電學(xué)計(jì)量中測(cè)量不確定度評(píng)定研究

李淼++馮浩

摘 要：本文通過(guò)對(duì)靜態(tài)不確定度評(píng)定與動(dòng)態(tài)不確定度評(píng)定的比較，得到未來(lái)測(cè)量不確定度的發(fā)展方向?yàn)閯?dòng)態(tài)不確定度評(píng)定與靜態(tài)測(cè)量不確定度評(píng)定相結(jié)合，使得電學(xué)計(jì)量中應(yīng)用測(cè)量不確定度進(jìn)行評(píng)定時(shí)更加精確、科學(xué)。

關(guān)鍵詞：電學(xué)計(jì)量；不確定度評(píng)定；誤差

電學(xué)計(jì)量就是按照國(guó)家有關(guān)計(jì)量的法律法規(guī)，應(yīng)用電測(cè)量器具，依據(jù)相應(yīng)的檢定規(guī)程對(duì)被測(cè)電參量進(jìn)行定量分析的一門(mén)科學(xué)；是人們掌握電學(xué)知識(shí)，發(fā)展電學(xué)理論和電學(xué)技術(shù)的重要手段。電學(xué)計(jì)量技術(shù)具有測(cè)量靈敏度高、準(zhǔn)確度高，易于實(shí)現(xiàn)直接、連續(xù)和遠(yuǎn)距離測(cè)量等特點(diǎn)。然而在電學(xué)測(cè)量的過(guò)程中對(duì)其的影響因素也很多，而且不易被察覺(jué)。在對(duì)電學(xué)儀器計(jì)量的實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量的結(jié)果并不是被測(cè)產(chǎn)品的真實(shí)值，最早引用“誤差”的概念引起了不小的爭(zhēng)論，直到1927年，德國(guó)物理學(xué)家海森泊基于量子力學(xué)理論提出了不確定度關(guān)系。隨后，不確定度評(píng)定理論被廣泛地引用在對(duì)電學(xué)的計(jì)量中。

一、測(cè)量不確定度評(píng)定方法

不確定度是一個(gè)合理表征測(cè)量結(jié)果的分散性參數(shù)，它是一個(gè)容易定量、便于操作的質(zhì)量指標(biāo)。目前國(guó)內(nèi)常用的不確定度評(píng)定主要分為基于統(tǒng)計(jì)理論的靜態(tài)不確定度評(píng)定和基于新模型、新理論的動(dòng)態(tài)測(cè)量不確定度兩種評(píng)定方法。靜態(tài)不確定度評(píng)定采用最大方差法來(lái)對(duì)測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度進(jìn)行評(píng)定，此測(cè)量結(jié)果服從正態(tài)分布且相互獨(dú)立，并在實(shí)際應(yīng)用中得以驗(yàn)證，彌補(bǔ)了GUM在該問(wèn)題表述上的不足。用埃奇沃思級(jí)數(shù)展開(kāi)形式來(lái)表示測(cè)量數(shù)據(jù)的分布函數(shù)，然后由蒙特卡羅模擬法產(chǎn)生大量符合此分布函數(shù)的測(cè)量數(shù)據(jù)的模擬值，把計(jì)算出的模擬值的標(biāo)準(zhǔn)差作為不確定度評(píng)定的驗(yàn)證值，從而能實(shí)現(xiàn)對(duì)各種不確定度評(píng)定模型的驗(yàn)證。動(dòng)態(tài)測(cè)量不確定度的理論是現(xiàn)代誤差理論的精髓，也代表了當(dāng)代誤差理論的研究方向及進(jìn)展。在理論上告別了以統(tǒng)計(jì)理論為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)方法，彌補(bǔ)了基于統(tǒng)計(jì)理論的傳統(tǒng)評(píng)定方法的不足。但由于動(dòng)態(tài)不確定度評(píng)定起步較晚，它不能適用所有統(tǒng)計(jì)理論中的不確定度問(wèn)題，如果把動(dòng)態(tài)靜態(tài)不確定度結(jié)合使用，會(huì)受到顯著的效果。

二、電學(xué)計(jì)量檢定和校準(zhǔn)誤差分析

（一）人為因素分析

每個(gè)人的操作手法不同、對(duì)檢定規(guī)程的理解不同、自身電學(xué)知識(shí)的掌握程度不同都可能會(huì)形成一定的系統(tǒng)誤差。這些人為的誤差可以通過(guò)對(duì)測(cè)量人員培訓(xùn)和勤練習(xí)的方式來(lái)使誤差減少。測(cè)量過(guò)程中讀數(shù)應(yīng)從垂直于儀表表面的固定角度觀察指針進(jìn)行讀數(shù)，如從不同角度讀數(shù)或者個(gè)人習(xí)慣性的估讀方式即會(huì)造成系統(tǒng)誤差。在檢定和校準(zhǔn)的實(shí)際操作過(guò)程中，不同的操作方法也可以帶來(lái)一定的誤差，如轉(zhuǎn)換機(jī)械式開(kāi)關(guān)在轉(zhuǎn)換過(guò)程中所用力度不同等方式。

（二）儀器因素分析

我們?nèi)粘z定和校準(zhǔn)過(guò)程中的標(biāo)準(zhǔn)量具如電阻表就有一定的級(jí)別，這就是它的系統(tǒng)誤差，它是需要按電阻表生產(chǎn)設(shè)計(jì)的性能和相關(guān)的檢定規(guī)程來(lái)規(guī)定的，并且具有有效期，但是如果標(biāo)準(zhǔn)量具已經(jīng)超過(guò)有效期，系統(tǒng)誤差就必須重新確定。在測(cè)量?jī)x器生產(chǎn)中，使用的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)因應(yīng)用而不同，規(guī)定的范圍也不同，導(dǎo)致電子計(jì)量過(guò)程中的精準(zhǔn)度和準(zhǔn)確度也不同，測(cè)量出的這些數(shù)據(jù)也會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。每種儀器的靈敏度、準(zhǔn)確度不盡相同，顯示的有效數(shù)字位數(shù)也不同，如儀器顯示的有效位數(shù)不夠也會(huì)造成誤差。此外還有刻線不清晰、光點(diǎn)不夠亮、刻度不均勻等也會(huì)造成誤差。數(shù)字儀表是用間隔采樣后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換的方法把被測(cè)值變成數(shù)字量，這樣的間隔采樣就可能漏掉一些被測(cè)量的波動(dòng)信息，從而產(chǎn)生誤差。

（三）方法因素分析

測(cè)量?jī)x器檢定和校準(zhǔn)規(guī)程是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模枰獓?yán)格按照該儀器的檢定規(guī)程操作，測(cè)試人員如在檢定和校準(zhǔn)過(guò)程中脫離了檢定規(guī)程，這樣就會(huì)產(chǎn)生誤差，這種誤差是可以通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臋z測(cè)過(guò)程避免的。在校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室中都會(huì)嚴(yán)格按照檢定規(guī)程進(jìn)行儀器的檢定和校準(zhǔn)，但在一些企業(yè)中會(huì)用到一些非標(biāo)方法，因此由于校準(zhǔn)方法的不一致，結(jié)果就可能會(huì)有差異，誤差也就會(huì)隨即產(chǎn)生。測(cè)量環(huán)境屬于檢定和校準(zhǔn)過(guò)程中影響不確定度的一大外部因素，很多外部環(huán)境的變化都會(huì)引起誤差，其中包括空間外磁場(chǎng)和電路元件間產(chǎn)生的磁場(chǎng)、電場(chǎng)、靜電、不符合檢定規(guī)程的外部環(huán)境條件、濕度、壓強(qiáng)和振動(dòng)等條件都可以引起元件參數(shù)的變化而導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生。

（四）電路因素分析

電路元件隨著時(shí)間的推移會(huì)發(fā)生老化，它的數(shù)值也會(huì)隨時(shí)間產(chǎn)生變化，而且這種變化是不易察覺(jué)的，更需要我們謹(jǐn)慎對(duì)待，要嚴(yán)格按照電路元件的使用期進(jìn)行更換，這樣才能避免電路元件對(duì)檢定結(jié)果造成誤差。我們根據(jù)元件的線性與非線性選擇不同的處理方法，電流和電壓的不同也會(huì)導(dǎo)致非線性元件的測(cè)量結(jié)果差異很大，例如燈泡的電阻等。電學(xué)計(jì)量檢定和校準(zhǔn)過(guò)程中存在系統(tǒng)誤差是不可避免的，本文就是通過(guò)分析測(cè)量不確定評(píng)定來(lái)了解影響測(cè)量過(guò)程產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的因素，從而盡可能的避免這些因素，使我們?cè)谌粘z定和校準(zhǔn)過(guò)程中測(cè)量?jī)x器的測(cè)試值無(wú)限接近于它的“真實(shí)值”。這也是對(duì)我們校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的考驗(yàn)，需要我們檢定人員在準(zhǔn)確度要求較高的電學(xué)測(cè)量和電學(xué)計(jì)量檢定時(shí)萬(wàn)不可掉以輕心，要以認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鞣绞綄?duì)待電學(xué)計(jì)量工作。

三、結(jié)束語(yǔ)

在經(jīng)濟(jì)全球化的今天，測(cè)量精度甚至影響到國(guó)家的進(jìn)出口經(jīng)濟(jì)效益。近年來(lái)，各國(guó)的計(jì)量學(xué)者在研究測(cè)量方法的科學(xué)性、準(zhǔn)確性方面做了很多研究。隨著科技的發(fā)展以及各種統(tǒng)計(jì)理論的成熟，在測(cè)量硬件和軟件快速發(fā)展的同時(shí)，對(duì)計(jì)量的準(zhǔn)確性提出了更高的要求。由此可見(jiàn)，發(fā)現(xiàn)和消除系統(tǒng)誤差是很重要的工作，恒值不變的或按一定規(guī)律變化的誤差稱(chēng)為系統(tǒng)誤差或確定性誤差，它的出現(xiàn)一般是有規(guī)律的，可以在測(cè)量結(jié)果中消除其影響。然而，已經(jīng)存在的系統(tǒng)誤差如果沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，那么對(duì)于計(jì)量檢定或校準(zhǔn)則是危險(xiǎn)的，不能像偶然誤差一樣可以通過(guò)數(shù)據(jù)處理去發(fā)現(xiàn)和排除，而且有些系統(tǒng)誤差并不容易被發(fā)現(xiàn)，這種誤差對(duì)計(jì)量檢定的危害更大。而且測(cè)量的不確定度是用系統(tǒng)誤差表征的。根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)，對(duì)被測(cè)事物的優(yōu)劣進(jìn)行評(píng)定，測(cè)量的精度直接影響到一個(gè)產(chǎn)品的質(zhì)量和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

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