高宇海

(甘肅省計(jì)量研究院，蘭州 730070)

0　引言

對(duì)一個(gè)校準(zhǔn)參量或項(xiàng)目的完整測(cè)量不確定度評(píng)估包含對(duì)CMC的評(píng)估和對(duì)可校準(zhǔn)的所有類型被校儀器及其全部校準(zhǔn)點(diǎn)的測(cè)量不確定度評(píng)估。其中CMC即校準(zhǔn)和測(cè)量能力是校準(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)量能力，其應(yīng)是在常規(guī)條件下的校準(zhǔn)中可獲得的最小測(cè)量不確定度，是實(shí)驗(yàn)室最具價(jià)值的核心競(jìng)爭(zhēng)力。CMC評(píng)估和常規(guī)校準(zhǔn)結(jié)果的測(cè)量不確定度評(píng)估雖然過(guò)程一樣，但在具體方法上又存在一定區(qū)別，本文對(duì)此進(jìn)行討論。

1　CMC評(píng)估必須在常規(guī)條件下

CMC是實(shí)驗(yàn)室在常規(guī)條件下校準(zhǔn)所獲得的最小測(cè)量不確定度，該常規(guī)條件就是實(shí)驗(yàn)室日常開(kāi)展工作時(shí)實(shí)際能夠滿足的條件，為正確反映實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量能力，保證校準(zhǔn)中獲得最小不確定度，對(duì)其中的各影響因素如計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備、人員、校準(zhǔn)方法及環(huán)境條件等在常規(guī)條件的范圍內(nèi)可選擇時(shí)應(yīng)按最優(yōu)配置，如實(shí)驗(yàn)室有兩臺(tái)準(zhǔn)確度等級(jí)相同且檢定合格的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，則應(yīng)選擇重復(fù)性、穩(wěn)定性較好的一臺(tái)，檢定人員應(yīng)選擇相對(duì)熟練的人員，校準(zhǔn)方法可選擇時(shí)，應(yīng)采用不確定度相對(duì)較小的方法，如光滑環(huán)規(guī)直徑尺寸校準(zhǔn)，應(yīng)盡可能采用相同標(biāo)稱尺寸比較測(cè)量，對(duì)于環(huán)境條件應(yīng)在實(shí)際控制范圍內(nèi)各影響量取最小值，在這樣的常規(guī)條件下評(píng)估的CMC才能反映實(shí)驗(yàn)室的最高測(cè)量水平。

目前一些實(shí)驗(yàn)室依據(jù)檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范中給出的或作業(yè)指導(dǎo)書、技術(shù)報(bào)告中評(píng)定的不確定度進(jìn)行CMC評(píng)估，這將給評(píng)估結(jié)果帶來(lái)一定偏差。由于上述不確定度都是為驗(yàn)證測(cè)量方法可行性，在技術(shù)文件規(guī)定條件下各影響量取最大值時(shí)評(píng)定的，以此作為評(píng)估基礎(chǔ)將會(huì)降低實(shí)驗(yàn)室的校準(zhǔn)測(cè)量能力。實(shí)際工作中各實(shí)驗(yàn)室雖然都依據(jù)同樣的技術(shù)文件開(kāi)展工作，但為保證量值準(zhǔn)確可靠，其實(shí)際達(dá)到的常規(guī)工作條件有可能優(yōu)于技術(shù)文件中規(guī)定的條件，因此各實(shí)驗(yàn)室應(yīng)根據(jù)具體情況正確選取有關(guān)參數(shù)評(píng)估CMC。同樣實(shí)驗(yàn)室也不能為了有意識(shí)提高校準(zhǔn)測(cè)量能力而在評(píng)估CMC 時(shí)，刻意提高工作條件，而日常實(shí)際工作中并不能滿足。

2　正確選擇最佳性能的被測(cè)儀器

為準(zhǔn)確反映實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量能力，應(yīng)使被測(cè)對(duì)象對(duì)不確定度的影響盡可能小。被測(cè)對(duì)象對(duì)不確定度的影響首先來(lái)自被測(cè)對(duì)象間的變動(dòng)性，在不確定度評(píng)估中，可采用說(shuō)明的方法，包含或不包含該變動(dòng)性，如當(dāng)被測(cè)對(duì)象來(lái)源于抽樣時(shí)，則不確定度中就包含樣品的分散性，但在CMC評(píng)估時(shí)，為反映實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量能力，一般并不包括該分散性，故被測(cè)對(duì)象的影響主要來(lái)自其計(jì)量特性。因此對(duì)于一個(gè)參量，CMC評(píng)估時(shí)就需要選擇對(duì)該參量可校準(zhǔn)的技術(shù)指標(biāo)最佳的測(cè)量?jī)x器作為被測(cè)對(duì)象，即被測(cè)對(duì)象的計(jì)量性能如重復(fù)性、穩(wěn)定性和分辨力等都應(yīng)是同類儀器中可獲得的最佳值，在分析其對(duì)不確定度影響時(shí)，應(yīng)以最佳儀器所代表的計(jì)量特性考慮其影響，其對(duì)不確定度的貢獻(xiàn)應(yīng)包括在校準(zhǔn)測(cè)量能力中，而被測(cè)儀器具體的個(gè)性或缺陷等個(gè)別因素不應(yīng)反映在不確定度中。如果對(duì)某參量在同一測(cè)量范圍內(nèi)，測(cè)量?jī)x器包含幾種不同類別，且CMC不同，則最佳性能的儀器必須是在不同類別中分別選取，如對(duì)游標(biāo)卡尺在0～200mm測(cè)量范圍內(nèi)示值誤差校準(zhǔn)的CMC評(píng)估時(shí)，其最佳性能的被測(cè)儀器分別為分度值0.02mm的游標(biāo)卡尺、分度值0.01mm的數(shù)顯游標(biāo)卡尺及分度值0.01mm的帶表游標(biāo)卡尺三種。

3　對(duì)測(cè)量范圍正確劃分測(cè)量段

如果被測(cè)量的值是一個(gè)范圍，則無(wú)論CMC 采用何種表示方式都應(yīng)先考慮是否需要對(duì)測(cè)量范圍分段。有些參量在不同測(cè)量范圍，其對(duì)應(yīng)的測(cè)量?jī)x器類別、等級(jí)和計(jì)量性能不同，對(duì)這些儀器進(jìn)行CMC評(píng)估時(shí)，其不確定度來(lái)源和大小可能不完全相同，若這些來(lái)源是主要影響因素，其量值大小將使評(píng)估結(jié)果產(chǎn)生較大差異，因此CMC評(píng)估時(shí)可先根據(jù)儀器類別、等級(jí)和計(jì)量性能對(duì)整個(gè)測(cè)量范圍劃分測(cè)量段。實(shí)際工作中較為常見(jiàn)的是被測(cè)儀器在不同測(cè)量范圍具有不同的分辨力，如表1為數(shù)顯電感測(cè)微儀CMC評(píng)估時(shí)在±1000μm測(cè)量范圍內(nèi)的分段及其對(duì)應(yīng)的最佳數(shù)顯電感測(cè)微儀分辨力。

表1　數(shù)顯電感測(cè)微儀測(cè)量范圍分段及對(duì)應(yīng)的最佳測(cè)微儀分辨力

在每個(gè)測(cè)量段，對(duì)最佳性能的被測(cè)儀器進(jìn)行CMC評(píng)估時(shí)，根據(jù)不確定度隨計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備量值、環(huán)境條件和測(cè)量點(diǎn)不同而變化的程度，分析CMC在該測(cè)量段的變化情況，選擇CMC恰當(dāng)?shù)谋硎痉绞剑瑥亩_定是否需要再次對(duì)該測(cè)量段進(jìn)行細(xì)分，同時(shí)還需注意分段時(shí)要盡可能包含測(cè)量范圍內(nèi)的常用區(qū)段。

4　CMC表示方式上應(yīng)注意的事項(xiàng)

4.1　CMC用單一值表示

1)當(dāng)被測(cè)量的值是一個(gè)或一系列單一值，或者被測(cè)量的值雖然是一個(gè)范圍，而計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備只能對(duì)該范圍內(nèi)部分點(diǎn)校準(zhǔn)時(shí)，CMC就必須按照這些單一值或校準(zhǔn)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)分別表示，而不能表示為連續(xù)的范圍。但是如果被測(cè)量的值雖然是一系列單一值，而計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備在這些單一值間隔內(nèi)可連續(xù)校準(zhǔn)，則CMC可按范圍表示。

2)被測(cè)量的值雖然是一個(gè)范圍，但CMC仍用單一值表示，即用在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)都適用的單一值(絕對(duì)值或相對(duì)值)表示，在該測(cè)量范圍內(nèi)，不確定度一般保持不變或變化微小(該變化對(duì)CMC的影響可忽略)。目前有些實(shí)驗(yàn)室為了簡(jiǎn)化評(píng)估，即使不確定度在測(cè)量范圍內(nèi)有一定幅度變化，但仍用不確定度最大值作為整個(gè)測(cè)量范圍的CMC，這種表示方式一方面降低了該實(shí)驗(yàn)室的部分校準(zhǔn)測(cè)量能力，另一方面要特別注意該最大值在測(cè)量范圍下限是否滿足量傳關(guān)系。

4.2　CMC用范圍表示

當(dāng)被測(cè)量的值是一個(gè)范圍時(shí)，CMC以前后對(duì)應(yīng)的形式用范圍表示。根據(jù)CNAS-CL07：2011《測(cè)量不確定度的要求》，CMC用范圍表示時(shí)，實(shí)驗(yàn)室應(yīng)有適當(dāng)插值算法給出區(qū)間內(nèi)值的測(cè)量不確定度，即能給出CMC的中間值。該中間值的確定可以采用內(nèi)插法，即用線性內(nèi)插、倒數(shù)或其他函數(shù)內(nèi)插的方法通過(guò)數(shù)值逼近法獲得，由于內(nèi)插公式推算存在一定困難，而對(duì)每一個(gè)被測(cè)值的CMC均進(jìn)行評(píng)估往往不切實(shí)際，因此實(shí)際評(píng)估中常常采用圖表法。在不確定度來(lái)源相同情況下(若不相同，則另行評(píng)估)，根據(jù)不確定度分量匯總表，對(duì)影響不確定度的主要因素在不同測(cè)量點(diǎn)變化的情況選取部分具有代表性的校準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估，據(jù)此作出校準(zhǔn)參量和CMC關(guān)系圖表，則CMC中間值即可根據(jù)該圖表查閱推算得到，該圖表不一定是線性關(guān)系，但一般與測(cè)量范圍有相對(duì)一致的趨勢(shì)，且在該范圍內(nèi)不能有拐點(diǎn)，否則就要考慮分段。校準(zhǔn)點(diǎn)多少的選取應(yīng)能反映CMC的變化趨勢(shì)，并且使通過(guò)圖表所確定的CMC中間值與其實(shí)際值偏差應(yīng)處在一個(gè)可接受的合理范圍內(nèi)。

4.3　CMC應(yīng)動(dòng)態(tài)評(píng)估

CMC是實(shí)驗(yàn)室提供校準(zhǔn)服務(wù)能力的反映，實(shí)驗(yàn)室應(yīng)動(dòng)態(tài)評(píng)估。如果影響不確定度的某一個(gè)來(lái)源及影響量發(fā)生變化，實(shí)驗(yàn)室應(yīng)及時(shí)修訂更新CMC表示，以適應(yīng)變化的情況，正確反映校準(zhǔn)和測(cè)量能力。

4.4　正確選取包含因子

CMC應(yīng)該用包含概率約為95%的擴(kuò)展不確定度表示，包含因子應(yīng)根據(jù)校準(zhǔn)參量的概率分布按照95%的概率選取。目前許多實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)一簡(jiǎn)化取k=2，顯然是不對(duì)的。如果某一參量的不確定度主要分量較少或者該參量不服從正態(tài)分布時(shí)，尤其應(yīng)特別注意，如矩形分布對(duì)應(yīng)95%概率的包含因子為k=1.65，三角分布對(duì)應(yīng)95%概率的包含因子為k=1.90。

5　結(jié)束語(yǔ)

CMC既是實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)和測(cè)量能力的反映，也是客戶選擇實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行校準(zhǔn)溯源的重要依據(jù)之一，由于校準(zhǔn)參量的復(fù)雜性和測(cè)量?jī)x器的多樣性，為正確反映實(shí)驗(yàn)室的校準(zhǔn)和測(cè)量能力，應(yīng)在把握好基本原則和要求的同時(shí)科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)、合理的評(píng)估和表示。

[1]中國(guó)合格評(píng)定國(guó)家認(rèn)可委員會(huì).CNAS-CL07:2011 測(cè)量不確定度的要求

[2]中國(guó)合格評(píng)定國(guó)家認(rèn)可委員會(huì).CMC表示方式培訓(xùn)材料，2011

[3]國(guó)際實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可合作組織.ILAC-P14:11/2010 校準(zhǔn)領(lǐng)域測(cè)量不確定度的方針

[4]胡紅波，于梅.測(cè)量不確定度評(píng)估及基于Monte Carlo法的數(shù)值計(jì)算.計(jì)量技術(shù)，2012(6)