測量不確定度理解與應用(四)
包含因子K 的選擇
講授人:中國計量科學(xué)研究院研究員 倪育才
當得到合成標準不確定度后,獲得擴展不確定度Up的前提是確定包含因子k的數值。包含因子的確定方法取決于被測量的分布,因此當被測量Y的分布不同時(shí),應采用不同的方法來(lái)確定包含因子。 一、當無(wú)法判斷被測量Y的分布時(shí)
當無(wú)法判斷被測量Y的分布時(shí),不可能根據分布來(lái)確定包含因子k。由于大部分測量均規定要給出擴展不確定度U而不是Up,因此只能假定取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(shí),應說(shuō)明其來(lái)源)。于是擴展不確定度成為: 二、當被測量Y接近于某種非正態(tài)分布
當被測量接近于某種已知的非正態(tài)分布時(shí),例如矩形分布、三角分布、梯形分布等,則絕不應該按上面的方法直接取k=2或3,也不能按正態(tài)分布的方法。根據計算得到的有效自由度νeff,并由t分布表得到kp。此時(shí)應根據已經(jīng)確定的被測量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接近于正態(tài)分布時(shí)
在被測量接近正態(tài)分布的情況下,不能直接取正態(tài)分布所對應的k值。由于標準不確定度定義為以標準偏差表示的不確定度。而標準偏差是一總體參數,只有通過(guò)無(wú)限多次測量才能夠得到,正態(tài)分布也是對應于無(wú)窮多次測量的總體分布。也就是說(shuō),只有當用總體標準偏差σ來(lái)作為標準不確定度時(shí),才能采用正態(tài)分布的k值。但由于在實(shí)際測量中不可能進(jìn)行無(wú)限多次測量,只能用有限次測量的實(shí)驗標準差s作為σ的估計值,并且這一估計必然會(huì )引入誤差。由于該誤差的存在,如果仍采用正態(tài)分布的k值,將達不到所要求的置信概率。反過(guò)來(lái)說(shuō),為了得到對應于所規定置信概率的擴展不確定度,必須適當增大k值。并且隨著(zhù)測量次數的減少,用實(shí)驗標準差代替標準偏差可能引入的誤差將越來(lái)越大,包含因子k的值也必將隨之增加。因此,這時(shí)的包含因子k將是一個(gè)與測量次數有關(guān)的變量。
U=2uc
由于不知道被測量的分布,故無(wú)法建立置信概率p和包含因子k之間的關(guān)系。此時(shí)的k值是假設的,而不是由置信概率p導出的,也就是說(shuō),無(wú)法知道此時(shí)所對應的置信概率。
(1)當可以判定被測量Y接近于矩形分布時(shí),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(guān)系為:
當p=0.95時(shí),k95=1.65;
當p=0.99時(shí),k99=1.71。
(2)當可以判定被測量Y接近于三角分布時(shí),通過(guò)類(lèi)似的計算可以得到包含因子k與置信概率p之間的關(guān)系為:
當p=0.95時(shí),k95=1.90;
當p=0.99時(shí),k99=2.20。
(3)當可以判定被測量接近于梯形分布時(shí),通過(guò)計算可以得到包含因子k與置信概率p之間的關(guān)系為:
式中β為梯形的角參數,即梯形的上底和下底之比。
表1給出當所要求的置信概率分別為95%和99%時(shí),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(xué)上,這相當于總體分布滿(mǎn)足正態(tài)分布時(shí),其樣本分布滿(mǎn)足t分布。t分布是表征正態(tài)分布總體中所取子樣的分布。不同的子樣大小,對應于不同的t分布,其包含因子k也將不同。因此當被測量Y接近于正態(tài)分布時(shí),僅僅根據所要求的置信概率還不足以得到包含因子k,還必須再知道一個(gè)與所取樣本大小有關(guān)的參數,這個(gè)參數就稱(chēng)為“自由度”,一般用希臘字母ν表示。對于不同的自由度,包含因子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νeff通過(guò)查表得到。
JJF1059-1999規定,當可以判斷被測量Y接近于正態(tài)分布時(shí),可以采用以下方法得到擴展不確定度。
通過(guò)計算被測量Y的有效自由度νeff,并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含因子kp=tp(νeff),于是擴展不確定度Up等于合成標準不確定度uc和包含因子kp=tp(νeff)的乘積,即:
Up=kp·uc
此時(shí),由于包含因子k的數值由置信概率通過(guò)t分布表得到,因此得到的擴展不確定度必須以Up表示,表明所給的是對應于置信概率為p的擴展不確定度。
有時(shí)為簡(jiǎn)單起見(jiàn),也可以不必考慮比較麻煩的Y的分布情況。此時(shí)可采用k=2或3,即:
U=kuc (k=2或3)
此時(shí),由于包含因子k的數值是假定的,因此得到的擴展不確定度只能以U表示,表明無(wú)法知道與所給擴展不確定度對應的置信概率。
這種情況就是無(wú)法判斷被測量Y的分布差所采取的做法,在已知正態(tài)分布的情況下,只要有效自由度不太小,當k分別取2或3時(shí),他們大體上對應于95%或99%的置信概率。
但如可估計為正態(tài)分布,而有效自由度較小時(shí),在k取2(或3)時(shí),則所給擴展不確定度對應的置信概率可能會(huì )與95%(或99%)相去甚遠。因此筆者建議僅在確保有效自由度不太小的情況下(例如不小于15)采用該法,除非該領(lǐng)域統一規定直接取k=2而不計算有效自由度。
筆者見(jiàn)到過(guò)不少測量不確定度評定的實(shí)例,在評定得到各不確定度分量的大小后,在未對被測量Y的分布進(jìn)行判定的情況下,直接就給出各分量的自由度和有效自由度,并按t分布得到k值。這是不正確的。只有在可以確認被測量Y接近正態(tài)分布的前提下,才能根據kp=tp(ν)計算Up。