測量不確定度理解與應用(四)
包含因子K 的選擇
講(jiǎng)授人:中國計量科學研究院研究員 倪育才
當得到合(hé)成標準不確(què)定度後,獲得擴展(zhǎn)不確定(dìng)度Up的前提是確定包含(hán)因子k的數(shù)值。包含因子(zǐ)的確(què)定方法取決於被測量的分布,因此當(dāng)被測量Y的分布不同時,應采用不同的(de)方法來確定包含因子。 一(yī)、當無法判斷被測量Y的分布時
當無法判(pàn)斷(duàn)被測量Y的分布時,不可能根據分布來確定包含因(yīn)子k。由於大部分(fèn)測量均規定要給出擴(kuò)展不確定度(dù)U而不是Up,因此隻(zhī)能假定(dìng)取k=2或3,絕大部分情況下均取k=2(JJF1059-1999規定,當包含因子取其他值時,應(yīng)說明其來(lái)源)。於是擴展不確定度(dù)成(chéng)為: 二、當被測量Y接近於某種非正態分布
當被測量接近於某種已(yǐ)知的非正態分布時,例如矩形分布、三角分布、梯形分布(bù)等,則絕不應該按(àn)上麵的方法直接取k=2或3,也不能(néng)按正態分布的方法。根據計算得到的有效自(zì)由度νeff,並(bìng)由t分布表得到kp。此時應根據已經(jīng)確定的被測量(liàng)Y的分布,由其概率密度函數具體計算出包含因子k。 三、被測量Y接近於正態分布時
在被測量接近正態(tài)分布的情況下,不能直接取正態分布所對(duì)應(yīng)的(de)k值。由於標準不(bú)確定度定義為以標準偏差表示的不確定度。而標準偏差是(shì)一總體參數,隻有通過無限多次測量才能夠得到,正態分布也是對應(yīng)於無窮(qióng)多次測量的總體分布。也(yě)就是說,隻有當用(yòng)總體標準偏差σ來作為標準不確定度時,才能采用正態分布的k值。但由於在實際測量中不可能進行無限(xiàn)多(duō)次測量,隻能用有限次測量的實驗標(biāo)準差(chà)s作為σ的估計值,並且這一估計必然會引入誤差(chà)。由於該誤差的(de)存在,如果仍采用正態分布的k值,將達不到所要求的置信概(gài)率。反過來說,為了得到對應於所規定置信概率(lǜ)的擴展不確定度,必須適當增大k值(zhí)。並且隨著測量次數的減少,用實驗(yàn)標準差代替標準(zhǔn)偏差可能引(yǐn)入的誤(wù)差將越來越大,包含因(yīn)子k的值也必將隨之增加。因此,這時的包含因子k將是(shì)一個與(yǔ)測(cè)量次數有關的變量。
U=2uc
由於不(bú)知道被測量的分(fèn)布,故無法建立置信概(gài)率p和包(bāo)含因(yīn)子k之間的關(guān)係。此時的k值是假(jiǎ)設的,而不是由置(zhì)信(xìn)概(gài)率p導出的,也就是說,無法知道此時(shí)所對應的置信(xìn)概率。
(1)當可以判定被測量Y接(jiē)近於矩形(xíng)分布時,由其概率密度函數可以計算得到包含因子k與置信概率p之間的關係為:
當p=0.95時,k95=1.65;
當p=0.99時,k99=1.71。
(2)當可以判定被測量Y接近於三角分布時,通過類似的計算可以得到包含因子k與置信(xìn)概率(lǜ)p之間的關係為:
當p=0.95時,k95=1.90;
當p=0.99時,k99=2.20。
(3)當可以判定被測(cè)量接近於梯形分布時,通過計算可以得到包含因子k與置信概率p之間的關係為:
式中β為梯形的角參(cān)數,即梯形的上底和下底之比。
表1給出當所要求的置信概率(lǜ)分別為95%和99%時,由上式計算得到的不同β值梯形分布的包含因子k。
在數學上,這(zhè)相當(dāng)於總體分布滿足正態分布時,其樣本分布滿足t分布。t分布是表征正態(tài)分布總體中所(suǒ)取(qǔ)子樣的分布。不同的子樣大小,對應於不同的t分布,其包含因子k也將不同。因此當(dāng)被測量Y接近於(yú)正態分布時,僅(jǐn)僅根據所要求的置信概率還不足以得到包含因子(zǐ)k,還必須再知道(dào)一個與所取樣本大小有關的參數,這(zhè)個參(cān)數就稱為“自由度(dù)”,一般用希臘字母ν表示。對於不同的自由度,包含(hán)因子kp=tp(ν)的數值可以由所規定的置信概率p和估計得到的有效自由度(dù)νeff通過查表得到。
JJF1059-1999規(guī)定,當可以判斷被測量Y接近於正態(tài)分(fèn)布時,可以采用以下方法得到擴展不確定度。
通(tōng)過計算被測量Y的有效自由度νeff,並根據有效自由度和所要求的置信概率p由t分布臨界值表得到包(bāo)含因子(zǐ)kp=tp(νeff),於是擴展不確定度Up等於合成標準(zhǔn)不確定(dìng)度uc和包含因子kp=tp(νeff)的乘積,即:
Up=kp·uc
此(cǐ)時,由(yóu)於包(bāo)含(hán)因子k的數值由置(zhì)信概率通過t分布表得到,因此得到的擴展不(bú)確定度必須以Up表示,表明(míng)所給的是對應於置信概率為(wéi)p的擴展不(bú)確定度。
有時為簡單起見,也可以不必考慮比較麻煩的Y的分布情況。此時可采用k=2或3,即:
U=kuc (k=2或(huò)3)
此時,由於包含因子k的數值是假定的,因此得到的擴展不確定度隻能(néng)以U表示,表(biǎo)明無法知道與所給擴展不確定(dìng)度對應的置信概率。
這(zhè)種情(qíng)況就是(shì)無法判斷被測量Y的分布差所采取(qǔ)的做法,在已知正態(tài)分布的情況下,隻要有效自由度不(bú)太(tài)小,當k分別取2或3時(shí),他們大體上對應於95%或99%的置信概率(lǜ)。
但如可估計為(wéi)正態分布(bù),而有效自由度較小時,在k取2(或(huò)3)時,則所給擴展不確定度對應的置(zhì)信概率可能會與95%(或(huò)99%)相去甚遠(yuǎn)。因此筆(bǐ)者建議(yì)僅在確保有效自由度不太(tài)小的情況下(例如不小於15)采用該法,除非該領域統一規(guī)定直接取k=2而不計算有效(xiào)自由度。
筆者見到過(guò)不少測量不確定度評定的實例(lì),在評定(dìng)得到各不確定度分(fèn)量的大小後,在未對被測量Y的分布進行判定的情況下,直接就給出各分量的自由度和(hé)有效自(zì)由度,並按t分布得到k值。這(zhè)是不正(zhèng)確的。隻有在可以確認(rèn)被測量Y接近正態分布的前(qián)提下,才能根(gēn)據kp=tp(ν)計算Up。