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1、不确定度概念及评定1. 不确定度概念不确定度就是表征被测量的真值所处的量值范围的评定。它是对测量结果受测量误差影响不 确定程度的科学描述。具体地说，不确定度定量地表示了随机误差和未定系统误差的综合分布 范围，它可以近似地理解为一定置信概率下的误差限值。分类：一是用统计学方法计算的A类标准不确定度u ,它可以用实验标准误差来A表征；另一类是其它非统计学方法（或者说经验的方法）评定的B类标准不确定度u。B2. 标准不确定度评定考虑正态分布，有兰（X X）2|iu S i=iA x n （n 1）u二A（ A为仪器的仪器误差限，并认为它是均匀分布） B上式称为贝塞尔公式。3.合成标准不确定度ucA类
2、和B类标准不确定度用方和根方法合成，得到直接测量结果的合成标准不确定度u，即cU = :U 2 + u 2 c 、AB4.扩展不确定度u在工程技术中，置信概率p通常取较大值，此时的不确定度称为扩展不确定度。常用标准不 确定度的倍数表达，即U = ku （ k = 2、3 ）c当k取2,且对应不确定度分布为正态分布时，置信概率P约为95%。而当不确定度分布 不明确时，我们不具体说它的置信概率是多少。在实验教学中，统一用U = 2u （我们认定总的不确定度符合正态分布）来对实验结果进 c行评定。在此我们约定，用u （x）、u （x）、u、U分别表示某被测量的标准A类、BABXX类、合成和扩展不确定
3、度。一般情况若我们不特别指明，不确定度均指扩展不确定度。三、测量结果的表达1. 单次测量单次测量在实验中经常遇到，很显然，A类不确定度无法由贝塞尔公式计算，但并不表示它 不存在。在教学实验中，我们可认为u u，从而得到ABu u = A / * 3c B其中 A 为仪器误差限。A一般取仪器最小分度值。对于电工仪表有两种情况：电表：A =量程X准确度等级（%）电阻箱、电桥、电势差计等可以近似取A =示值X准确度等级（）因此，测量结果可表达为x = x * 3uc2. 多次直接测量设测量值分别为Xi, X2,，Xn ，则X = 乙X ni i=1公(X - X )2iu = S_ =4A x n
4、(n 1)u = , u 2 + u 2 c 、A B测量结果表示为：x = x 2ucE = （用百分数表示）例 1 -用千分尺测量一圆柱体的直径D，测量数据如下：（单位：mm ）量次123456789直181817171818171817径.003.000.998.994.002.005.998.005.999试求其不确定度U （D）。D =丄 f D =18.000 mm 10 iI=1艺(D - D)2IIu = i=i=0.0013 mma . 10(10 -1)UB = A 小=0058 mmu (D) = S2 + u 2 = ；0.00132 + 0.00582 = 0.006
5、 mm cDB结果为D = 18.000 土 0.0012 mmE = 0.06%例 2.用0.5级量程2.00V的电压表测得电阻两端的电压值如下（单位:V）:1111111111.54.55.53.56.52.54.56.55.54.53试计算出电压的不确定度u（ U）。cU =兰 U 沁 1.542 v10 iI=1，艺(V - V)2u = S_ = 0.004 vA U10(10 -1)A = 2.00X0.5% = 0.01 vuB = A/- = 0.0058 Vu(U)= JS_2 + u 2 = v0.0042 + 0.00582 百 0.0072 v cuB结果为U = 1.
6、542 土 0.015 vE = 1%四、间接测量结果的评定在间接测量中,待测量是直接测定量的函数。由于各直接测定量不可避免地存在误差，必 然会导致间接测定量产生误差。相应地，各直接测量不确定度将会按某种规律影响间接测量 结果的总不确定度。这就是间接测量结果的不确定度的合成。1.不确定度传递公式设间接测定量y是各直接测定量x ,x x的函数，即 1 2 my 二 f (x, x x )1 2 m若各直接测定量的平均值为x (i二1,2,.,m ),则间接测定量y的平均值为iy 二 f(x, x ，,x)12 m基于随机误差的抵偿性不难证明，上式就是间接测定量的最佳估计值。若各直接测定量相互独立
7、，其误差为Ax (i二1,2,.,m)，则由此产生的间接量y的标 i准不确定度为dxAx +1f Ax +. +dx22f Axdxmm对于已定系统误差Ax (i二1,2,.,m)，其大小和符号确定，可以直接用上式计算间接i 测定量的误差，即上式就是已定系统误差合成公式。( )2U(x)2 + (-)2u(x)2 + . + ()2U(x)2dxc 1dxc 2dxc m12m接测定量x的标i一般情况下，我们要求以不确定度大小来评价成立结果。按照国家测量误差及数据 处理技术规范JJG1027-91要求及国际惯例，间接测定量的合成不确定度采用方和根方式 合成，将上式改写为其 中uy)=u(x )
8、(i = 1,2,., m)为直ci 准不确定度。这就是间接测量结果的不确定度合成公式(误差传递公式)。两点提示：(1) 间接测定量的合成不确定度不仅依赖于各直接测定量的不确定度/、dfu(x)，而且还与系数彳-(不确定度传递系数)有关。因此，测量时应该首先注意提高 c idxi不确定度传递系数比较大的直接测定量的测量准确度。(2) 考虑到不确定度只保留1-2位有效数字，在实际的不确定度合成计 算过程中，如果发现公式中某几分项不确定度相对很小且其方和根小于某另一分项的1/3， 即几小项的平方和小于某一大项平方的1/9，则可忽略这些微小项不计。这称为微小误差取 舍准则。利用微小误差取舍准则可以简
9、化计算，尤其当项数较多时，这种简化更是必要。例3.测量圆柱体的体积，分别用游标卡尺和螺旋测微计测量圆柱体的高H和直径D,测量 数据如下：高 H = 45.04 mm (单次测量)直径 D = 16.272，16.272，16.274，16.271，16.275，16.270，16.271，16.273 mm (游标卡尺分度值0.02 mm, 级螺旋测微计测量范围0-25 mm,示值误差限为0.004 mm)， 试计算圆柱体的体积和合成不确定度。解：先计算直接测量量高H和直径D的平均值及其标准不确定度。其中单次测量量高的标准不确定度u (H) = A / * 3 = 0.012mmcH直径的标准
10、不确定度D = f D = 16.2726mm8 ii=1丈(D - D)21iu (D) = S一 = i= 0.0007mmAD(8 -1)8u (D) = A /1 3 = 0.0022mmBDu (D) = ：S_2 + u 2 = 0.0023mm c DB圆柱体体积兀3 1416V = HD2 = X 45.04 X 16.27262 = 9367 mm 344这里V与H和D为乘除关系，据经验，先求V的相对不确定度Ay/V。为了简便,兀先对V = T HD2两边取对数4兀In V = In H + 2ln D + In4两边全微分，有dV dHdD= + 2VHD换微分为相对标准不
11、确定度，得V的相对不确定度)2u (V)cV.,0.0007)2 + (20.002316)2= 3.5 X10-4体积的绝对标准不确定度u( V)= V - E = 9.4 x 103 x 3.5 x 10 -4 = 3.3mm 3 cV圆柱体体积测量结果为V = 9367 土 7mm33. 实验教学中有关不确定度公式推导举例例4在光栅衍射测量光的波长实验中，其公式为dsin甲二k九(k = h2、),其中d、9为直接测量量，试推导出波长的不确定度表达式。解：当 k 取定后，对公式取对数，得In X + In k = In d + ln sin 9dX dd cos 9T =药+丽d9对上式微分有dd+ ctg9d9d上式用不确定度改写为EXu(X)cXu (d)-c - d+(ctg9u(9)c上式即波长的相对标准不确定度。由它很容易得到绝对不确定度。 从以上的解题过程可看到，对有些间接测量若因变量与自变量关系是以乘 除关系为主，则先计算相对标准不确定度再计算绝对不确定度显得更为简单。 其基本方法是：1.先取对数2. 对对数表达式微分3. 将微分改为标准不确定度4. 在方和根合成即可得到相对标准不确定度。
