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测量系统不确定度分析及其动态性研究

2019/11/11 15:55:27 标签:   测量系统   MSA   不确定性       浏览:460

     1 引言   
  测量不确定度是测量系统最基本也是最重要的特性指标,是测量质量的重要标志。当测量系统的特性随时间发生变化时,测量系统不确定度将伴随着工作时间的延续而发生变化与漂移。   
  将不确定度原理引入测量系统分析,并基于测量系统不确定度的动态特性,研究测量系统全寿命过程中的动态变化规律,为科学地评价测量系统,确定测量系统的检定周期,合理进行测量系统的预防性维护和纠正性维护,提高测量系统的有效性等提供重要份依据,具有很高的学术价值和实际意义。
  
  2 测量系统不确定度的分析   
  测量系统的概念不只局限于测量仪器、测量设备的范畴,而是指用来对被测量赋值的操作程序、评价人、量具、设备、环境及软件等要素的综合,是获得测量结果的整个过程。一个完整的测量过程,引起测量不确定度的因素有很多,包括被测量的定义不完整、被测量的定义值实现不理想,被测量的样本不能完全代表定义的被测量、对环境条件的影响认识不足或环境条件的不完善测量、人员对模拟式仪器的读数偏差、测量仪器的分辨率或鉴别域的限制、测量标准和标准物质的给定值或标定值不准确、测量方法、测量系统和测量程序不完善、数据处理时所引起的常数和其它参数不准确、修正系统误差的不完善以及各种随机因素的影响等等。在不同的测量系统,因系统的组成要素不间,上述因素的影响程度会有所差异,但对测量系统的综合影响却具有共性。因此,美国三大汽车公司联合推出的测量系统分析,提出了测量系统评定的六个指标,即系统的分辨力、偏倚、稳定性、重复性、再现性和线性指标。这六个指标反映了测量系统不确定性的基本特征,实际上也就是引起测量系统不确定度的主要来源。按照国际不确定度的基本原则和不确定度的两类评定原理,选择适合各指标特征的不确定评定方法,分别将测量系统分析的六个指标转化为测量系统的不确定度分量,再按不确定度合成的方法获得测量系统的不确定度。
  
  3 不确定度动态性分析   
  以测量系统的六个评定指标为依据,采用两类不确定度评定方法通常得到的是测量系统的静态不确定度。实际测量系统在全寿命过程中,受外界条件影响和内部结构的不断变化,从较长时间段来看,测量系统的特性,如偏移、重复性、稳定性等,会随时间发生规律性变化,具体表现为测量结果的估计值较测量系统寿命初期发生明显漂移,且朝着背离被测量真值的方向,使得测量结果估计值与被测量真值的差异逐渐增大;另一方面,一系列随机因素和未知系统因素对测量不确定性影响增强。使测量标准差随时间发生变化,即σ=σ(t),导致由测量标准差所决定的测量不确定度随时间延续而不断增大。因此,测量系统的精度随时间不断损失,当损失到一定程度时,测量系统不再满足测量精度的要求,测量系统寿命终结。图l反映了被测量的估计值漂移及测量不确定度随时间的变化趋势。   
    
  4 精度损失函数建模   
  测量不确定度的动态性导致测量系统精度的损失。如图1可知,导致精度损失的主要因素是X(t)的偏移与σ(t)值的增大,用δ(t)表示精度损失函数,则:    
  由式(1)可知,精度损失函数δ(t)的建模关键是对Δx(t)和Δσ(t)的建模。引起Δx(t)和Δσ(t)变化的因素较多,有些可知的,有些则是未知的,难以建立精确的数学模型。   
  将一段时期不同时间测定的测量结果看作为一组动态数据序列,该序列不仅具有时变性、相关性,还有数据结构的复杂性,不能用确定的数学表达式描述,为此,拟采用几种不同的现代数学方法,如采用灰色理论、时序分析及神经网络等现代数学手段对一组动态数据序列进行建模,将求得的Δx(t)、Δσ(t)的数学模型代入式(1)即可获得测量系统的动态精度损失函数,并用它来定量描述测量系统不确定度的动态特性,准确预测测量系统未来的精度变化,为确定测量系统的检定周期、合理进行测量系统的预防性维护和纠正性维护,提高测量系统的有效性等提供可靠的理论依据。