測量不確定度和誤差的區(qū)別
2014-10-28
測量不確定度和誤差是計量學中研究的基本命題，也是計量測試人員經(jīng)常運用的重要概念之一。它直接關(guān)系著測量結(jié)果的可靠程度和量值傳遞的準確一致。然而很多人由于概念不清，很容易將二者混淆或誤用，本文結(jié)合學習《測量不確定度評定與表示》的體會，著重談談二者之間的不同之處。
首先要明確的是測量不確定度與誤差二者之間概念上的差異。
測量不確定度表征被測量的真值所處量值范圍的評定。它按某一置信概率給出真值可能落入的區(qū)間。它可以是標準差或其倍數(shù)，或是說明了置信水準的區(qū)間的半寬。它不是具體的真誤差，它只是以參數(shù)形式定量表示了無法修正的那部分誤差范圍。它來源于偶然效應和系統(tǒng)效應的不完善修正，是用于表征合理賦予的被測量值的分散性參數(shù)。不確定度按其獲得方法分為A、B兩類評定分量。A類評定分量是通過觀測列統(tǒng)計分析作出的不確定度評定，B類評定分量是依據(jù)經(jīng)驗或其他信息進行估計，并假定存在近似的“標準偏差”所表征的不確定度分量。
誤差多數(shù)情況下是指測量誤差，它的傳統(tǒng)定義是測量結(jié)果與被測量真值之差。通常可分為兩類：系統(tǒng)誤差和偶然誤差。誤差是客觀存在的，它應該是一個確定的值，但由于在絕大多數(shù)情況下，真值是不知道的，所以真誤差也無法準確知道。我們只是在特定的條件下尋求最佳的真值近似值，并稱之為約定真值。
通過對概念的理解，我們可以看出測量不確定度與測量誤差的主要有以下幾方面區(qū)別：
一.評定目的的區(qū)別：
測量不確定度為的是表明被測量值的分散性；
測量誤差為的是表明測量結(jié)果偏離真值的程度。
二.評定結(jié)果的區(qū)別：
測量不確定度是無符號的參數(shù)，用標準差或標準差的倍數(shù)或置信區(qū)間的半寬表示，由人們根據(jù)實驗、資料、經(jīng)驗等信息進行評定，可以通過A，B兩類評定方法定量確定；
測量誤差為有正號或負號的量值，其值為測量結(jié)果減去被測量的真值，由于真值未知，往往不能準確得到，當用約定真值代替真值時，只可得到其估計值。
三.影響因素的區(qū)別：
測量不確定度由人們經(jīng)過分析和評定得到，因而與人們對被測量、影響量及測量過程的認識有關(guān)；
測量誤差是客觀存在的，不受外界因素的影響，不以人的認識程度而改變；
因此，在進行不確定度分析時，應充分考慮各種影響因素，并對不確定度的評定加以驗證。否則由于分析估計不足，可能在測量結(jié)果非常接近真值(即誤差很小)的情況下評定得到的不確定度卻較大，也可能在測量誤差實際上較大的情況下，給出的不確定度卻偏小。
四.按性質(zhì)區(qū)分上的區(qū)別：
測量不確定度不確定度分量評定時一般不必區(qū)分其性質(zhì)，若需要區(qū)分時應表述為：“由隨機效應引入的不確定度分量”和“由系統(tǒng)效應引入的不確定度分量”；
測量誤差按性質(zhì)可分為隨機誤差和系統(tǒng)誤差兩類，按定義隨機誤差和系統(tǒng)誤差都是無窮多次測量情況下的理想概念。
五.對測量結(jié)果修正的區(qū)別：
“不確定度”一詞本身隱含為一種可估計的值，它不是指具體的、確切的誤差值，雖可估計，但卻不能用以修正量值，只可在已修正測量結(jié)果的不確定度中考慮修正不完善而引入的不確定度；
而系統(tǒng)誤差的估計值如果已知則可以對測量結(jié)果進行修正，得到已修正的測量結(jié)果。
一個量值經(jīng)修正后，可能會更靠近真值，但其不確定度不但不減小，有時反而會更大。這主要還是因為我們不能確切的知道真值為多少，僅能對測量結(jié)果靠近或離開真值的程度進行估計而已。
雖然測量不確定度與誤差有著以上種種不同，但它們?nèi)源嬖谥芮械穆?lián)系。不確定度的概念是誤差理論的應用和拓展，而誤差分析依然是測量不確定度評估的理論基礎，在估計B類分量時，更是離不開誤差分析。例如測量儀器的特性可以用最大允許誤差、示值誤差等術(shù)語描述。在技術(shù)規(guī)范、規(guī)程中規(guī)定的測量儀器允許誤差的極限值，稱為“最大允許誤差”或“允許誤差限”。它是制造廠對某種型號儀器所規(guī)定的示值誤差的允許范圍，而不是某一臺儀器實際存在的誤差。測量儀器的最大允許誤差可在儀器說明書中查到，用數(shù)值表示時有正負號，通常用絕對誤差、相對誤差、引用誤差或它們的組合形式表示。例如土0.1PV，土1％等。測量儀器的最大允許誤差不是測量不確定度，但可以作為測量不確定度評定的依據(jù)。測量結(jié)果中由測量儀器引入的不確定度可根據(jù)該儀器的最大允許誤差按B類評定方法評定。又如測量儀器的示值與對應輸入量的約定真值之差，為測量儀器的示值誤差。對于實物量具，示值就是其標稱值。通常用高一等級測量標準所提供的或復現(xiàn)的量值，作為約定真值(常稱校準值或標準值)。在檢定工作中，當測量標準給出的標準值的擴展不確定度為被檢儀器最大允許誤差的1/3～1/10時，且被檢儀器的示值誤差在規(guī)定的最大允許誤差內(nèi)，則可判為合格。
首先要明確的是測量不確定度與誤差二者之間概念上的差異。
測量不確定度表征被測量的真值所處量值范圍的評定。它按某一置信概率給出真值可能落入的區(qū)間。它可以是標準差或其倍數(shù)，或是說明了置信水準的區(qū)間的半寬。它不是具體的真誤差，它只是以參數(shù)形式定量表示了無法修正的那部分誤差范圍。它來源于偶然效應和系統(tǒng)效應的不完善修正，是用于表征合理賦予的被測量值的分散性參數(shù)。不確定度按其獲得方法分為A、B兩類評定分量。A類評定分量是通過觀測列統(tǒng)計分析作出的不確定度評定，B類評定分量是依據(jù)經(jīng)驗或其他信息進行估計，并假定存在近似的“標準偏差”所表征的不確定度分量。
誤差多數(shù)情況下是指測量誤差，它的傳統(tǒng)定義是測量結(jié)果與被測量真值之差。通常可分為兩類：系統(tǒng)誤差和偶然誤差。誤差是客觀存在的，它應該是一個確定的值，但由于在絕大多數(shù)情況下，真值是不知道的，所以真誤差也無法準確知道。我們只是在特定的條件下尋求最佳的真值近似值，并稱之為約定真值。
通過對概念的理解，我們可以看出測量不確定度與測量誤差的主要有以下幾方面區(qū)別：
一.評定目的的區(qū)別：
測量不確定度為的是表明被測量值的分散性；
測量誤差為的是表明測量結(jié)果偏離真值的程度。
二.評定結(jié)果的區(qū)別：
測量不確定度是無符號的參數(shù)，用標準差或標準差的倍數(shù)或置信區(qū)間的半寬表示，由人們根據(jù)實驗、資料、經(jīng)驗等信息進行評定，可以通過A，B兩類評定方法定量確定；
測量誤差為有正號或負號的量值，其值為測量結(jié)果減去被測量的真值，由于真值未知，往往不能準確得到，當用約定真值代替真值時，只可得到其估計值。
三.影響因素的區(qū)別：
測量不確定度由人們經(jīng)過分析和評定得到，因而與人們對被測量、影響量及測量過程的認識有關(guān)；
測量誤差是客觀存在的，不受外界因素的影響，不以人的認識程度而改變；
因此，在進行不確定度分析時，應充分考慮各種影響因素，并對不確定度的評定加以驗證。否則由于分析估計不足，可能在測量結(jié)果非常接近真值(即誤差很小)的情況下評定得到的不確定度卻較大，也可能在測量誤差實際上較大的情況下，給出的不確定度卻偏小。
四.按性質(zhì)區(qū)分上的區(qū)別：
測量不確定度不確定度分量評定時一般不必區(qū)分其性質(zhì)，若需要區(qū)分時應表述為：“由隨機效應引入的不確定度分量”和“由系統(tǒng)效應引入的不確定度分量”；
測量誤差按性質(zhì)可分為隨機誤差和系統(tǒng)誤差兩類，按定義隨機誤差和系統(tǒng)誤差都是無窮多次測量情況下的理想概念。
五.對測量結(jié)果修正的區(qū)別：
“不確定度”一詞本身隱含為一種可估計的值，它不是指具體的、確切的誤差值，雖可估計，但卻不能用以修正量值，只可在已修正測量結(jié)果的不確定度中考慮修正不完善而引入的不確定度；
而系統(tǒng)誤差的估計值如果已知則可以對測量結(jié)果進行修正，得到已修正的測量結(jié)果。
一個量值經(jīng)修正后，可能會更靠近真值，但其不確定度不但不減小，有時反而會更大。這主要還是因為我們不能確切的知道真值為多少，僅能對測量結(jié)果靠近或離開真值的程度進行估計而已。
雖然測量不確定度與誤差有著以上種種不同，但它們?nèi)源嬖谥芮械穆?lián)系。不確定度的概念是誤差理論的應用和拓展，而誤差分析依然是測量不確定度評估的理論基礎，在估計B類分量時，更是離不開誤差分析。例如測量儀器的特性可以用最大允許誤差、示值誤差等術(shù)語描述。在技術(shù)規(guī)范、規(guī)程中規(guī)定的測量儀器允許誤差的極限值，稱為“最大允許誤差”或“允許誤差限”。它是制造廠對某種型號儀器所規(guī)定的示值誤差的允許范圍，而不是某一臺儀器實際存在的誤差。測量儀器的最大允許誤差可在儀器說明書中查到，用數(shù)值表示時有正負號，通常用絕對誤差、相對誤差、引用誤差或它們的組合形式表示。例如土0.1PV，土1％等。測量儀器的最大允許誤差不是測量不確定度，但可以作為測量不確定度評定的依據(jù)。測量結(jié)果中由測量儀器引入的不確定度可根據(jù)該儀器的最大允許誤差按B類評定方法評定。又如測量儀器的示值與對應輸入量的約定真值之差，為測量儀器的示值誤差。對于實物量具，示值就是其標稱值。通常用高一等級測量標準所提供的或復現(xiàn)的量值，作為約定真值(常稱校準值或標準值)。在檢定工作中，當測量標準給出的標準值的擴展不確定度為被檢儀器最大允許誤差的1/3～1/10時，且被檢儀器的示值誤差在規(guī)定的最大允許誤差內(nèi)，則可判為合格。
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