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考校准计量员资格证市面上正规的內校员培训机构有哪些-复杂测量系统下系统性评估与降低测量不确定度的方法

摘要：本文聚焦复杂测量系统，阐述系统性评估与降低测量不确定度的方法。先介绍复杂测量系统特点及测量不确定度影响，接着从评估和降低两方面展开，涵盖评估流程、不确定度来源分析、评定方法，以及降低不确定度的策略，最后通过案例分析说明方法应用，旨在为复杂测量系统提供全面、实用的测量不确定度处理方案。

引言

在精密测量领域，测量不确定度与测试误差同等重要。随着精密测量技术的持续发展，测量系统为追求更高精度、稳定性和复现性，逐渐向复杂化、模块化、数字化方向演进。以电能计量为例，出现了基于电流比较仪技术和基于直接数字频率合成技术的交流功率电能计量装置。然而，测量不确定度的影响量日益增多，直接建立被测量和输入量的数学模型愈发困难，传统的不确定度评定步骤在这些复杂测量系统中操作不便。因此，系统性地评估和降低复杂测量系统的测量不确定度成为亟待解决的关键问题。

复杂测量系统概述

复杂测量系统的定义与特点

复杂测量系统是指用来对被测特性进行定量测量或定性评价，由仪器或量具、标准、操作、方法、夹具、软件、人员、环境和假设等多个要素构成的集合，用于获取测量结果的整个过程。与传统简易测量系统相比，其测量数据变差来源更为复杂，数据采集过程具有不可重复性。例如在汽车制造业中，内燃机制造过程里的破坏性测量系统（如关键零部件的硬度检测、拉伸试验）和不可逆转的扭矩测量系统（如柴油机总装线上主轴承、连杆等关键零部件的螺栓拧紧过程），这两类过程在工艺控制中通常属于关键过程或最终工序，对产品性能有着直接影响。

测量不确定度的概念及在复杂系统中的影响

测量不确定度是用来表征合理地赋予被测量之值的分散性，表示方法有标准不确定度或其倍数（用测量结果的标准差表示），或说明了置信水准的区间的半宽度（即扩展不确定度）。在复杂测量系统中，测量不确定度的影响更为显著。由于系统复杂，不确定度来源增多，任何一个环节的不确定度都可能对最终测量结果产生较大影响，进而影响产品质量控制、科研数据准确性等。例如在光学元件制造中，复杂光学元件的测量不确定度过大，可能导致元件无法满足设计要求，影响整个光学系统的性能。

复杂测量系统不确定度的系统性评估

评估流程与步骤

1.     明确被测量：清晰定义被测参数，如长度、浓度等，并建立其与输入量（仪器读数、环境参数等）的数学关系模型，例如 y = f(x1, x2,xN)，同时说明修正项，如温度补偿。如在测量某零件的尺寸时，明确被测量为零件的长度，输入量可能包括测量仪器的读数、环境温度等，建立相应的数学模型。

2.     识别不确定度来源：

·        设备误差：包括仪器精度、校准偏差等。例如，测量仪器的精度不高可能导致测量结果存在较大误差。

·        环境波动：温湿度、气压变化等环境因素会对测量结果产生影响。如在高精度光学测量中，环境温度的变化可能导致光学元件的热胀冷缩，从而影响测量结果。

·        操作差异：人员操作习惯、取样重复性等也会引入不确定度。不同操作人员对测量仪器的操作方法可能不同，导致测量结果存在差异。

·        理论假设：化学反应模型简化带来的偏差等。在某些化学测量中，使用的化学反应模型可能进行了简化，从而导致测量结果与实际值存在偏差。

3.     量化不确定度分量：

·        A类评定：通过重复实验数据计算标准差。例如进行10次测量，计算这10次测量值的标准偏差。

·        B类评定：基于非统计信息（如校准证书、技术手册）估算偏差范围，转换为标准不确定度。如根据校准证书给出的仪器误差范围，采用矩形分布公式 u= frac{a}{sqrt{3}}（其中a为半宽区间）计算标准不确定度。

4.     计算合成标准不确定度：若输入量独立，采用方和根公式合成：uc(y) = sqrt{sum{i=1}^{N} left( frac{partial f}{partial xi} u(xi) right)^2}。若存在相关性，需引入协方差项（参考GB/T 27418-2017）。

5.     确定扩展不确定度：选择包含因子 k（通常 k = 2对应95%置信概率，k = 3对应99%），计算扩展不确定度：U = k*uc(y)。

6.     结果报告：声明测量结果，如“样品浓度：50.2 , {mg/L}；标注扩展不确定度：U = 0.5 , {mg/L} , (k = 2)。必要时说明有效自由度和概率分布类型。

复杂测量系统不确定度来源的深入分析

1.     多因素交互作用：在复杂测量系统中，各因素之间可能存在交互作用，这种交互作用会对测量结果产生复杂影响。例如，在测量某电子元件的性能时，环境温度和湿度可能相互影响，共同导致元件的电性能发生变化，从而影响测量结果。

2.     非线性关系：复杂测量系统中的测量数据可能存在非线性关系，这使得不确定度的分析和评定更加困难。如某些材料的力学性能与应力之间的关系可能是非线性的，在测量材料的力学性能时，需要考虑这种非线性关系对不确定度的影响。

3.     数据采集与处理误差：数据采集过程中的误差可能来自传感器精度、数据传输误差等；数据处理过程中的误差可能来自算法误差、模型简化等。例如，在使用传感器采集数据时，传感器的精度不高可能导致采集到的数据存在误差；在数据处理过程中，使用的算法可能存在一定误差，或者为了简化计算对模型进行了简化，这些都会影响测量不确定度。

评估方法的选择与应用

1.     传统评估方法的局限性：传统的不确定度评定方法在面对复杂测量系统时存在一定局限性。由于复杂测量系统的模块化、数字化程度高，影响量增多，直接建立被测量和输入量的数学模型困难，导致传统方法操作不便。例如在基于电流比较仪技术的单相电能计量装置中，传统方法难以准确分析其不确定度。

2.     针对复杂系统的创新评估方法：

·        系统模块分解法：将复杂系统分解为规范子系统，按照系统模块和信号流逐步进行不确定度分析。例如，在分析基于电流比较仪技术的单相功率电能计量装置输出电压支路的不确定度时，先画出系统结构图，将系统分解为分压器模块、AC/DC转换标准模块等，然后分别分析各模块的不确定度，最后合成整个系统的不确定度。

·        多因素综合分析法：识别影响测量结果的主要因素和次要因素，建立多因素模型进行分析，同时研究各因素之间的交互作用对测量结果的影响程度。例如，在分析某复杂机械零件的尺寸测量不确定度时，考虑材料性能、加工工艺、测量环境等多个因素，建立多因素模型进行综合分析。

降低复杂测量系统不确定度的策略

测量方法与仪器的优化

1.     选择合适的测量方法：根据不同的测量目的，以及测量对象的大小、形状和材料特性等，选择适合的仪器和测量方法。例如，对于复杂自由曲面的光学元件测量，传统的测量方法可能无法满足要求，而昊量光电推出的相位偏折测量系统通过同轴相位偏折术，实现了复杂光学元件的纳米级检测，突破了传统干涉仪的局限^[4]^。

2.     仪器校准和维护：保证设备定期校准和维护，以维持其最佳性能。例如，思看科技校准中心获得ISO 17025:2017&CNAS资质认可，表明其在光学三维测量系统校准领域具备按照国家规范及国际标准开展可追溯性计量校准的技术能力。定期对测量仪器进行校准，可以确保仪器的测量精度，减少因仪器误差导致的测量不确定度。

3.     利用先进测量技术：如采用多元传感检测系统，利用两个或多个不同传感器技术从工件表面获取数据点，与在一台设备上使用单个传感器进行测量相比，可实现更多的测量。例如，OGP SmartScope多元传感测量系统可以根据需要测量工件的尺寸与形状、颜色和反射率、表面的光洁与质地、材质和硬度等因素，选择合适的传感器进行测量，提高测量的准确性和可靠性。

操作与环境的控制

1.     提高操作人员技能：定期对实验室工作人员或操作人员进行培训和考核，提高其专业水平与操作规范性，减少因人为因素导致的结果偏差。例如，在临床检验中，操作人员对检测仪器的操作不熟练可能导致测量结果不准确，通过培训可以提高其操作技能，降低测量不确定度。

2.     环境控制：控制测量环境，如湿度、温度等，避免环境因素对测量结果产生影响。例如，在高精度的电子测量中，环境温度和湿度的变化可能导致电子元件的性能发生变化，从而影响测量结果。通过控制测量环境的温湿度，可以减少环境因素对测量不确定度的影响。

3.     优化样品处理流程：优化样本采集、运输、储存等环节的操作规程，避免因不当操作导致样本性质改变而影响检测结果准确性。例如，在临床检验中，样本的采集、运输和储存不当可能导致样本中的成分发生变化，从而影响检测结果的准确性。通过优化样品处理流程，可以减少这种影响，降低测量不确定度。

数据处理与分析的改进

1.     充分利用软件功能：高质量的数据处理和分析软件可以帮助降低数据处理过程中的误差。例如，思看科技的三维扫描仪通常配备有先进的数据处理软件，这些软件可以自动处理、分析数据，从而减小因手工数据处理可能产生的不确定度。

2.     多重复测定与统计分析：对于重要或有争议的结果，可以通过增加平行测试次数来提高数据的可靠性，并运用统计分析方法对数据进行处理。例如，在临床检验中，采用多重复测定法，对同一样本进行多次测量，然后计算平均值和标准差等统计量，可以提高测量结果的准确性，降低测量不确定度。

3.     引入先进信息技术：利用计算机软件辅助数据分析，提高数据处理效率和精度；同时借助数据库资源，对比不同实验室之间的检测结果，进一步验证自身工作的准确性。例如，在科研测量中，利用专业的数据分析软件对测量数据进行处理和分析，可以提高数据处理的效率和精度；通过与数据库中的标准数据进行对比，可以验证自身测量结果的准确性。

案例分析

案例一：汽车制造业中复杂测量系统的不确定度评估与降低

1.     案例背景：在汽车制造业中，内燃机制造过程里的破坏性测量系统（如关键零部件的硬度检测、拉伸试验）和不可逆转的扭矩测量系统（如柴油机总装线上主轴承、连杆等关键零部件的螺栓拧紧过程）对产品性能有着直接影响。以柴油机总成主轴承螺栓拧紧过程为例，最终扭矩控制在（240～290）N.m之间，需要对其进行测量系统分析（MSA）以评估和降低测量不确定度。

2.     评估过程：

·        确定被测量：明确被测量为主轴承螺栓拧紧过程的扭矩。

·        识别不确定度来源：包括测量设备的精度、操作人员的操作差异、环境温度和湿度等。

·        量化不确定度分量：通过重复实验数据计算A类标准不确定度，如进行10次扭矩测量，计算标准差；根据校准证书等技术资料估算B类标准不确定度。

·        计算合成标准不确定度和扩展不确定度：按照不确定度传播律计算合成标准不确定度，选择包含因子 $$k = 2$$ 计算扩展不确定度。

3.     降低不确定度的措施：采用偏倚分析的方法对扭矩测量系统的变差进行研究，从稳定过程的大量样本中选择具备统计上一致性的样本，将其收集隔离为“独立样件群”，整体作为一个广义上的“独立样件”参与数据分析；同时对测量设备进行定期校准和维护，提高操作人员的技能水平。

4.     效果评估：通过实施上述措施，扭矩测量系统的测量不确定度得到了有效降低，测量结果的准确性和可靠性得到了提高，保证了柴油机总装线的产品质量。

案例二：光学元件制造中复杂测量系统的不确定度评估与降低

1.     案例背景：在精密光学制造领域，复杂自由曲面的高精度测量一直是技术挑战的核心。昊量光电推出的相位偏折测量系统通过同轴相位偏折术，实现了复杂光学元件的纳米级检测，但仍然需要对其进行测量不确定度评估与降低。

2.     评估过程：

·        确定被测量：明确被测量为复杂光学元件的表面形状和尺寸。

·        识别不确定度来源：包括相位偏折测量系统的精度、环境振动、光学元件的表面反射率等。

·        量化不确定度分量：通过实验数据计算A类标准不确定度，根据系统技术参数和校准资料估算B类标准不确定度。

·        计算合成标准不确定度和扩展不确定度：采用合适的方法计算合成标准不确定度和扩展不确定度。

3.     降低不确定度的措施：采用多位置测量 + 智能算法，通过轴向移动摄像头，自动沿光轴移动，采集多组反射图像，结合几何约束唯一解，锁定唯一表面形状，彻底消除模糊性；同时控制测量环境，减少环境振动对测量结果的影响。

4.     效果评估：经过上述措施的实施，相位偏折测量系统对复杂光学元件的测量不确定度显著降低，测量精度达到了纳米级，满足了精密光学制造的需求。

结论

本文深入探讨了复杂测量系统下系统性评估与降低测量不确定度的方法。系统性评估方面，详细阐述了评估流程与步骤，深入分析了复杂测量系统不确定度的来源，并介绍了针对复杂系统的创新评估方法。在降低测量不确定度方面，提出了测量方法与仪器的优化、操作与环境的控制、数据处理与分析的改进等策略。通过汽车制造业和光学元件制造中的案例分析，验证了这些方法的有效性和可行性。未来，随着测量技术的不断发展，复杂测量系统的测量不确定度评估与降低方法将不断完善，为各领域的高精度测量提供更有力的支持。