（机械工程专业论文）测量不确定度评定及其在电学计量中的应用研究.pdf

摘要 摘要 随着市场经济和技术的快速发展，校准以其灵活多样的技术依据和分包方 式等特点已经逐渐被接受。凡正式通过国家实验室认可( c n a l ) 的实验室都可 以对外开展检测和校准工作。随着国内的认证检测市场逐步放开，国外的认证、 检测机构和实验室将会大批进入，根据国家实验室认可标准g b t 15 4 81 2 0 0 0 中 的5 4 6 的要求，实验室要对检测项目的测量不确定度进行评定，如果国内实验 室不具备测量不确定度的评估能力，就会在市场竞争中处于劣势。测量不确 定度指南( g u m ) 的发表，使得电学计量在对被测量结果评定方面有了量化 的指标和依据。然而，如何实现测量不确定度在具体电学计量中的应用，仍然 是一个较新的问题。在此基础上，通过工作实践与理论研究，在电学计量校准 领域完成了不确定度评定理论，并可向其他校准实验室与专业计量站推广使用。 本文的主要研究工作及成果如下： l 、根据校准实验室电学计量中不确定度评定的需要，对校准要求、实验室 认可、传统误差理论、测量不确定度的概念及评定方法等进行了介绍。 2 、通过设计实验方案，建立数学模型，分析不确定度来源，对各不确定度 分量进行a 类和b 类评定，根据各分量确定合成标准不确定度，确定扩展不确 定度，最后给出不确定度报告这样的流程。针对广州高铁计量校准实验室在电 学计量校准中的相关设备如接地电阻测试仪、绝缘电阻表、耐压测试仪以及泄 漏电流测量仪在仪器校准工作中的各类示值误差不确定度进行了评定。目前所 做的各仪器设备校准过程中的示值误差不确定度评定已应用于广州高铁计量校 准实验室及广州广船国际集团专业计量站的建标技术报告和实际计量校准报告 中，对于校准实验室的不确定度评定具有实际指导意义。 3 、通过对测量不确定度相关理论的学习与研究，通过实验和理论分析，明 确了常被混淆的有关计量概念：解决了应用中诸如不确定度评定中有效位数修 约、测量仪器与计量标准装置不确定度的表述等问题；对b 类评定不确定度的 自由度的估计及包含因子的确定问题进行了研究；对测量不确定度评定中忽略 相关项所带来的风险进行了分析；对测量不确定度表示的规范化进行了阐述， 为电学计量的测量不确定度评定研究提供了参考。 关键词：测量不确定度，电学计量，误差，评定 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm a r k e te c o n o m ya n dt e c h n o l o g y , c a l i b r a t i o ni s g r a d u a l l ya c c e p t e db e c a u s eo fi t sc h a r a c t e r i s t i c so ff l e x i b l ea n dd i v e r s i f i e dt e c h n i c a l b a s i sa n d s u b p a c k a g ew a y t h o s el a b o r a t o r i e so f f i c i a l l yr e c o g n i z e db yc h i n a n a t i o n a l a c c r e d i t a t i o nb o a r df o r l a b o r a t o r i e s ( c n a l ) c a nu n d e r t a k e t h ew o r ko f m e a s u r e m e n ta n dc a l i b r a t i o n w i t ht h eg r a d u a lo p e n i n gu po fc h i n a sc e r t i f i c a t i o n a n dm e a s u r e m e n tm a r k e t ，f o r e i g nc e r t i f i c a t i o na n dm e a s u r e m e n ti n s t i t u t i o n sw i l l f l o o di n t oc h i n a a c c o r d i n gt or e q u i r e m e n t5 4 6l i s t e di nt h ea c c r e d i t a t i o ns t a n d a r d g b t 15 4 81 - 2 0 0 0m a d eb yc n a l ，a l ll a b o r a t o r i e sh a v et oe v a l u a t et h eu n c e r t a i n t yi n m e a s u r e m e n t i fo u rd o m e s t i cl a b o r a t o r i e sc a n td ot h a t ，t h e yw i l lb ea ta d i s a d v a n t a g ei nm a r k e tc o m p e t i t i o n w i t ht h ep u b l i c a t i o no fg u i d et ot h ee x p r e s s i o n o fu n c e r t a i n t yi nm e a s u r e m e n t ( g u m ) ，e l e c t r i cm e a s u r e m e n th a saq u a n t i t a t i v e i n d e xa n db a s i sw h e nt h er e s u l to fm e a s u r e m e n ti se v a l u a t e d h o w e v e r ，i ti ss t i l la n e wi s s u eh o wt oa p p l yu n c e r t a i n t yi nm e a s u r e m e n tt os p e c i f i ce l e c t r i cm e a s u r e m e n t b a s e do nal o to fw o r k i n g p r a c t i c ea n d t h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，t h et h e o r yo ne v a l u a t i o n o fu n c e r t a i n t yi nm e a s u r e m e n ti sd e v e l o p e da n dr e f i n e da n dc a nb er e c o m m e n d e dt o a n dw i d e l yu s e db yo t h e rc a l i b r a t i o nl a b o r a t o r i e sa n dp r o f e s s i o n a lm e a s u r e m e n t s t a t i o n s t h ef o l l o w i n gr e s e a r c hw o r ka n dr e s u l t sa r ec o v e r e di nt h ep a p e r ： 1 b a s e do nt h en e e do fe v a l u a t i o no fu n c e r t a i n t yi ne l e c t r i cm e a s u r e m e n ta t c a l i b r a t i o nl a b o r a t o r i e s ，t h er e q u i r e m e n t so fc a l i b r a t i o n , l a b o r a t o r ya c c r e d i t a t i o n , t r a d i t i o n a le r r o rt h e o r i e sa n dt h ec o n c e p t sa n de v a l u a t i o nm e t h o d so fu n c e r t a i n t yi n m e a s u r e m e n ta l ei n t r o d u c e di nt h ep a p e r 2 t h ep a p e rg i v e sar e p o r to nu n c e r t a i n t yi nm e a s u r e m e n tb yd e s i g n i n g e x p e r i m e n t a ls c h e m e s ，e s t a b l i s h i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l s ，a n a l y z i n gt h eo r i g i n so f u n c e r t a i n t y , e v a l u a t i n gt h eu n c e r t a i n t yc o m p o n e n t si nt y p eaa n dt y p eb ，a n d d e t e r m i n i n gt h ec o m b i n e ds t a n d a r du n c e r t a i n t ya c c o r d i n gt o t h ec o m p o n e n t sa n d e x p a n d e du n c e r t a i n t y t h ep a p e re v a l u a t e st h eu n c e r t a i n t yo fa l lt y p e so fi n d i c a t i o n e r r o r s w h i c ho c c u ri ni n s t r u m e n tc a l i b r a t i o nw h e nr e l a t e di n s t r u m e n t s ，s u c ha s i i a b s t r a c t _ _ _ _ _ - _ - - _ 一 g r o u n d e dr e s i s t a n c em e a s u r i n gi n s t r u m e n t s ，i n s u l a t e dr e s i s t a n c e - m e t e r sa n dl e a k a g e c u l t e n tm e a s u r i n gi n s t r u m e n t s ，a r eu s e di ne l e c t r i cm e a s u r e m e n ta n d c a l i b r a t i o nm a d e b yg u a n g z h o uh i g h s p e e dr a i l w a ym e a s u r e m e n tl a b o r a t o r y t h ee v a l u a t i o n o f u n c e r t a i n t yo fi n d i c a t i o ne n l o r s i nt h ep r o c e s so fc a l i b r a t i n gi n s t r u m e n t sh a sb e e n a p p l i e dt ot h et e c h n i c a lr e p o r t s o nb u i l d i n gs t a n d a r d sa n dc a l i b r a t i o nr e p o r t so n m e a s u r e m e mo fg u a n g z h o uh i g h s p e e dr a i l w a ym e a s u r e m e n tl a b o r a t o r y a n d g u a n g z h o us h i p y a r d i n t e r n a t i o n a lc o m p a n yl i m i t e d a n d t h i sh a s g u i d i n g s i g n i f i c a n c ef o rt h ee v a l u a t i o no fu n c e r t a i n t yo fc a l i b r a t i o nl a b o r a t o r i e s 3 t h ec o n c e p to fm e a s u r e m e n t ，w h i c ha l w a y sc a u s e sc o n f u s i o n ，i sd e f i n e di n t h ep a p e rb ys t u d ya n dr e s e a r c ho nr e l a t e dt h e o r i e so fu n c e r t a i n t yi nm e a s u r e m e n t t h ep a p e rs o l v e ss u c hp r o b l e m sa s ：t h ec o r r e c t i o na n dr e v i s i o no fe f f e c t i v ef i g u r e si n t h ee v a h l a t i o no fu n c e r t a i n t y ，t h ee x p r e s s i o np r o b l e m so f t h eu n c e r t a i n t yo fm e a s u r i n g i n s t r u m e n t sa n dm e a s u r e m e ms t a n d a r de q u i p m e m ，e t c as t u d y o nt h ee v a l u a t i o no f t h ed e g r e eo ff r e e d o mo fu n c e r t a i n t yo ft y p eba n dt h ed e t e r m i n a t i o no fc o v e r a g e f a c t o ri sm a d ei nt h ep a p e r a na n a l y s i so f t h er i s k s ，w h i c ha r ec a u s e db yt h en e g l e c t o fe v a l 吼t i o no fu n c e r t a i n t yi nm e a s u r e m e n la n dt h es t a n d a r d i z e de x p r e s s i o no f u n c e r t a i n t yi nm e a s u r e m e ma r ee l a b o r a t e di nt h ep a p e r , w h i c hp r o v i d e sr e f e r e n c ef o r t h ee v a l u a t i o no fu n c e r t a i n t yi ne l e c t r i cm e a s u r e m e m k e yw o r d s ： u n c e r t a i n t yi nm e a s u r e m e m ，e k c 仃i cm e a s u r e m e m ，e r r o r e v a l u a t i o n i i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得南昌大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：良帆翠签字日期：矽哆年似月哆日 i i 学位论文版权使用授权书， 本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位敝储签名：叫眦禾刷噬轹磁 一 、 l 签字日期：一年f 月哆日签字日期：酌年i 月衫日 第l 章引言 第1 章引言 1 1 国内外研究现状 测量的露的是确定被测量的值，可以帮助人们认识事物。测量结采酌质量 会影响国家和企业的经济效益，如何更科学合理地保证测量结果的准确性，一 直是计量工作者关注的热点。通常，在报告测量结果时，要给毒包含测量值和 对测量值可信程度的说明，以便于测量者评定其可靠性。随着科学技术的发展， 测量资源和测量条件都有很大的改变，对测量结果的评定也提出了更高的要求。 测量系统校准、实验室认可、测量比对以及精密测试活动，都对测量结果的评 定十分重视。如果没有测量结果的评定，那么测量结果既不能互楣比较，也不 能与规程或标准中规定的参考值比较i l l 。 由于真值在一般情况下是无法得知的，因而测量结果的误差在实际测量中也 是无法准确得知的。但是人们在很长一段时阔都是焉误差分析来评价测量结采 的质量。因此人们对用误差来定量表示测量结果的质量存在着不同的意见与分 歧。 为了解决使用“误差 概念引起的纷争，同时随着经济一体化、贸易全球 化的进程加快，就要求各国所进行的测量和所得的测量结果应具有统一的评定 标准，以便能够相甄比对，取得承认和共识，在这种情况下，测量不确定度便 应运而生。 旱在1 9 2 7 年，德国物理学家海森堡在量子力学中提出的不确定关系，又称 测不准关系。1 9 7 8 年美国标准局( n b s ) 局长e a m b l e r 提请困际计量局( n p l ) 的注意不确定度的重要性，b i p m 随即发出不确定度征求意见书，经求各圜和毽 际组织的意见，对不确定度的定量表示有了进一步的发展。 1 9 9 3 年，国际标准化组织( i s o ) 等七个国际组织组成国际不确定度工作缝， 负责制定用于计量、生产、科学研究中的不确定度指南。经过多年研究和征求 意见，共同制定了测量不确定度表示指南( g u m ) ，正式内i s o 出版发行。该指 南是不确定度的重要权威性文献，它协调并统一了评定和表示测量结果的通用 规则，得到世界各国的广泛推广和应用。 现在圜际上都强调使用g u m 来表示测量结果及其不确定度，僵毒于爨前检 第1 章引言 验标准或规范及方法很多，且要达到国际一致的标准化程度也不太现实，同时 在进行b 类评定时的资料来源也得不到可靠保证，因而对于我国计量校准实验 室而言，不确定度的评定工作依然很困难。但在我国加入世界贸易组织( w t o ) 后，为取得国际市场中的平等地位和经济活动中的竞争优势，就必须走国际化、 与世界经济接轨的道路。这就要求我国出具的各类测试报告、检定结果、校准 证书、技术规范、产品标准乃至合同或协议等文件中，都应当采用国际公认的 有关测量结果和测量不确定度的表述方法，由此可知，在我国用不确定度来表 示测量结果的质量是势在必行的。 按g u m 9 5 对测量不确定度的定义是：ap a r a m e t e ra s s o c i a t e dw i t ht h er e s u l to f am e a s u r e m e n t ，t h a tc h a r a c t e r i z e st h ed i s p e r s i o no f t h ev a l u e st h a tc o u l dr e a s o n a b l y b ea t t r i b u t e dt ot h em e a s u r e d 。将其翻译成中文如下：测量不确定度是表征合理地 赋予被测量之值的分散性，与测量结果相联系的参数。 测量不确定度定义中的“合理”是指考虑到各种因素对测量的影响所作的修 正，特别是测量应处于统计控制状态下，即处于随机控制过程中。也就是说测 量应在重复性条件和复现性条件下进行。 “被测量之值”应理解为许多个测量结果，其中不仅包括通过测量得到的测 量结果，还应包括测量中没有得到但又是可能出现的测量结果；比如系统效应 ( 比如受控范围内改变测量条件等) 所引入的分量也应在“被测量之值 中得 以体现【2 】o “分散性”是指包括了各种误差因素在测试过程中所产生的分散性。分散性 一般是由标准差来表示，表示一个区间，即被测量之值的分布区间。这是测量 不确定度和测量误差的最根本的区别，测量误差是一个差值，是一个“点 ；而 测量不确定度是一个“区间”。为了表征这种分散性，测量不确定度可以用标准 差，或标准偏差的倍数，或说明了置信水准区间的半宽度来表示。 “相联系”是指不确定度和测量结果来自于同- n 量对象和过程，表示在给 定条件下测量时测量结果所可能出现的区间。要说明的是，测量不确定度和测 量结果的量值之间没有必然的联系，它们均按各自的方法进行统计1 3 j 。 因此，测量不确定度是建立在误差理论基础上，表示由于测量误差的存在 而对被测量值不能肯定的程度，是定量说明测量结果质量的一个参数。一个完 整的测量结果，不仅要表示其量值的大小，还需给出测量的不确定度，表示了 被测量真值在一定概率水平所处的范围( 测量结果是经修正的最佳估计值) 。测 2 第1 章引言 量不确定度愈小，其测量结果的可疑程度愈小，可信度愈大，测量的质量就愈 高，测量数据的使用价值愈耐训。 在全球经济和市场激烈竞争的今天，测量不确定度表示方法的统一是国际贸 易和技术交流所不可缺少的，它可使各国进行的测量和得到的结果进行相互对 比，取得相互的承认和共识。因此，统一测量不确定度的表示方法和评定受到 了国际计量委员会等国际组织的高度重视。我国要取得国际经济和市场中的平 等竞争地位，必须在各方面与国际接轨，特别是测量结果和测量不确定度的表 述，更应该采用与国际一致的形式【5 j 。但目前，对测量不确定度的各个方面在认 识上还不是非常清晰，理解存在差异，而且操作上也存在难点。所以，测量不 确定度的相关理论有待在实践中进行补充和完善，以适应评定更多实际测量类 型的测量结果p j 。 i s o 1 0 0 1 2 1 计量检测设备的质量保证要求标准将“校准 定义为：“在 规定条件下，为确定计量仪器或测量系统的示值或实物量具或标准物质所代表 的值与相对应的被测量的已知值之间关系的一组操作。 校准结果可用以评定计量仪器、测量系统或实物量具的示值误差，或给任 何标尺上的标记赋值：校准也可用以确定其他计量特性；可将校准结果记录在 有时称为校准证书或校准报告的文件上；有时核准结果表示为修正值、校准因 子或校准曲线。 随着市场经济和技术的快速发展，校准以其灵活多样的技术依据和分包方 式等特点已经逐渐被接受。一个经过检定不合格的计量器具经过校准后只要能 够满足使用要求是完全可以使用。凡正式通过国家实验室认可( c n a l ) 的实验 室都可以对外开展检测和校准工作，校准结果能获得与c n a l 签署互认协议国 家和地区实验室认可机构的承认，有利于消除非关税贸易壁垒，促进工业、技 术、贸易的发展。 而根据j j g l 0 0 1 8 2 常用计量名词术语及定义，检定是指为评定计量器具 的计量特性，确定是否符合法定要求所进行的全部工作。 计量设备校准是客户的自主行为，是量值的溯源，而我国长久以来大多采 用的是量值传递，带有一定的法制要求，从法制计量的量值传递转变为自愿的 量值溯源，必须加大对客户宣传和规范的目的。 由此，基于市场的逐步开放，计量校准成为检定以外的又一计量市场需要， 国内出现了大量的计量校准实验室。 3 第1 章引言 而对于检测和校准实验室，要使检测的最终结果有意义，在检测数值中必 须包含可置信的范围。 c n a l a c0 1 2 0 0 3 检测和校准实验室认可准则就明确规定，校准实验室 必须具有测量不确定度评估的能力。 从发展趋势上看，国际上对测量不确定度方面的要求将会越来越多，越来 越严。我国虽然已经在按i s o i e c l 7 0 2 5 对测量不确定度评估进行要求，但开始 注意到测量不确定度概念应用的时间不长，因此，c n a l 将按照“目标明确、重 点先行、循序渐进 的原则，逐步展开测量不确定度的评定和应用。另外，随 着国内的认证检测市场逐步放开，国外的认证、检测机构和实验室将会大批进 入，如果国内实验室不具备测量不确定度的评估能力，就会在市场竞争中处于 劣势 6 1 。 1 2 选题依据及意义 随着市场经济和技术的快速发展，校准以其灵活多样的技术依据和分包方 式等特点已经逐渐被接受。一个经过检定不合格的计量器具经过校准后只要能 够满足使用要求是完全可以使用。凡正式通过国家实验窒认可( c n a l ) 的实验 室都可以对外开展检测和校准工作，校准结果能获得与c n a l 签署互认协议国 家和地区实验室认可机构的承认，有利于消除非关税贸易壁垒，促进工业、技 术、贸易的发展。校准以其灵活多样的技术依据和分包方式等特点已经逐渐被 接受。实验室要对检测项目的测量不确定度进行评定，如果实验室不具备测量 不确定度的评估能力，市场就会被国外实验室占领，要想在市场竞争中立于不 败之地，那么各实验室在开展业务的过程中，就必须要进行测量不确定度的评 定，用于建标技术报告和计量校准报告。 本课题针对广州高铁计量校准实验室在电学计量校准中的相关设备如接地 电阻测试仪、绝缘电阻表、耐压测试仪以及泄漏电流测量仪在仪器校准工作中 的各类示值误差不确定度进行了评定。通过设计实验方案，建立数学模型，分 析不确定度来源，对各不确定度分量进行a 类和b 类评定，根据各分量确定合成 标准不确定度，确定扩展不确定度，最后给出不确定度报告。 通过对测量不确定度相关理论的学习与研究，通过实验和理论分析，明确 了常被混淆的有关计量概念：解决了应用中诸如不确定度评定中有效位数修约、 4 第l 章引言 测量仪器与计量标准装置不确定度的表述等问题：对b 类评定不确定度的自由 度的估计及包含子的确定问题进行了研究；对测量不确定度评定中忽略相关项 所带来的风险进行了分析；对测量不确定度表示的规范化进行了阐述。 经过以上分析，我们确定了本课题的研究方向测量不确定度评定及其 在电学计量中的应用研究。通过对不确定度理论知识的研究，结合多个实例进 行测量不确定度评定的具体研究，对广州高铁计量校准实验室等单位开展不确 定度评定工作有实际指导意义，并对电学计量的不确定度研究有一定的推动作 用。 1 3 本文的主要内容 本文研究内容来源于九江职业技术学院2 0 0 9 年立项科研课题“测量系统不 确定度评定，就广州高铁计量校准实验室的电学计量相关校准项目中测量不 确定度评定的解决，并总结课题相关研究成果的基础上，本文研究内容如下： 第一章：绪论 简单介绍了测量不确定度评定的相关背景，并就本课题的选题依据、研究 的意义、创新点等进行了阐述。 第二章：电学计量和测量不确定度 本章主要介绍了研究测量不确定度的必要性及实验室认可，对经典误差理 论与测量不确定度的联系与区别进行了分析，对于测量不确定度的概念以及评 定的方法和过程进行了介绍，就电学计量、校准的要求及实验室认可等进行简 单介绍。 第三章：测量不确定度评定在电学计量中的应用 在上述理论研究的基础上，对广州高铁计量校准实验室在电学计量校准中 的相关设备如接地电阻测试仪、绝缘电阻表、耐压测试仪以及泄漏电流测量仪 在仪器校准工作中的各类示值误差不确定度进行了评定。 第四章：测量不确定度在工程应用中相关问题的探讨 解决了应用中诸如不确定度评定中有效位数修约、测量仪器与计量标准装 置不确定度的表述等问题；对b 类评定不确定度的自由度的估计及包含子的确 定问题进行了研究；对测量不确定度评定中忽略相关项所带来的风险进行了分 析；对测量不确定度表示的规范化进行了阐述。 5 第1 章引言 1 4 创新点 接地电阻测试仪、绝缘电阻表、耐压测试仪以及泄露电流测量仪等校准仪 器的示值误差不确定度评定相关的研究及参考文献较少，本课题进行了详细的 分析，解决了广州高铁计量校准实验室电学计量中对相关仪器在校准时的示值 误差测量不确定度评定，目前已应用于该校准实验室的建标报告与实践计量校 准报告，并可为其他校准实验室或专业计量站提供技术服务。 6 第2 章电学计量和测量不确定度 第2 章电学计量和测量不确定度 2 1 电学计量 人类为了认识自然和改造自然，需要不断地对自然界的各种现象进行测量。 所谓“测量”就是以确定量值为目的的一组操作。它是人类认识和改造客观世 界的一种必不可少的手段，是从客观事物中取得定量信息，以获得物体或物质 某些特性的数字特征，使人们对物体、物质和自然现象属性的认识达到从定性 到定量的转化。 “计量”则是为实现单位统一、量值准确可靠而进行的科技、法制和管理 的活动。计量属于测量而又严于一般的测量，因此可以狭义的认为，计量是与 测量结果置信度有关的，与不确定度联系在一起的规范化的测量。计量在历史 上称为度量衡，所用的主要器具是尺、斗、秤。在英语中尺子和统治者是同一 词1 1 1 e r ，我国古代把砝码称为“权 ，至今仍用天平代表法制和法律的公平， 这些都表明计量是象征着权利和公正的活动。 电学计量就是按照国家法定的计量检定系统，应用电测量器具，采用相应 的测量方法对被测电参量进行定量分析的一门科学；是人们掌握电学知识，发 展电学理论和电学技术的重要手段。电学计量产生于电现象的发现和认识之中， 同时又促进电的研究、开发和应用。电学计量包括电学计量和参量计量。电学 计量是指与电荷有关的量，如电流、电压、电功率、电能、电流密度、电场强 度等的计量；参量计量是指与电路元件参数有关的量，如电阻、电容、电感、 电导、电阻率等的计量。电学计量和磁学计量共同组成电磁学计量，它是计量 技术的一个蕈要分支。 电学计量技术具有测量灵敏度、准确度高，易于实现直接、连续和远距离 测量等特点，而且电信号特别便于传播、转换、分配和控制，若与测量传感器 相配合，可将位移、速度、加速度、重量、压力、温度、湿度、声、光、x 射线、 气体等转换为电压、电流、频率和脉冲等各种模拟或数字信号进行处理。这使 得几何量、力学、温度、声学、光学、电离辐射等各类计量领域，越来越多的 依靠电学计量的特点，将各种非电量转换为电信号进行测量。电学计量中发展 起来的各种理论基础和技术手段，也往往为其它分支学科所借鉴。因此在现代 7 第2 章电学计量和测量不确定度 计量测试技术领域和现代社会生产中的任何部门，都离不开电学计量。 电测量技术的广泛应用更需要统一的计量单位和量值的准确一致。电学计 量的任务就是保证实现电测量领域中单位统一和量值准确可靠【7 1 。 2 2 测量不确定度 2 2 1 实验室认可介绍 实验室认可( 1 a b o r a t o r ya c c r e d i t a t i o n ) 定义为：由权威机构对检测校准实验 室及其人员有能力进行特定类型的检测校准做出正式承认的程序。目前，我国 的实验室认可机构是中国合格评定国家认可委员会( c n a s ) ，认可依据是检测 和校准的实验室的认可准则( c n a s c l 0 1 ：2 0 0 6 ) ，等同采用i s o i e c l 7 0 2 5 ： 2 0 0 5 这个全球公认的用来评审实验室的国际标准，包含管理要求和技术要求， 并对实验室日常运作中的各个关键环节提出控制要求。 2 0 0 2 年7 月，我国结合当时的认证认可国际国内发展的实际，相继成立了 中国认证机构国家认可委员会( c n a t ) ，中困实验室国家认可委员会( c n a l ) ，中 国认证人员与培训机构国家认可委员会( c n a t ) - - 的认可委员会，初步实现了我 国国家认可工作的初步统一。随着认证认可工作的发展，近年来国际认证认可 界发生了新的变化。人员注册工作被明确为认证活动的范畴，按照国际组织的 要求，要从认可实体中分离国家设立一个认可机构实体，成立一个覆盖认证机 构、实验室、检查机构等全部认可制度的委员会，以一个认可机构的名称和标 徽开展国家认可工作已经成为发展的大趋势。根据认证认可国际国内形式的发 展，国家认监委决定对我国的认可组织体系进行调整，成立中国合格评定国家 认可委员会。 中国合格评定国家认可委员会( c h i n an a t i o n a la c c r e d i t a t i o ns e r v i c ef o r c o n f o r m i t ya s s e s s m e n t ，英文缩写为c n a s ) 在原中国认证机构国家认可委员会 ( c n a b ) 和中国实验室国家认可委员会( c n a l ) 的基础上整合而成，作为国 家认监委批准设立并授权的国家认可机构，统一负责对认证机构、实验室和检 查机构等相关机构的认可工作。其宗旨是推进我国合格评定机构按照相关的标 准和规范等要求加强建设，促进合格评定机构以公正的行为，科学的手段，准 确的结果有效地为社会提供服务。 认可委员会的成立是我国集中管理认可工作的需要，也是适应认可工作国 8 第2 章电学计量和测量不确定度 际发展的需要，这将有助于认可工作的统一、规范和高效，有助于更好发挥认 可工作对认证市场的监督和保障机制。 i s o i e c l 7 0 2 5 认可的侧重点，是使实验室形成进行特定项目检测和校准的 技术能力。由于认可实验室可进行特定类型的检测校准，设定检测项目时可根 据是实验室的情况或多少具有更大的灵活性。 实施实验室认可有如下好处： ( 1 ) 可提升实验室的质量管理水平和技术能力，促进实验室的规范运作； ( 2 ) 表明实验室具备了按有关国际准则开展校准和检测服务的技术能力； ( 3 ) 可增强实验室在检测市场的竞争能力，赢得政府和社会各界的信任， 并获得与c n a l 签署互认协议国家和地区实验室认可机构的承认，有利于消除 非关税贸易壁垒，促进工业、技术、贸易的发展： ( 4 ) 通过参与国际间实验室认可双边、多边合作，可得到更广泛的承认， 认可实验窒被列入国家认可实验室名录，有利于提高实验室的知名度，有利 于开展检测业务，提高经济效益； ( 5 ) 认可实验室可进行特定项目的检测，有利于实验室专业化建设；认可 实验室还可以将部分项目按分包要求分包给其他认可实验室检测，避免重复建 设，充分利用有效资源，优化资源结构哺。 2 2 2 校准的要求及研究不确定度的必要性 已认可机构应选择溯源体系图中适当等级的法定计量检定机构和校准实验 室或满足该要求的校准实验室提供的校准服务。在c n a s 有要求时，应能提供该 法定计量检定或校准实验室能力的证明，如依据i s o i e c1 7 0 2 5 国际标准的认可 证书及相应认可范围。 校准实验室提供的校准证书( 报告) 应提供溯源性的有关信息，包括不确 定度及其包含因子的说明。已认可和申请认可机构应尽量确保从外部校准服务 机构( 包括法定计量机构和认可校准实验室) 获得的校准检定证书符合下列要 求： 1 ) 校准证书应在认可校准实验室认可范围以内，并具有量值溯源信息( 如： 上一级标准器的标识和检定或校准证书号) ，有具体的校准数据，有校准的技 术依据，有测量不确定度及置信概率等信息。 2 ) 检定证书应在实验室的授权范围以内，并具有量值溯源信息( 如：上一 9 第2 章电学计量和测量不确定度 级标准器的标识和检定或校准证书号) ，具有检定的技术依据( 检定规程) 和 检定结果，在可能的情况下具有校准数据、测量不确定度及置信概率信息。 3 ) 测试报告应在实验室的授权范围以内，并具有量值溯源信息( 如：上一 级标准器的标识和检定或校准证书号) ，具有测试的技术依据和测试结果，在 可能的情况下具有测量不确定度及置信概率信息【l 。 不确定度是一个合理表征测量结果的分散性参数，它是一个容易定量、便 于操作的质量指标。c n a l a c0 1 2 0 0 3 检测和校准实验室认可准则明确规定 校准实验室必须具有测量不确定度评估的能力。 校准过程本身就是测量过程的一种，其测量不确定度由测量人员、测量设 备、测量方案、测量环境等组成测量过程的各种要素所决定。只要在校准过程 中由经过培训合格并取得校准资质的校准人员，在相同的校准环境条件下，使 用同一台套的标准器，用相同的方法进行校准，则校准结果的测量不确定度应 该是相同的。所以，只要该标准装置接受政府计量行政主管部门组织的标准装 置考核中考核合格，建标( 或复查) 技术报告中所分析的测量不确定度经过不 确定度验证被证实，那么使用该标准装置开展计量校准的测量不确定度原则上 就是在校准证书中给出的不确定度。至于被检计量器具的品质如何，则应该给 出其示值误差或精度等级，给出的校准结果的不确定度和被检计量器具的示值 误差( 或精度等级) 将给顾客( 送检单位) 进一步分析他们使用该计量器具开 展他们的测量活动( 含计量校准) 的测量不确定度提供必要的信息。 某些情况下，检测方法的性质会妨碍对测量不确定度进行严密的计量学和 统计学上有效的计算。这种情况下，实验室至少应努力找出不确定度的所有分 量并作出合理评定，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，并利用过去的经验和确认的数据。 这就要求我们检测部门出具的各类测试报告、检定结果、校准证书、技术规范、 产品标准乃至合同或协议等文件中，都应当采用国际公认的有关测量结果和不 确定度表述的方法l l 。 2 2 3 传统误差理论 传统误差理论以统计学理论为基础，以静态测量误差为研究对象，以服从 正态分布为主的随机误差估计和数据处理理论为特征。误差多数情况下是指测 量误差，它以真值或约定真值为中心，是一个理想的概念，一般不能准确知道， l o 第2 章电学计量和测量不确定度 难以定量。 一、误差的定义与表示 1 、误差的定义 误差= 测得值一真值； 因此，误差是一个值，数学上就是坐标轴上的一个点，是具有正负号的一 个数值。 2 、误差的表示方法 误差在表示时通常使用绝对误差、相对误差和引用误差三种方式来表述。 绝对误差= 测量值一真值( 约定真值) 在检定工作中，常用高一等级准确度的标准作为真值而获得绝对误差。 如：用一等活塞压力计校准二等活塞压力计，一等活塞压力计示值为 1 0 0 5 n c m 2 ，二等活塞压力计示值为1 0 0 2 n c m 2 ，则二等活塞压力计的测量误差 为0 3 n c m 2 。 相对误差= 绝对误差真值x 1 0 0 相对误差没有单位，但有正负。 如：用一等标准水银温度计校准二等标准水银温度计，一等标准水银温度 计测得2 0 2 ，二等标准水银温度计测得2 0 3 ，则二等标准水银温度计的相对 误差为0 5 。 引用误差= 示值误差n 量范围上限( 或指定值) x1 0 0 引用误差是一种简化和实用方便的仪器仪表示值的相对误差。 如测量范围上限为3 0 0 0 n 的工作测力计，在校准示值2 4 0 0 n 处的示值为 2 3 9 2 8 n ，则其引用误差为0 3 。 二、误差的分类 误差按其产生的原因和性质可分为系统误差、随机误差和粗大误差【1 2 】。 系统误差按其本质被定义为在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次 测量所得结果的平均值与被测量的真值之差。按对误差掌握的程度可分为己定 系统误差( 误差的绝对值和符号均为已知) 和未定系统误差( 误差的绝对值和 符号均为未知的系统误差，但可估计出误差的最大变化范围) 1 7 】。多数情况下， 系统误差的数值( 包括正负号) 应该是能够准确确定的、并经常被用来更正测量数 据。【1 2 】 随机误差又称为偶然误差，定义为测得值与在重复性条件下对同一被测量 第2 章电学计量和测量不确定度 进行无限多次测量所得结果的平均值之差【1 3 1 。换言之，随机误差是指数值变化 规律未被确切掌握，但其统计规律为人们所掌握的误差。随机误差可以认为是 测量误差中期望为零的误差分量。 粗大误差又称为疏忽误差、过失误差或简称粗差，是指明显超出统计规律 预期值的误差，其产生原因主要是由于某些偶尔突发性的异常因素或疏忽所致。 在处理测量数据时，可根据3 0 准则等粗大误差判断法将其剔除。【1 4 j 三类误差可按图2 1 进行解释 系统误差 夏司一呈查至竺兰兰 蚴厍磊未定系统误差 不变系统误差 变化系统误差 l 粗大误差( 寄生误差) l r “。“”。“。“o 一 图2 1 误差的分类 各测量误差的分布情况如图2 2 所示。 。 厂 一、- 蔓 最差 i 。 一系笺鼍叠 一，。 。| 囊舰琵差 l 图2 2 测量误差分布图 三、传统误差理论存在的缺陷 按照上述对误差的分类，各类误差之间在一定条件下是可以相互转化的， 对某项具体误差，在此条件下为系统误差，而在另一条件下可为随机误差，反 之亦然。如按一定基本尺寸制造的量块，存在着制造误差，对某一块量块的制 1 2 第2 章电学计量和测量不确定度 造误差是确定数值，可认为是系统误差，但对一批量块而言，制造误差是变化 的，又成为随机误差。总之，系统误差和随机误差之间并不存在绝对的界限， 在处理时有可能将随机误差作为系统误差处理，或将某些系统误差当作随