測量不確定度分析在力學計量中的應用

張改娥，何飛，王娜，王晶(山西新華防化裝備研究院有限公司，山西 太原 030008)

0 引言

為了使力學檢測及計量時的相關數據得到更進一步規范，文章將會從一些常見的物理測量儀器的測量步驟以及數據進行分析，并針對測量過程當中出現的一些不確定度進行更深一步的研究。在研究的過程當中可以針對不同的物理測量儀器來構建相關的數學模型，通過構建出來的數學模型，來分析這些不確定度的來源。明確這些不確定度的來源，對后續繼續研究力學測量中不確定度具有一定的指導意義。

1 測量的重要意義

眾所周知，物理實驗在進行時，是離不開測量的。而根據被測量對象的不同，測量又被分為直接測量與間接測量。直接測量就是在對被測量對象進行測量時，測量工具與被測量對象之間不用進行函數關系的轉化來輔助計算。而間接測量則與此相反，還需要通過函數關系的轉化來輔助計算，才能得出測量結果。

另外，隨著中國對于力學計量當中相關的政策的頒布，力學計量對于相關計量單位測量過程當中的不確定度分析起到了一定的參考作用[1]。由此可見，做好力學計量當中不確定度的分析對物理實驗所需要的數據作出了巨大的貢獻。在此基礎之上，文章將重點來介紹不確定度的概念，根據如何確定計量中不確定度的來源來進行方法上的探究，在探究的過程當中，將重點以一些市場上比較常見的物理測量儀器為依據進行相關數據的分析概括總結。

2 測量不確定度的概念

在介紹不確定度的來源之前，首先應該明確什么是測量不確定度。而測量不僅僅是局限于物理實驗當中的，因為測量的范圍比較廣，除了物理實驗，還會被應用到農業工業出口貿易等各個領域當中。之所以進行測量，主要是為了確定被測量對象的量值，之所以要確定被測量對象的量值，主要是因為測量的質量直接會與國家的安全，國家的經濟發展水平等掛鉤。因為測量在國家領域來說應用的范圍比較廣泛，尤其是航空航天領域，對一些精密的航天儀器在測量時，如果因為測量度不夠準確，就會造成巨大的失誤。另外在國際進出口貿易上，如果測量的量度不夠準確，或者在測量時出現了不確定度，就會使得在國際貿易出口上存在一定的經濟損失。

除了從國家領域的角度來考慮測量的重要性，還應該意識到測量對于人們生活水平以及健康水平的影響，因為在一些藥物領域也要進行測量，藥物領域與人們的生活以及生命安全，身體健康直接掛鉤。在藥物測量當中也可以被分為兩個方面來探討。第一個方面就是相關專業人士在對某些藥物的計量進行配比時，如果測量的精確度不夠，就會使得配比出來的藥物不能發揮其療效以及作用[2]。通過以上的這些例子就可以看出，不確定度在測量當中發揮了十分重要的作用，而且測量過程當中的不確定度，也可以被解釋為測量結果的質量。通常情況下，測量當中的不確定度就是用來測定某一計量單位測量結果以及質量的參考依據，這一參考依據在應用過程當中，往往根據測量的不確定度大小來進行判斷。如果計量單位當中測量不確定度過小，就說明該統計單位當中測量出來的質量較高。相反，如果測得出來的不確定度較大，則說明測量出來的質量比較低。而且上述這些例子還說明，在進行決策之前，不能僅僅依靠測量的數據或者測量得出的結論來直接進行某一事項的決策。因為在決策過程當中，如果僅僅依靠這些測量的數據或者測量時得出的結論來進行測量的話，就會給后期的工作造成無法預計的損失[3]。所以，在力學計量當中應該進一步探討這些計量過程當中出現不確定度的來源，找到這些不確定度存在的來源之后，就可以相對應的提出一些解決措施，盡量減少這些不確定度出現的頻率。

3 測量不確定度的來源

3.1 在測量時沒有準確表明相對應的測量條件

在力學計量過程中，對一些數值進行測量時，之所以存在許多的不確定度，主要是因為在測量之前沒有對于被測量對象應該所處的環境以及條件進行準確的描述。以最簡單的測量某一根鋼筋的長度為例，在測量時一些工作人員往往表述為測量某一根鋼筋的長度，從工作人員的表述，就可以看出其在表述過程當中并沒有明確測量的單位精確到哪一測量單位，也沒有表述被測量對象鋼筋在測量時所處的環境。因為這些鋼筋在測量時，如果所處的環境不同，其所承受的壓力，壓強以及空氣之間的密度等這些參數都會使測量出來的鋼筋長度數據受到影響。因此在對被測量對象測量之前，沒有明確測量的單位被測量對象所處環境，就會使得測量過程當中存在許多不確定度。正因為有了這些不確定度的存在，才會使得所測出來的數值存在一定的偏差，測量得出的結果以及質量也會受到影響。

3.2 測量方法不當

測量方法使用不恰當，也會對被測量對象的精確度造成影響，但是在相關的學測量及統計過程當中，要想使測量方法得到恰當的處理，就需要對被測對象所處的外部環境進行嚴格的控制。但是大部分實驗室在進行測量時，并不能按照規定完整的復原被測量對象所要達到的測量環境，因此被測量對象所受到的壓力，壓強，密度等外部環境因素也不能被改變，所以測得出來的數值會存在一定的偏差。所以說再進行決策之前，并不能僅僅依靠測量出來的數據來作為決策時的參考依據。但是也不能完全忽略這些測量得出來的數據，因為通過測量得出來的數據具備直接性的特點，所以能更加直接的反應被測量對象在所處環境之下的相關系數。在對這些被測量對象進行測量時，還需要不斷調整測量的方法[4]。調整測量方法時，可以根據全國各地不同實驗室具體分布的情況來進行探討。對大部分具有國家批準資格的實驗室相關數據進行統計，尤其是外部環境因素對實驗室力學計量的影響要重點進行統計。將所有統計得來的數據進行匯總分析，通過測量數據匯總分析之后，就可以按照實際情況來制定一套全國通用的測量標準。該標準當中還應該對于不確定度存在的范圍進行嚴格的規定，只要這些實驗室在對力學計量單位進行測量時存在的誤差不超過所規定的范圍，其所測得的數據就具有參考意義。

3.3 測量人員讀數造成的誤差

力學計量不同于普通的單位測量，因為力學計量在物理實驗中應用的范圍較廣，所以在對測得的數據進行讀數時，也對讀數人員有更高的專業要求[5]。通過調查問卷，發現大部分長期從事于實驗室工作的科研人員，在讀數時具有較高的專業水平，但是也有一部分工作人員由于長期處于超負荷工作的狀態，所以其所處環境壓力較大，因此在進行某些實驗的讀數時，會因為個人原因造成讀數時的誤差。這些個別的案例也充分說明了力學計量測量過程當中存在不確定度的因素。為了使這一影響因素對于力學計量單位的不確定度產生的影響降低，就需要減輕一部分實驗室工作人員的工作壓力。對某些需要長期研究的科研項目應該合理分工，分工的過程當中還應該考慮到每個科研人員實際的工作能力與水平。另外，還應該分配專業的指導人士，在普通科研人員與專業指導人士的互相配合之下，這些科研人員的工作壓力才會得到更進一步的減輕。當這些重大科研項目完成之后，應該合理安排科研人員進行精神上的放松，這樣做才能緩解其工作時的壓力，使其繼續在科研過程當中發揮其價值與作用。科研人員到工作水平與能力得到進一步鍛煉之后，其在讀書過程當中產生誤差的可能性也才會更進一步的降低，力學計量當中存在不確定度的影響因素也會慢慢減少。

3.4 測量過程出現誤差

(1)測量順序。應嚴格按照測量規范規定的進行。遺漏或顛倒某一操作過程都有可能造成測量結果的誤差，甚至使測量失去意義。

(2)測量次數。一般來說測量次數不同，測量精度也不同，增加測量次數，可以提高測量精度。但n＞10以后，已減少得非常緩慢。此外，由于測量次數愈大，也愈難保證測量條件的恒定，從而帶來新的誤差，因此一般情況下取n=10以內較為適應。

(3)測量所需時間。有的測量規定必須在一定條件下，一定時間內完成超出則結果不準確。如器具潮態試驗后的泄漏電流測試必須在5 s內完成。

(4)測量點數。操作規范規定測量若干點。但實際檢測中，為節省時間或出于其他考慮減少或增加了測量點數，也對最終結果有影響，如在噪聲測試中。

(5)瞄準方式。測量方法不同，采用的測量儀器不同，對應的瞄準方式也不同，如采取目測或用光學瞄準，其瞄準精度必然不同。

(6)方向性。測量結果須在一定穩態下獲得，實驗中以不同方向趨于穩態，對于有些測量設備，如具有滯后或磁滯性的儀器讀數是不同的。

4 結語

力學計量過程當中不確定度的存在會使得對于某些力學單位進行測量時存在測量精度不高的現象，影響測量的質量與水平。文章重點介紹了測量過程當中不確定度的概念，并就這些不確定度的來源進行了分析，但這些不確定度的來源除了文章介紹到的幾點之外，還有其他的來源。所以需要不斷地發掘這些不確定度來源，從而使力學計量的質量得到更進一步的提升與保證。