测量不确定度与《测量不确定度表示指南》

测量不确定度与《测量不确定度表示指南》

摘要:CIPM、BIPM、ISO等国际组织提出了统一的测量准确度的评定方法,制定了“测量不确定度表示指南”等技术规范。测量不确定度的提出对于计量学、经典真值误差概念、误差理论研究和应用、测量结果评定与表示等都具有划时代的意义。本文对“测量不确定度表示指南”进行综述,介绍测量不确定度的提出和发展过程、计量学指南联合委员会(JCGM)关于测量不确定度的工作情况,以及在JCGM/WG1

工作会议上我国提出的关于GUM建议修改意见。

关键词:测量不确定度;测量误差;GUM;JCGM/WG1

1。引言

测量是人们认识自然界量值关系的重要手段,是人类有意识的实践活动。当人们用测量来认识客观存在的量值时,该量值就是被测量,其定义值就是被测量真值。被测量真值是一种客观存在,其关键是被测量真值的定义。通过测量确定的被测量的估计值被称为测量结果。测量结果是人们对客观存在的被测量真值通过测量得到的主观认识。受到需要和客观可能的限制,测量结果与被测量真值间存在差异,即

测量误差。测量误差表征测量结果作为被测量真值估计值的可靠程度,被称为测量准确度,测量准确度评估事实上就是对测量误差进行评估。完整的测量结果的信息中,应该包括测量准确度评估结果,用以判断测量结果的可靠程度[1]。

有测量史以来,测量准确度评估始终处于计

量技术的核心位置。测量不确定度表征被测量真值在某个量值范围的

估计。测量误差虽然不可能准确知道,但常常可以由各种依据估计测量误差可能变动的区间,可以估计测量误差的绝对值上界,这个被估计的变动区间或上界值称为测量不确定度,它是测量结果及其表征测量误差大小的统计特征估计值[2,3]。

测量不确定度的提出引发了经典真值误差概念、误差理论研究和应用、测量结果评定与表示的重大变革。本文拟对“测量不确定度表示指南”进行综述,介绍测量不确定度的提出和发展过程、计量学指南联合委员会(JCGM)第一工作组(WG1)的工作情况,以及我国在JCGM/WG1工作会议上提出的GUM建议修改意见。

2。测量不确定度与测量误差

测量不确定度和测量误差是误差理论中两个重要概念[4],它们都是评价测量结果质量高低的重要指标,都可作为测量结果的精度评定参数。但它们之间又有明显的区别。

从定义上讲,测量误差是测量结果与真值之差,它以真值或约定真值为中心,而测量不确定度是以被测量的估计值为中心。因此测量误差是一个理想的概念,一般不能准确知道,难以定量;而测量不确定度是反映人们对被测量真值在某个量值范围的估计,可以定量评定。

测量误差按其特征和性质分为系统误差、随机误差和粗大误差,并可采取不同措施来减小或消除各类误差对测量的影响。由于各类误差之间并不存在绝对界限,故在分类判别和误差计算时不易准确掌握。测量不确定度不对测量误差进行分类,而是按评定方法分为A类评定和B类评定[5,6],两类评定方法不分优劣,按实际情况的可能性加

以选用。由于不确定度的评定不考虑影响不确定度因素的来源和性质,只考虑其影响结果的评定方法,从而简化了分类,便于评定与计算。

当然,误差是不确定度的基础,研究测量不确定度首先需研究测

量误差,只有对误差的性质、分布规律、相互联系及对测量结果的误差传递关系等有了充分的认识和了解,才能更好地估计各不确定度分量,正确得到测量结果的不确定度。用测量不确定度代替测量误差表示测量结果,易于理解、便于评定,具有合理性和实用性。测量不确定度是对经典误差理论的补充、完善与发展,是现代误差理论的内容之一[7]。

3。测量不确定度的提出与发展

早在1963年,美国国家标淮局(NBS),现为国家标准与技术研究

院(NIST)的Eisenhart先生在研究“仪器校准系统的精密度和准确度的估计”时,提出了“定量表示不确定度”的建议。20世纪70年代,美国国家标准局在研究和推广测量保证方案(MAP)时,对不确定度定

量表示研究又有了进一步的发展。不确定度这个术语逐渐在测量领

域内被广泛应用,但表示方法各不相同。1977年5月,国际计量委员会(CIPM)下设的国际电离辐射咨询委员会(CCEMRI)中的X-γ射线和电子组,讨论了关于校准证书上如何表达不确定度的若干不同建议,

提出了解决这个问题的必要性和迫切性。时任CIPM成员、CCEMRI主席、NBS局长的Ambler先生,正式向国际计量局(BIPM)提出了解决测量不确定度表示的国际统一性问题提案[8]。

1978年,BIPM就此制定了一份详细的调查表,并分发到32个国家

计量院及5个国际组织征求意见。1979年底,收到21个国家计量院的复函。1980年,BIPM召集和成立了不确定度表示工作组,在征求各国意见的基础上起草了一份建议书,即INC 1(1980)。该建议书向各国推荐了不确定度的表示原则,使测量不确定度的表示方法逐渐趋于统一。1981年,第七十届CIPM批准了INC 1(1980),并发布了CIPM建议书,即CI1981。1986年,CIPM再次重申采用上述测量不确定度表示的统一方法,并发布了CIPM建议书,即CI 1986。这份CIPM建议书推荐的方法,以INC1(1980)为基础,要求所有CIPM及其咨询委员会赞助下的国际比对及其他工作的参加者,在给出结果时必须使用合成不确定度。

BIPM一直致力于国际范围内实现计量等效性的目标。70年代以来,BIPM主要抓了两件关键性的技术工作:组织各国国家基准、标准的国际比对,确定相应量值单位的关键性比对参考值及其不确定度,

以及确定各国基准、标准对参考值的偏离值及其不确定度;统一测量准确度的评估方法,即制定“测量不确定度表示指南”。

自20世纪80年代以来,CIPM建议的不确定度表示方法已经在世界各国许多实验室和计量机构使用。但是,正如国际单位制计量单位不仅在计量部门使用一样,测量不确定度应该也可以应用于一切使用测量结果的领域。为了进一步促进不确定度表示方法在国际上的广泛使用,1980年CIPM要求国际标准化组织(ISO)在INC l(1980)建议书的基础上,起草一份能广泛应用的指南性文件。这项工作得到了国际计量局BIPM)、国际电工委员会(IEC)、国际临床化学联合会(IFCC)、