測量誤差、測量準確度、測量儀器的準確度的不確定度分析

JJF1059-1999《測量不確定度評定與表示》雖已頒布實施多年，但多年來在實際操作中，大家對涉及的測量誤差、測量準確度、測量儀器的準確度等概念仍存在模糊認識。本文對這些常用概念的理解及其在不確定度分析中的應用作一研究和討論。
   

一、關于測量誤差

    1.誤差定義:測量結果減去被測量真值。
    顯然，誤差是一個確定的值，是客觀存在的測量結果與真值之差。但由于真值不能確定，故誤差無法準確知道。我們實際工作中使用的是約定真值，得到的誤差也只是個近似值。
    從誤差定義中可知，誤差只與測量結果有關，而與測量程序、測量原理、測量條件無關。對同一被測量，不論采用哪種程序或方法，只要得出相同的測量結果，其誤差必然相同。
    誤差的分量按其性質可劃分為隨機誤差和系統誤差，其合成為代數和，故具有一個符號，或正或負，誤差絕不可能出現正負號(±)。
    2.以上分析可知，誤差與不確定度是兩個不同的概念，不確定度是說明分散性的一個參數，是人們經過分析和評定得到的，與人們的認識程度有關。如果測量結果非常接近真值，也就是說其誤差很小，但由于人們認識不足，評定得到的不確定度可能較大；還有可能測量誤差實際上較大，由于分析估計不足給出的不確定度卻偏小。
    同一被測量無論測量程序、測量條件如何，只要測量結果相同，則誤差就相同。不同的測量結果卻可能有相同的不確定度。例如:被測量m重復條件下測量次數n=5，得到這5個測量結果中，任意結果(mi)的重復性標準差相同。
    不確定度恒為正，不存在符號問題，同時不確定度評定方法分為A類與B類。二者沒有性質的區別。不確定度分量的合成為方和根。
    3.最大允許誤差通常也稱為允差，它是技術規范、規程中規定的測量儀器允許誤差的極限值，是制造廠對某種測量儀器所規定的示值誤差的允許范圍，而不是某一臺儀器實際存在的誤差。測量儀器的最大允許誤差可在儀器說明書中查到，用數值表示時也具有正負號(±)。通常用絕對誤差、相對誤差、引用誤差或它們的組合形式表示。例如:±0.1mV、±2%、±1×10-4滿量程、±(0.1%讀數+0.1ns)等。
   

二、關于測量準確度

    準確度定義:測量結果與被測量真值之間的一致程度。
    “一致程度”是一個定性概念，不可定量描述。定性意味著可以用準確度高低來定性地表示測量質量。各種形式的擴展不確定度及相對擴展不確定度，才是定量說明測量結果的質量。諸如“準確度”、“精密度”、“測量精確度”等詞都具有定性的概念，“精密度”在JJF1001-1998中已不再出現，最好不再使用。
   

三、關于測量儀器的準確度

    1.定義:測量儀器給出接近于真值的響應能力。
    測量儀器的準確度一般劃分為等和級，又稱準確度等級。“準確度等級”定義為:符合一定的計量要求，使誤差在規定限以內的測量儀器級別。對測量儀器的定性評定中，用等與級的概念表述方便、實用。
    2.在測量不確定度估算中，針對不同的等與級有不同的估算方法。
    (1)按“等”使用的儀器的不確定度計算
    ①“等”根據擴展不確定度確定，表明測出的實際值擴展不確定度的檔次。
    ②通常證書給出準確度等別時，按規程所規定的該等別的擴展不確定度大小，一般采用正態分布或t分布來計算標準不確定度分量u，此時的u已包含了其上一級校準所帶來的不確定度。因此，上一等別的校準的不確定度不需要再考慮。
    ③按“等”使用的指示類儀器，使用時要對示值進行修正或使用標準曲線；量具要使用其實際值。所以要考慮儀器長期穩定性的影響。通常把連續幾次校準周期之間的差值(取平均)作為不確定度的一個分量。
    ④若環境條件偏離參考條件或校準條件時，要考慮由此而引起的不確定度分量。
    (2)按級使用的儀器的不確定度計算
    ①“級”根據示值誤差確定，表示示值誤差的檔次。
    ②按“級”使用，即按儀器的標稱值使用。
    ③通常證書給出準確度級別時，按規程所規定的該級別的最大允許誤差，進行B類評定。將最大允許誤差之模作為區間半寬來處理，一般采用均勻分布。例如:最大允許誤差為±A，則
    ④按“級”使用的指示類儀器，直接使用其示值而不需要進行修正；量具使用其標稱值。所以，可以認為儀器的示值誤差中已包含了儀器長期穩定性的影響，不必考慮儀器長期穩定性引起的不確定度。
    ⑤按“級”使用的儀器，使用時環境條件只要不超出允許使用范圍，儀器示值誤差就始終沒有超出示值允差的要求，在這種情況下，不必考慮環境條件引起的不確定度分量。