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计量器具管理及内校实用技术 日期：2011-5-28 制作：师艳国 1.计量基础知识（P2P10) 2.校准-检定-计量确认（P11P15) 3.测量不确定度（P16P40) 1* 计量的定义 什么是计量。 计量计量：实现单位统一、量值准确可靠的活动实现单位统一、量值准确可靠的活动。 主要包括三个方面：主要包括三个方面： 科学技术科学技术 进行科学研究、发展计量技术、建立基准、标准，进行科学研究、发展计量技术、建立基准、标准， 以保证计量结果具有溯源性。以保证计量结果具有溯源性。 法律法规法律法规 制定和颁布法律、法规和条例。制定和颁布法律、法规和条例。 行政管理行政管理 开展计量行政管理，包括计量保证和计量监督。开展计量行政管理，包括计量保证和计量监督。 计量计量有时也当动词用。这时，它与有时也当动词用。这时，它与测量测量同义。同义。 2* 计量专业 十大计量专业十大计量专业是指：长度；热工；力学；是指：长度；热工；力学； 电学；光学；声学；时间频率；无线电；电学；光学；声学；时间频率；无线电； 放射性；化学。放射性；化学。 *3 计量专业相关的应用 长度:涉及波长、刻线量具、光栅、感应器同步器、量块、多面体、角度等具体的测量 热工:对象是在工业生产中热工过程中常用到的温度、压力、真空、流量和物量和物位等 参数 力学:涉及质量、力值、密度、容量、力矩、机械功率、压力、真空、流量以及位移、速 度、加速度、硬度等量的测量 电学:涉及的专业范围包括直流和交流的阻抗和电量、精密交直流测量仪器仪表、模数 数模转换技术、磁通量、磁性材料和磁记录材料、磁测量仪器仪表以及量子计量等 光学:对象有光源、光探测器、光学介质、光学元件以及光学仪器 声学:研究声压、声强、声强、声功率和响度、听力损失等量的测量 时间频率:用于测量频率值和时间间隔。主要服务领域为：通讯、航天、国防、电子、 家电、医疗、科研、电视、服务等领域 无线电:包括有关电磁能参数(如电压、电流、功率、电场强度、功率通量密度和噪声功 率谱密度)的计量 放射性:指o、8、y、x和中子辐射的有关参数的测量 化学:针对热量、粘度、密度、电导率、浊度等物质化学特性的测量 4* 计量的特性 统一性统一性：统一单位，统一量值。：统一单位，统一量值。( (一致性一致性) ) 准确性准确性：可以在允许误差范围内重复，在科学、合理的条件：可以在允许误差范围内重复，在科学、合理的条件 下复现。下复现。( (计量工作的核心计量工作的核心, , 其基础是其基础是溯源性溯源性和和不确定度控不确定度控 制制） 法制性法制性：为实现统一，必须有法制配合。：为实现统一，必须有法制配合。 社会性社会性：涉及社会各部门、各领域。：涉及社会各部门、各领域。 服务性服务性：是一项服务工作，因此只有隐含的效益。：是一项服务工作，因此只有隐含的效益。 5* 计量的分类 一 .科学计量科学计量 是指基础性、探索性、先行性的计量科学研究，通常用最新是指基础性、探索性、先行性的计量科学研究，通常用最新 的科技成果来精确地定义与实现计量单位，并为最新的科技发的科技成果来精确地定义与实现计量单位，并为最新的科技发 展提供可靠的测量基础。展提供可靠的测量基础。 涉及计量科研活动，包括测量方法、测量仪器研究、基标准涉及计量科研活动，包括测量方法、测量仪器研究、基标准 建立、基础研究等。建立、基础研究等。 6* 计量的分类 二二. .工程计量工程计量 也称也称工业计量工业计量。是指各种工程、工业、企业中做的实用。是指各种工程、工业、企业中做的实用 计量，例如有关能源或材料的消耗、工艺流程的监控以及计量，例如有关能源或材料的消耗、工艺流程的监控以及 产品质量与性能的测试等。工程计量涉及面甚广，它是生产品质量与性能的测试等。工程计量涉及面甚广，它是生 产过程控制不可缺少的环节产过程控制不可缺少的环节( (保证产品互换性和质量保证产品互换性和质量) )，它，它 保证经济贸易全球化所必需的测量结果一致性。保证经济贸易全球化所必需的测量结果一致性。 也称也称应用计量应用计量。因为不仅工业，其它生产部门也需计量。因为不仅工业，其它生产部门也需计量 。 7* 计量的分类 三三. .法制计量法制计量 与法定计量机构工作有关的计量，涉及到对计量单位、计量与法定计量机构工作有关的计量，涉及到对计量单位、计量 器具、测量方法及测量实验室的法定要求。器具、测量方法及测量实验室的法定要求。 存在存在利益冲突利益冲突的领域中的计量。的领域中的计量。 对测量结果的对测量结果的可信性可信性有专门要求的领域中的计量。有专门要求的领域中的计量。通常包括通常包括 与与贸易结算、医疗卫生、环境监测、安全防护贸易结算、医疗卫生、环境监测、安全防护等方面有关的计等方面有关的计 量；量； 8* 法制计量对我们生活的影响 ? ? ? ? 9* 科学技术发展到今天，科学技术发展到今天， 可以说，没有计量，寸可以说，没有计量，寸 步难行。步难行。 聂荣臻 1983.11.2 10* 校 准 在规定条件下，为确定计量器具所指示的量值与对应的 计量标准所复现的量值之间的关系的一组操作 注1：校准结果既可给示值赋值，又可确定示值的修正值 。 注2：校准也可确定其他计量特性。 注3：校准结果通常用校准证书或校准报告来记录。 11* 检 定 国际法制计量组织(OIML)定义为:查明和确认计量器具是否 符合法定要求的程序，它包括检查、加标记和（或）出具 检定证书。 注：检定结果出具检定证书 12* 13* 计 量 确 认 为确保测量设备符合预期使用要求所需的一组操作。 注1：计量确认通常包括：校准和验证、各种必要的调整 或维修及随后的再校准、与设备预期使用的计量要求相比 较以及所要求的封印和标签。 注2：只有测量设备已被证实适合于预期使用并形成文件 ，计量确认才算完成。 注3：预期使用要求包括：测量范围、分辨力、最大允许 误差等。 14* 三者关系的要义 校准 是一项技术工作，不带管理性质。 检定 是法制计量中一项工作，法定计量器具是否保持法定 特性必须通过检定来确定，它要求通过校准和法定要求的 检验提供证据。 计量确认是工业计量中一项工作，它要求通过校准提供证 据证明是否满足预期用途的要求。 法定计量器具通过检定来管理；工业计量器具通过计量确 认来管理。 15* 测量误差 测量误差定义为： 测量结果减去被测量的真值。由于真值不能确定，实际 测量中是用“约定真值”代替。 测量误差是指示值与约定真值之差。测量误差通常是能够 定量评定的量，并可用于对测量值进行修正。但是，对误 差的识别及其后的修正不可能完全精确，这种不精确性的 本身将会产生测量不确定度。 还必须区分误差与错误/疏忽。错误和疏忽既不能量化， 也不是测量不确定度的输入量。 16* 测量误差分类 误差可以分为随机误差和系统误差两类。误差等于随机误 差与系统误差之和。 测量误差示意图如图1.1所示。被测值为Y，真值为t，第i 次测量结果为yi。由于测量误差的存在，测得值（单次测 得值yi或测量平均值 y）与真值 t 不能重合。设测量值呈正 态分布N(，)，则分布曲线总体均值的位置（即值） 决定了系统误差的大小；曲线的形状（随标准偏差而定 ）决定了随机误差的分布范围k ，k，以及其在该 范围内取值的概率。 17* 随机 误差 残差 系统误差 测得值 y 真值 k 测得值 总体均值 样本 均值 测得值概率 分布曲线 ktyi 图图1.1 1.1 测量误差示意图 误差 总体概率分布的期望 有限次数测量平均值(总 体均值的一个无偏估计) 单次测量值 18* 19* *20 *21 *22 允 差 允差有两层含义，对测量而言，允差是对指定量量值的限 定范围或允许范围。典型的例子是零部件特定尺寸的制造 允差(最大/最小)，通常规定其能够保证与配件的合适配合 。要能够测量这种零部件并保证符合允差，扩展不确定度 U就必须小于允差，通常推荐的最小比率为35比1。 允差也常用于测量仪器设备，这时是指由仪器设备制造厂 调试和检定仪器设备时，仪器设备示值的合格范围。仪器 设备的允差是贡献给测量不确定度的一个重要分量。 在评定测量不确定度时，了解和解释允差的确切含义和用 途是重要的。 23* 准 确 度 定义：测量结果与被测量真值的一致程度。 【注】1. 不要用术语精密度代替准确度。 2. 准确度是一个定性的概念。 鉴于不可能准确地确定真值的大小，因而定义“准确度”这 个术语说明测量结果与被测量的真值的接近程度，所以准 确度是一个定性的概念。因而准确度不能量化，也不能作 为一个量进行运算。 准确度的高低常用误差表示，误差越小，分析结果的准确 度越高。 24* 最佳估值多次测量的平均值 由于各种原因，例如由于环境条件的变化、测量器具没有 工作在完全稳定的状态、测量人员的读数误差等，使测量 的读数有变化，通常人们通过多次测量并取其读数的算术 平均值给出测量结果。平均值给出的是被测量“真值”的最 佳估值。 一般而言，测量数值越多，得到的“真值”的估计值就越好 。理想的估计值应当用无穷多数值集来求平均值。但是增 加读数要做额外的工作，并增大测量成本，且会产生“缩 小回报”的效果。什么是合理的次数呢？10次是普遍选择 的，因为这能使计算容易。20次读数只比10次给出稍好的 估计值，50次只比20次稍好。根据经验通常取610次读 数就足够了。 25* 分散范围(区间) 标准偏差 在重复测量给出不同结果时，需要了解这些读数分散范围 有多宽。测量结果的分散范围告诉了我们关于测量不确定 度的情况。通过了解读数分散范围有多大，就能着手判断 这次测量或这组测量的质量如何。 定量给出分散范围的常见形式是标准偏差。一个数集的标 准偏差给出了各个读数与该组读数平均值之差的典型值。 根据“经验”，全部读数大概有三分之二（68.27）会落 在平均值的正负（）1倍标准偏差范围内，大概有全部读 数的95会落在正负2倍标准偏差范围内。虽然这种“尺度 ”并非普遍适用，但应用广泛。标准偏差的“真值”只能从一 组非常大（无穷多）的读数求出。由有限个数的读数所求 得的只是标准偏差的估计值，称为实验标准偏差或估计的 标准偏差，用符号s表示。 26* 概率密度 概率p=95. 45% 概率p=68.27% 等于概率曲线与横坐标围 成的面积 x f(x) 整个分布曲线与横坐标围成的面积(概率)等于1 概率p=99.73% 2 3 2 3 正态分布 概率密度函数曲线 随机变量x的取值 ，2 内的概率为 p=81.86% 27* 分布数据散布的“形状” 一组数值的散布绘取不同的形式，或称为服从不同的概率 分布。 （1） 正态分布 在一组读数中，较多的读数值靠近平均值，少数读数值 离平均值较远。这就是正态分布或高斯分布的特征。 （2） 均匀分布（矩形分布） 当测量值非常平均地散布在最大值和最小值之间的范围 内时，就产生了矩形分布或称为均匀分布。 （3） 其他分布 还有其他分布形状，但较少见，例如三角分布、反余弦 分布（U型分布）等。 28* 29* 测量不确定度概念 测量结果的质量 测量给出关于某物的属性，它可以告诉我们某物体有多重 ，或多长，或多热。测量总是通过某种仪器或器具来实现 的，尺子、秒表、称重秤、温度计等都是测量器具。被测 量的测量结果通常由两部分组成：一个数和一个测量单位 。例如人体温度37.2，人体温度是被测量，37.2是数， 是单位。 对于复杂的测量，通过实际测量获得被测量的测量数据后 ，通常需要对这些数据进行计算、分析、整理，有时还要 将数据归纳成相应的表示式或绘制成表格、曲线等等，亦 即要进行数据处理，然后给出测量结果。 测量不确定度用于衡量测量结果的质量。 30* 测量不确定度 测量不确定度定义 测量不确定度：表征合理地赋予被测量之值的分散性，与 测量结果相联系的参数。（对测量结果正确性的怀疑程度） 注：1. 此参数可以是诸如标准偏差或其倍数，或说明了置信 水准的区间的半宽度。 2. 测量不确定度由多个分量组成。其中的一些分量可用 测量列结果的统计分布估算，并用实验标准偏差表征。另 一些 分量可用基于经验或其他信息的假定概率分布估算， 也可用标准偏差表征。 3. 测量结果应理解为被测量之值的最佳估计，而所有的 不确定度分量均贡献给了分散性，包括那些由系统效应引 起的（如与修正值和参考测量标准有关的）分量。 对测量结果正确性的怀疑程度 31* 测量不确定度 4. 不确定度恒为正值。 5. 不确定度一词指可疑程度，广义而言，测量不确定度 定义 为对测量结果正确性的可疑程度。不带形容词的不确 定 度用于一般概念，当需要明确某一测量结果的不确定度 时，要适当采用一个形容词，比如合成标准不确定度或扩 展不确定度；但不要用随机不确定度和系统不确定度这两 个术语，必要时可用随机效应导致的不确定度和系统效应 导致的不确定度。 32* 如何理解不确定度？ 定义的注1指出，分散性这一“参数”可以是“标准偏差或其 倍数”。 分散性是表示测量结果之间相互不一致程度的一个量，例 如重复性、复现性，以及测量不确定度。 定义的注1还指出，测量不确定度是“说明了置信水准的区 间的半宽度”。也就是说，测量不确定度需要用两个数来 表示：一个是测量不确定度的大小，即置信区间；另一个 是置信水准（或称置信概率），表明测量结果落在该区间 有多大把握。 例如上述测量人体温度为37.2或加或减0.05，置信概 率为99。该结果可以表示为： 37.20.05，置信概率为99 33* 允许误差下限值 允许误差上限值 示值误差 示值 x xT U 扩展不确定度 校准值 xr xT 图3.1 示值误差 、允许误差T 、测量不确定度U的关系 区间半宽度 34* 如何理解不确定度？ 定义的注2指出，“测量不确定度由多个分量组成。其中的 一些分量可用测量列结果的统计分布估算，并用实验标准 偏差表征。另一些分量可用基于经验或其他信息的假定概 率分布估算，也可用标准偏差表征”。 “经验的”或“假定概率的分布”说明，不确定度评定带有主观 鉴别的成分。也就是说，测量不确定度评定与评定人员的 理论知识和实践经验密切相关。所以，定义中使用了“合 理地”一词。 定义的注3指出，“所有的不确定度分量均贡献给了分散性 ，包括那些由系统效应引起的（如与修正值和参考测量标 准有关的）分量”。也就是说，不确定度评定应当考虑已 识别的系统效应的影响。换句话说，测量结果是指对已识 别的系统效应修正后的最佳估值。 35* 如何理解不确定度？ 定义的注4指出，不确定度恒为正值。当由方差得出时， 取其正平方根。 所以人们说，测量不确定度只有正号。 定义的注5指出，不确定度一词指可疑程度。可以概括地 说，测量不确定度是定量表示对测量结果的怀疑程度，以 一个具有置信水准的区间的形式表示，而且不能用不确定 度数值来修正测量结果。 36* 不确定度的来源 对被测量的定义不完整或不完善； 实现被测量定义的方法不理想； 取样的代表性不够，即被测量的样本不能完全代表所定义 的被测量； 对测量过程受环境影响的认识不周全，或对环境条件的测 量与控制不完善；