摘要：《检测和校准实验室能力认可准则》换版后，对检测实验室测量不确定度的评定有更严格的要求。本文通过阐述测量不确定度评定在尺寸试验中的应用，带入测量不确定度评定的入门方法，以期为初入检测行业的工程师们提供参考。
关键词：测量不确定度；检测技术；应用
1 引言
目前，为提升国内实验室的检测能力、技术水平，认监委、中国合格评定国家认可委员会（CNAS）、能力验证提供者（PTP）等机构，每年会针对不同领域、不同测试项目开展能力验证工作，参与单位也不断地积累了更多不确定度评估经验。鉴于电气检测领域中涉及到的产品类别、标准体系等范围很宽、差异很大，本文内容以2018年度认监委组织的能力验证项目“尺寸测量为例”，针对电器附件及电线电缆类的标准，需要尺寸测量不确定度的评定，进行分析和讨论，希望能为其他同类测试项目提供借鉴和参考。
2 测量不确定度的定义
测量不确定度是根据所用到的信息、表征赋予被测量的量值分散性的非负参数。它是对测量结果质量的定量表征，表明测量结果的可信程度。由于测量的不断完善和人们的认识不足，测量值是有分散性的，每次得到的测量值不是同一值，而是以一定概率分散在某个区间内；同时有可能测量结果中存在系统误差，但是我们不能确切知道其值，也可以说它以某种概率分布在某个区间内，这种概率分布也具有分散性。测量不确定度就是说明测量值分散性的参数。报告中给出的测量不确定度，是扩展测量不确定度，它是合成标准不确定度与一个大于1的因子的乘积，这个因子称为包含因子，用符号k表示。扩展不确定度是测量结果可能值所在的区间半宽度，可期望该区间包含了测量值的大部分。测量结果表示为：Y=y±U，式中y为被测量的最佳估计值，被测量Y的值以一定概率落在（y－U，y+U）区间内，这个概率称为包含概率（置信概率），用百分数表示。例如：正态分布情况下包含概率为95.45%，此时包含因子k=2，测量不确定度为U95。
3 测量不确定度评定
3.1 测量不确定度来源分析
尺寸测量不确定度的来源主要有重复性、测量设备的分辨力和示值误差。其中，重复性分量和分辨力分量，计算后，取两者中的较大值。另外，若测量设备可直接显示数值，则无需考虑分辨力[1]。例1：用卡尺测量导体单线直径。测量不确定度的来源有三个：一是人员操作重复性；二是卡尺的分辨力；三是卡尺的示值误差。但一和二不全部纳入计算，仅取其中的较大值。例2：用电子投影仪测量电线绝缘厚度。测量不确定度的来源有两个：一是人员操作重复性；二是投影仪的示值误差。因电子投影仪可以直接显示数值，故不需要考虑设备分辨力的影响。
3.2 多站位协同测量场不确定度模型构建
随着航空航天事业对精度更高的追求，大尺寸测量场的精度问题变得尤为重要。使用多个站位对同一个点进行联合测量再使用公共基准点转换到统一的全局坐标系中可以有效提高测量场的精度，甚至有时使用多套测量系统对某些点进行协同测量，然而同一个点的多组测量数据的融合问题变得至关重要，而且研究这个融合测量值的不确定度具有重要的学术价值[2]。分析多站位协同测量值的不确定度不但可以和单站位测量不确定度进行对比，分析站位数增加对测量精度提升的程度和效率，更重要的是可以根据多站位协同测量融合值的不确定度进行反算最优的测量仪器位置实现站位的优化。
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3.3 坐标转换参数向量协方差矩阵求解
由于P=Pt+Pl+Pk，向量Pt的所有元素都为定值，布设误差和测量误差互不相关，所以DP=Dl+Dk，Dl表示向量Pl的协方差阵，Dk表示向量Pk的协方差阵。
目前对大尺寸测量场精度的研究过程中常常使用坐标转换六参数的标准差或者方差来衡量测量场的精度，然而构建测量场的目的是为了让测量点的综合精度（包括坐标转换精度和测量精度）达到最高，由于六个坐标转换参数之间存在相关性，所以计算测量点的位置不确定度的时候越大的坐标转换参数的不确定度并不一定造成更大的测量点位置不确定度[3]，也就是说使用坐标转换六参数的标准差衡量测量场的精度是不够准确的，因此需要针对每一个具体的测量点研究其自身的位置不确定度。
3.4 融合测量值不确定度求解
将各个站位得到的同一点的测量值转换到全局坐标系后，没有融合的独立的数据对测量精度的提升是没有意义的，因此需要进行数据融合。可以根据各个站位得到的测量值的协方差阵求逆得到权重矩阵，然后进行加权融合，融合值为ξ每个站位测量值的权重矩阵为ωi，ωi是3×3的矩阵，考虑到S的协方差阵Q为3m×3m的分块对角矩阵，每一个分块都是3×3的矩阵。矩阵D（ξ）是3×3的矩阵，将其主对角线上的3个元素分别开方，得到该点在x、y、z方向上的标准不确定度，这个不确定度是综合考虑了测量仪器、制造工艺、坐标转换、多站位测量值融合后得到的结果[4]。如果使用多种不同的测量系统对单点进行测量，在使用公共基准点将待测点转换到全局坐标系后，面临将同一个点的多个测量数据融合的问题。
4 合成标准不确定度的报告和表示
（1）一般情况下测量结果不确定度的报告和表示用扩展不确定度的形式，但在基础计量学研究、基本物理常数测量、复现国际单位制单位的国际比对等场合使用合成标准不确定度的形式报告测量结果。（2）带有合成标准不确定度的测量结果报告要给出被测量Y的值y及其测量不确定度uc（y）或相对合成标准不确定度urel（y），必要时给出其有效自由度νeff。（3）带有合成标准不确定度的测量结果报告的表示一般有以下形式：（以量块中心长度l的测量结果为l=20.00012mm，合成标准不确定度uc（l）=0.41μm为例）①l=20.00012mm；uc（l）=0.41μm。②l=20.00012（41）mm；括号内的数是合成标准不确定度，其末位与前面结果的末位数对齐。③l=20.00012（0.00041）mm；括号内的数是合成标准不确定度，与前面结果有相同的计量单位[5]。
5 结束语
由于装配具有零部件尺寸大、种类多、外形复杂等特点，所以在装配过程中需要使用数字化测量仪器辅助装配，于此同时需要解决大尺寸测量场众多坐标系统的统一问题。构建大尺寸测量场的两项关键任务是基准的布设和测量站位的规划，通过本文的研究，希望能够检测行业的工作提供一些参考和借鉴，促进检测行业的良性发展。
参考文献：
[1] 王占军，肖凤云.CR-400型色差仪测量结果的不确定度评定[J].工业计量，2019，29（01）：47-48+64.
[2] 蒋佳佳，张黎辉.耐压测试仪校准结果不确定度分析[J].日用电器，2019（01）：19-21.
[3] 张文浩.非接触坐标测量技术及典型光学元件测量实验研究[D].浙江大学，2019.
[4] 余泽利，郑晓斐，张浩，房永强，王峰.金属维氏硬度试验测量不确定度的评定[J].四川有色金属，2018（04）：46-48+62.
[5] 张靓.风速仪测量结果不确定度评定[J].仪器仪表标准化与计量，2018（06）：38-39+42.
论文作者:程少义,甄鹏飞
论文发表刊物:《基层建设》2019年第32期
论文发表时间:2020/4/7
标签：测量论文; 不确定论文; 站位论文; 精度论文; 标准论文; 坐标论文; 矩阵论文; 《基层建设》2019年第32期论文;