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測量不確定度

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測量不確定度
為什么需要考慮測量不確定度?
發布時間: 2021-08-03

  1、什么是測量不確定度?

  在ISO 指南 99:2007《國際(ji)歐寶體育學詞匯 基(ji)礎和通用概(gai)念及相 關術語(yu)》(縮(suo)寫(xie) VIM)中,對測(ce)量(liang)不確定(ding)度的定(ding)義如(ru)下:

  利用可獲得(de)的信息,表(biao)征賦(fu)予(yu)被(bei)測量量值分散性的非負參數

  在(zai)(zai)傳統的(de)(de)定義中也(ye)可以認(ren)為是, 由測量(liang)結果給出的(de)(de)被(bei)測量(liang)的(de)(de)估計值(zhi)中可能存在(zai)(zai)的(de)(de)誤(wu)差的(de)(de)度(du)量(liang); 表(biao)征被(bei)測量(liang)的(de)(de)真值(zhi)所(suo)處的(de)(de)量(liang)值(zhi)范圍的(de)(de)估計。

  以下與不確定度相關的概念也經常在(zai)VDA5中碰(peng)到

  標(biao)準不確定度: 以(yi)標(biao)準差表示的測量不確定度

  不確定(ding)(ding)度(du)的A類評(ping)定(ding)(ding): 對在規(gui)定(ding)(ding)測量(liang)(liang)條件下測得的量(liang)(liang)值用統計分(fen)析的方法進行的測量(liang)(liang)不確定(ding)(ding)度(du)分(fen)量(liang)(liang)的評(ping)定(ding)(ding)

  不(bu)確定(ding)度(du)的B類評定(ding): 用(yong)不(bu)同于測(ce)量(liang)不(bu)確定(ding)度(du) A 類評定(ding)的方法對(dui)測(ce)量(liang)不(bu)確定(ding)度(du)分量(liang)進行(xing)的評定(ding)

  合(he)成標(biao)(biao)準(zhun)不確定(ding)(ding)度: 由在(zai)一個測量模型中各輸入量的(de)標(biao)(biao)準(zhun)測量不確定(ding)(ding)度獲得的(de)輸出量的(de)標(biao)(biao)準(zhun)測量不確定(ding)(ding)度

  擴(kuo)展不確(que)定度(du)(du): 合成標準(zhun)測量不確(que)定度(du)(du)與一(yi)個大于 1 的數字因子的乘積

  2、測量不確定度的歷史是怎樣的?

  正如(ru)國際單(dan)位制(SI)在(zai)全(quan)世(shi)界(jie)(jie)的(de)普(pu)遍使用已經與(yu)所有(you)科學和技術(shu)測(ce)量(liang)相結合一樣,全(quan)世(shi)界(jie)(jie)對測(ce)量(liang)不確定(ding)度的(de)評定(ding)和表(biao)示方(fang)法取得(de)共識,給出易于理(li)解和有(you)恰當釋(shi)義(yi)的(de)規(gui)則,將會對科學、工程技術(shu)、商(shang) 貿、工業中大量(liang)的(de)測(ce) 量(liang)結果具有(you)極為重要的(de)意義(yi)。在(zai)市(shi)場全(quan)球化的(de)時代(dai),在(zai)全(quan)世(shi)界(jie)(jie)統一     不確定(ding)度的(de)評定(ding)和表(biao)示方(fang)法勢在(zai)必(bi)行(xing),以(yi)便使不同國家進(jin)行(xing)的(de)測(ce)量(liang)可以(yi)容易地相互(hu)比(bi)較。

  由(you)于(yu)國際上對(dui)測(ce)量不確定度(du)的(de)表(biao)示缺乏(fa)一(yi)致的(de)意見,國際最高歐寶體育(yu)權(quan)威(wei)機構——國際歐寶體育(yu)委員會 (CIPM)于(yu) 1977 年要求國際歐寶體育(yu)局(BIPM)與各國家標(biao)準實驗室協調解(jie)決(jue)這一(yi)問(wen)題,并制定出一(yi)份建 議書。

  BIPM 召集了(le)一次會(hui)議,其目的是(shi)為了(le)對不(bu)確定(ding)度規定(ding) 一個(ge)統(tong)一的能被大家所接受的評(ping)定(ding)和表(biao)示(shi)方法; 會(hui)議成 立的不(bu)確定(ding)度聲(sheng)明(ming)工作組起草了(le)一份建議書(shu) INC-1(1980)《實(shi)驗不(bu)確定(ding)度的表(biao)示(shi)》

  INC-1(1980)建議(yi)書《實驗(yan)不確(que)定度的表示》

  (1) 測量(liang)結果(guo)的不確定(ding)度(du)通常(chang)包含若干(gan)個分(fen)量(liang),根據其數值的評估(gu)方法(fa)不同分(fen)為(wei)兩類:

  A 類:用統計(ji)方(fang)法(fa)評(ping)定(ding)的(de)分量;

  B 類:用其他方法評定的分量。

  A 類和 B 類不確定度與以前(qian)所用(yong)的(de)(de)“隨機”和“系(xi)統”不確定度之間并不總是存(cun)在簡單的(de)(de)對應關系(xi)。

  “系統不確定度”這個(ge)術語容易引起誤(wu)解,應該避(bi)免使(shi)用(yong)。 任何(he)有關不確定度的(de)詳細報告應該有一個(ge)完整的(de)分量明細表,對(dui)每個(ge)分量應該說明其數值的(de)獲得(de)方法(fa)。

  (2) A 類分量用估(gu)計(ji)方差(cha)(cha) si2(或估(gu)計(ji)標準(zhun)差(cha)(cha) si)及自由度v i 表征(zheng)。適(shi)當時(shi),應該給出(chu)協方差(cha)(cha)。

  (3) B 類分量應(ying)該用 uj2 表征。可以認為 uj2 是(shi)假設存在的相應(ying)方差的近似(si)。可以像方差那樣(yang)處理 uj2,并像標準差那樣(yang)去處理 uj。適當時,也應(ying)該以同樣(yang)方法給出協方差。

  (4) 合成不確定度應(ying)該采(cai)用(yong)常用(yong)的方差合成方法(fa)得到(dao)的數值表征(zheng)。合成不確定度及其分(fen)量應(ying)該用(yong) “標(biao)準差”的形式表示。

  (5) 對于特殊應用,有(you)必要用合成不確(que)(que)定度乘以一個因(yin)子獲得總不確(que)(que)定度,并且(qie)必須聲明被乘因(yin)子。

  CIPM 于 1981 年(nian) 批準了該建(jian)議(yi)書(shu)(shu),并于 1986 年(nian)再次肯定了該建(jian)議(yi)書(shu)(shu) 。

  CIPM 委(wei)托國(guo)(guo)際(ji)(ji)(ji)標(biao)準(zhun)化(hua)組(zu)織(ISO)來(lai)編制一個詳(xiang)細的指導(dao)性文(wen)件(jian),因(yin)為 ISO 能更好地(di)反映工(gong)業(ye)和商業(ye)各界的廣(guang)泛 需(xu)要(yao); ISO 指定其所屬的歐寶(bao)體育(yu)技(ji)術顧(gu)問組(zu)(TAG 4)來(lai)承擔此項任務, 在(zai) TAG 4 工(gong)作(zuo)組(zu)中,還(huan)有與 ISO 在(zai)這(zhe)一領域有共同興趣(qu)的 6 個國(guo)(guo)際(ji)(ji)(ji)組(zu)織: 國(guo)(guo)際(ji)(ji)(ji)電工(gong)委(wei)員(yuan)會(hui)(IEC)(它是 ISO 在(zai)全球標(biao)準(zhun)化(hua)方(fang)面的合作(zuo)伙伴(ban)),國(guo)(guo)際(ji)(ji)(ji)歐寶(bao)體育(yu)委(wei)員(yuan)會(hui)(CIPM),國(guo)(guo)際(ji)(ji)(ji)法(fa) 制歐寶(bao)體育(yu)組(zu)織(OIML),國(guo)(guo)際(ji)(ji)(ji)理(li)論(lun)化(hua)學和應用(yong)化(hua)學聯合會(hui)(IUPAC),國(guo)(guo)際(ji)(ji)(ji)理(li)論(lun)物理(li)和應用(yong)物理(li)聯合會(hui) (IUPAP),國(guo)(guo)際(ji)(ji)(ji)臨(lin)床化(hua)學聯合會(hui)(IFCC)。

  BIPM、IEC、IFCC、ISO、IUPAC、IUPAP 和 OIML 1993 發布的(de)(de)GUM:1993 并于 1995 年勘誤(wu)重(zhong)印的(de)(de)《測量不(bu)確定度表示指南》(GUM:1995)。

  GUM 建立了測量(liang)不確定度評定和(he)(he)表示(shi)的(de)(de)通用規則,適用于(yu)廣泛的(de)(de)測量(liang)領域。GUM 基于(yu) CIPM 的(de)(de) 建議(yi)(yi)書 CI-1981 和(he)(he)不確定度聲明工(gong)作組的(de)(de)建議(yi)(yi)書 INC-1(1980)。該工(gong)作組是 BIPM 應 CIPM 的(de)(de)要求成立的(de)(de)。

  不同測(ce)(ce)量(liang)(liang)領域的(de)(de)實驗室(shi)目前已形成用于評(ping)價測(ce)(ce)量(liang)(liang)結(jie)果(guo)質量(liang)(liang)的(de)(de)測(ce)(ce)量(liang)(liang)不確(que)定(ding)度方法(fa),包括建(jian)立測(ce)(ce)量(liang)(liang)模(mo)(mo)型,計算(suan)A/B兩類(lei)測(ce)(ce)量(liang)(liang)不確(que)定(ding)度,計算(suan)合成測(ce)(ce)量(liang)(liang)不確(que)定(ding)度,計算(suan)擴(kuo)展不確(que)定(ding)度。但就(jiu)像(xiang)GUM中(zhong)說明的(de)(de)那樣,通常只有(you)(you)明確(que)了無窮(qiong)多的(de)(de)信息,被測(ce)(ce)量(liang)(liang)真實值才能被定(ding)義(yi)出來,故所(suo)有(you)(you)的(de)(de)模(mo)(mo)型都僅僅是基于現(xian)有(you)(you)可利用知(zhi)識建(jian)立的(de)(de)模(mo)(mo)型。

  CIPM 建議書是唯一被政府(fu)間國際組織采用的關(guan)于(yu)測量不確定(ding)度表(biao)示的建議

  3、總結

  以(yi)福特和通用(yong)汽車為代表(biao)的(de)(de)(de)(de)(de)汽車行業在質(zhi)量(liang)(liang)控(kong)制領域(yu)提出用(yong)統計的(de)(de)(de)(de)(de)方法(fa),對測(ce)量(liang)(liang)過(guo)程中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)異來源(yuan)進行分析,最(zui)有名的(de)(de)(de)(de)(de)就是(shi)目前大家所(suo)熟知(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)GR&R研(yan)究(jiu),這種(zhong)研(yan)究(jiu)是(shi)基于誤差(cha)理論,評估測(ce)量(liang)(liang)過(guo)程的(de)(de)(de)(de)(de)隨機誤差(cha),從測(ce)量(liang)(liang)不確(que)定的(de)(de)(de)(de)(de)角(jiao)度來講,這只是(shi)不確(que)定度A類評定方法(fa)的(de)(de)(de)(de)(de)具體實(shi)踐,在GR&R的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)中(zhong),將測(ce)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)隨機誤差(cha)與過(guo)程變(bian)差(cha)或公(gong)差(cha)的(de)(de)(de)(de)(de)百分比計算出來,提出測(ce)量(liang)(liang)過(guo)程的(de)(de)(de)(de)(de)能力的(de)(de)(de)(de)(de)概念,強調觀測(ce)測(ce)量(liang)(liang)值(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)差(cha)中(zhong)由于測(ce)量(liang)(liang)過(guo)程所(suo)導致的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)差(cha)是(shi)否可(ke)以(yi)忽略不計。

  雖然(ran)(ran)在汽車行業MSA的分析方(fang)法應用(yong)非(fei)常普遍,但仍然(ran)(ran)有兩個重要問題沒(mei)有解(jie)決,一是進行MSA分析時,沒(mei)有考慮零件特(te)征(zheng)值內(nei)部的變差,另(ling)一個是MSA研究時,對(dui)環境(jing)溫度對(dui)測量特(te)征(zheng)值的變差沒(mei)有精(jing)確的評估。

  在(zai)2010年(nian)第二(er)版VDA5中(zhong)(zhong),一(yi)方面滿足GUM的要求,評(ping)估在(zai)測(ce)(ce)量(liang)(liang)條件下的各種"現實"的測(ce)(ce)量(liang)(liang)不(bu)確(que)定(ding)度(du)分(fen)量(liang)(liang),同時將MSA分(fen)析(xi)出來的測(ce)(ce)量(liang)(liang)誤差(cha)作(zuo)為測(ce)(ce)量(liang)(liang)不(bu)確(que)定(ding)度(du)的分(fen)量(liang)(liang)集(ji)成在(zai)最(zui)終的合(he)成不(bu)確(que)定(ding)度(du)中(zhong)(zhong),并將擴展(zhan)測(ce)(ce)量(liang)(liang)不(bu)確(que)定(ding)度(du)與測(ce)(ce)量(liang)(liang)要求相關的公(gong)差(cha)相比較,計算測(ce)(ce)量(liang)(liang)系統能(neng)力和測(ce)(ce)量(liang)(liang)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)能(neng)力。在(zai)ISO22514-7中(zhong)(zhong),同樣參(can)照(zhao)了VDA5:2010的做法(fa),考慮(lv)測(ce)(ce)量(liang)(liang)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)所有(you)(you)已知的不(bu)確(que)定(ding)度(du)分(fen)量(liang)(liang)。在(zai)ISO14253中(zhong)(zhong)也提出需要評(ping)估測(ce)(ce)量(liang)(liang)不(bu)確(que)定(ding)度(du),以判斷(duan)產(chan)品(pin)合(he)格的公(gong)差(cha)區域范圍。已經有(you)(you)越來越多(duo)的汽車主機(ji)廠開始重(zhong)視基于測(ce)(ce)量(liang)(liang)不(bu)確(que)定(ding)度(du)評(ping)價(jia)的測(ce)(ce)量(liang)(liang)過(guo)(guo)(guo)程(cheng)能(neng)力評(ping)估方法(fa)了。

  隨著(zhu)工業大數據(ju)(ju)(ju)時(shi)代的(de)來(lai)臨(lin),對數據(ju)(ju)(ju)質量(liang)(liang)的(de)評(ping)價將會變得越來(lai)越重要,測量(liang)(liang)不(bu)確定度(du)的(de)分量(liang)(liang)分析(xi)及(ji)評(ping)價對于(yu)提高數據(ju)(ju)(ju)質量(liang)(liang)必(bi)將有更多的(de)實際意義。

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