測量結果由兩部分組成:一個稱為"測量值",另一個則稱為"測量不確定度"。

"測量值"是一個未知且不可知的值。它只是對量測值作出的估計。因此,所有的測量都存在不確定性,並且只有在同時給出測量值的不確定度的情況下,測量結果才是完整。

"測量不確定度"是指"測量值"的離散度,而此離散度可以合理地視為歸因於量測值。與上面的硬幣示例一樣,無論電子秤的質素如何,我們都只能說明硬幣的近似質量。因為在測量過程中有許多因素會影響測量結果,例如環境温度,壓力,等等。

步驟3.1:評估電壓表測量值的標準不確定度M

在記錄了的四個電壓表讀數中(1.08 V,1.09 V,1.08 V,1.07 V),各個讀數的值皆有所不同。此乃由於每個影響測量值的參數均有一定的隨機性或隨機效應(例如環境温度的變化)。因此,使用A類評估方法來估計這種不確定性。這類評估方法是把測量值的平均值標準差(即實驗標準偏差)來作為其標準不確定度。以下是A類評估方法的示例:

先計算四個電壓表讀數的平均值 M =(1.08 V + 1.09 V + 1.08 V + 1.07 V)/ 4 = 1.08 V,再計算其標準偏差及實驗標準偏差。

因此, M 的標準不確定度為0.004082 V

步驟3.2:由電壓表的顯示分辨率R而導致的不確定性的評估

B類評估方法是用於估計由 R 而導致的標準不確定性。以下是B類評估方法的示例:

均值 R 為0,呈矩形分佈,其半寬為α = 0.005 V,則標準不確定度為:

步驟3.3:評估對電壓表讀數的校正值A

A 的值和標準不確定度皆由電壓表的校正證書所給出。假設校正證書指出電壓表的校正值為+0.06 V,擴展測量不確定度為0.04 V,覆蓋因子 k = 2。

對於 A 的標準不確定度所作出的B類評估為

合成標準不確定度 - 當一個測量結果由若干個其他量求得時,這個測量結果的標準不確定度,就等於這些其他量的方差或協方差之(加權)和的正平方根,稱之為"合成標準不確定度"。

在獲得所有參數的標準不確定度後,我們可以使用下面給出的不確定度傳播定律(LPU)來推導被測量項的 合成標準不確定度

是靈敏度係數

在此示例中,靈敏度係數為

下表是該推導的總結。

不確定度來源 不確定度來源的數值 標準不確定度 0.004082 0.002887 0.02061
  • 擴展測量不確定度 U - 為了提高不確定度的置信水平,可將合成標準不確定度乘以一個數值因子 k ,由此得到擴展測量不確定度,它表示測量結果附近的一個置信區間,且可以合理地認為(或賦予)被測量值將以較高的置信概率落於該區間中;上述數值因子 k 通常稱為覆蓋因子。
  • 覆蓋因子 k - 用作合成標準不確定度的乘數,以獲得擴展測量不確定度。
  • 擴展測量不確定度 U 與它的覆蓋因子 k , 表示被測量 Y 處於 y - U y + U 的範圍內的置信水平為95%。擴展不確定度 U 由下式得出。

    U = k × u c ( Y )

    覆蓋因子 k 的值取決於測量值的概率分佈。在“測量不確定度表示指南”的附件G中建議,在不違反中央極限定理的前題上,測量值可被視為遵循學生t分佈,其有效自由度 V eff 可從以下Welch-Satterthwaite公式來計算:

    在這個例子中, 。從學生t分佈來看,有效自由度 V eff 為54.8的對應覆蓋因子值約為2.0049。因此,擴展測量不確定度 = 2.0049 × 0.02061 = 0.04132 ≈ 0.041。

    標準及校正實驗所(SCL)開發出兩個軟件工具,即(i)「SCL Tool」和(ii)「SCL Simulator 不確定度評估模擬器」。前者根據《測量不確定度表示指南》 (Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement) (JCGM 100:2008) (又稱「GUM不確定度框架」),應用不確定度傳播定律,評估測量模型;後者則根據《測量數據的評估—測量不確定度表示指南補充文件第1號—使用蒙地卡洛法的分布傳播》 (Evaluation of measurement data — Supplement 1 to the “Guide to the expression of uncertainty in measurement” — Propagation of distributions using a Monte Carlo method) (JCGM 101:2008) ,以蒙特卡洛方法(MCM)來模擬各種分布的傳播。兩個軟件工具均使用與EXCEL緊密結合的Visual Basic for Application (VBA)編程語言編寫而成,用戶可以簡單地在EXCEL工作表輸入測量模型和數值。

    「SCL Tool」軟件工具

    用戶可以為測量模型編碼,並在EXCEL工作表中以表格形式輸入相關的不確定參數(即參數值、標準不確定性和自由度)。該工具將自動計算靈敏度系數,並通過以下五個EXCEL用戶定義函數(UDF)輸出下列計算結果:
  • 量測值 (UDF: gum_result() )
  • 合成標準不確定度 (UDF: gum_csu() )
  • 有效自由度 (UDF: gum_edof() )
  • 覆蓋因子 (UDF: gum_k() )
  • 擴展測量不確定度 (UDF: gum_eu() )
  • 有關用於測量不確定度的SCL Tool的詳情,請參考這個軟件工具中各種測量模型的示例。

    示範工作表

    SCL Tool工作表

    「SCL Tool」軟件工具(網頁版)

    軟件工具由中華人民共和國香港特別行政區政府(下稱「政府」)轄下的標準及校正實驗所以「現況」形式提供,僅用作教育和一般參考用途。政府雖已盡力確保軟件工具所載資料準確,但政府對於有關資料的準確性、可用性、完整性、可靠性、是否適合作某特定或任何用途、安全性、適時性、所有權、是否侵權、適用性或效用,在香港特別行政區法律許可的範圍內,概不作任何種類(不論明示或隱含)的聲明、陳述、擔保或保證。對於任何因使用或不當使用、依據軟件工具的相關資料而引致或所涉及的任何損失、毀壞、損害、傷害或死亡(除非該等傷害或死亡是由政府或其任何僱員在僱用期間疏忽所致),政府概不承擔任何法律責任、義務或責任(包括但不限於疏忽責任)。

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  • Reference

  • Evaluation of Measurement Date – Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement, JCGM 100:2008.
  • Evaluation of measurement data – An introduction to the "Guide to the expression of uncertainty in measurement" and related documents, JCGM 104:2009
  • International Vocabulary of Metrology – Basic and General Concepts and Associated Terms (VIM 3rd edition), JCGM 200:2012
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