测量不确定度分析在力学计量中的应用

张改娥，何飞，王娜，王晶(山西新华防化装备研究院有限公司，山西 太原 030008)

0 引言

为了使力学检测及计量时的相关数据得到更进一步规范，文章将会从一些常见的物理测量仪器的测量步骤以及数据进行分析，并针对测量过程当中出现的一些不确定度进行更深一步的研究。在研究的过程当中可以针对不同的物理测量仪器来构建相关的数学模型，通过构建出来的数学模型，来分析这些不确定度的来源。明确这些不确定度的来源，对后续继续研究力学测量中不确定度具有一定的指导意义。

1 测量的重要意义

众所周知，物理实验在进行时，是离不开测量的。而根据被测量对象的不同，测量又被分为直接测量与间接测量。直接测量就是在对被测量对象进行测量时，测量工具与被测量对象之间不用进行函数关系的转化来辅助计算。而间接测量则与此相反，还需要通过函数关系的转化来辅助计算，才能得出测量结果。

另外，随着中国对于力学计量当中相关的政策的颁布，力学计量对于相关计量单位测量过程当中的不确定度分析起到了一定的参考作用[1]。由此可见，做好力学计量当中不确定度的分析对物理实验所需要的数据作出了巨大的贡献。在此基础之上，文章将重点来介绍不确定度的概念，根据如何确定计量中不确定度的来源来进行方法上的探究，在探究的过程当中，将重点以一些市场上比较常见的物理测量仪器为依据进行相关数据的分析概括总结。

2 测量不确定度的概念

在介绍不确定度的来源之前，首先应该明确什么是测量不确定度。而测量不仅仅是局限于物理实验当中的，因为测量的范围比较广，除了物理实验，还会被应用到农业工业出口贸易等各个领域当中。之所以进行测量，主要是为了确定被测量对象的量值，之所以要确定被测量对象的量值，主要是因为测量的质量直接会与国家的安全，国家的经济发展水平等挂钩。因为测量在国家领域来说应用的范围比较广泛，尤其是航空航天领域，对一些精密的航天仪器在测量时，如果因为测量度不够准确，就会造成巨大的失误。另外在国际进出口贸易上，如果测量的量度不够准确，或者在测量时出现了不确定度，就会使得在国际贸易出口上存在一定的经济损失。

除了从国家领域的角度来考虑测量的重要性，还应该意识到测量对于人们生活水平以及健康水平的影响，因为在一些药物领域也要进行测量，药物领域与人们的生活以及生命安全，身体健康直接挂钩。在药物测量当中也可以被分为两个方面来探讨。第一个方面就是相关专业人士在对某些药物的计量进行配比时，如果测量的精确度不够，就会使得配比出来的药物不能发挥其疗效以及作用[2]。通过以上的这些例子就可以看出，不确定度在测量当中发挥了十分重要的作用，而且测量过程当中的不确定度，也可以被解释为测量结果的质量。通常情况下，测量当中的不确定度就是用来测定某一计量单位测量结果以及质量的参考依据，这一参考依据在应用过程当中，往往根据测量的不确定度大小来进行判断。如果计量单位当中测量不确定度过小，就说明该统计单位当中测量出来的质量较高。相反，如果测得出来的不确定度较大，则说明测量出来的质量比较低。而且上述这些例子还说明，在进行决策之前，不能仅仅依靠测量的数据或者测量得出的结论来直接进行某一事项的决策。因为在决策过程当中，如果仅仅依靠这些测量的数据或者测量时得出的结论来进行测量的话，就会给后期的工作造成无法预计的损失[3]。所以，在力学计量当中应该进一步探讨这些计量过程当中出现不确定度的来源，找到这些不确定度存在的来源之后，就可以相对应的提出一些解决措施，尽量减少这些不确定度出现的频率。

3 测量不确定度的来源

3.1 在测量时没有准确表明相对应的测量条件

在力学计量过程中，对一些数值进行测量时，之所以存在许多的不确定度，主要是因为在测量之前没有对于被测量对象应该所处的环境以及条件进行准确的描述。以最简单的测量某一根钢筋的长度为例，在测量时一些工作人员往往表述为测量某一根钢筋的长度，从工作人员的表述，就可以看出其在表述过程当中并没有明确测量的单位精确到哪一测量单位，也没有表述被测量对象钢筋在测量时所处的环境。因为这些钢筋在测量时，如果所处的环境不同，其所承受的压力，压强以及空气之间的密度等这些参数都会使测量出来的钢筋长度数据受到影响。因此在对被测量对象测量之前，没有明确测量的单位被测量对象所处环境，就会使得测量过程当中存在许多不确定度。正因为有了这些不确定度的存在，才会使得所测出来的数值存在一定的偏差，测量得出的结果以及质量也会受到影响。

3.2 测量方法不当

测量方法使用不恰当，也会对被测量对象的精确度造成影响，但是在相关的学测量及统计过程当中，要想使测量方法得到恰当的处理，就需要对被测对象所处的外部环境进行严格的控制。但是大部分实验室在进行测量时，并不能按照规定完整的复原被测量对象所要达到的测量环境，因此被测量对象所受到的压力，压强，密度等外部环境因素也不能被改变，所以测得出来的数值会存在一定的偏差。所以说再进行决策之前，并不能仅仅依靠测量出来的数据来作为决策时的参考依据。但是也不能完全忽略这些测量得出来的数据，因为通过测量得出来的数据具备直接性的特点，所以能更加直接的反应被测量对象在所处环境之下的相关系数。在对这些被测量对象进行测量时，还需要不断调整测量的方法[4]。调整测量方法时，可以根据全国各地不同实验室具体分布的情况来进行探讨。对大部分具有国家批准资格的实验室相关数据进行统计，尤其是外部环境因素对实验室力学计量的影响要重点进行统计。将所有统计得来的数据进行汇总分析，通过测量数据汇总分析之后，就可以按照实际情况来制定一套全国通用的测量标准。该标准当中还应该对于不确定度存在的范围进行严格的规定，只要这些实验室在对力学计量单位进行测量时存在的误差不超过所规定的范围，其所测得的数据就具有参考意义。

3.3 测量人员读数造成的误差

力学计量不同于普通的单位测量，因为力学计量在物理实验中应用的范围较广，所以在对测得的数据进行读数时，也对读数人员有更高的专业要求[5]。通过调查问卷，发现大部分长期从事于实验室工作的科研人员，在读数时具有较高的专业水平，但是也有一部分工作人员由于长期处于超负荷工作的状态，所以其所处环境压力较大，因此在进行某些实验的读数时，会因为个人原因造成读数时的误差。这些个别的案例也充分说明了力学计量测量过程当中存在不确定度的因素。为了使这一影响因素对于力学计量单位的不确定度产生的影响降低，就需要减轻一部分实验室工作人员的工作压力。对某些需要长期研究的科研项目应该合理分工，分工的过程当中还应该考虑到每个科研人员实际的工作能力与水平。另外，还应该分配专业的指导人士，在普通科研人员与专业指导人士的互相配合之下，这些科研人员的工作压力才会得到更进一步的减轻。当这些重大科研项目完成之后，应该合理安排科研人员进行精神上的放松，这样做才能缓解其工作时的压力，使其继续在科研过程当中发挥其价值与作用。科研人员到工作水平与能力得到进一步锻炼之后，其在读书过程当中产生误差的可能性也才会更进一步的降低，力学计量当中存在不确定度的影响因素也会慢慢减少。

3.4 测量过程出现误差

(1)测量顺序。应严格按照测量规范规定的进行。遗漏或颠倒某一操作过程都有可能造成测量结果的误差，甚至使测量失去意义。

(2)测量次数。一般来说测量次数不同，测量精度也不同，增加测量次数，可以提高测量精度。但n＞10以后，已减少得非常缓慢。此外，由于测量次数愈大，也愈难保证测量条件的恒定，从而带来新的误差，因此一般情况下取n=10以内较为适应。

(3)测量所需时间。有的测量规定必须在一定条件下，一定时间内完成超出则结果不准确。如器具潮态试验后的泄漏电流测试必须在5 s内完成。

(4)测量点数。操作规范规定测量若干点。但实际检测中，为节省时间或出于其他考虑减少或增加了测量点数，也对最终结果有影响，如在噪声测试中。

(5)瞄准方式。测量方法不同，采用的测量仪器不同，对应的瞄准方式也不同，如采取目测或用光学瞄准，其瞄准精度必然不同。

(6)方向性。测量结果须在一定稳态下获得，实验中以不同方向趋于稳态，对于有些测量设备，如具有滞后或磁滞性的仪器读数是不同的。

4 结语

力学计量过程当中不确定度的存在会使得对于某些力学单位进行测量时存在测量精度不高的现象，影响测量的质量与水平。文章重点介绍了测量过程当中不确定度的概念，并就这些不确定度的来源进行了分析，但这些不确定度的来源除了文章介绍到的几点之外，还有其他的来源。所以需要不断地发掘这些不确定度来源，从而使力学计量的质量得到更进一步的提升与保证。