测量系统不确定度分析及其动态性研究

　　1　引言

　　目前国内外所有测量系统分析都建立在静态测试基础上,同时也没有按照国际不确定度指南对测量系统进行评定,而实际生产过程中的加工设备和测量系统均是动态的,具有时变性与相关性。测量不确定度是测量系统最基本也是最重要的特性指标,是测量质量的重要标志。当测量系统的特性随时间发生变化时,测量系统不确定度将伴随着工作时间的延续而发生变化与漂移。

　　将不确定度原理引入测量系统分析,并基于测量系统不确定度的动态特性,研究测量系统全寿命过程中的动态变化规律,为科学地评价测量系统、确定测量系统的检定周期、合理进行测量系统的预防性维护和纠正性维护、提高测量系统的有效性等提供重要的依据,具有很高的学术价值和实际意义。

　　2　测量系统不确定度的分析

　　测量系统的概念不只局限于测量仪器、测量设备的范畴,而是指用来对被测量赋值的操作程序、评价人、量具、设备、环境及软件等要素的综合,是获得测量结果的整个过程。一个完整的测量过程,引起测量不确定度的因素有很多,包括被测量的定义不完整、被测量的定义值实现不理想、被测量的样本不能完全代表定义的被测量、对环境条件的影响认识不足或环境条件的不完善测量、人员对模拟式仪器的读数偏差、测量仪器的分辨率或鉴别阈的限制、测量标准和标准物质的给定值或标定值不准确、测量方法、测量系统和测量程序不完善、数据处理时所引起的常数和其它参数不准确、修正系统误差的不完善以及各种随机因素的影响等等。在不同的测量系统,因系统的组成要素不同,上述因素的影响程度会有所差异,但对测量系统的综合影响却具有共性。

　　因此,美国三大汽车公司联合推出的测量系统分析,提出了测量系统评定的六个指标,即系统的分辨力、偏移、稳定性、重复性、再现性和线性指标。这六个指标反映了测量系统不确定性的基本特征,实际上也就是引起测量系统不确定度的主要来源。按照国际不确定度的基本原则和不确定度的两类评定原理,选择适合各指标特征的不确定评定方法,分别将测量系统分析的六个指标转化为测量系统的不确定度分量,再按不确定度合成的方法获得测量系统的不确定度。

　　3　不确定度动态性分析

　　以测量系统的六个评定指标为依据,采用两类不确定度评定方法通常得到的是测量系统的静态不确定度。实际测量系统在全寿命过程中,受外界条件影响和内部结构的不断变化,从较长时间段来看,测量系统的特性,如偏移、重复性、稳定性等,会随时间发生规律性变化,具体表现为测量结果的估计值较测量系统寿命初期发生明显漂移,且朝着背离被测量真值的方向,使得测量结果估计值与被测量真值的差异逐渐增大;另一方面,一系列随机因素和未知系统因素对测量不确定性的影响增强。使测量标准差随时间发生变化,即σ=σ(t),导致由测量标准差所决定的测量不确定度的量值随时间延续而不断增大。因此,测量系统的精度随时间不断损失,当损失到一定程度时,测量系统不再满足测量精度的要求,测量系统寿命终结。图1反映了被测量的估计值漂移及测量不确定度随时间的变化趋势,图2所示为测量系统精度的棚状分布曲面。