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測量不確定度報告與表示

作者:宋檢 時間:2022-11-09 來源:互聯網

當給出測量結果的量值時,一般應報告其測量不確定度。報告應盡可能詳細,以便使用者可以正確地利用測量結果。完整的測量結果含有兩個基本量:一是被測量Y的*佳估計值y,一般由測量列的算術平均值給出;另一個就是描述該測量結果量值分散性的量,即測量不確定度。一般以合成標準不確定度uc(y)、擴展不確定度U(y)或它們的相對形式ucrel(y)、Urel(y)給出。

1.測量不確定度報告

完整的測量結果含有兩個基本量:一是被測量的估計值;二是被測量估計值的測量不確定度。

被測量的估計值一般是有量綱的量,對量綱為1的量(即無量綱量),測量結果的量值僅以一個數表示。

當測量不確定度以uc(y)、U(y)形式給出時,具有同被測量估計值相同的量綱;當測量不確定度以ucrel(y)、Urel(y)形式給出時,則均為無量綱量。

當以相對形式給出測量不確定度時,置信區間半寬由相對測量不確定度與被測量估計值相乘得到。

2.合成標準不確定度的報告形式

報告基礎計量學研究、基本物理量測量和復現國際單位制的國際比對測量結果的量值時,使用合成標準不確定度uc(y),必要時要給出有效自由度νeff。

如用Y表示被測量,用y表示被測量測得的量值,用uc(y)表示測得量值的合成標準不確定度。合成標準不確定度uc(y)的報告,可用以下4種形式之一。

例:標準砝碼的質量為ms,測得量值為100.02147g,合成標準不確定度uc(ms)為0.35mg。

(1)**種表示形式:依次給出被測量的符號及測得量值,合成標準不確定度的符號及量值。即

Y=測得量值;合成標準不確定度uc(y)=量值

本例可表示為

ms=100.02147g;合成標準不確定度uc(ms)=0.35mg

(2)第二種表示形式:依次給出被測量的符號及測得量值,合成標準不確定度的量值。即

Y=測得量值(合成標準不確定度的量值)

本例可表示為

ms=100.02147(35)g

其中,括號內的數是按實驗標準偏差給出的,其末位與前面測得量值內末位數對齊(一般用于公布常數、常量)。

(3)第三種表示形式:依次給出被測量的符號及測得量值,合成標準不確定度的量值。即

Y=測得量值(合成標準不確定度的量值)

本例可表示為

ms=100.02147(0.00035)g

其中,括號內的數是按實驗標準偏差給出,與前面測得量值有相同的計量單位。

(4)第四種表示形式:依次給出被測量的符號及測得量值,合成標準不確定度的量值。即

Y=(測得量值±合成標準不確定度的量值)

本例可表示為

ms=(100.02147±0.00035)g

其中,正負號后之值按實驗標準偏差給出,它并非置信區間。雖然為國家標準《量和單位》一貫采用,但因習慣上用于表示高置信概率的區間,一般應避免使用。

3.擴展不確定度的報告形式

除上述指明的3種情況及某些特殊要求情況外,一般使用擴展不確定度U或給定置信概率的擴展不確定度Up。

(1)擴展不確定度的報告形式

當用擴展不確定度U=kuc(y)表示時,應給出k值。

如用Y表示被測量,用y表示被測量的測得量值,用U表示測得量值的擴展不確定度,用k表示擴展不確定度所選取的包含因子,并用以下兩種形式之一表示。

例如,標準砝碼的質量為ms,測得量值為100.02147g,擴展不確定度為0.00070g,包含因子為2。

**種表示形式:依次給出被測量的符號及測得量值,擴展不確定度的符號及量值,包含因子的符號及量值。即

Y=測得量值;U=量值;k=量值

本例可表示為

ms=100.02147g;U=0.00070g;k=2

這是*為常用的表示形式,在測量結果的表示中得到比較廣泛的應用。因為這種表示形式簡單明了,不易引起誤解,并且不易造成書寫錯誤。

在這種表示形式中,擴展不確定度和測得量值可以有相同的計量單位,也可以是測得量值單位的分數單位。如

ms=100.02147g;U=0.70mg;k=2。

第二種表示形式:依次給出被測量的符號及測得量值,擴展不確定度的量值,包含因子的符號及量值。即

Y=(測得量值±擴展不確定度的量值);k=量值

本例可表示為

ms=(100.02147±0.00070)g;k=2

在這種表示形式中,擴展不確定度和測得量值有相同的計量單位。

(2)給定置信概率的擴展不確定度的報告形式

當用給定置信概率的擴展不確定度Up=kpuc(y)表示時,應明確置信概率p的值,給出有效自由度νeff。

如用Y表示被測量,用y表示被測量的測得量值,用Up表示測得量值給定置信概率的擴展不確定度,用νeff表示有效自由度。并用以下4種形式之一表示。

例:標準砝碼的質量為ms,測得量值為100.02147g,uc(y)=0.35mg,νeff=9,按p=95%,查表得kp=t95(9)=2.26,U95=2.26×0.35mg=0.79mg。

**種表示形式:依次給出被測量的符號及測得量值,給定置信概率擴展不確定度的符號及量值,有效自由度的符號及量值。即

Y=測得量值;Up=量值;νeff=量值

本例可表示為

ms=100.02147g;U95=0.79mg;νeff=9

這是*為常用的表示形式。

第二種表示形式:依次給出被測量的符號及測得量值,給定置信概率擴展不確定度的量值,有效自由度的符號及量值。即

Y=(測得量值±擴展不確定度的量值);νeff=量值

本例可表示為

ms=(100.02147±0.00079)g;νeff=9

其中,括號內第二項為U95之值,與前面測得量值有相同計量單位。

第三種表示形式:依次給出被測量的符號及測得量值,給定置信概率擴展不確定度的量值,有效自由度的符號及量值。即

Y=測得量值(擴展不確定度的量值);νeff=量值

本例可表示為

ms=100.02147(79)g;νeff=9

其中,括號內為U95之值,其末位與前面測得量值內末位數對齊,與前面測得量值有相同計量單位。

第四種表示形式:依次給出被測量的符號及測得量值,給定置信概率擴展不確定度的量值,有效自由度的符號及量值。即

Y=測得量值(擴展不確定度的量值);νeff=量值

前例可表示為

ms=100.02147(0.00079)g;νeff=9

其中,括號內為U95之值,與前面測得量值有相同計量單位。

(3)相對擴展不確定度的報告形式

當用相對擴展不確定度Uprel或Urel表示時,對于Uprel應明確置信概率p。

如用Y表示被測量,用y表示被測量的測得量值,用Uprel表示測得量值概率為p的相對擴展不確定度,用p表示置信概率。并用以下兩種形式之一表示。

例:標準砝碼的質量為ms,測得量值為100.02147g,概率為95%的相對擴展不確定度為U95rel=7.9×10-6。

**種表示形式:依次給出被測量的符號及測得量值,概率為p的相對擴展不確定度的量值,置信概率的符號及量值。即

Y=測得量值(1±相對擴展不確定度的量值);p=量值

本例可表示為

ms=100.02147(1±7.9×10-6)g;p=95%

其中,7.9×10-6為U95rel之值,與前面的測得量值有相同的計量單位。

第二種表示形式:依次給出被測量的符號及測得量值,概率為p的相對擴展不確定度的符號及量值。即

Y=測得量值;Uprel=量值。

本例可表示為

ms=100.02147g;U95rel=7.9×10-6。

其中,7.9×10-6為U95rel之值,與前面測得量值有相同計量單位。

上述列舉的表達形式中的符號含義,必要時應有文字說明,也可采用它們的名稱代替符號,或同時采用。如有必要,單位的符號亦可代之以中文符號或名稱。

當給出擴展不確定度Up時,為了明確起見,推薦以下說明方式,例如

ms=(100.02147±0.00079)g

其中,括號內正負號后面的值為擴展不確定度U95=k95uc,而合成標準不確定度uc(ms)=0.35mg,自由度ν=9,包含因子k95=t95(9)=2.26,從而具有約為95%概率的置信區間。

報告中置信概率的表述,一般采用U95、U99(即置信概率為95%與99%)形式,一般不使用95.45%與99.73%的表述,也不使用0.95與0.99的表述。

國外計量界過去常用3σ表示p=99.73%的置信概率,實際上這只是理論或理想概念。因為在測量中,測量次數n不可能無窮大,所以99.73%的置信概率不可能存在。因此,在實際測量中,即使

k=3,也只能給出p=95%,這是ISO一些標準中所推薦的。

估計值y的數值和它們的合成標準不確定度uc(y)或擴展不確定度U的數值都不應該給出過多的位數。通常uc(y)和U,以及輸入量估計值xi的標準不確定度u(xi)*多為兩位有效數字。

在報告測量不確定度時,有時可能將不確定度*末位后面的數都進位而不是舍去。例如,uc(y)=10.46mg,可以進位到uc(y)=11mg;u(xi)=28.05mm,可以進位到u(xi)=28mm。

對于輸入量和輸出量的估計值,應修約到與它們的不確定度的位數一致。例如,如果y=10.05762Ω,其uc(y)=27mΩ,則y應進位到y=10.058Ω。

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