校準和測量能力評估中有關問題的探討

高宇海

(甘肅省計量研究院，蘭州 730070)

0　引言

對一個校準參量或項目的完整測量不確定度評估包含對CMC的評估和對可校準的所有類型被校儀器及其全部校準點的測量不確定度評估。其中CMC即校準和測量能力是校準實驗室在常規(guī)條件下能夠提供給客戶的校準和測量能力，其應是在常規(guī)條件下的校準中可獲得的最小測量不確定度，是實驗室最具價值的核心競爭力。CMC評估和常規(guī)校準結(jié)果的測量不確定度評估雖然過程一樣，但在具體方法上又存在一定區(qū)別，本文對此進行討論。

1　CMC評估必須在常規(guī)條件下

CMC是實驗室在常規(guī)條件下校準所獲得的最小測量不確定度，該常規(guī)條件就是實驗室日常開展工作時實際能夠滿足的條件，為正確反映實驗室的測量能力，保證校準中獲得最小不確定度，對其中的各影響因素如計量標準設備、人員、校準方法及環(huán)境條件等在常規(guī)條件的范圍內(nèi)可選擇時應按最優(yōu)配置，如實驗室有兩臺準確度等級相同且檢定合格的計量標準設備，則應選擇重復性、穩(wěn)定性較好的一臺，檢定人員應選擇相對熟練的人員，校準方法可選擇時，應采用不確定度相對較小的方法，如光滑環(huán)規(guī)直徑尺寸校準，應盡可能采用相同標稱尺寸比較測量，對于環(huán)境條件應在實際控制范圍內(nèi)各影響量取最小值，在這樣的常規(guī)條件下評估的CMC才能反映實驗室的最高測量水平。

目前一些實驗室依據(jù)檢定規(guī)程或校準規(guī)范中給出的或作業(yè)指導書、技術報告中評定的不確定度進行CMC評估，這將給評估結(jié)果帶來一定偏差。由于上述不確定度都是為驗證測量方法可行性，在技術文件規(guī)定條件下各影響量取最大值時評定的，以此作為評估基礎將會降低實驗室的校準測量能力。實際工作中各實驗室雖然都依據(jù)同樣的技術文件開展工作，但為保證量值準確可靠，其實際達到的常規(guī)工作條件有可能優(yōu)于技術文件中規(guī)定的條件，因此各實驗室應根據(jù)具體情況正確選取有關參數(shù)評估CMC。同樣實驗室也不能為了有意識提高校準測量能力而在評估CMC 時，刻意提高工作條件，而日常實際工作中并不能滿足。

2　正確選擇最佳性能的被測儀器

為準確反映實驗室的測量能力，應使被測對象對不確定度的影響盡可能小。被測對象對不確定度的影響首先來自被測對象間的變動性，在不確定度評估中，可采用說明的方法，包含或不包含該變動性，如當被測對象來源于抽樣時，則不確定度中就包含樣品的分散性，但在CMC評估時，為反映實驗室的測量能力，一般并不包括該分散性，故被測對象的影響主要來自其計量特性。因此對于一個參量，CMC評估時就需要選擇對該參量可校準的技術指標最佳的測量儀器作為被測對象，即被測對象的計量性能如重復性、穩(wěn)定性和分辨力等都應是同類儀器中可獲得的最佳值，在分析其對不確定度影響時，應以最佳儀器所代表的計量特性考慮其影響，其對不確定度的貢獻應包括在校準測量能力中，而被測儀器具體的個性或缺陷等個別因素不應反映在不確定度中。如果對某參量在同一測量范圍內(nèi)，測量儀器包含幾種不同類別，且CMC不同，則最佳性能的儀器必須是在不同類別中分別選取，如對游標卡尺在0～200mm測量范圍內(nèi)示值誤差校準的CMC評估時，其最佳性能的被測儀器分別為分度值0.02mm的游標卡尺、分度值0.01mm的數(shù)顯游標卡尺及分度值0.01mm的帶表游標卡尺三種。

3　對測量范圍正確劃分測量段

如果被測量的值是一個范圍，則無論CMC 采用何種表示方式都應先考慮是否需要對測量范圍分段。有些參量在不同測量范圍，其對應的測量儀器類別、等級和計量性能不同，對這些儀器進行CMC評估時，其不確定度來源和大小可能不完全相同，若這些來源是主要影響因素，其量值大小將使評估結(jié)果產(chǎn)生較大差異，因此CMC評估時可先根據(jù)儀器類別、等級和計量性能對整個測量范圍劃分測量段。實際工作中較為常見的是被測儀器在不同測量范圍具有不同的分辨力，如表1為數(shù)顯電感測微儀CMC評估時在±1000μm測量范圍內(nèi)的分段及其對應的最佳數(shù)顯電感測微儀分辨力。

表1　數(shù)顯電感測微儀測量范圍分段及對應的最佳測微儀分辨力

在每個測量段，對最佳性能的被測儀器進行CMC評估時，根據(jù)不確定度隨計量標準設備量值、環(huán)境條件和測量點不同而變化的程度，分析CMC在該測量段的變化情況，選擇CMC恰當?shù)谋硎痉绞?，從而確定是否需要再次對該測量段進行細分，同時還需注意分段時要盡可能包含測量范圍內(nèi)的常用區(qū)段。

4　CMC表示方式上應注意的事項

4.1　CMC用單一值表示

1)當被測量的值是一個或一系列單一值，或者被測量的值雖然是一個范圍，而計量標準設備只能對該范圍內(nèi)部分點校準時，CMC就必須按照這些單一值或校準點一一對應分別表示，而不能表示為連續(xù)的范圍。但是如果被測量的值雖然是一系列單一值，而計量標準設備在這些單一值間隔內(nèi)可連續(xù)校準，則CMC可按范圍表示。

2)被測量的值雖然是一個范圍，但CMC仍用單一值表示，即用在整個測量范圍內(nèi)都適用的單一值(絕對值或相對值)表示，在該測量范圍內(nèi)，不確定度一般保持不變或變化微小(該變化對CMC的影響可忽略)。目前有些實驗室為了簡化評估，即使不確定度在測量范圍內(nèi)有一定幅度變化，但仍用不確定度最大值作為整個測量范圍的CMC，這種表示方式一方面降低了該實驗室的部分校準測量能力，另一方面要特別注意該最大值在測量范圍下限是否滿足量傳關系。

4.2　CMC用范圍表示

當被測量的值是一個范圍時，CMC以前后對應的形式用范圍表示。根據(jù)CNAS-CL07：2011《測量不確定度的要求》，CMC用范圍表示時，實驗室應有適當插值算法給出區(qū)間內(nèi)值的測量不確定度，即能給出CMC的中間值。該中間值的確定可以采用內(nèi)插法，即用線性內(nèi)插、倒數(shù)或其他函數(shù)內(nèi)插的方法通過數(shù)值逼近法獲得，由于內(nèi)插公式推算存在一定困難，而對每一個被測值的CMC均進行評估往往不切實際，因此實際評估中常常采用圖表法。在不確定度來源相同情況下(若不相同，則另行評估)，根據(jù)不確定度分量匯總表，對影響不確定度的主要因素在不同測量點變化的情況選取部分具有代表性的校準點進行評估，據(jù)此作出校準參量和CMC關系圖表，則CMC中間值即可根據(jù)該圖表查閱推算得到，該圖表不一定是線性關系，但一般與測量范圍有相對一致的趨勢，且在該范圍內(nèi)不能有拐點，否則就要考慮分段。校準點多少的選取應能反映CMC的變化趨勢，并且使通過圖表所確定的CMC中間值與其實際值偏差應處在一個可接受的合理范圍內(nèi)。

4.3　CMC應動態(tài)評估

CMC是實驗室提供校準服務能力的反映，實驗室應動態(tài)評估。如果影響不確定度的某一個來源及影響量發(fā)生變化，實驗室應及時修訂更新CMC表示，以適應變化的情況，正確反映校準和測量能力。

4.4　正確選取包含因子

CMC應該用包含概率約為95%的擴展不確定度表示，包含因子應根據(jù)校準參量的概率分布按照95%的概率選取。目前許多實驗室統(tǒng)一簡化取k=2，顯然是不對的。如果某一參量的不確定度主要分量較少或者該參量不服從正態(tài)分布時，尤其應特別注意，如矩形分布對應95%概率的包含因子為k=1.65，三角分布對應95%概率的包含因子為k=1.90。

5　結(jié)束語

CMC既是實驗室校準和測量能力的反映，也是客戶選擇實驗室進行校準溯源的重要依據(jù)之一，由于校準參量的復雜性和測量儀器的多樣性，為正確反映實驗室的校準和測量能力，應在把握好基本原則和要求的同時科學、嚴謹、合理的評估和表示。

[1]中國合格評定國家認可委員會.CNAS-CL07:2011 測量不確定度的要求

[2]中國合格評定國家認可委員會.CMC表示方式培訓材料，2011

[3]國際實驗室認可合作組織.ILAC-P14:11/2010 校準領域測量不確定度的方針

[4]胡紅波，于梅.測量不確定度評估及基于Monte Carlo法的數(shù)值計算.計量技術，2012(6)