測量的目的是為了得到測量結(jié)果,但在許多場合下僅給出測量結(jié)果往往還不充分。任何測量都存在缺陷,所有的測量結(jié)果都會或多或少地偏離被測量的真值,因此在給出測量結(jié)果的同時,還必須同時指出所給測量結(jié)果的可靠程度。在各種測量領(lǐng)域,經(jīng)常采用諸如測量誤差、測量準(zhǔn)確度和測量不確定度等術(shù)語來表示測量結(jié)果質(zhì)量的好壞。
一、測量誤差的定義
測量誤差常常簡稱為誤差。國家計(jì)量技術(shù)規(guī)范JJF1001-1998《通用計(jì)量術(shù)語及定義》中給出測量誤差的定義為: 測量結(jié)果減去被測量的真值。 注:(1)由于真值不能確定,實(shí)際上用的是約定真值。 (2)當(dāng)有必要與相對誤差相區(qū)別時,此術(shù)語有時稱為測量的絕對誤差。注意不要與誤差的絕對值相混淆,后者為誤差的模。 該誤差定義從20世紀(jì)70年代以來沒有發(fā)生過變化。 根據(jù)誤差的定義,若要得到誤差就必須知道真值。但真值無法得到,因此嚴(yán)格意義上的誤差也無法得到。雖然在誤差定義的注解中同時還指出:“由于真值不能確定,實(shí)際上用的是約定真值”,但此時還需考慮約定真值本身的誤差。因而可能得到的只是誤差的估計(jì)值。何況有些測量連約定真值都無法得到,例如,地球和月球之間距離的測量。對這一類既不可能知道其真值,又無法知道其約定真值的測量,是無法得到誤差的。 此外,在“誤差”這一術(shù)語的使用上也經(jīng)常出現(xiàn)概念混亂的情況,即“誤差”這一術(shù)語的使用經(jīng)常有不符合誤差定義的情況。根據(jù)誤差的定義,誤差是一個差值,它是測量結(jié)果與真值或約定真值之差。在數(shù)軸上它表示為一個點(diǎn),而并不表示為一個區(qū)間或范圍。既然它是兩個量的差值,就應(yīng)該是一個具有確定符號的量值。當(dāng)測量結(jié)果大于真值時,誤差為正值;而當(dāng)測量結(jié)果小于真值時,誤差為負(fù)值。由此可見,誤差這一參數(shù)既不應(yīng)當(dāng)也不可能以“±”號的形式表示。過去人們在使用“誤差”這一術(shù)語時,有時是符合誤差定義的,例如測量儀器的示值誤差,它表示“測量儀器的示值與對應(yīng)輸入量真值之差”。但經(jīng)常也有誤用的情況,例如過去通過誤差分析所得到的測量結(jié)果的所謂“誤差”,實(shí)際上并不是真正的誤差,而是被測量不能確定的范圍,或者說是測量結(jié)果可能存在的最大誤差,它不符合誤差的定義。 必須要強(qiáng)調(diào)的是既然誤差等于測量結(jié)果減去被測量的真值(或約定真值),因此誤差只有通過測量才能得到。通過所謂的分析方法是得不到誤差的,或者說通過分析方法得到的不可能是誤差。
二、系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差
誤差可以分為系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差兩類。系統(tǒng)誤差的定義為: 在重復(fù)性條件下,對同一被測量進(jìn)行無限多次測量所得結(jié)果的平均值與被測量的真值之差。 注:(1)如真值一樣,系統(tǒng)誤差及其原因不能完全獲知。 (2)對測量儀器而言,其系統(tǒng)誤差也稱為測量儀器的偏差。 由定義可知,系統(tǒng)誤差僅與無限多次測量結(jié)果的平均值有關(guān),而與在重復(fù)性條件下得到的不同測量結(jié)果無關(guān)。因此,在重復(fù)性條件下得到的不同測量結(jié)果應(yīng)該具有相同的系統(tǒng)誤差。 由于系統(tǒng)誤差和真值有關(guān),而真值是無法確切知道的,只能用約定真值代替,因而可能得到的只是系統(tǒng)誤差的估計(jì)值,并具有一定的不確定度。系統(tǒng)誤差可以通過對測量結(jié)果進(jìn)行修正而消除。由于誤差等于負(fù)的修正值,因此系統(tǒng)誤差的不確定度就是修正值的不確定度。 不宜按過去的說法將系統(tǒng)誤差分成已定系統(tǒng)誤差和未定系統(tǒng)誤差。也不宜說未定系統(tǒng)誤差按隨機(jī)誤差處理。未定系統(tǒng)誤差其實(shí)是不存在的,過去所說的未定系統(tǒng)誤差從本質(zhì)上說并不是誤差,而是不確定度。 系統(tǒng)誤差一般來源于影響量,它對測量結(jié)果的影響已經(jīng)被識別并可以定量地進(jìn)行估算。這種影響稱之為“系統(tǒng)效應(yīng)”。若該效應(yīng)比較顯著,也就是說如果系統(tǒng)誤差比較大,則可在測量結(jié)果上加上修正值而予以補(bǔ)償,得到修正后的測量結(jié)果。 隨機(jī)誤差的定義為: 測量結(jié)果與在重復(fù)性條件下,對同一被測量進(jìn)行無限多次測量所得結(jié)果的平均值之差。 注:(1)隨機(jī)誤差等于誤差減去系統(tǒng)誤差。 (2)因?yàn)闇y量只能進(jìn)行有限次數(shù),故可能確定的只是隨機(jī)誤差的估計(jì)值。 根據(jù)定義,若測量結(jié)果為無限多次測量結(jié)果的平均值,顯然此時的隨機(jī)誤差為零,也就是說測量結(jié)果中已經(jīng)不含有隨機(jī)誤差分量,只存在系統(tǒng)誤差。但實(shí)際上不可能進(jìn)行無限多次測量,因而在測量結(jié)果中隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差分量都存在。在重復(fù)性條件下得到的不同測量結(jié)果具有不同的隨機(jī)誤差,但有相同的系統(tǒng)誤差。例如,在短時間內(nèi)對某一砝碼的質(zhì)量連續(xù)稱量兩次,雖然得到的測量結(jié)果可能不同,例如分別為10.006g和10.008g,即它們的隨機(jī)誤差各不相同,但它們的系統(tǒng)誤差是相同的。 直到現(xiàn)在,有許多關(guān)于誤差或不確定度的教科書中還經(jīng)常錯誤地將由多次重復(fù)測量結(jié)果計(jì)算得到的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差稱為“隨機(jī)誤差”。1993年前,隨機(jī)誤差被定義為在同一量的多次測量過程中,以不可預(yù)知方式變化的測量誤差分量。這里所謂的不可預(yù)知分量是指在相同測量條件下的多次測量中,誤差的符號及其絕對值變化不定的分量。其大小用多次重復(fù)測量結(jié)果的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差表示。 由于隨機(jī)變量的數(shù)學(xué)期望值等于對該隨機(jī)變量進(jìn)行無限多次測量的平均值,因此也可以說,隨機(jī)誤差是指測量誤差中數(shù)學(xué)期望為零的誤差分量,而系統(tǒng)誤差則是指測量誤差中數(shù)學(xué)期望不為零的誤差分量。 根據(jù)定義,誤差、系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差均表示兩個量值之差,因此隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差也都應(yīng)該具有確定的符號,同樣也不應(yīng)當(dāng)以“±”號的形式出現(xiàn)。由于隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差都是對應(yīng)于無限多次測量的理想概念,而實(shí)際上無法進(jìn)行無限多次測量,只能用有限次測量的結(jié)果作為無限多次測量結(jié)果的估計(jì)值,因此可以確定的只是隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差的估計(jì)值。 誤差經(jīng)常用于已知約定真值的情況,例如經(jīng)常用示值誤差來表示測量儀器的特性。
三、誤差、隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差之間的關(guān)系
由誤差、隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差的定義可知: 誤差=測量結(jié)果-真值 =(測量結(jié)果-總體均值)+(總體均值-真值) =隨機(jī)誤差+系統(tǒng)誤差 或測量結(jié)果=真值+誤差=真值+隨機(jī)誤差+系統(tǒng)誤差 圖1給出測量結(jié)果的隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差和誤差之間關(guān)系的示意圖。無限多次測量結(jié)果的平均值也稱為總體均值。圖中的曲線為被測量的概率密度分布曲線,該曲線下方與橫軸之間所包含部分的面積表示測得值在該區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)的概率,因此縱坐標(biāo)表示概率密度。注意圖中表示隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差和誤差的箭頭方向,向右表示其值為正,反之則為負(fù)值。由圖1可知,誤差等于隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差的代數(shù)和。既然誤差是一個差值,因此任何誤差的合成,不論隨機(jī)誤差或系統(tǒng)誤差,都應(yīng)該采用代數(shù)相加的方法。這一結(jié)論與我們過去常用的誤差合成方法不一致。過去在對隨機(jī)誤差進(jìn)行合成時,通常都采用方和根法。兩者的區(qū)別在于隨機(jī)誤差定義的改變。
圖1 測量誤差示意圖
也有些作者將誤差分為四類:系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差、漂移和粗差。但主要還是前面兩類。漂移是由不受控的影響量的系統(tǒng)影響所引起的,常常表現(xiàn)為時間效應(yīng)或磨損效應(yīng)。因此漂移可以用單位時間內(nèi)的變化或使用一定次數(shù)后的變化來表示。從實(shí)質(zhì)上來說,漂移是一種隨時間或隨使用次數(shù)而改變的系統(tǒng)誤差。 測量結(jié)果中還可能存在粗差,粗差是由測量過程中不可重復(fù)的突發(fā)事件所引起的。電子噪聲或機(jī)械噪聲可以引起粗差。產(chǎn)生粗差的另一個經(jīng)常出現(xiàn)的原因是操作人員在讀數(shù)和書寫方面的疏忽以及錯誤地使用測量設(shè)備。必須將粗差和其他幾種誤差相區(qū)分,粗差是不可能再進(jìn)一步描述的。粗差既不可能被定量地描述,也不能成為測量不確定度的一個分量。由于粗差的存在,使測量結(jié)果中可能存在異常值。在計(jì)算測量結(jié)果和進(jìn)行測量不確定度評定之前,必須剔除測量結(jié)果中的異常值。在測量過程中,如果發(fā)現(xiàn)某個測量條件不符合要求,或者出現(xiàn)了可能影響到測量結(jié)果的突發(fā)事件,可以立即將該數(shù)據(jù)從原始記錄中剔除,并記錄下剔除原因。在計(jì)算測量結(jié)果和進(jìn)行不確定度評定時,異常值的剔除應(yīng)通過對數(shù)據(jù)作適當(dāng)?shù)臋z驗(yàn),并按一定的規(guī)則進(jìn)行。 無論隨機(jī)誤差或系統(tǒng)誤差,所有的誤差從本質(zhì)上來說均是系統(tǒng)性的。如果發(fā)現(xiàn)某一誤差是非系統(tǒng)性的,則主要是因?yàn)楫a(chǎn)生誤差的原因沒有找到,或是對誤差的分辨能力不夠所致。因此,可以說隨機(jī)誤差是由不受控的隨機(jī)影響量所引起的。由隨機(jī)效應(yīng)引入的不確定度可以用標(biāo)準(zhǔn)偏差以及分布類型來表示。多次測量結(jié)果的平均值常常作為估計(jì)系統(tǒng)誤差的基礎(chǔ)。
圖2 測量結(jié)果的誤差類型圖解
圖2給出幾種不同類型誤差的圖解。圖中,直線1表示真值,它是不隨時間而變化的,因此是一條與時間坐標(biāo)平行的直線,但其位置是不可能確切知道的。2和3表示在兩個不同的時間t1和t2進(jìn)行測量所得到的分散性,即被測量的概率密度分布曲線。由于漂移的存在,在兩個不同的時間得到的多次測量結(jié)果的平均值是不同的。斜線4表示測量結(jié)果的漂移,即無限多次測量結(jié)果的平均值隨時間的變化。5和6分別表示在時間t1和t2進(jìn)行無限多次測量所得結(jié)果的平均值(即它們的數(shù)學(xué)期望值)。于是根據(jù)系統(tǒng)誤差的定義,它們與真值1的差7和8就分別表示在兩個不同時間t1和t2進(jìn)行測量時的系統(tǒng)誤差。9和10分別表示在時間t1和t2具體進(jìn)行測量時得到的某個測量結(jié)果。它們與無限多次測量結(jié)果的平均值5和6之差即為隨機(jī)誤差(圖中11和12)。兩條虛線之間所夾的區(qū)域?yàn)椴淮_定區(qū)域,是測量結(jié)果可能出現(xiàn)的范圍。出現(xiàn)在不確定區(qū)域之外的測量結(jié)果13和14是在計(jì)算中應(yīng)予以剔除的粗差。 測量結(jié)果的不確定度的定義為: 表征合理地賦予被測量之值的分散性,與測量結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù)。 注:1.此參數(shù)可以是諸如標(biāo)準(zhǔn)偏差或其倍數(shù),或說明了置信水準(zhǔn)的區(qū)間的半寬度。 2.測量不確定度由多個分量組成。其中一些分量可用測量列結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分布估算,并用實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差表征。另一些分量則可用基于經(jīng)驗(yàn)或其他信息的假定概率分布估算,也可用標(biāo)準(zhǔn)偏差表征。 3.測量結(jié)果應(yīng)理解為被測量之值的最佳估計(jì),而所有的不確定度分量均貢獻(xiàn)給了分散性,包括那些由系統(tǒng)效應(yīng)引起的(如,與修正值和參考測量標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)的)分量。 首先要注意定義中“被測量之值”這一說法的含義。一般說來,“被測量之值”可以理解為被測量的真值,但在這里不能直接將“被測量之值”理解為“真值”,因?yàn)椤罢嬷档姆稚⑿浴钡恼f法無法理解。由于JJF1001-1998中給出“測量結(jié)果”的定義為:由測量所得到的賦予被測量的值,將兩者進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)這里的“被測量之值”似乎應(yīng)該可以理解為“測量結(jié)果”,但它與我們通過測量所得到的“測量結(jié)果”仍有差別。在對被測量進(jìn)行測量時,最后給出一個測量結(jié)果,它是被測量的最佳估計(jì)值(可能是單次測量的結(jié)果,也可能是重復(fù)性條件下多次測量的平均值)。而這里“被測量之值”應(yīng)理解為許多個測量結(jié)果,其中不僅包括通過測量得到的測量結(jié)果,還應(yīng)包括測量中沒有得到但又是可能出現(xiàn)的測量結(jié)果。例如,用一臺電壓表測量某一電壓,且電壓表讀數(shù)不加修正值,若對于該測量點(diǎn)電壓表的最大允許誤差為±1V,用該電壓表進(jìn)行了20次重復(fù)測量,則該20個讀數(shù)的平均值就是測量結(jié)果,還可以由它們得到測量結(jié)果的分散性。但“被測量之值”的分散性就不同了,它除了包括測量結(jié)果的分散性外,還應(yīng)包括在受控范圍內(nèi)改變測量條件(例如溫度)所可能得到的測量結(jié)果,當(dāng)電壓表的示值誤差在最大允許誤差范圍內(nèi)變化時所可能得到的測量結(jié)果,以及所有系統(tǒng)效應(yīng)對測量結(jié)果的影響。由于后者不可能在“測量結(jié)果的分散性”中出現(xiàn),因此“被測量之值的分散性”應(yīng)比“測量結(jié)果的分散性”大,也包含更多的內(nèi)容。這就是在定義的注3中所說的在分散性中應(yīng)包括那些由系統(tǒng)效應(yīng)所引起的不確定度分量,而系統(tǒng)效應(yīng)引入的不確定度分量在測量結(jié)果的分散性中并沒有反映出來。 根據(jù)定義,測量不確定度表示被測量之值的分散性,因此不確定度表示一個區(qū)間,即被測量之值可能的分布區(qū)間。這是測量不確定度和測量誤差的最根本的區(qū)別,測量誤差是一個差值,而測量不確定度是一個區(qū)間。在數(shù)軸上,誤差表示為一個“點(diǎn)”,而不確定度則表示為一個“區(qū)間”。 測量不確定度是測量者合理賦予給測量結(jié)果的,因此測量不確定度將或多或少與評定者有關(guān),例如與評定者的經(jīng)驗(yàn)、知識范圍、認(rèn)識水平等有關(guān)。因此測量不確定度評定將或多或少帶有一些主觀色彩。定義中的“合理”是指應(yīng)該考慮各種因素對測量結(jié)果的影響所作的修正,特別是測量應(yīng)處于統(tǒng)計(jì)控制狀態(tài)下,即處于隨機(jī)控制過程中。也就是說測量應(yīng)在重復(fù)性條件或復(fù)現(xiàn)性條件下進(jìn)行。 為了表征這種分散性,測量不確定度可以用標(biāo)準(zhǔn)偏差,或標(biāo)準(zhǔn)偏差的倍數(shù),或說明了置信水準(zhǔn)區(qū)間的半寬度來表示。 當(dāng)測量不確定度用標(biāo)準(zhǔn)偏差σ表示時,稱為標(biāo)準(zhǔn)不確定度,統(tǒng)一規(guī)定用小寫拉丁字母“u”表示,這是測量不確定度的第一種表示方式。但由于標(biāo)準(zhǔn)偏差所對應(yīng)的置信水準(zhǔn)(也稱為置信概率)通常還不夠高,在正態(tài)分布情況下僅為68.27%,因此還規(guī)定測量不確定度也可以用第二種方式來表示,即可以用標(biāo)準(zhǔn)偏差的倍數(shù)kσ來表示。這種不確定度稱為擴(kuò)展不確定度,統(tǒng)一規(guī)定用大寫拉丁字母U表示。于是可得標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度之間的關(guān)系: U=kσ=ku 式中k為包含因子。 擴(kuò)展不確定度U表示具有較大置信水準(zhǔn)區(qū)間的半寬度。包含因子有時也寫成kp的形式,它與合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc(y)相乘后,得到對應(yīng)于置信水準(zhǔn)為p的擴(kuò)展不確定度Up=kpuc(y)。 在不確定度評定中,有關(guān)各種不確定度的符號均是統(tǒng)一規(guī)定的,為避免他人的誤解,一般不要自行隨便更改。 在實(shí)際使用中,往往希望知道測量結(jié)果的置信區(qū)間,因此還規(guī)定測量不確定度也可以用第三種表示方式,即說明了置信水準(zhǔn)的區(qū)間的半寬度a來表示。實(shí)際上它也是一種擴(kuò)展不確定度,當(dāng)規(guī)定的置信水準(zhǔn)為p時,擴(kuò)展不確定度可以用符號Up表示。 測量不確定度的第二種和第三種表示方式給出的實(shí)際上都是擴(kuò)展不確定度。當(dāng)已知包含因子k時,擴(kuò)展不確定度U是從其中包含多少個(k個,k即為包含因子)標(biāo)準(zhǔn)不確定度u的角度出發(fā)所描述的擴(kuò)展不確定度。而當(dāng)p已知時,擴(kuò)展不確定度Up則是從該區(qū)間所對應(yīng)的置信水準(zhǔn)p的角度出發(fā)來描述的擴(kuò)展不確定度。對于前者,已知k而不知道p,后者則正好相反,已知p而不知道k。兩者各自分別從不同的角度出發(fā)來描述擴(kuò)展不確定度,因此包含因子k與置信水準(zhǔn)p之間應(yīng)該存在某種函數(shù)關(guān)系,但它們之間的關(guān)系與被測量的概率密度分布有關(guān)。也就是說,只有在知道被測量分布的情況下,才可以由k確定p或由p確定k。而在測量不確定度評定中,經(jīng)常會遇到已知置信水準(zhǔn)p而需要確定包含因子k的情況,這就是為什么在測量不確定度評定中經(jīng)常需要考慮各輸入量以及被測量分布的原因。而在過去的誤差評定中一般不討論分布問題。 JJF1059-1999規(guī)定,當(dāng)置信水準(zhǔn)p為0.99和0.95時,Up可分別簡單地以U99和U95表示。 誤差可以用絕對誤差和相對誤差兩種形式來表示,不確定度也同樣可以有絕對不確定度和相對不確定度兩種形式。絕對形式表示的不確定度與被測量有相同的量綱。相對形式表示的不確定度,其量綱為1,或稱為無量綱。絕對不確定度常簡稱為不確定度,而相對不確定度則往往在其不確定度符號“U”或“u”上加上腳標(biāo)“rel”以示區(qū)別。被測量x的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(x)和相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度Urel(x)之間的關(guān)系為: 擴(kuò)展不確定度也同樣可以有絕對和相對兩種形式,絕對擴(kuò)展不確定度U(x)和相對擴(kuò)展不確定度Urel(x)之間也有同樣關(guān)系: 在計(jì)算相對不確定度時,分母中的x應(yīng)取其真值。由于真值無法知道,實(shí)際上用的是約定真值。而在實(shí)際工作中一般常以該量的最佳估計(jì)值,即測量結(jié)果來代替。 若隨機(jī)變量x的值有可能為零,則不能采用相對誤差或相對不確定度的表示形式。例如,在對測量儀器進(jìn)行校準(zhǔn)時,被測量是儀器的示值誤差。在表示所測得的示值誤差的不確定度時,就不應(yīng)該用相對不確定度來表示,因?yàn)闇y量儀器的示值誤差有可能為零。 由于測量結(jié)果會受許多因素的影響,因此通常不確定度由多個分量組成。評定方法分為A、B兩類。測量不確定度的A類評定是指用對觀測列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的方法進(jìn)行的評定,其標(biāo)準(zhǔn)不確定度用實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差表征;而測量不確定度的B類評定則是指用不同于對觀測列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的方法進(jìn)行的評定。因此可以說所有與A類評定不同的其他評定方法均稱為B類評定,它可以由根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或其他信息的假定概率分布估算其不確定度,也以估計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)偏差表征。所有各不確定度分量的合成稱為合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度,規(guī)定以符號uc表示,它是測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差的估計(jì)值。 由于無論A類評定或B類評定,它們的標(biāo)準(zhǔn)不確定度均以標(biāo)準(zhǔn)偏差表示,因此兩種評定方法得到的不確定度實(shí)質(zhì)上并無區(qū)別,只是評定方法不同而已。在對各不確定度分量進(jìn)行合成得到合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度時,兩者的合成方法也無區(qū)別。因此在進(jìn)行不確定度評定時,過分認(rèn)真地討論每一個不確定度分量究竟屬于A類評定或是B類評定是沒有必要的。 不少人習(xí)慣上將由A類評定和B類評定得到的不確定度分別方便地稱為A類不確定度和B類不確定度。這一說法也未嘗不可,但不能由此而得到一個不恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)論:不確定度分為A類不確定度和B類不確定度兩類。對不確定度本身并不分類,每一個分量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度都要用標(biāo)準(zhǔn)偏差表示,而所謂的A類和B類僅是為了敘述方便起見而對其按評定方法進(jìn)行的分類,而不是對不確定度本身的分類。 根據(jù)定義,測量不確定度是與測量結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù),意指測量不確定度是一個與測量結(jié)果“在一起”的參數(shù),在測量結(jié)果的完整表述中應(yīng)該包括測量不確定度。 |