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测量不确定度与校准测量能力要义

摘要：本文尝试宏观、抽象地探讨测量不确定度及校准测量能力，试图串起全部相关知识。
    关键词：测量不确定度   校准测量能力   定义   认识   要旨   要点
    测量不确定度是衡量测量结果质量的重要参数，校准测量能力是衡量认可实验室技术能力的重要参数。作为概念，它们有着丰富的内涵；就操作层面而言，则又独有其专业知识性。这两个概念及评定表示，贯穿全部评价测量结果质量及实验室能力的相关知识，笔者认为萃取和深切领会其要义是全部相关知识及应用的核心所在。下面尝试作探讨。

    一、关于测量不确定度

    测量不确定度定义

    定义1：由测量结果给出的被测量估计值的可能误差的度量。

    定义2：表征被测量的真值所处范围的评定。

    定义3：表征合理地赋予被测量之值的分散性，与测量结果相联系的参数。

    定义3是《JJF1001-1998通用计量术语及定义》给出的当前定义，其着眼于测量结果及其分散性，为操作性定义。但它与定义1、定义2并不矛盾，3种定义不确定度的评定方法及表达形式均可以《jjf1059-1999测量不确定度评定与表示》为依据。

    理解定义的背景及产生原因

    相对于旧传统的以误差论测量结果，引入测量不确定度无疑是测量技术认识进步的标志。一切测量结果都不可避免地具有不确定度，测量结果的不确定度反映了对被测量之值的认识不足。测量过程中的系统效应、随机效应及数据处理中的修约均会导致测量不确定度，分类是系统研究产生测量不确定度来源的常用方法，立足全测量系统的每一环节具体分析，是准确把握测量不确定度来源的关键。

    评定、表示的前提的认识

    认识1：测量不确定度作为待认识的量值，同样存在一个认识不足的问题，对其进行绝对充分、有效而严格的评定是不可能的。不同的评定准则解决这一问题只存在接近真实量值程度的不同。

    认识2：对“全部不确定度分量均贡献给了测量结果的分散性”中不确定度分量的认识要注意两点，一是注意分量是按产生不确定度的来源分类确定，还是按评定准则的规定分类确定，这有利于将分量的本质与分量的处理方式区分开来；二是注意保持分量本质的一致性，既要发挥分量处理方式的作用，又要避免分量重复贡献。

    认识3：测量不确定度评定准则、评定程序是对探求测量不确定度作为待认识量所作的人为规定，不同的评定准则都不可回避地对量作出相应的选择。选择即是限制，往往有对（不确定度）量及分量的本质的限制，又有对量及分量内在理性关系的限制。如jjf1059-1999对表示不确定度的量的规定：

    ——能从对不确定度有贡献的分量导出，且与这些分量怎样分组无关，也与这些分量如何进一步分解为下一级分量无关，即它们是内部协调一致的。

    ——当一个测量结果用于下一个测量时，其不确定度可作为下一个测量结果不确定度的分量，即它们是可传播的。

    换言之，对内部不协调和（或）不可传播的（不确定度）量及分量，依据jjf1059-1999《测量不确定度评定与表示》进行评定是不适宜的。

    认识4：测量不确定度基本知识决定了它通常由测量过程的数学模型和不确定度的传播律来评定。评定准则不可能脱离常识，具体测量不确定度的评定只能按某个评定准则，围绕数学模型和传播律，并结合实际情况确定所有有关的量和相应数学模型评定。

    认识5：不是所有测量都对不确定度作出了要求。一切测量结果都有不确定度，但所有测量都要有不确定度，就进入了认识误区。例如：体温计(35－42)℃区间，36.5℃或36.6℃都正常，39℃、39.1℃都是发烧，不确定度为2.9%，为较大值，但要求重复性好。医学实验室这种情况较普遍，可见实际测量要求决定不确定度的应用。

    专业知识及应用要旨

    掌握测量不确定度方面的专业知识，可以学习技术文件《jjf1059-1999测量不确定度评定与表示》、《gum-1993测量不确定度表示指南》及上海市计量测试技术研究院《常用测量不确定度评定方法》等，应用的关键是按评定程序规定的评定步骤规范地进行评定，要点是全面搜集实验证据，并选择适宜的评定方法对其进行确认。

    二、关于校准测量能力

    校准测量能力的定义

    定义1：通常提供给用户的最高测量水平，它用包含因子k=2的扩展不确定度表示。（jjf1069-2000《法定计量检定机构考核规范》）

    定义2：通常提供给顾客的最高校准与测量水平，它用置信水准为95%的扩展不确定度表示。（jjf1069-2003《法定计量检定机构考核规范》）

    定义3：通常提供给用户的最高测量水平，它用包含因子k=2（或置信概率p=95%）的扩展不确定度表示。（jjf1104-2003《国家计量检定系统表编写规则》）

    定义4：为了便于用户比较实验室的能力和水平，对于一般应用，扩展不确定度应对应95%的置信水平。在表述实验室能力时，一般采用最佳测量能力，即根据日常校准或检测系统，被校或被测样品接近理想状态时评定的最小测量不确定度。（cnal/ar11：2003《测量不确定度政策》）

    从定义看，这是一个技术管理与技术评定的复合型定义，校准测量能力与测量不确定度相关联。

    理解背景

    对被测量、测量方法以及被检测测量仪器类型和测量范围的管理，是以往对检测实验室能力管理的主要内容，虽然校准测量能力并不一定完全反映实验室真实的技术能力，但其作为重要参数引入无疑具有里程碑式的意义，与测量技术认识进步（引入测量不确定度）相呼应。测量技术进步和实验室政策关注层次的提升是实验室提升能力的源动力。

    几点认识

    认识1：校准测量能力的评定是认可机构的责任，需要得到外部客户的信任，在实验室程序文件或作业指导书中应包括对校准测量能力的评定（通常这一评定应紧随校准程序）。校准测量能力作为重要技术参数，成为第一、二、三方共同关注的焦点。

    认识2：校准测量能力通常是在认可一览表或其他支持认可决定的文件，或认可证书中描述的，由认证机构向社会定期发布认可名录时提供的基本信息之一。它意味着在认可条件下，进行正常的校准活动时，实验室无权宣称具有比校准测量能力更小的测量不确定度。实验室客户据此判定在实验室或现场进行特定校准工作的适宜性。

    识3：校准测量能力与测量不确定度的评定准则、评定程序是（或基本）相同，但通常校准测量能力要得到更多的实验证据的支持，而陈述实际不确定度时，可只要求实验室应用现有程序文件规定的原则。

    认识4：校准测量能力并不适用于作为所有实验室（或其开展的全部项目）的技术管理的重要参数，它有较强的专业针对性。它一般与可开展评定测量不确定度的测量对应的项目（或实验室）相对应。

    相关知识要点

    要点1：“常规校准”掌握。它意味着实验室在其认可条件下日常所执行的校准工作，应能达到规定的例行的能力。实验室政策的牵引作用是应该充分考虑的。

    要点2：“理想被校”的理解及现实处理。理想被校是指对不确定度贡献为零的被校。实际上这种被校难以找到，现实的处理方法是以较好被校代替“理想被校”，实验室通常使用的方法有：

    a）选择一个较稳定，重复性很好的被校代替“理想被校”；

    b）假设被校很稳定，对测量结果分散性贡献仅由其示值分辩力所引起，以这种稳定被校代替“理想被校”。

    要点3：校准测量能力表示应注意的一个问题。当被校对测量结果的不确定度贡献不大，且合成标准不确定度不服从正态分布时，所报告的扩展不确定度可能小于校准测量能力，这时在评定校准测量能力时就不能用包含因子k=2，而采用合成标准不确定度分布相应的包含因子，并必须说明所采用的包含因子。例如是均匀分布，包含因子k=1.65（相当于p=95%）。

  毕明文