武漢測(cè)試儀器檢驗(yàn)中心-附近機(jī)構(gòu)

校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室中的不確定度應(yīng)關(guān)注哪些？
在ISO等國(guó)際組織1993年聯(lián)合頒布《測(cè)量不確定度表示指南(GUM)》以前，我國(guó)計(jì)量系統(tǒng)在計(jì)量規(guī)程和系統(tǒng)表制定、計(jì)量基標(biāo)準(zhǔn)建立、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)定值、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核等工作中廣泛應(yīng)用的是測(cè)量誤差理論。GUM的頒布為全球測(cè)量不確定度評(píng)定與表示提出了通用方法，后來(lái)又推出包括蒙特卡洛法(MCM)等補(bǔ)充性文件。

　　實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可尤其是校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的要求推動(dòng)了測(cè)量不確定度的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可要求校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室評(píng)估開(kāi)展項(xiàng)目的不確定度、校準(zhǔn)和測(cè)量能力(CMC)，以及在校準(zhǔn)證書(shū)中報(bào)告測(cè)量不確定度，下面分別進(jìn)行討論。

　　1.校準(zhǔn)項(xiàng)目測(cè)量不確定度評(píng)估程序

　　ISO/IEC17025《檢測(cè)和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可準(zhǔn)則》規(guī)定，校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室或進(jìn)行自校準(zhǔn)的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室，對(duì)所有的校準(zhǔn)和各種校準(zhǔn)類(lèi)型都應(yīng)具有并應(yīng)用評(píng)定測(cè)量不確定度的程序。一般采用GUM方法進(jìn)行評(píng)估，GUM主要適用條件：

　　(1)可以假設(shè)輸入量的概率分布呈對(duì)稱(chēng)分布。

　　(2)可以假設(shè)輸出量的概率分布近似為正態(tài)分布或t分布。

　　(3)測(cè)量模型為線性模型、可轉(zhuǎn)換為線性的模型或可用線性模型近似的模型。

　　評(píng)定測(cè)量不確定度的程序包括明確被測(cè)量、測(cè)量原理、測(cè)量方法、測(cè)量條件以及所用的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)量?jī)x器或測(cè)量系統(tǒng)。建立被測(cè)量的數(shù)學(xué)模型，分析并列出對(duì)測(cè)量結(jié)果有明顯影響的不確定度來(lái)源;定量評(píng)定各輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，由輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度乘靈敏系數(shù)得到輸出量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量;計(jì)算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度;確定擴(kuò)展不確定度;報(bào)告測(cè)量結(jié)果。

　　不符合采用GUM評(píng)估不確定度條件時(shí)，可考慮采用蒙特卡洛法。

　　從目前取得CNAS認(rèn)可的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的能力表可以看出，絕大部分校準(zhǔn)方法是采用統(tǒng)一的計(jì)量技術(shù)規(guī)范，包括*計(jì)量規(guī)程和*計(jì)量校準(zhǔn)規(guī)范，這些計(jì)量技術(shù)規(guī)范在制定過(guò)程中已經(jīng)進(jìn)行了測(cè)量不確定度評(píng)估，并遵循*計(jì)量系統(tǒng)表(*溯源等級(jí)圖)。所以校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室采用的校準(zhǔn)方法采用*計(jì)量技術(shù)規(guī)范，并按照相應(yīng)*計(jì)量技術(shù)規(guī)范的規(guī)定采用滿足要求的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具、環(huán)境條件、校準(zhǔn)過(guò)程時(shí)，在被校準(zhǔn)對(duì)象處于正常條件下，校準(zhǔn)結(jié)果不確定度已經(jīng)得到控制，即存在目標(biāo)測(cè)量不確定度。這種情況下校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量不確定度評(píng)估，一定程度上是驗(yàn)證*計(jì)量技術(shù)規(guī)范不確定度傳播的正確性。雖然如此，校準(zhǔn)方法采用*計(jì)量技術(shù)規(guī)范時(shí)，實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行不確定度的評(píng)估是有必要的。除了校準(zhǔn)證書(shū)需要對(duì)客戶提供校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度，另一方面校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室也需要通過(guò)分析校準(zhǔn)結(jié)果測(cè)量不確定度的主要來(lái)源并且加以控制，如掌握現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)時(shí)必須掌握環(huán)境條件變化對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果不確定度的影響，參加比對(duì)和能力驗(yàn)證時(shí)能夠評(píng)估特定情況下的不確定度。

　　理論上，實(shí)驗(yàn)室應(yīng)對(duì)全部校準(zhǔn)項(xiàng)目、校準(zhǔn)參量和校準(zhǔn)結(jié)果的測(cè)量不確定度進(jìn)行預(yù)評(píng)估。依據(jù)*計(jì)量技術(shù)規(guī)范進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，校準(zhǔn)項(xiàng)目通常為規(guī)程中規(guī)定的“示值誤差”等主要計(jì)量特性，一般情況下還對(duì)規(guī)程規(guī)定的其他特性進(jìn)行校準(zhǔn)。例如鋼直尺的校準(zhǔn)，除了線紋示值誤差外，還有尺面平面度、尺端側(cè)邊直線度、尺端邊與側(cè)邊垂直度等相關(guān)特性，而校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室一般除了評(píng)估和報(bào)告示值誤差的不確定度外，并沒(méi)有評(píng)估其他相關(guān)特性的不確定度，實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可公布的校準(zhǔn)能力中也沒(méi)有這些特性，但這些相關(guān)特性對(duì)于校準(zhǔn)工作并不是可有可無(wú)，因?yàn)檫@些相關(guān)特性如果不保障，示值誤差和準(zhǔn)確度一定程度上無(wú)從說(shuō)起。

　　當(dāng)實(shí)驗(yàn)室采取非標(biāo)準(zhǔn)方法和實(shí)驗(yàn)室制定的方法進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，評(píng)估測(cè)量不確定度尤為重要。實(shí)驗(yàn)室除了按照常規(guī)程序進(jìn)行不確定度評(píng)估，還可以通過(guò)試驗(yàn)對(duì)不確定度各個(gè)影響量進(jìn)行分析，必要時(shí)采取比對(duì)的方式對(duì)不確定度進(jìn)行驗(yàn)證。

　　對(duì)一個(gè)校準(zhǔn)參量或項(xiàng)目的完整的測(cè)量不確定度評(píng)估，要求包含可校準(zhǔn)的所有類(lèi)型被校儀器，以及其全部校準(zhǔn)點(diǎn)。幾乎所有的測(cè)量不確定度，實(shí)際上并不需要對(duì)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)逐一進(jìn)行完整的評(píng)估。通常情況下，完成一個(gè)典型點(diǎn)的測(cè)量不確定度評(píng)估后，分析其測(cè)量不確定度分量匯表，哪些不確定度分量會(huì)因測(cè)量點(diǎn)、被校儀器準(zhǔn)確度等級(jí)、分辨力、測(cè)量重復(fù)性的不同以及環(huán)境條件變化而改變，并歸納其關(guān)聯(lián)以及在不確定度分量數(shù)值上的關(guān)系。當(dāng)這種關(guān)系確定后，其他的不確定度值就較容易計(jì)算出來(lái)。

　　2.校準(zhǔn)和測(cè)量能力

　　校準(zhǔn)和測(cè)量能力(CMC)是校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室在常規(guī)條件下能夠提供給客戶的校準(zhǔn)和測(cè)量的能力，其應(yīng)是在常規(guī)條件下的校準(zhǔn)中可獲得的*小的測(cè)量不確定度。國(guó)際上，實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可合作組織(ILAC)互認(rèn)協(xié)議的認(rèn)可機(jī)構(gòu)認(rèn)可的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的認(rèn)可范圍中原來(lái)使用的是*測(cè)量能力(BMC)，而簽署CIPM互認(rèn)協(xié)議的各*在國(guó)際(BIPM)的關(guān)鍵比對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)(KCDB)中使用的是校準(zhǔn)測(cè)量能力。鑒于CMC和BMC沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，2007年BIPM和ILAC統(tǒng)一使用CMC。CNAS于2011年在其文件中關(guān)于校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量不確定度的要求等同采用了ILAC-P14：2010《校準(zhǔn)領(lǐng)域測(cè)量不確定度的政策》內(nèi)容。

　　應(yīng)特別注意當(dāng)被測(cè)量的值是一個(gè)范圍時(shí)，CMC通?？梢杂孟铝幸环N或多種方式表示：

　　(1)CMC用整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)都適用的單一值表示。

　　(2)CMC用范圍表示。

　　(3)CMC用被測(cè)量值或參數(shù)的函數(shù)表示。

　　(4)CMC用矩陣表示。

　　(5)CMC用圖形表示。

　　一般情況下，CMC應(yīng)該用包含概率約為95%的擴(kuò)展不確定度表示。CMC的單位應(yīng)當(dāng)始終與被測(cè)量一致，或者使用與被測(cè)量的單位相關(guān)的其他單位表示，例如用百分比表示。當(dāng)CMC的單位與被測(cè)量不一致時(shí)，應(yīng)給出必要的說(shuō)明。

　　CMC的評(píng)估和常規(guī)校準(zhǔn)結(jié)果的測(cè)量不確定度的評(píng)估過(guò)程是一樣的，但CMC是在“常規(guī)條件”下評(píng)估，并且選擇的校準(zhǔn)對(duì)象應(yīng)該是對(duì)該參量可校準(zhǔn)的*性能的器具?！俺Ｒ?guī)條件”是指測(cè)量?jī)x器、測(cè)量人員、測(cè)量方法、環(huán)境條件為實(shí)驗(yàn)室在其認(rèn)可條件下所正常達(dá)到的要求，而被校準(zhǔn)對(duì)象必須處于“接近理想”的狀態(tài)。CMC不能包括被校準(zhǔn)儀器的缺陷的物理效應(yīng)影響。必須強(qiáng)調(diào)的是，這并不是說(shuō)不考慮被校準(zhǔn)儀器對(duì)不確定度的影響，而是這種影響處于理想的*小狀態(tài)。也就是說(shuō)，針對(duì)一種實(shí)際存在的被校準(zhǔn)儀器，且準(zhǔn)確度*，分辨力*小，重復(fù)性*小，漂移*小，其他特性影響*小。

　　對(duì)于校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室，其CMC與開(kāi)展項(xiàng)目的測(cè)量不確定度評(píng)估可以合并完成，校準(zhǔn)證書(shū)所給出的不確定度也是依據(jù)同樣的流程。鑒于JJF1033《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》中的測(cè)量不確定度評(píng)估已全面采用GUM方法，通過(guò)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核的實(shí)驗(yàn)室可以把這幾個(gè)方面的測(cè)量不確定度評(píng)定結(jié)合起來(lái)。但是，CMC、校準(zhǔn)結(jié)果不確定度、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核的不確定度計(jì)算是有區(qū)別的，主要體現(xiàn)在被校準(zhǔn)對(duì)象所引入的不確定度的考慮。

　　3.校準(zhǔn)證書(shū)

　　校準(zhǔn)證書(shū)是校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的*終產(chǎn)品，校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量不確定度評(píng)估程序、CMC評(píng)定都是服務(wù)于校準(zhǔn)證書(shū)中的校準(zhǔn)結(jié)果測(cè)量不確定度，ISO/IEC17025規(guī)定，校準(zhǔn)證書(shū)應(yīng)報(bào)告測(cè)量不確定度和/或符合確定的計(jì)量規(guī)范或條款的聲明。

　　CNAS-CL07：2011《測(cè)量不確定度的要求》要求校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室一般情況下校準(zhǔn)結(jié)果應(yīng)包括測(cè)量結(jié)果的數(shù)值y和其擴(kuò)展不確定度U;獲認(rèn)可的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室在證書(shū)中報(bào)告的測(cè)量不確定度，不得小于(優(yōu)于)認(rèn)可的CMC。CNAS-CL06：2014《測(cè)量結(jié)果的溯源性要求》認(rèn)為校準(zhǔn)結(jié)果的測(cè)量不確定度及其溯源性信息是證明計(jì)量溯源性的必要內(nèi)容。我國(guó)的計(jì)量機(jī)構(gòu)依據(jù)相關(guān)法律法規(guī)對(duì)屬于強(qiáng)制管理的計(jì)量器具實(shí)施的，“證書(shū)”通常包含溯源性信息，如果未包含測(cè)量結(jié)果的不確定度信息，合格評(píng)定機(jī)構(gòu)應(yīng)索取或評(píng)估測(cè)量結(jié)果的不確定度。

　　計(jì)量?jī)x器校準(zhǔn)結(jié)果確認(rèn)后，對(duì)其提供的測(cè)量不確定度如何正確應(yīng)用，要區(qū)分不同的儀器和不同的使用。測(cè)量?jī)x器的使用一般可歸納為兩種形式：*種經(jīng)評(píng)定得出示值誤差后對(duì)測(cè)量?jī)x器的示值進(jìn)行修正或者定值，被校準(zhǔn)儀器的準(zhǔn)確度對(duì)應(yīng)校準(zhǔn)結(jié)果測(cè)量值的不確定度;第二種是直接使用示值，這時(shí)被校準(zhǔn)儀器的準(zhǔn)確度對(duì)應(yīng)被校準(zhǔn)儀器指示值的*允許誤差(MPE)。

　　表1 砝碼校準(zhǔn)結(jié)果

　　表1為依據(jù)JJG99-2006《砝碼規(guī)程》進(jìn)行校準(zhǔn)獲得的一套F2等級(jí)砝碼的校準(zhǔn)結(jié)果，砝碼使用時(shí)，既可以使用實(shí)際值又可以使用標(biāo)稱(chēng)值。使用實(shí)際值時(shí)，實(shí)際值=標(biāo)稱(chēng)值+修正值?？蛻艨梢允褂米C書(shū)給出的校準(zhǔn)結(jié)果不確定度，也可以使用規(guī)程規(guī)定不確定度，校準(zhǔn)結(jié)果不確定度一般小于或等于規(guī)程規(guī)定的不確定度。實(shí)際應(yīng)用中，更多情況下，客戶使用的是規(guī)程規(guī)定的不確定度，因?yàn)檫@是上限值，只要滿足有關(guān)等級(jí)的要求，這個(gè)值是不變的。使用校準(zhǔn)結(jié)果不確定度還受其他相關(guān)特性的影響，對(duì)于F2等級(jí)砝碼，這些特性包括諸如穩(wěn)定性(調(diào)節(jié)腔有調(diào)整物)、磁化率、密度等因素，即使校準(zhǔn)結(jié)果不確定度再小，也可能并不提高砝碼的準(zhǔn)確度。

　　第二種情形，按照J(rèn)JF1094-2002《測(cè)量?jī)x器特性評(píng)定》規(guī)定，如果依據(jù)*計(jì)量技術(shù)規(guī)范，或者在測(cè)量不確定度不出*允許誤差(±MPE)*值的1/3條件下，可以不考慮測(cè)量不確定度對(duì)符合性的影響。就是說(shuō)，客戶是不需要使用到不確定度的。實(shí)際上，大量的儀器，尤其是工作計(jì)量器具都屬于這種情形。例如，依據(jù)JJG30-2012《通用卡尺規(guī)程》校準(zhǔn)量程200mm、分度值0.02mm的游標(biāo)卡尺，對(duì)于該卡尺，客戶只要知道卡尺在0～200mm范圍內(nèi)使用，*允許誤差為±0.03mm，而測(cè)量不確定度U=0.01mm并不是卡尺的計(jì)量特性。由于校準(zhǔn)點(diǎn)有限且示值誤差沒(méi)有線性關(guān)系，卡尺沒(méi)必要也無(wú)法修正使用。另外，對(duì)卡尺的其他相關(guān)特性如測(cè)量面的平面度、刀口內(nèi)量爪平行度等的符合性評(píng)判，是保證示值誤差滿足要求的必要條件。

　　我國(guó)目前擁有*計(jì)量規(guī)程918項(xiàng)、*校準(zhǔn)規(guī)范477項(xiàng)、型式評(píng)價(jià)大綱92項(xiàng)、計(jì)量系統(tǒng)表95項(xiàng)，還有其他*計(jì)量規(guī)范38項(xiàng)以及大量的行業(yè)、地方規(guī)程，體系相對(duì)完善，這是世界上其他*和地區(qū)所不能比擬的。常見(jiàn)計(jì)量器具都可以找到相應(yīng)的*計(jì)量技術(shù)規(guī)范，這些計(jì)量技術(shù)規(guī)范自起草過(guò)程已經(jīng)充分考慮吸收了目前國(guó)際國(guó)內(nèi)相關(guān)文件的術(shù)語(yǔ)、符號(hào)與定義，以及相關(guān)的技術(shù)要求、技術(shù)指標(biāo)和方法，分析了測(cè)量不確定度和量值溯源的合理性，基本代表著我國(guó)目前的水平。前面舉例所提到的鋼直尺，依據(jù)JJG1-1999《鋼直尺規(guī)程》，采用三等金屬線紋尺作為標(biāo)準(zhǔn)器，對(duì)于1m的鋼直尺，測(cè)量不確定度U=0.05mm，與鋼直尺*允許誤差±0.20mm相比處于一個(gè)合理范圍。有了這項(xiàng)統(tǒng)一的計(jì)量技術(shù)規(guī)范，各級(jí)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)、各類(lèi)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室，都采用了統(tǒng)一的方法對(duì)鋼直尺進(jìn)行校準(zhǔn)。在我國(guó)目前被校準(zhǔn)儀器數(shù)量巨大、校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)和儀器使用單位技術(shù)水平參差不齊的情況下，這無(wú)疑有利于保障校準(zhǔn)工作水平和提高校準(zhǔn)工作效率。這里所分析的鋼直尺是*簡(jiǎn)單的儀器，對(duì)于比較復(fù)雜的計(jì)量器具，如采用0.02級(jí)活塞壓力計(jì)對(duì)0.05級(jí)活塞壓力計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，如果沒(méi)有統(tǒng)一的校準(zhǔn)方法，沒(méi)有明確的符合性評(píng)定，而是通過(guò)對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果和不確定度的分析，從校準(zhǔn)結(jié)果來(lái)確認(rèn)被校準(zhǔn)0.05級(jí)活塞壓力計(jì)是否滿足使用要求，對(duì)客戶是有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)難度的。

　　我們可以得出這樣的結(jié)論，對(duì)于校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室、校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可評(píng)審以及客戶對(duì)校準(zhǔn)證書(shū)的確認(rèn)，測(cè)量不確定度應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注在非標(biāo)準(zhǔn)方法和實(shí)驗(yàn)室制定的校準(zhǔn)方法上 64827yfl。