不確定度概念、使用與評定

不確定度的概念、使用與評定——與中國電力科學(xué)研究院技術(shù)交流報告（2018.09.27）郭曉濤目錄/Contents01計量概述02不確定度的概念03不確定度的使用04不確定度的評定05其它問題與總結(jié)01計量概述計量/Metrology0.001m0.0001m0.00001m到底多長是“1米”？最后一位小數(shù)在哪里？度量衡——商鞅方升計量——米制公約計量科學(xué)研究、計量體系發(fā)展……利用技術(shù)和法制手段實現(xiàn)單位統(tǒng)一和量值準(zhǔn)確可靠的測量?，F(xiàn)代計量學(xué)c0=299792458m/s1秒：銫133原子基態(tài)的兩個超精細(xì)能階之間躍遷時所輻射的電磁波的周期的9,192,631,770倍的時間米（1799）：通過巴黎的子午線上從地球赤道到北極點的距離的一千萬分之一1米：光在真空中行進(jìn)1/299792458秒的距離*所以赤道長度約為4萬千米*第一個米原器差了0.2毫米導(dǎo)致赤道長度比4萬千米多7863米1×10-7m4×10-9m不再僅僅是尺、斗、秤，基準(zhǔn)量子化是物理學(xué)的基礎(chǔ)之一為世界范圍內(nèi)社會活動提供廣泛而基礎(chǔ)的支撐10-16s量值傳遞體系國際計量局國家計量機(jī)構(gòu)NISTNPLPTBNIM地方計量機(jī)構(gòu)行業(yè)計量機(jī)構(gòu)檢測實驗室產(chǎn)品……將準(zhǔn)確一致的量值傳遞到需要的地方量值的準(zhǔn)確程度在逐漸變化（不確定度傳播）需要有共同的語言（不確定度的意義）如何掌控好過程（不確定度評定）

新趨勢：量子化與扁平化

以上僅為通俗地介紹不確定度的背景，并不全面02不確定度的概念不確定度概念1977/1997CommitteeforGuidesinMetrology(JCGM)Evaluationofmeasurementdata—Guidetotheexpressionofuncertaintyinmeasurement(GUM)測量不確定度（MeasurementUncertainty），簡稱“不確定度（Uncertainty）”Parameter,associatedwiththeresultofameasurement,thatcharacterizesthedispersionofthevaluesthatcouldreasonablybeattributedtothemeasurand.JCGM100:2008根據(jù)所用到的信息，表征賦予被測量值分散性的非負(fù)參數(shù)。JJF1059.1不確定度的常見表達(dá)Y=X,U=UX;k=kpL

=1.003m,U

=0.001m;k=2P=1.02mW,U=0.01mW;k=2P

=0.2dBm,U

=0.1dB;k=2不確定度是測量結(jié)果的重要組成部分！概念的獨特性不確定度Uncertainty誤差Error/Accuracy準(zhǔn)確度、準(zhǔn)確性、精確度、精密度……/真值？根本就測不準(zhǔn)？理論真值測不準(zhǔn)原理過去？更重要的是將來對未來測量結(jié)果分散性的定量估計和描述定義不規(guī)范統(tǒng)一包含很多定性的成分定義規(guī)范統(tǒng)一定量曾經(jīng)流行仍能看到很常見廣泛使用03不確定度的使用不確定度使用的有效范圍1、只對確定的定量參數(shù)有效等級A、B、C等評不了不確定度2、輸入量的概率分布呈對稱分布、輸出量的概率分布近似為正態(tài)分布或t分布合格判定就不是對稱分布的不對稱或正態(tài)分布的時候可以近似處理3、測量模型為線性模型、可以轉(zhuǎn)化為線性模型或者可以用線性模型近似非線性模型情況下可能也有不確定度，但不能用GUM法評定“有明確定義的、并可用唯一值表征的被測量估計值”JCGM100:2008JJF1059.1-2012GUMJCGM101:2008JJF1059.2-2012MonteCarloJCGM101:2011AnynumberofoutputquantitiesMonteCarlo方法舉例無線信道VNAOUTINTXTX無線信道參數(shù)的計算均方根時延展寬信道測量系統(tǒng)105次隨機(jī)生成樣本統(tǒng)計分析使用已有的不確定度資源儀器說明書其它技術(shù)資料：檢定證書、校準(zhǔn)證書、技術(shù)報告等最樂意看到規(guī)范的不確定度描述不規(guī)范的描述，或需要轉(zhuǎn)化的指標(biāo)注意區(qū)別“典型值”形成自己的不確定度資產(chǎn)確定自己的能力有不確定度就是進(jìn)步更小的不確定度，體現(xiàn)更高的技術(shù)水平可以被繼續(xù)使用量值傳遞具有規(guī)范性通用性和廣泛性不是所有的量都能做不確定度評定沒有必要不停的做不確定度評定，但是不確定度的理念值得始終堅持尚未建立源頭：例如網(wǎng)絡(luò)流量量值傳遞鏈條不完整：例如數(shù)字技術(shù)測量方法上不完善：例如無線信道參數(shù)這個時候也是有一些其它工作可以做04不確定度的評定從最簡單的一個不確定度評定來總結(jié)最基本的不確定度評定流程測2.45GHz的載波信號的功率（0dBm）1、分析不確定度來源和建立測量模型測量模型：P=Pmea①儀表測量能力；②測量重復(fù)性。2、評定標(biāo)準(zhǔn)不確定度ui①儀表測量能力導(dǎo)致的不確定度分量u1=0.042dB②測量重復(fù)性導(dǎo)致的不確定度分量u2=0.02dB

。次數(shù)測量值(dBm)1-0.072-0.053-0.064-0.065-0.066-0.057-0.048-0.059-0.0510-0.063、計算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc各分量獨立不相關(guān)，=0.05dB4、確定擴(kuò)展不確定度U取包含因子k=2，U=2Uc=0.1dB常見問題展開1：多個不確定度來源的確定與分析1）功率計參考源輸出電平最大允許誤差a1；2）功率計探頭校準(zhǔn)因子誤差a2；3）自校準(zhǔn)時功率傳感器與參考源的失配誤差a3；4）功率傳感器與E4438C信號發(fā)生器輸出端口失配誤差a4；5）測量重復(fù)性。從技術(shù)上全面考慮考慮典型分布考慮多個不確定度來源的實例不確定度分量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)不確定度常見問題展開2：合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度與常見疏漏最常見的：認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量之間不相關(guān)，則直接用平方和開平方得到合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度如果測量模型是復(fù)雜模型，但是分量之間互不相關(guān)非線性單位（dB）不能直接平方與開平方!!!常見問題展開3：不確定度的最終表現(xiàn)形式不確定度沒有正負(fù)號不確定度的有效數(shù)字1~2位P=1.02mW,U=0.01mW;k=2單個的不確定度分段或者矩陣形式用函數(shù)的形式表示國家衰減基準(zhǔn)NationalAttenuationStandard頻率:10kHz~40GHz衰減:0dB~90dB不確定度:(0.002+0.0002×A)dBk=2保存機(jī)構(gòu)：計量院用相對不確定度表示國家功率基準(zhǔn)NationalPowerStandard頻率:10MHz~50GHz功率:10mW不確定度:0.5%k=2保存機(jī)構(gòu)：計量院不確定度可以往大了評，但不能往小了評28.05=29不常見問題不展開不確定度分量有相關(guān)性及相關(guān)系數(shù)自由度一系列概念測量精密度測量重復(fù)性測量復(fù)現(xiàn)性零的測量不確定度幾個不常用方法和操作貝塞爾公式法極差法合并標(biāo)準(zhǔn)偏差預(yù)評估重復(fù)性符號、格式與含義的對應(yīng)05其它問題與總結(jié)信息電子領(lǐng)域的特殊性涉及的都是基本物理量的導(dǎo)出量甚至“多層導(dǎo)出量”不確定度的水平普遍沒有那么高很多時候不滿足10倍量傳，甚至3倍量傳也做不到涉及的設(shè)備和應(yīng)用參數(shù)非常多測量儀器的發(fā)展已經(jīng)在較高水平上進(jìn)入瓶頸帶來綜合影響開展不確定度評定和應(yīng)用的難度更大但需求也更大辯證思考不確定度這一體系