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
。
而
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
到
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
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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