能完全代表定義的被測(cè)量、對(duì)環(huán)境條件的影響認(rèn)識(shí)不足或環(huán)境條件的不完善測(cè)量、人員對(duì)模擬式儀器的讀數(shù)偏差、測(cè)量?jī)x器的分辨率或鑒別域的限制、測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的給定值或標(biāo)定值不準(zhǔn)確、測(cè)量方法、測(cè)量系統(tǒng)和測(cè)量程序不完善、數(shù)據(jù)處理時(shí)所引起的常數(shù)和其它參數(shù)不準(zhǔn)確、修正系統(tǒng)誤差的不完善以及各種隨機(jī)因素的影響等等。在不同的測(cè)量系統(tǒng),因系統(tǒng)的組成要素不間,上述因素的影響程度會(huì)有所差異,但對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的綜合影響卻具有共性。因此,美國(guó)三大汽車公司聯(lián)合推出的測(cè)量系統(tǒng)分析,提出了測(cè)量系統(tǒng)評(píng)定的六個(gè)指標(biāo),即系統(tǒng)的分辨力、偏倚、穩(wěn)定性、重復(fù)性、再現(xiàn)性和線性指標(biāo)。這六個(gè)指標(biāo)反映了測(cè)量系統(tǒng)不確定性的基本特征,實(shí)際上也就是引起測(cè)量系統(tǒng)不確定度的主要來源。按照國(guó)際不確定度的基本原則和不確定度的兩類評(píng)定原理,選擇適合各指標(biāo)特征的不確定評(píng)定方法,分別將測(cè)量系統(tǒng)分析的六個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為測(cè)量系統(tǒng)的不確定度分量,再按不確定度合成的方法獲得測(cè)量系統(tǒng)的不確定度。 3 不確定度動(dòng)態(tài)性分析 　　以測(cè)量系統(tǒng)的六個(gè)評(píng)定指標(biāo)為依據(jù),采用兩類不確定度評(píng)定方法通常得到的是測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)不確定度。實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)在全壽命過程中,受外界條件影響和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不斷變化,從較長(zhǎng)時(shí)間段來看,測(cè)量系統(tǒng)的特性,如偏移、重復(fù)性、穩(wěn)定性,等,會(huì)隨時(shí)間發(fā)生規(guī)律性變化,具體表現(xiàn)為測(cè)量結(jié)果的估計(jì)值較測(cè)量系統(tǒng)壽命初期發(fā)生明顯漂移,且朝著背離被測(cè)量真值的方向,使得測(cè)量結(jié)果估計(jì)值與被測(cè)量真值的差異逐漸增大;另一方面,一系列隨機(jī)因素和未知系統(tǒng)因素對(duì)測(cè)量不確定性影響增強(qiáng)。使測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差隨時(shí)間發(fā)生變化,即σ=σ(t),導(dǎo)致由測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差所決定的測(cè)量不確定度隨時(shí)間延續(xù)而不斷增大。因此,測(cè)量系統(tǒng)的精度隨時(shí)間不斷損失,當(dāng)損失到一定程度時(shí),測(cè)量系統(tǒng)不再滿足測(cè)量精度的要求,測(cè)量系統(tǒng)壽命終結(jié)。圖l反映了被測(cè)量的估計(jì)值漂移及測(cè)量不確定度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。 圖1 測(cè)量結(jié)果漂移及測(cè)量不確定度變化示意圖 4 精度損失函數(shù)建模 　　測(cè)量不確定度的動(dòng)態(tài)性導(dǎo)致測(cè)量系統(tǒng)精度的損失。如圖1可知，導(dǎo)致精度損失的主要因素是X(t)的偏移與σ(t)值的增大，用δ(t)表示精度損失函數(shù)，則： 　　 　　由式(1)可知,精度損失函數(shù)δ(t)的建模關(guān)鍵是對(duì)Δx(t)和Δσ(t)的建模。引起Δx(t)和Δσ(t)變化的因素較多,有些可知的,有些則是未知的,難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。 　　將一段時(shí)期不同時(shí)間測(cè)定的測(cè)量結(jié)果看作為一組動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)序列,該序列不僅具有時(shí)變性、相關(guān)性,還有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,不能用確定的數(shù)學(xué)表達(dá)式描述,為此,擬采用幾種不同的現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法,如采用灰色理論、時(shí)序分析及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代數(shù)學(xué)手段對(duì)一組動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)序列進(jìn)行建模,將求得的Δx(t)、Δσ(t)的數(shù)學(xué)模型代入式(1)即可獲得測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度損失函數(shù),并用它來定量描述測(cè)量系統(tǒng)不確定度的動(dòng)態(tài)特性,準(zhǔn)確預(yù)測(cè)測(cè)量系統(tǒng)未來的精度變化,為確定測(cè)量系統(tǒng)的檢定周期、合理進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)的預(yù)防性維護(hù)和糾正性維護(hù),提高測(cè)量系統(tǒng)的有效性等提供可靠的理論依據(jù)。

文：陳曉懷 謝少鋒 張勇斌 費(fèi)業(yè)泰(合肥工業(yè)大學(xué)精密儀器系)    摘：儀器儀表學(xué)報(bào)第3期增刊

我現(xiàn)在就正在做一個(gè)不確定度的一個(gè)評(píng)定，越做越覺得難，比如某儀表B類評(píng)定，是用分辨率還是用最大允差計(jì)算，可靠性的估計(jì)，合成不確定度屬于什么分布，等等。總之，邊干邊學(xué)吧。