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测试测量中的不确定度与误差分析

高工
2019-06-08 15:35:21     打赏

从一个测试者的角度出发,最怕的是“测不准”。尤其是面对复杂环境和复杂样品测试,“测不准”意味着你的测试系统中有错误,而发现和排除错误往往是一个成熟工程师和一个菜鸟工程师的根本区别。一般人止于此,但是想成为一个更加专业的测试者,需重新严格定义“测不准”的概念,长期以来,人们不断追求以最佳方式评估被测量的值,以使它最大可能的接近真实客观存在的真实值。这一点在如今的电子仪器测量中变得尤为重要,因为测试深度的增加,测试者往往从一个黑盒子到另外一个黑盒子,就像从一个深渊到另一个深渊。这样使得测量真值和测试结果难以被评估。因此作为一个更加专业的测试者,需要在各个层面综合对测试结果进行评估,以达到我们“测得准”的目的。

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什么是测量不确定度,它与测量误差是一回事吗?


测量不确定度有时可以和测量误差替换使用,但是严格来讲,这完全是两个不同的概念,想清楚的理解这两个量的区别和联系,我们先来看一下不确定度的发展历史。image.png

从上面可以看出,不确定度的真正发展成熟还不到二十年的时间,而在不确定度成熟之前更加长期的时间里,我们用系统误差和随机误差来衡量测试结果和(约定)真值之间的偏差。而这种方法又被大家普遍所接收,直至今日我们已经能够很好的用不确定度来表示测试结果的分散性,但是还是会用误差来表示和分析测试仪器和设备的准确性,评估测量结果偏离(约定)真值的程度。

为了更好的理解二者的区别,来举个例子:

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评估该万用表量程4V的不确定度评定:

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从结果表述方式上来看,二者还是有很大差别,究其原因是误差表示的是测量值之差,而不确定表示的是测量结果不能确定的程度。

将二者区别和联系整理如下:

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刚刚我们列举了万用表的例子,而万用表是非常简单的电子测试仪器,当我们使用更加复杂的测试设备进行测试的时候,比如射频测试中矢量网络分析仪这种源+接收机的测试设备,当我们想要“测得准”,就要考虑更多方面对测试的影响。

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这些影响有些可以通过校准进行控制,但是实际上测试系统有时间漂移现象,即使校准完的系统残差很小,时间漂移也会主导总的不确定度,增加测试误差。关于这个现象和影响,我们会在之后做定量描述,这里就不多讲了。这也解释了为什么矢网生产商还要提供误差模型和校准方法,但是这些还不是最麻烦的,这些可以控制和消除的误差是有迹可循的,真正带来麻烦的是那些不可控制又无法消除的误差,这些误差可以统称为随机误差。即产生具有随机性和不可控性,这些误差存在于我们的系统连接,连接器匹配,人工操作中,而往往我们操作步骤越多带来的随机误差影响就越严重。

因此,想要成为一个能够“测得准”的工程师,不仅需要了解误差和不确定度的概念,还要了解设备误差构成和消除方法,边测试边比较,多动手实践,体会不同的方法间的差别,找到最合适自己的测试方法。

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