101.什么叫标准不确定度?用什么符号表示? 答:以标准偏差表示的不确定度。用符号u表示。
102.标准不确定度有哪两类评定方法? 答:标准不确定度分量有两类评定方法,用对测量样本统计分析进行不确定度评定的方法称A类评定,用A类评定方法得到的标准不确定度称A类标准不确定度, 用符号 uA表示,A类标准不确定度用实验标准偏差表征。 用不同于对测量样本统计分析的其他方法进行不确定度评定的方法称不确定度的B类评定方法,用B类评定方法得到的标准不确定度称B类标准不确定度,用符号uB表示,B类标准不确定度用根据经验或资料及假设概率分布估计的标准偏差表征。
103.什么叫合成标准不确定度,用什么符号表示? 答:当测量结果是由若干个其他量的值求得时,按其他各量的方差和协方差算得的标准不确定度。用符号uC表示。
104.什么叫扩展不确定度,用什么符号表示? 答:确定测量结果区间的量,合理赋予被测量之值分布的大部分可望含于此区间。用符号U表示。
105.测量不确定度为什么恒为正数? 答:当不确定度定量表示时,应说明是扩展不确定度还是合成标准不确定度,用U或uC区分。在单独定量给出不确定度时,其数值前应不加“±”号。因为测量不确定度是标准偏差或标准偏差的倍数,而标准偏差规定是正平方根,测量不确定度恒为正数。另外测量不确定度说明了置信水平的区间的半宽度,是一个物理量,就这个意义上讲也不能带正负号。
106.什么叫包含因子? 答:为求得扩展不确定度,对合成标准不确定度所乘之数字因子。包含因子有时也称覆盖因子。包含因子的取值决定了扩展不确定度的置信水平。
107.k与kp有何区别? 答:扩展不确定度有U和Up两种表示方式,包含因子也有k与kp两种表示方式,它们在称呼上并无区别,但在使用时k一般取2或3,而kp则为给定置信概率p所要求的p对应的数字因子(一般查表可得)。
108.什么叫概率与概率分布? 答:概率是隶属于一个随机事件的实数,其值介于0和1之间。 概率是某一随机事件在试验中出现的可能性大小的量。概率用符号P表示。 概率密度函数 为: 图1中P表示测量值在x0~x0+△x区间的概率。
109.试列举六种常见的概率分布。 答:正态分布;均匀分布(也称矩形分布);三角分布;梯形分布;反正弦分布;t分布(也称学生分布)。
110.什么是残差?用什么符号表示? 答:多次重复测量时,各次测得值与平均值之差称为残差。用符号v表示。
111.由残差求标准偏差的公式是什么? 答:为贝塞尔公式,即 ,其中 。
112.什么是期望? 答:测量值的期望是对被测量进行无穷多次测量所得的i个测量值 的算术平均值的极限,通常用μ表示; 113.什么是方差?标准偏差?用公式表示。 答:方差是无穷多次测量的测量值与其期望之差平方和的算术平均值,用 表示。因为方差使用不方便,所以常用标准偏差表征测量值的分散程度。用公式表示为: 标准偏差是方差的正平方根,简称标准差(又称总体标准偏差)。但是 是以无穷多次测量情况下定义的,实际情况下不可能测量无穷多次,因此标准偏差 是一个理想的理论值,计算公式也是个理论公式,是无法求到的。用公式表示为: 114.什么是实验标准偏差? 答:用有限次测量的数据,估计得到的测量值的标准偏差称为实验标准偏差或样本标准偏差,用 表示。例如,贝塞尔公式 所求出的数值就是实验标准偏差。
115.什么是算术平均值的标准偏差? 答: 称为样本标准偏差或实验标准偏差,表示实验测量列中任一次测量结果的标准偏差,用来表征测量设备的重复性。通常以独立观测列的算术平均值作为测量结果,所以测量结果的标准不确定度为算术平均值实验标准偏差。用公式表示为:
116.测量不确定度评定中应注意什么? 答: (1)标准不确定度分量评定可采用A类或B类评定方法。 在考虑不确定度来源时应不遗漏、不重复。 (2)采用A类评定方法时,应按统计判别准则将异常值剔除后再进行评定。 (3)若对测量结果进行修正,修正值不计入测量不确定度,只考虑修正不完善引入的测量不确定度。
117.评定测量不确定度的基本步骤有哪些? 答: (1)明确被测量定义及其测量条件,明确测量原理、方法及所用的测量标准、测量设备。 (2)列出对测量结果有明显影响的不确定度来源,每个有明显影响的来源作为一个标准不确定度分量,分析并定量评定各标准不确定度分量。 (3)计算合成标准不确定度。 (4)确定扩展不确定度。
118.测量不确定度评定依据的标准是什么? 答:国家计量技术规范JJF1059——1999《测量不确定度评定与表示》; 国家军用标准GJB 3756—1999《测量不确定度的表示及评定》。
119.如何求A类标准不确定度? 答:不确定度分量的A类评定,是用统计分析的方法来评定标准不确定度的。 所以A类标准不确定度用实验标准偏差来表征。用算术平均值作为测量结果时,用平均值的实验标准差 表征A类标准不确定度: 在建标报告中,测量结果的重复性 s ( x ) 是对测量结果有明显影响的不确定度来源,是一个不确定度分量,它是用一系列测量值 (i=1,2,…,n) 进行统计计算的方法求出的。其标准不确定度就必须用算术平均值的实验标准偏差 表征。即: 其中,n是指测量的观测次数。测6次,n=6;测8次,n = 8。不是统统n=6。在建标报告中常出现这样的错误。
120. A类标准不确定度评定中, 实验标准偏差如何求出? 答:这里推荐两种方法: (1)贝塞尔公式法(当n≥6次时使用。在建标报告中,我们在计算测量结果的重复性及测量仪器的稳定性时多用此公式) 用贝塞尔公式计算标准偏差为: 式中,n为测量次数。 (2)极差法(n<6次时使用) 极差法是从有限次测量值中找出最大值xmax和最小值xmin ,得到极差xmax-xmin ;根据测量次数n查表2得到dn代入下式得到实验标准偏差: s(x)=(xmax-xmin)/dn 表2 极差法的dn值 n 2 3 4 5 6 7 8 9 dn 1.13 1.69 2.06 2.33 2.53 2.70 2.85 2.97 以上两种方法求出的实验标准偏差, 当作为A类不确定度评定时,还要除以 ,才能得出A类标准不确定度。
121.举例用贝塞尔公式求A类标准不确定度。 答:例如:对电压表的1V示值检定时,得到示值误差分别为:21μV,21μV,22μV,25μV,23μV,26μV,27μV, 25μV,29μV,32μV,计算A类标准不确定度。 用贝塞尔公式计算实验标准偏差: =
122.举例用极差法求A类标准不确定度。 答:例如:某功率测量值分别为:10.2mW,10.3 mW, 10.5 mW,10.6 mW,计算A类标准不确定度。 用极差法计算实验标准偏差: 极差xmax-xmin=10.6-10.2=0.4 mW; n=4,查表得dn=2.06,则 s(x)=(xmax-xmin)/dn≈0.2 mW μΑ(χ)=s( )=s(x)/ =0.2mW/ =0.1mW
123.如何求B类标准不确定度? 答:标准不确定度的B 类评定,是借助于一切可以利用的有关信息进行科学判断,确定估计的标准偏差。通常是根据有关信息或经验,判断被测量的可能值的区间(-α,α),假设被测量值的概率分布 ,根据概率分布和要求的置信水平 p 估计包含因子kj,则B类评定的标准不确定度uB为被测量的可能值的区间半宽度除以kj的商值。即 uB=α/kj 式中,α为被测量可能值的区间半宽度;kj为包含因子。
124.如何确定B类评定中区间半宽度α值? 答:α值可以从以下信息获得: (1)以前的数据; (2)制造厂的技术说明书。说明书给出的误差极限值为±Δ,并经过计量部门检定合格,则区间的半宽度α=Δ; (3)各类证书、报告提供的数据仅给出扩展不确定度U时,区间半宽度α=U; (4)数字显示器的分辨力为δ,则α一般取为δ的二分之一,即α=δ/2; (5)从手册中查找出该参数的最小可能值b_和最大可能值b+,则区间半宽度α值为α= (b+-b_)/2(指不对称性界限)。
125.在B类标准不确定度评定时,如何假设其概率分布? 答:根据下列情况可以分别假设概率分布: (1)只要测量次数足够多,其算术平均值的概率分布可近似认为是正态分布; (2)被测量受许多相互独立的随机影响量的影响,这些影响量的变化的概率各不相同,但各个变量的影响均很小时,被测量随机变化服从正态分布; (3)在缺乏其他任何信息的情况下,一般可以假设为均匀分布; (4)根据同行专家公认的有关经验假设概率分布。
126.试将B类标准不确定度评定参数列表。 答: 表3标准不确定度B类评定的参数对照表 信息来源 半宽度α 包含因子 kj uB=α/kj 技术说明书指标(±Δ) Δ Δ
溯源证书(U) U 包含因子k U/k 可能值区间(b_,b+) (b+-b_) (b+-b_) 分辨力(δ) δ δ
127.举例求B类标准不确定度。 答: (1)测量器具的技术指标为±0.5%,计算其B类标准不确定度为: (2)电子天平称量分辨力为1mg,计算其B类标准不确定度为: (3)某功率敏感器校准证书给出校准因子不确定度为3.0%(k=2),作为工作标准使用时,计算该项B类标准不确定度并用分贝表示: (4)某电压表的测量范围是10mV~1000V,最大允许误差为±(2×106×读数+10μV) ,计算测量范围内B类标准不确定度: 当测量值是10mV时,Δ=2×10-6×10mV+10μV+10μV Δ/10mV=10μV/10mV=1×10-3 B类标准不确定度uB=1×10-3/ =6×10-4 当测量值是1000V时,Δ=2×10-6×1000V+10μV =2mV Δ/1000V=2mV/1000V =2×10-6 B类标准不确定度uB=2×10-6/ =1×10-6 因此,电压表在测量范围10mV~1000V内,引入的B类标准不确定度范围是6×10-4~1×10-6。 (5)手册给出铜的线膨胀系数a的范围为16.52×10-6/℃至16.92×10-6/℃,计算引入的B类标准不确定度: a=(b+-b_ )/2=(16.92-16.52)×10-6/℃ =0.40×10-6/℃ 设为均匀分布,则 kj= 线膨胀系数a引入的B类标准不确定度为: uB=0.40×10-6/ =0.23×10-6/℃
128.什么是直接测量的合成标准不确定度?如何计算? 答:被测量由测量设备直接测得,当测量结果的不确定度包含N个标准不确定度分量,且各分量相互独立不相关时,合成标准不确定度uC按下式计算: 129.试举例计算直接测量合成标准不确定度及扩展不确定度。 答:例如,用高频电压标准校准某高频电压表,测量平均值的实验标准偏差为1.5%,高频电压标准的技术指标为±1.0%,若其他影响因素可忽略不计,计算包含因子k为2时校准结果的扩展不确定度。 U=2uc=3.2% (k=2)
130.如何对单台仪器完成的测量进行测量不确定度评定? 答:如果测量由单台仪器完成,一般来说,测量结果的合成标准不确定度至少由测量的重复性(A类评定)与仪器的技术指标(B类评定)合成。其公式为 (这是我们目前在不确定度评定中常用的公式)。
131.什么是间接测量合成标准不确定度? 答:间接测量是指:被测量的测量结果是通过测量各输入量后,由函数关系计算得到的。其合成标准不确定度计算公式请参见JJF 1059—1999。
132.如何计算扩展不确定度? 答:扩展不确定度U由合成标准不确定度uc乘以包含因子k得到。其计算公式为U=kuc。
133.简述测量不确定度的分类。
134.总结测量不确定度评定方法及相应的公式。 答: 表4 评定测量不确定度的有关公式 名称 符号 条件 公式 标准不确定度 u A类标准不确定度 uA 重复性 测量结果标准偏差 B类标准不确定度 uB a置信半宽度 k为包含因子 uB=a/k 合成标准不确定度 uC 直接测量 间接测量 参见JJF1059-1999 扩展不确定度 U U=kuc
135.测量不确定度如何用相对形式表示? 答:用不确定度除以测量结果,称之为相对不确定度,这是一个无量纲的量,通常以百分数或10的负数幂表示。 相对标准不确定度用u(x)/ 计算(其中x 为标称值)。 相对合成标准不确定度用uc ( y )/ 计算(其中y为测得值); 相对扩展不确定度用U/ 计算(其中y 为测得值)。 例如:ucr=2%, ucr=1×10-6;U=0.1%或Ur=0.1% (易混淆时加下脚标r)。
136.测量不确定度与测量结果连用时要不要加“±”号? 答:测量不确定度是一个定性的概念,经过评定,可以定量表示;单纯用数值表示不确定度时,其数值前不加不加±(正负)号,与测量结果连用时要加±(正负)号,同时要指明k值。
137.为什么稳定性实验标准偏差值不参加不确定度评定?为什么还要考核? 答:对于新建标准不但要考核测量标准的重复性,同时也要考核其稳定性,证明其所复现的量值稳定可靠,方可申请建立测量标准。已建测量标准应有历年的稳定性考核记录,以证明其计量特性的持续稳定。 对于测量仪器,尤其是测量标准或某些实物量具,稳定性是重要的计量特性之一,示值的稳定性是保证量值准确的基础。产生不稳定的因素很多,如元器件的老化,零部件磨损以及使用、储存、维护工作不仔细等等。测量仪器进行的周期检定,就是对其稳定性的一种考核。稳定性也是科学合理地确定检定周期的重要依据之一。所以我们所建的各项标准应常年进行稳定性考核,并且要有详细的跟踪记录。 评定测量结果的不确定度时,一般不考虑标准器具的长期稳定性的性能。测量不确定度的含义是测量结果分散性的定量表征,与测量过程的各种因素,包括各种随机因素都有关联,长期稳定性是排除各种随机因素的。所以稳定性和不确定度是两个不相容的概念。所以稳定性不参与不确定度的评定。
138.为什么要编写建标报告? 答:新建测量标准必须要编写建标报告,主要理由是: (1)建标报告是重要的技术文件; (2)通过编写建标报告,能够全面考核测量标准设备的各项技术指标是否完好受控; (3)考核复查测量标准时,建标报告是重要依据。以此来了解和确认是否具备量值传递的技术能力。
139.编写建标报告主要有哪些项目? 答:根据GJB/J2749——1996《建立测量标准技术报告的编写要求》,编写建标报告共有11项内容: (1)测量标准概述:包括测量标准目的、用途、组成、开展的检定项目、检定方法。 (2)测量标准性能:应包括主要的技术指标(参数、测量范围、测量不确定度等)。 (3)构成测量标准的测量器具及配套设备:应包括允许误差极限或准确度等级,有效期内检定证书。 (4)检定人员:至少两名持证人员,并填写相应的检定参数(项目)。 (5)校准(检定)环境条件:温、湿度均为一年内的变化,且必须符合检定规程要求。 (6)测量标准不确定度的评定:略,详见前述。 (7)测量标准重复性:用实验标准偏差计算。无条件的,可委托上级技术机构出数据。 (8)测量标准稳定性:稳定性考核时间间隔至少一个月以上。复查时,可采用检定证书数据计算。无条件的,可委托上级技术机构出具数据。 (9)测量标准不确定度的验证:一般采用送检法。 标准装置主标准器送上级计量技术机构校准(检定),得到该标准装置给出值y与上级计量技术机构检定值y0的差值y- y0,如小于该标准装置的扩展不确定度U,得到验证合格。 (10)结论:根据测量不确定度的评定和验证,可开展 参数(项目)的检定,符合检定规程JJG — 的要求。 (11)附录:包括检定规程、技术说明书等。
140.如何理解建标报告注解中的 ? 答:“<<”符号是远远小于的意思,至少差3个数量级。数量级用10n幂表示。 例如: =10-5, =10-2, 与 相差3个数量级。 在建标报告B类评定中,有的 =10-1, =10-2 就看成 ,k取值为 ,笔者认为不妥,k 应取值为2。
141.为什么一般假设为均匀分布,k取值为 ? 答:只要测量次数足够多,每个变量影响均较小时,被测量的随机变化应服从正态分布。但在缺乏任何其他信息情况下,一般假设均匀分布。现将均匀分布时置信水平与包含因子k的关系列入表5: 表5 均匀分布时置信水平与包含因子k P(%) k 51.74 1 95 1.65 99 1.71 100 1.73( ) 从表5中可以看出置信水平为100%时对应的包含因子k为 ,B类评定中除以 所得的标准不确定度为最小。所以在B类标准不确定度评定中估计包含因子k= 是有道理的。
142.在B类标准不确定度的评定中,要不要将上级标准装置引入的不确定度作为一个分量? 答:只要上级标准装置的扩展不确定度为被检测量器具最大允许误差极限的1/3~1/10,此时上级标准装置引入的测量不确定度已小到可以忽略的程度。所以在评定中可以不把上级标准引入的不确定度作为一个分量。在建标报告中这一项可不参加评定。
143.在B类标准不确定度的评定中,读数误差要不要算作一个分量进行评定? 答:在误差评定时,读数误差算作一个分量加以评定,但在不确定度评定中,读数误差已包含在测量重复性中,已在A类标准不确定度中评定过了,所以无需在B类中单独提出来评定,否则就有重复评定之嫌。在建标报告中读数误差可以考虑不参加评定。
144.在A类标准不确定度评定中,为什么通常以独立观测列的算术平均值作为标准不确定度即 答:通过贝塞尔公式计算出的实验标准偏差s(x)为单次测量值的标准偏差,n为测量次数,n>1所以 < ,即算术平均值的标准偏差比单次测量标准偏差小。
145.什么是有效数字? 答:有效数字是计量学里的一个基本概念,它对规范数据记录及测量结果的表达起着重要作用。 什么叫有效数字?我们通常规定“近似值误差限的绝对值不超过末位的单位量值的一半”,则该量值的从其第一个不是零的数字起到最末一位数的全部数字称为有效数字。 例如:3.141 5意味着误差限为 ±0.000 05。值得注意的是左边起第一位非零数字左边的0不是有效数字,非零数字中间和右边的 0 是有效数字。如 3.860 0 为五位有效数字,0.003 8为两位有效数字,1 002为四位有效数字。
146.如何进行数据修约? 答:拟舍弃数字最左边一位小于5时,舍弃;大于5时(包括等于5而后边尚有非零的数),进一,即保留的末位加一;拟舍弃数字最左边一位的数为5,且其后无数字或皆为零时,按所保留的末位为奇数时,则进一,为偶数时,则舍弃。 这就是奇进偶不进的修约方法。 例如:1.262 3≈1.3; 1.150 01≈1.2; 1.150 0≈1.2; 1.050 0≈1.0; 1.236 5≈1.2; 1.248 9≈1.2; 为了安全保险起见,有时将后边舍去的数字全部进上去。如:1.111 1 保留两位有效数字,即:1.111 1≈1.2 。如保留一位有效数字即1.111 1≈2这就不允许了。 在进行数据修约时,需要注意只能进行一次性修约,而不能逐次修约。例如,将数据1.327 465取到小数点后三位,则为1.327;若逐次修约则有 1.327 465 1.327 46 1.327 5 1.328。这样修约是错误的,正确值应为:1.327。
147.合成标准不确定度υC和扩展不确定度U为什么 一般取1~2位有效数字、 答:用贝塞尔公式计算的实验标准偏差是个估计值,它本身还存在概率分布和标准偏差。 当测量次数n=9时,s的相对估计标准偏差约为1/4,即为25%。所以一般实验标准偏差s取1~2 两位有效数字。不确定度是用标准差来表征的,所以保留1~2两位有效数字。
148.在法定计量单位使用中,常见错误有哪些? 答: (1)单位符号的字母一般用小写体,单位名称来源于人名时其符号的第一个字母大写。 例如:kPa不能写成kpa或Kpa; kV不能写成KV或kv。 (2)如果表示的量值为量值的和或差,则应当加圆括号将数值组合,置共同的单位于全部数值之后。 例如:t=(20±0.1)℃不能写成t=20±0.1℃。 (3)相对量值的表达。 例如:相对湿度应写成55%~65%,而不能写成55~65%。 (4)无量纲的量表示量值时不写单位。可用%代替数字0.01。.例如r=0.8=80%。注意不能用 ‰代替0.001,可用 0.1%表示。 (5)在量值表达时不能在单位符号上附加表示量的特性和测量过程信息的标志。例如:应表达为 Vmax =500V,而不应为V=500Vmax。
参考文献 1 JJF1001-1998通用计量术语及定义 2 国家质量技术监督局计量司组编.通用计量术语及定义解释.北京:中国计量出版社,2001 3 郭勇主编。.医学计量.北京:中国计量出版社,2002 </P
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