不確定度概念、使用與評(píng)定課件

不確定度的概念、使用與評(píng)定——與中國(guó)電力科學(xué)研究院技術(shù)交流報(bào)告（2018.09.27）郭曉濤不確定度的概念、使用與評(píng)定——與中國(guó)電力科學(xué)研究院技術(shù)交流報(bào)目錄/Contents01計(jì)量概述02不確定度的概念03不確定度的使用04不確定度的評(píng)定05其它問(wèn)題與總結(jié)目錄/Contents01計(jì)量概述02不確定度的概念03不確01計(jì)量概述01計(jì)量概述計(jì)量/Metrology0.001m0.0001m0.00001m到底多長(zhǎng)是“1米”？最后一位小數(shù)在哪里？度量衡——商鞅方升計(jì)量——米制公約計(jì)量科學(xué)研究、計(jì)量體系發(fā)展……利用技術(shù)和法制手段實(shí)現(xiàn)單位統(tǒng)一和量值準(zhǔn)確可靠的測(cè)量。計(jì)量/Metrology0.001m0.0001m0.0現(xiàn)代計(jì)量學(xué)c0=299792458m/s1秒：銫133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能階之間躍遷時(shí)所輻射的電磁波的周期的9,192,631,770倍的時(shí)間米（1799）：通過(guò)巴黎的子午線上從地球赤道到北極點(diǎn)的距離的一千萬(wàn)分之一1米：光在真空中行進(jìn)1/299792458秒的距離*所以赤道長(zhǎng)度約為4萬(wàn)千米*第一個(gè)米原器差了0.2毫米導(dǎo)致赤道長(zhǎng)度比4萬(wàn)千米多7863米1×10-7m4×10-9m不再僅僅是尺、斗、秤，基準(zhǔn)量子化是物理學(xué)的基礎(chǔ)之一為世界范圍內(nèi)社會(huì)活動(dòng)提供廣泛而基礎(chǔ)的支撐10-16s現(xiàn)代計(jì)量學(xué)c0=299792458m/s1秒：銫133原子基量值傳遞體系國(guó)際計(jì)量局國(guó)家計(jì)量機(jī)構(gòu)NISTNPLPTBNIM地方計(jì)量機(jī)構(gòu)行業(yè)計(jì)量機(jī)構(gòu)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品……將準(zhǔn)確一致的量值傳遞到需要的地方量值的準(zhǔn)確程度在逐漸變化（不確定度傳播）需要有共同的語(yǔ)言（不確定度的意義）如何掌控好過(guò)程（不確定度評(píng)定）

新趨勢(shì)：量子化與扁平化

以上僅為通俗地介紹不確定度的背景，并不全面量值傳遞體系國(guó)際計(jì)量局國(guó)家計(jì)量機(jī)構(gòu)NISTNPLPTBNIM02不確定度的概念02不確定度的概念不確定度概念1977/1997CommitteeforGuidesinMetrology(JCGM)Evaluationofmeasurementdata—Guidetotheexpressionofuncertaintyinmeasurement(GUM)測(cè)量不確定度（MeasurementUncertainty），簡(jiǎn)稱“不確定度（Uncertainty）”P(pán)arameter,associatedwiththeresultofameasurement,thatcharacterizesthedispersionofthevaluesthatcouldreasonablybeattributedtothemeasurand.JCGM100:2008根據(jù)所用到的信息，表征賦予被測(cè)量值分散性的非負(fù)參數(shù)。JJF1059.1不確定度概念1977/1997Evaluationofm不確定度的常見(jiàn)表達(dá)Y=X,U=UX;k=kpL

=1.003m,U

=0.001m;k=2P=1.02mW,U=0.01mW;k=2P

=0.2dBm,U

=0.1dB;k=2不確定度是測(cè)量結(jié)果的重要組成部分！不確定度的常見(jiàn)表達(dá)Y=X,U=UX;k=kp概念的獨(dú)特性不確定度Uncertainty誤差Error/Accuracy準(zhǔn)確度、準(zhǔn)確性、精確度、精密度……/真值？根本就測(cè)不準(zhǔn)？理論真值測(cè)不準(zhǔn)原理過(guò)去？更重要的是將來(lái)對(duì)未來(lái)測(cè)量結(jié)果分散性的定量估計(jì)和描述定義不規(guī)范統(tǒng)一包含很多定性的成分定義規(guī)范統(tǒng)一定量曾經(jīng)流行仍能看到很常見(jiàn)廣泛使用概念的獨(dú)特性不確定度誤差/準(zhǔn)確度、準(zhǔn)確性、精確度、精密度……03不確定度的使用03不確定度的使用不確定度使用的有效范圍1、只對(duì)確定的定量參數(shù)有效等級(jí)A、B、C等評(píng)不了不確定度2、輸入量的概率分布呈對(duì)稱分布、輸出量的概率分布近似為正態(tài)分布或t分布合格判定就不是對(duì)稱分布的不對(duì)稱或正態(tài)分布的時(shí)候可以近似處理3、測(cè)量模型為線性模型、可以轉(zhuǎn)化為線性模型或者可以用線性模型近似非線性模型情況下可能也有不確定度，但不能用GUM法評(píng)定“有明確定義的、并可用唯一值表征的被測(cè)量估計(jì)值”JCGM100:2008JJF1059.1-2012GUMJCGM101:2008JJF1059.2-2012MonteCarloJCGM101:2011Anynumberofoutputquantities不確定度使用的有效范圍1、只對(duì)確定的定量參數(shù)有效等級(jí)A、B、MonteCarlo方法舉例無(wú)線信道VNAOUTINTXTX無(wú)線信道參數(shù)的計(jì)算均方根時(shí)延展寬信道測(cè)量系統(tǒng)105次隨機(jī)生成樣本統(tǒng)計(jì)分析MonteCarlo方法舉例無(wú)線信道VNAOUTINTXT使用已有的不確定度資源儀器說(shuō)明書(shū)其它技術(shù)資料：檢定證書(shū)、校準(zhǔn)證書(shū)、技術(shù)報(bào)告等最樂(lè)意看到規(guī)范的不確定度描述不規(guī)范的描述，或需要轉(zhuǎn)化的指標(biāo)注意區(qū)別“典型值”使用已有的不確定度資源儀器說(shuō)明書(shū)其它技術(shù)資料：檢定證書(shū)、校準(zhǔn)形成自己的不確定度資產(chǎn)確定自己的能力有不確定度就是進(jìn)步更小的不確定度，體現(xiàn)更高的技術(shù)水平可以被繼續(xù)使用量值傳遞具有規(guī)范性通用性和廣泛性不是所有的量都能做不確定度評(píng)定沒(méi)有必要不停的做不確定度評(píng)定，但是不確定度的理念值得始終堅(jiān)持尚未建立源頭：例如網(wǎng)絡(luò)流量量值傳遞鏈條不完整：例如數(shù)字技術(shù)測(cè)量方法上不完善：例如無(wú)線信道參數(shù)這個(gè)時(shí)候也是有一些其它工作可以做形成自己的不確定度資產(chǎn)確定自己的能力有不確定度就是進(jìn)步更小的04不確定度的評(píng)定04不確定度的評(píng)定從最簡(jiǎn)單的一個(gè)不確定度評(píng)定來(lái)總結(jié)最基本的不確定度評(píng)定流程測(cè)2.45GHz的載波信號(hào)的功率（0dBm）1、分析不確定度來(lái)源和建立測(cè)量模型測(cè)量模型：P=Pmea①儀表測(cè)量能力；②測(cè)量重復(fù)性。2、評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)不確定度ui①儀表測(cè)量能力導(dǎo)致的不確定度分量u1=0.042dB②測(cè)量重復(fù)性導(dǎo)致的不確定度分量u2=0.02dB

。次數(shù)測(cè)量值(dBm)1-0.072-0.053-0.064-0.065-0.066-0.057-0.048-0.059-0.0510-0.063、計(jì)算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc各分量獨(dú)立不相關(guān)，=0.05dB4、確定擴(kuò)展不確定度U取包含因子k=2，U=2Uc=0.1dB從最簡(jiǎn)單的一個(gè)不確定度評(píng)定來(lái)總結(jié)最基本的不確定度評(píng)定流程測(cè)2常見(jiàn)問(wèn)題展開(kāi)1：多個(gè)不確定度來(lái)源的確定與分析1）功率計(jì)參考源輸出電平最大允許誤差a1；2）功率計(jì)探頭校準(zhǔn)因子誤差a2；3）自校準(zhǔn)時(shí)功率傳感器與參考源的失配誤差a3；4）功率傳感器與E4438C信號(hào)發(fā)生器輸出端口失配誤差a4；5）測(cè)量重復(fù)性。從技術(shù)上全面考慮考慮典型分布考慮多個(gè)不確定度來(lái)源的實(shí)例不確定度分量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)不確定度常見(jiàn)問(wèn)題展開(kāi)1：多個(gè)不確定度來(lái)源的確定與分析1）功率計(jì)參考源常見(jiàn)問(wèn)題展開(kāi)2：合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度與常見(jiàn)疏漏最常見(jiàn)的：認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量之間不相關(guān)，則直接用平方和開(kāi)平方得到合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度如果測(cè)量模型是復(fù)雜模型，但是分量之間互不相關(guān)非線性單位（dB）不能直接平方與開(kāi)平方!!!常見(jiàn)問(wèn)題展開(kāi)2：合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度與常見(jiàn)疏漏最常見(jiàn)的：認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)常見(jiàn)問(wèn)題展開(kāi)3：不確定度的最終表現(xiàn)形式不確定度沒(méi)有正負(fù)號(hào)不確定度的有效數(shù)字1~2位P=1.02mW,U=0.01mW;k=2單個(gè)的不確定度分段或者矩陣形式用函數(shù)的形式表示國(guó)家衰減基準(zhǔn)NationalAttenuationStandard頻率:10kHz~40GHz衰減:0dB~90dB不確定度:(0.002+0.0002×A)dBk=2保存機(jī)構(gòu)：計(jì)量院用相對(duì)不確定度表示國(guó)家功率基準(zhǔn)NationalPowerStandard頻率:10MHz~50GHz功率:10mW不確定度:0.5%k=2保存機(jī)構(gòu)：計(jì)量院不確定度可以往大了評(píng)，但不能往小了評(píng)28.05=29常見(jiàn)問(wèn)題展開(kāi)3：不確定度的最終表現(xiàn)形式不確定度沒(méi)有正負(fù)號(hào)不確不常見(jiàn)問(wèn)題不展開(kāi)不確定度分量有相關(guān)性及相關(guān)系數(shù)自由度一系列概念測(cè)量精密度測(cè)量重復(fù)性測(cè)量復(fù)現(xiàn)性零的測(cè)量不確定度幾個(gè)不常用方法和操作貝塞爾公式法極差法合并標(biāo)準(zhǔn)偏差預(yù)評(píng)估重復(fù)性符號(hào)、格式與含義的對(duì)應(yīng)不常見(jiàn)問(wèn)題不展開(kāi)不確定度分量有相關(guān)性及相關(guān)系數(shù)自由度一系列概05其它問(wèn)題與總結(jié)05其它問(wèn)題與總結(jié)信息電子領(lǐng)域的特殊性涉及的都是基本物理量的導(dǎo)出量甚至“多層導(dǎo)出量”不確定度的水平普遍沒(méi)有那么高很多時(shí)候不滿足10倍量傳，甚至3倍量傳也做不到涉及的設(shè)備和應(yīng)用參數(shù)非常多測(cè)量?jī)x器的發(fā)展已經(jīng)在較高水平上進(jìn)入瓶頸帶來(lái)綜合影響開(kāi)展不確定度評(píng)定和應(yīng)用的難度更大但需求也更大信息電子領(lǐng)域的特殊性涉及的都是基本物理量的導(dǎo)出量甚至“多層導(dǎo)辯證思考不確定度這一體系比對(duì)基標(biāo)準(zhǔn)層面的研究溯源鏈條的梳理與研究能力驗(yàn)證先進(jìn)測(cè)試方法的研究不確定度的體系很理