关于测绘仪器实验室测量不确定度评定的研究
2013-11-24
（江西省测绘成果质量监督检验测试中心 江西南昌 330046）
1 引言
根据《测量不确定度表示指南》（GUM），《国际通用计量学基本术语》（VIM），以及国家认可委员会认定的规范《CNAS-CL07》8.2 节中对检测实验室不确定度的要求，检测实验室应有能力对每一项有数值要求的测量结果进行测量不确定度评估。最近几年国际上并不承认国内的实验室不确定度的评定，国家认可委要求全国五百家校准实验室都要做合格的不确定度评定。随着实验室管理认证体系日益完善，建立一个合格的实验室的测量不确定度评定机制已势在必行。
2 测量不确定度的概念
测量不确定度的概念在1993年由七个国际组织(ISO、IEC、BIPM、OIML、IUPAC、IUPAP、IFCC)联合发布的《测量不确定度表示指南》(GUM),统一了测量不确定度的评定方法和表示方法,给出了不确定度的定义。测量不确定度：表征合理地赋予被测量之值的分散性，与测量结果相联系的参数。不确定度越小，测量水平越高，测量的使用价值越高。本文通过一个实验室不确定度评定的实例，阐述这种方法在实验室示值不确定度评定方法上可能存在的问题。
3 测量不确定度实例
1.目的：确定实验室内综合检测仪测量的示值不确定度。
2.测量方法：取一台经过检定的1级0.5s 全站仪，置于多齿分度台上，整平后切准目标，置零。读得数位a1。10次切准目标得读数经过处理后分别为a1，a2……a10如下表。
?
3.求最佳值，a=(a1+……+a10)/10= 3/10= 0.3。
4.分析并列出不确定度的来源。
4.1.实验室工作人员在切准目标时，由于有一定的视差，会产生一定的误差，给测量引入一定的不确定度。上面给出的数据由贝塞尔公式S=0.161s。
4.2.测量过程中实验室温度保持在25℃±5℃。产生的影响有限，可以忽略不计。
4.3.测量过程中由于引入了全站仪，此1级全站仪的标准偏差上限为0.5s。属于均匀分布，所以其产生的标准不确定度
4.4.使用的装置由多齿分度台的极限误差引入的不确定度0.2s，所以标准不确定度0.12s
5.合成标准不确定度：因为上述影响不确定度来源互不相关，且灵敏系数绝对值为1。由贝塞尔公式所以有
6.扩展不确定度：视合成后的误差为正态分布，选置信概率p=0.95，则覆盖因子k=2 扩展不确定度为：
此为求得的实验室示值不确定度，由整个评定过程可知，在此中引入了全站仪的误差，而整个测角系统的不确定度是此全站仪的测角不确定度与其他因素引起的不确定度的合成。作为一个相对高精度的实验室来说，显然不能用来检验与此同精度的其他全站仪。即此方法不能尽量贴近真实值，不能客观地描述实验室测角系统的精度，因而这种不确定度评定方法在测绘仪器鉴定实验室评定不确定度的过程中是值得商榷的。可见直接生搬硬套计量类的不确定度评定方法是不可取的。
4 不确定度评定的尝试
4.1 建立数学模型
式中：u—被测仪器的“一测回水平方向标准偏差”，单位：秒。
m—测回数。Ⅰ级仪器，m=2；Ⅱ级仪器m=1。
n—受测点数。Ⅰ、Ⅱ级仪器，n=23。
φij—方向误差（i=1,……,m;j=1,2,……,n）;单位：秒。
注：其中u是有限观测次数求出的实验标准偏差，它本身也是个随即变量，与理论上由无穷多个观测值求出的σ 存在差异，不同样本之间的结果也存在差异，因而产生了标准偏差的不确定度。
式中：φij—各受检点的分度误差；单位：秒。
式中：αij 为受检点读数；
αi0为零位读数；
α标为多齿分度台齿盘标准角值。
依据JJF1059－1999《测量不确定评定与表示》中公式（17）有：
式中：vi—不确定度分量的自由度；
u(xi)—标准不确定度。
4.2 标准不确定度的评定
标准偏差测量结果标准不确定度的评定可以合并起来综合评定,通过统计以前的观测数据，按被检仪器准确度的等别或级别通过公式（4）求得。
实验方法同2.3。其中Ⅰ级仪器读取2个测回。Ⅱ级仪器读取1个测回。这里我们分别提取30台Ⅰ级、30台Ⅱ级仪器的一测回水平方向标准偏差，计算其合并样本标准差和标准不确定度。（见表1）
表1 一测回水平方向标准差实验数据
式中：Sp—合并样本标准差；
Si—每台仪器的一测回水平方向标准差；
k—核查次数，这里指核查的样本数。
4.3 标准偏差的标准不确定度uc的计算
Ⅰ级仪器（m=2，n=23）由（3）式得：
同理得:Ⅱ级仪器（m=2，n=12）
4.4 扩展不确定度的计算
Ⅰ级仪器（m=2，n=23）
U=k×uc=2×0.077″=0.154″（包含因子k=2，置信度p=95%）
Ⅱ级仪器（m=2，n=12）
U=k×uc=2×0.155″=0.31″（包含因子k=2，置信度p=95%）
在实际操作过程中，由于不可估计的因素，我们可以适当放宽比例因子。
[1]JJF1059-1999,测量不确定度评定与表示[M].北京：中国计量出版社.
[2]GB/T15481-2000，检测和校准实验室能力的通用要求[M].北京：中国标准出版社.
[3]中国实验室国家认可委员会.实验室认可准则,CNACL201-2001[S].
