主题:【转帖】一个简单的不确定度分析实例

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一个简单的不确定度分析实例

摘自英国物理实验室出版的Measurement Good Practice Guide No.11《测量不确定度初学者指南》。
例3计算一根绳子长度的不确定度
步骤1.确定你从你的测量中需要得到的是什么,为产生最终结果,要决定需要什么样的实际测量和计算。你要测量长度而使卷尺。除了在卷尺上的实际长度读数外,你也许有必要考虑:
        卷尺的可能误差
        卷尺是否需要修正或者是否有了表明其正确读数的校准
        那么校准的不确定度是多少?
        卷尺易于拉长吗?
        可能因弯曲而使其缩短吗?从它校准以来,它会改变多少?
        分辩力是多少,即卷尺上的分度值是多少(如mm)?
        由于被测对象的可能误差
        绳子伸直了吗?欠直还是过直?
        通常的温度或湿度(或任何其它因素)会影响其实际长度吗?
        绳的两端是界限清晰的,还是两端是破损的?
        由于测量过程和测量人员的可能误差
        绳的起始端与卷尺的起始端你能对得有多齐?
        卷尺能放得与绳子完全平行吗?
        测量如何能重复?
        你还能想到其它问题吗?
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步骤2.实施所需要的测量。你实施并记录你的长度测量。为了格外充分,你进行重复测量总计10次,每一次都重新对准卷尺(实际上也许并不十分合理!)。让我们假设你计算的平均值为5.017米(m),估计的标准不确定度为0.0021m(即2.1mm)。
对于仔细测量你还可以记录:
        你在什么时间测量的
        你是如何测的,如沿着地面还是竖直的,卷尺反向测量与否,以及你如何使卷尺对准绳子的其它详细情况
        你用的是哪一个卷尺
        环境条件(如果你认为会影响你测量结果的那些条件)
        其它可能相关的事项
步骤3.估计供给最终结果的各输入量的不确定度。以同类项(标准不确定度)表述所有的不确定度。你要检查所有的不确定度可能来源,并估计其每一项大小。假定是这样的情况:
        卷尺已校准过。虽然它没有修正必要,但校准不确定度是读数的0.1%,包含因子k=2(对正态分布)。在此情况下,5.017m的0.1%接近5mm。再除以2就给出标准不确定度(k=1)为u=2.5mm。
        卷尺上的分度值为毫米。靠近分度线的读数给出的误差不大于±0.5mm。我们可以取其为均匀分布的不确定度(真值读数可能处在1mm间隔内的任何地方——即±0.5mm)。为求得标准不确定度u,我们将半宽(0.5mm)除以 ,得到近似值u=0.3mm。
以上是全部B类评定,下面是A类评定。
        标准偏差告诉我们的是卷尺位置可重复到什么程度,及其对平均值的不确定度贡献了多少。10次读数平均值的估计的标准偏差用3.6节的公式来求:
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让我们假定在本例中不需要考虑其它不确定度了。(实际上,很可能需要计入其它一些问题。)
步骤4.确定各输入量的误差是否彼此不相关。(如果你认为有相关的,那么就需要某些额外的计算和信息)按本例情况,我们就说输入量都不相关。
步骤5.计算你的测量结果(包括对校准等事项的已知修正值)。该测量结果取自平均读数值,加上卷尺放得稍歪的必要修正值,即
5.017m+0.010m=5.027m
步骤6.根据所有各个方面情况求合成标准不确定度。求测量结果所用的唯一计算是加修正值,所以能以最简单的方式采用平方和法(7.2.1节采用的公式)。标准不确定度被合成如下:
合成标准不确定度=(2.5^2+0.3^2+5.8^2+0.7^2)^1/2=6.4mm(取到一位小数)
步骤7.用包含因子(参见7.4节),与不确定度范围的大小一起,表述不确定度,并说明置信概率。对包含因子k=2,就用2乘以合成标准不确定度,则给出扩展不确定度为12.8mm(即0.0128m)。这赋予的置信概率约为95%。
步骤8.记下测量结果和不确定度,并说明你是如何得到它们的。你可以记述如下:
“绳子的长度为5.027m±0.013m。报告的扩展不确定度是根据标准不确定度乘以包含因子k=2得出的,提供的置信概率约为95%。”
“报告的长度是对水平放置的绳子作10次重复测量的平均值。估计了测量时绳子放置不完全直的影响,而对测量结果作了修正。不确定度是按《测量不确定度初学者指南》的方法估算的。”
不确定度来源        数值        概率分布        除数        标准不确定度
校准不确定度        5.0mm        正态        2        2.5mm
分辩力(分度大小)        0.5mm*        矩形        3^1/2    0.3mm
绳子放置不完全直        10.0mm*        矩形        3^1/2    5.8mm
10次重复读数平均
值的标准不确定度        0.7mm        正态        1        0.7mm
合成标准不确定度                假设的正态                6.4mm
扩展不确定度                假设的正态            12.8mm
                                (k=2)
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