浅谈测量仪器仪表不确定度与误差的区别

浅谈测量仪器仪表不确定度与误差的区别

单东生1,吕智辉2

1.身份证号码：410311199001072018 2.身份证号码：410303197711115212

摘要：测量误差与测量的不确定度是计量工作阶段使用频率最高的两个计量学术语，是基础性计量的学术语，对于它们的含义进行掌握，可以助于对其他计量学术语理解。在实际工作过程中，因为对概念理解的不全面，经常会出现使用不当、描述不清的问题。本文主要从作者实际工作经验入手，分析其测量仪器仪表的不确定度与误差的区别和关联，希望对有关从业人员带来帮助。

关键词：测量误差；测量仪器；仪表设备

1 测量结果

为实现更好的理解测量误差和测量不确定性概念，我们需要清楚知道什么是“测量结果”。在JJF1001-2011《计量学术语》中测量结果概念是与其他有用的相关信息一起赋予被测量的一组量值。测量结果则是表示为单个测量值、一个测量不确定度，表明测量结果不是唯一、是一组值的。对于某些用途，若是认为测量不确定度可以忽略不计，则是测量结果表示单个测量值，在诸多领域内是表示为测量结果常用的方式。被测量的是客观存在着的物体、物质或者是现象的可测量特点，只有经过测量才可以得到被测量的测得值，就是测量结果的量值。测得值是测量误差、测量不确定度存在的基础，测得值、测量不确定度与测量方法、测量设备、环境条件、操作过程有关，和测量有关的这些因素就会造成测得值偏离被测量真值，所以测得值包含测量误差。

2 测量误差
在JJF1001-2011《计量学术语》中所给出的测量误差定义，测量误差指的是测得值与参考量值之差。和以往定义中所采用的“真值”的概念有着很大的区别，使用了“参考量值”概念。在存在着单个参考量值，比如使用测得值测量不确定度可忽略的测量标准进行校准的时候，测量标准复现的量值则是视为参考量值，约定量值为给定值的时候，那么约定量值可视为参考量值，此时，测量误差是可以得到的。若是被测量是唯一的真值或范围可忽略的一组真值时，测量误差是未知的。
是否可以得到测量的误差，其主要助于是否存在着一个参考量值。在大多数测量的时候，因为不能获知获知是不必要获知一个比测得值更加准确的参考量值，就不能得到测量误差。尽管说难以得到测量误差，研究测量误差形成、对测量结果的影响是很重要的。

按照测量过程测量误差变化特点，把测量误差分为系统误差、随机误差。系统误差指的是在重复测量的时候，保持不变或者是按照可预见的方法变化的测量误差的分量，它是测量误差的一部分，来源有测量方法、测量设备、测量条件、操作人员等等。有的系统误差来源、大小是能够确定的，有的是无法确定的。对于已知系统测量误差，在测量结果中进行补偿，得到修正后的测量结果，比如：测量设备示值误差可以用于测量结果补偿，但是这种补偿是不完全的，没有确定或者是没有完全补偿的系统误差依旧存在于测量结果中。

随机误差是在重复测量中按不可预见方式变化的测量误差的分量，其来源和大小均无法确定，当然无法用于测量结果的补偿，仅仅可以通过增加测量次数减少随机误差的影响。随机误差的参考量值是对同一被测量无穷多次重复测量得到测量结果的平均值，即随机误差的极限值可假设为零。因为无穷多次重复测量是无法实现的，随机误差将最终存在于测量结果之中。
      基于随机误差和系统误差的特性，说明测得值中存在测量误差，其中一部分系统误差用于测量结果的补偿。随机误差和另一部分系统误差依然存在于测量结果之中，表明测量误差不能完全获知，即被测量值无法准确获得，这一论点使得人们放弃了依靠测量误差评价测量结果可靠性的努力。尽管这些测量误差的大小不能确定，但它们会以一定的分布概率存在于某个范围中，这些影响量存在于测量结果中。这些未能修正或无法修正的测量误差存在，说明测得值与被测量真值之间存在不能肯定的差别，通过一定的评定方法获得这个差别可能存在的范围，可有效表征测量结果的可靠性，这就是测量不确定度研究的内容。
3 测量不确定度
      测量结果中存在一些不能确定或不必确定其大小的测量误差，这是任何测量都不能避免的。为了对这些测量误差进行研究，提出了测量不确定度的概念，用于表征测量结果不能肯定的程度。JJF1001-2011《计量学术语》中给出的定义，测量不确定度是指根据所用到的信息，表征赋予被测量量值分散性的非负参数。
      测量不确定度是根据与测量的有关信息进行评定得到的一个区间，这些测量结果中包含了系统影响和随机影响。理论上讲，它也包含了被测量真值，尽管不能确定它的大小，却可以确定它存在的区间，即分散性。在实际测量中，可以通过某些限定条件确定其分布概率和分布的范围。
      导致测量结果不能肯定的因素有许多，包括系统影响、随机影响。有的系统影响量大小已经被估计得到，却未对测量结果进行修正，而是当不确定度分量处理，这取决于测量方法的要求。测量方法不仅包括操作的方法，还应包括数据处理和结果的表示方法，有的测量能够消除系统影响，是因为采用科学有效的测量方法或数据处理方法。测量设备的计量特性也是测量不确定度的重要来源，包括测量设备的读数估计、分辨力、灵敏度、稳定性等等。测量结果还包含一些无规律的影响，使得在重复条件下进行的测量，所得到的测量结果也不一致。

4 测量误差与测量不确定度的区别与联系
4.1 含义
      从各自定义出发，测量误差与测量不确定度存在概念上的差别，前者表征为一个差值，即测得值减去参考量值，其中测得值通过测量获得，是已知的，而参考量值有时是不可知的。测量不确定度表征为分散性，是一个合理的区间，这个区间包含了可能出现的测量结果的大部分，能够说明测量结果的可靠性。如果一定要从测量误差的角度理解测量不确定度的话，测量不确定度就是测量结果中各种因素导致测量误差不能确定的程度，它不能用一个差值表示，而只能用分散性的区间表示。
4.2 分类
      测量误差按其存在的特性可分为系统误差和随机误差，这些不同特征的测量误差存在于测量结果之中，在实际测量中或在测量结果表示时难以清晰区分，分类的目的也仅仅是为了研究工作的需要。在实际测量中，可以通过对一些系统误差的抵消而提高测量结果的可靠性。
      测量不确定度也存在许多的分量，每一个分量都可以用标准偏差或区间表示，不能根据它们的特性进行分类。仅仅是评定方法不同，采用统计学的方法进行不确定度分量的评定称为A类评定方法，其它的方法称为B类评定方法。
4.3 与测量结果的关系
      测量结果中存在测量误差，如果存在一个可知的参考量值，意味着存在一个更准确的测量结果。如果测量结果中的某个测量误差是可知的，并按要求对测量结果进行了修正，会得到更准确的测量结果。测量不确定度不能用于测量结果的修正，通过合理有效的评定，测量不确定度可以表明测量结果的可靠性，也可用于说明测量方法的有效性。
      在建立计量标准的过程中，往往需要用一个可验证的测量误差评价测量标准不确定度的合理性，这需要一个更准确的测量结果作为参考量值，这个参考量值具有更小的不确定度。
结束语：

总之，测量结果中含有测量误差，经过分析这些测量误差来源，采取合理的措施消除、减少它们的存在，是测量技术研究的长期任务。经过测量不确定度评定，确定哪些对测量不确定度贡献比较大的影响量，采取合理措施控制，进而提升测量结果的可靠性，是测量误差、测量不确定度的共同目标。

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