测量不确定度的基本知识

测量不确定度的基本知识

一、问题的提出及近五十年来的进度

1．误差理论的不完善

不确定度概念是测量史上的一个新生事物，它是经典的误差理论发展和完善的产物。过去我们讲误差是指某待测量的值与真值之间的差,这种提法涉及到“真值”和“误差”，由于人们认识能力的限制和测试技术的不完善，被测量的“真值”是不可知的，也是测不到的。因此，这两个概念是难以操作的未知量。在实际工作中能得到的仅仅是“合理赋予被测量的值”，这个值不止一个，可以是多个，可以具体操作的则是测量结果的变化，它表示出测量结果的范围，被测量的真值以一定的概率落在这个范围内，这些值的分散性就是不确定度。

2．从建议到准则历时三十年

1963年美国计量专家埃森哈特提出采用不确定度的建议,到1993年由ISO、IEC、OIMC（国际法制计量组织）、BIPM（国际计量局）等七个权威国际组织正式颁布《测量不确定度的表示指南》（Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement），对测量不确定度的评定和表示方法作出明确规定，历时三十年。这表明对测量结果要用测量不确定度来评价，不仅得到了国际公认，而且有了共同遵守的准则。

3．一个“费解”的题目还在推进中

自1993年颁布了“GUM”国际指南，我国在1999年发布

了JJF-1059《测量不确定度评定与表示》，原则上等效采用了该“指南”，这就开始了在我国普遍的推广和应用，对广大有关人员而言，要想直接读懂上述两个文件有一定困难。1999年曾在香港举办过一个各国计量专家参加的关于测量不确定度的国际研讨会，会上欧洲的专家说这个问题不仅对亚洲，而且对欧洲乃至世界范围内都是一个难题。由于我国在不确定度评定的推行过程中所引用的资料基本上都只适用于校准的Lab，而对检验Lab 则缺乏相应的权威性实用资料，为此由CNAL认可授权的北京列伯Lab认可技术交流中心于2001年邀请英国专家来华讲学，我们问及欧洲检测Lab在不确定度评价方面具体做法，专家说：“这是一个费解的题目，而且还在推进中”。他向我们推荐了英国物理Lab（NPL）的出版文件测量实用指南36号“检测的不确定度评定”（Measurement Good Practice Guide No.36“Estimating Uncertainty in Testing”），并说明该资料以GUM为指导，根据检测的情况作了解释和说明，对检测的不确定度评定作了合适的简化，同时指出该文件反映了当前欧洲及国际上在检测不确定度评定方面的基本做法。

二、测量不确定度的定义

测量不确定度是与测量结果相联系的参数，表征合理地赋予被测量之值的分散性。

顾名思义，不确定度即测量结果的不能肯定程度，换句话说表明这个结果的可信赖程度，它是测量结果的质量指标。

定义中的所谓“合理”意指应考虑到各种因素对测量的影响所做的修正，这些测量影响因素就是后面要讲到的测量不确定的来源；“赋予被测量之值”意指被测量的结果，他不是固有的，而是人们赋予的最佳估计值；“分散性”即每次测得的结果不是同一值，它是以一定的概率分散在某个区域的许多个值。总的意思是测量不确定度是一个与测量结果在一起的参数（或量），在测量结果的完整表示中应包括测量不确定度，此参数（或量）说明了置信概率区间的半宽度。简言之：测量值的分散程度或分散性就是不确定度。

三、测量不确定度的来源

见本院程序文件LZJ/QM201017-2009“测量不确定评定程序”中5.1.2。这是国际指南GUM归纳出的十个方面，总起来说就是被测对象、测量设备、测量环境、测量人员和测量方法等带来的。

1.这些来源，即影响不确定度的因素对不同方法、测量系统和程序是不同的（程序中5.1.1）；

2．特别指出化学分析检测领域测量不确定度只与特定的检测方法有关（程序中5.1.4）；

3．还要指出有些不确定度来源可能无法从上述十个方面分析中发现，只能通过实验室之间的比对或采用不同的测量程序才能识别，即对重复测量的每一次结果都有相同影响，这是由于系统固有效应产生的（程序中5.1.3）；

四、测量不确定度的表述

为了给不确定度定量，实际上需要有两个数，一个是区间的宽度，另一个是置信概率，说明对“真值”在该范围内有多大把握，表示对测量结果可信程度的数值。譬如我们可以说某根棍子的长度测定为20厘米加减1厘米，有95%置信概率，这个结果可以写成：20cm±1cm，置信概率为95%。这个表述是说我们对棍子长度在19cm到21cm之间有95%的把握。由此看出对测量答案应如何表达。

1．测量结果与不确定度值一起表述，例如“棍子长度为20cm ±1cm”；

2．对置信概率作说明，提供的置信概率为95%。

五、测量不确定度的意义

测量不确定度必须正确评定，不确定度评定过大会使用户认为现有测量水平不能满足需要而去购买更加昂贵的仪器，导致不必要的投资造成浪费；不确定度评定过小，会因要求过于严格，对产品质量、出产加工造成不必要的成本增加，使企业蒙受经济损失。

六、测量不确定度的应用

1．ISO/IEC17025标准的规定

在ISO/IEC17025中涉及测量不确定度的条款有十余条，它们是：⑴ 4.4.1注2;⑵ 4.13.2.1；⑶ 5.1.2；⑷ 5.4.1；⑸ 5.5.4注k；⑹5.4.5.2注2；⑺5.4.5.3；⑻5.4.6.1；⑼5.4.6.2；⑽5.4.6.3；

⑾ 5.6.2.1.1；⑿ 5.10.3.1c；⒀ 5.10.4.1b；⒁ 5.10.4.2。

该标准对所有被认可的Lab评定并报告测量不确定度有普遍的要求：“必须具有并应用评定测量不确定度的程序”，其中5.4.6.1是对校准Lab的要求，5.4.6.2是对检测Lab的要求，但评定不确定度所需的严格程度检测与校准Lab之间不会有不同。

2．IECEE-CB体系中CB实验室（CBTL）在电工产品领域测量不确定度应用的程序：

根据CB体系对测量不确定度的认识和要求，WGI工作组（IECEE-CTL批准成立的测量不确定度编写工作组）对测量不确定度文件内容提出了以下方面：

（1）评估测量不确定度的依据

IECEE按照ISO/IEC17025《检测和校准实验室能力的通用要求》确认资格和接受CBTL，ISO/IEC17025第5.4.6.2条规定：“检测实验室应具有并应用评定测量不确定度的程序。某些情况下，测量方法的性质会妨碍对测量不确定度进行严密的计量学上和统计学上的有效计算。这种情况下，实验室应至少努力找出不确定度的所有分量且作出合理评定，并确保结果的表达方式不会对不确定度造成错觉。合理的评定应依据对方法性能的理解和测量范围，并利用诸如过去的经验和确认的数据”。

特别是5.4.6.2中的注2：“某些情况下，公认的检测方法规定了测量不确定度主要来源的值的极限，并规定了计算结果的