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取3σ与取2σ,误差范围有多大差别?...

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lisi 发布于: 2016-8-18 19:37 2240 次浏览 12 位用户参与讨论
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                            取3σ与取2σ,误差范围有多大差别?
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                                                                                                史锦顺
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       用一台仪器测量物理量L。仪器的误差范围为R,测得值为M,测量结果为
                LZ= M ± R                                                                   (1)
       测量结果(1)的物理意义是:
       被测量真值LZ的最佳表征值是测得值M。被测量的真值可能小些,但不会小于M-R;被测量的真值可能大些,但不会大于M+R。可用公式表达为:
                M-R ≤ LZ ≤ M+R                                                          (2)
       公式(1)与公式(2)等效。它们的区间表达式是:
                [M-R,M+R]                                                                  (3)
       区间(3)是以测得值为中心的真值的量值区间。可简化表达为:
                [-R, +R]                                                                       (4)   
       测量结果表达式(1)的着眼点是区间边界点;而公式(2)的着眼点是全区间。区间边界点定义了区间的范围,因此公式(1)(2)(3)(4)的物理意义相同。
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(一)测量仪器误差范围的分解与测量
       测量仪器的误差范围,对研制来说,是多种物理机制共同构成的。其中可能有多项系统误差元,共同构成仪器的系统误差,表现为测量时的一个恒值误差。仪器的系统误差在N次测量中,符号与大小不变,是个恒定的值。另有一些随机误差元,构成仪器的随机误差。仪器的随机误差是随机变化的,并呈现单峰性、对称性、抵消性、有界性等特点。随机误差的分散性用标准偏差σ表示,取3σ为随机误差范围,有大于99%的包含概率。
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       系统误差为β,若区间半宽a≥|β|,则区间包含概率为100%. 统计理论讲究随机事件,但不排除必然事件。常值是随机变量的一个特定值。处理随机变量的方法、公式,对常量(恒值)都是适用的。这正如,微分主要讲对变量的微分,对常量,也必然能微分,常量的微分为零。积分的产生是为了处理变量的乘积求和问题,但必须对常量也能做积分。把常数提出到积分符号前就可以了。对边长为常值的求矩形面积的公式,积分求和,简化为边长乘积。
       同样,适用于随机误差处理的统计方法,也一定而且必须能处理系统误差的问题。
       1 平均值 系统误差的平均值是它自身。期望值也是其自身。
       2 系统误差为β,则其绝对值是|β|。
       3 系统误差β的方根值是其绝对值|β|。
       4 系统误差的误差范围是|β|,包含概率100%
       5 关于分布。系统误差对于研制-计量-应用测量-周期计量-应用测量等来说,一切沿时间顺序进行,统计是“时域”统计。“时域统计”中,系统误差的分布是δ分布。
       说系统误差是“均匀”分布或说是“梯形分布”“三角分布”,都是类比“台域统计”的错觉。这种“台域统计”,是指用多台(例如二十台)仪器同时测量同一被测量,这在测量计量中是不存在的。我们讨论人间的现实,而摈弃一切虚妄的假设。
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       在测量仪器的使用与计量中,测量仪器的误差,就是系统误差与随机误差两项。
       测量确定仪器的系统误差,必须有够格的计量标准。一般用户不能做;而计量部门可以而且必须能做。
       对仪器随机误差的认识、测量、求值,是很方便的。用被考核的仪器测量一个常量,则示值的随机变化,就是随机误差的作用。重复测量20次(或100次,不许低于10次),将仪器示值代入贝塞尔公式,即求得标准误差σ。 3σ就是通常所取的误差范围,置信度大于99%。而不确定度论主张取2σ,置信度95%。这样做,得失如何?本文讲述一个出人意略的计算结果。
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(二)仪器误差公式
       在有够格的计量标准(因为要准确认知仪器的误差项,要求标准的指标比被检仪器指标高两个量级)的情况下,可以测知仪器的系统误差和随机误差。

       仪器的系统误差,测得值为
                 β=M-B                                                                   (5)
       其中测量M的误差范围为3σ
       仪器误差范围,由三项误差合成:1 仪器的系统误差β;2 仪器的随机误差范围3σ;3 测量系统误差的误差(即测量平均值的误差)的误差范围3σ。三项误差中只有一项是系统误差,三者合成为“方和根”合成。公式为
                 R实验= √ [β?+(3σ)?+ (3σ)?]                                        (6)
       若取N=20,第二项为第三项的1/20,第二项可略,于是,公式简化为
                 R实验= √ [β? + (3σ)?]                                                    (7)
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(三)取2σ与取3σ对仪器误差范围R影响的比较
       为便于比较与计算,将(7)式变形。R表示取3σ时的误差范围;R表示取2σ时的误差范围。
                R = √ [β? + (3σ)?]   
                     =σ√ [(β/σ)?+9]                                                       (8)
                R= √ [β? + (2σ)?]   
                     =σ√ [(β/σ)?+4]                                                       (9)
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            β/σ         R3σ/σ           R2σ/σ         从3σ到2σ时R变化         从2σ到3σ时R变化
              0             3                  2                      2/3-1=-33%                 3/2-1=50%
              1       √10=3.16       √5=2.24       2.24/3.16-1=-29%        3.16/2.24-1=41%
              2       √13=3.61      √8 =2.83       2.83/3.61-1=-22%        3.61/2.89-1=28%
              3       √18=4.24      √13 =3.61      3.61/4.24-1=-15%        4.24/3.61-1=17%
              4       √25=5          √20 =4.47           4.47/5-1=-11%             5/4.47-1=12%
              5       √34=5.83      √29=5.38       5.38/5.83-1=-8%           5.83/5.38-1=8.4%
              6       √45=6.71      √40 =6.32      6.32/6.71-1=-6%           6.71/6.32-1=6%
              7       √58=7.62      √53=7.28       7.28/7.62-1=-4.5%        7.62/7.28-1=5%
              8       √73=8.54      √68 =8.25      8.25/8.54-1=-3.4%        8.54/8.25-1=3.5%
              9       √90=9.49       √85=9.22      9.22/9.49-1=-3%           9.49/9.22-1=3%
               
(四)GUM降低置信度是方向性错误
       随机误差是统计变量,要用统计的方法处理。随机误差的标准偏差σ表征分散性。误差理论历史上,取3σ表征随机误差的误差范围,体现了随机误差的上限性。对于正态分布来说,以3σ为半宽的区间,置信概率是99.73%.由于取样次数有时不远大于10,随机误差可能有t分布的成分,因而,当随机误差范围取3σ时,通常将置信概率表为大于99%.
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       随机误差范围,取3σ,是历史上最通常的取法。有99%以上的置信度,是测量所必要的,也是完全能做到的。二十世纪80年代以前、十九世纪能达到的99%的置信度,是“工欲善其事,必先利其器”、“磨刀不负砍材工”这些重要思想的体现。
       奇怪的是,到二十世纪末的1993年,GUM竟然提倡测量仪器的误差范围(扩展不确定度)取2σ,实在是历史性的倒退。在火箭发射成功率达到96%以上的当今世界,测量仪器的置信度却降低到95%,岂有此理!
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(五)GUM的愚蠢与福禄克的聪明
       以上是从主观要求的层面来看问题。实践中,却又是系统误差为主的。所谓从3σ变到2σ,把置信度从99%变到95%(失信率一下子变大5倍,纯正态分布,失信率扩大20倍),并不符合实际情况。GUM误导了评定者。

       测量仪器的误差范围,由仪器的系统误差与随机误差共同构成。通常,仪器的误差范围以系统误差为主。而讲究σ,是随机误差的事,与系统误差没有关系。现行的评定扩展不确定度的方法,着眼于“方差”。对仪器的各项系统误差,认为是“均匀分布”,除以根号3(1.73),得标准不确定度,把各项标准不确定度按“方和根法”合成为合成不确定度,于是认为合成不确定度是正态分布(JJF1059.1-2012:1条d)2)假设输出量近似正态分布),乘以2得扩展不确定U95,也可以乘以3得扩展不确定度U99.
       如此算法,U95把系统误差的作用无端扩大2/1.73倍;而U99把系统误差作用扩大3/1.73倍。
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       取2σ、3σ仅仅是随机误差的事,与系统误差无关。本文计算表明,在系统误差与随机误差比例取不同值时,从3σ到2σ仪器误差范围的缩小量或从2σ到3σ仪器误差的扩大量,都是变化范围很大的数。
       只有在系统误差β很小时,才如通常的理解:从3σ到2σ 误差范围缩小33%,而从2σ到3σ,误差范围扩大50%。
       另一个极端是系统误差β很大,当β达到3倍随机误差范围(3σ)时,从3σ到2σ 误差范围缩小3%,而从2σ到3σ,误差范围扩大3%。就是说取2σ还是取3σ,对仪器的误差范围,影响极小。
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       测量仪器通常是以系统误差为主的。GUM声称取2σ,可信性95%,严重丑化了。误导了厂家,误导了用户。愚蠢。
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       在不确定度论的大潮下,福禄克(FULUKE)公司声明:为对广大用户负责,本公司产品一律取置信性99%(取3σ).
       福禄克强调高置信度,大方向是对的。自然受用户欢迎。信誉高,产品自然卖得快。而代价有多大呢?由于测量仪器以系统误差为主,见上表,取3σ,仪器误差范围的扩大系数却并不大。费劲小而收益大,好聪明的福禄克!
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已有12人评论

沙发
gxf3266364 发表于 2016-8-18 20:29:33
k该怎么取,我手头的各种资料,包括国家的,CNAS的都有,写的清清楚楚,我又没有必要信口开河。对的我就支持,错的我就反对,就这么简单。您发表新观点就不要怕大家有质疑,能经受住质疑观点才说明是正确的。
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板凳
everloses 发表于 2016-8-18 20:37:03
谁规定k必须取2了?明明是2和3都可以根据需要选用,如果有特殊要求还可以根据分布情况更加详细的选择k值。搞研究是好的,我很支持,现在计量行业真正搞研究的人是没多少,问题是也得先搞清楚现有理论的状况再说。
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地板
快乐.每一天 发表于 2016-8-18 20:46:58


99%置信概率不确定度似乎就是过去的准确度改了个名字

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5#
飞翔de希望 发表于 2016-8-18 20:51:40
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       你大概是“天上掉下的林妹妹”,似乎刚到人间。
       没人说k值不能选取。但提倡什么,是十分清楚明白的。1993年GUM出世前,随机误差范围取k=3,谁不知道?GUM出世后,扩展不确定度的k值通常取2,又有谁不知道?国家规范JJF上明明写着“当不写明k值时,指k=2”. k=2有不言自明的地位,各种检定规程上都是规定k=2, 你却指责别人不明白情况。你是真不知道,还是顺嘴胡咧咧?

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6#
nshukwrd 发表于 2016-8-18 20:55:52
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       老史没有“困惑”。
       抨击不确定度论,已写三百多篇杂文,表明老史在对不确定度论的认识上,是清醒的。
       “蒙特卡洛”法,对测量计量来说,就是“蒙人卡脖”。说者是蒙人;听者必上当。鄙视它,就是老史的选择。
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       你懂“蒙特卡洛法”?跟着别人胡说吧!你自己自称“糊里糊涂”,还想让别人明白?
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       运用“蒙特卡洛法”,必须知道输入量的分布,怎么知道?这第一关就没法过。只能假设。靠假设求出的东西,能真实吗?能有用吗?
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       学习、讨论、争论、辩论,目的只有一个,就是有利于业务工作,有利于学术发展。不懂装懂,是要露馅的;宣扬错误,必将受到历史的惩罚!
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7#
gxf 发表于 2016-8-18 21:07:27
在下以为蒙特卡罗方法能解决史老前辈的困惑
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8#
威风凛凛 发表于 2016-8-18 21:37:32
关于所谓“系统(测量)误差”,其含义(定义)及处理办法,许多学者在近30年以前就已阐述清楚了!史先生在此的“新论”实在看不出有什么可取之处!首先,将所谓“系统(测量)误差”认定为“恒定不变”的量有失偏颇,即便是考虑一个实用的有限时空范围,也有大量的所谓“系统(测量)误差”是“变化的”,譬如许多仪器的“温度效应”;对于那些从机理上确认在要求的时空范围内“不会变化”的那些“系统误差”分量,“评估”其“可能范围”的前提是其“确切值”未知,只能根据已有“经验”合理“猜测”其值的“可能范围”,如此范围值才能与其它不相关的误差分量“范围值”由方和根方法“合成”总的“误差范围值”!对于那些“取值已知”的“不变系统误差分量”,正常的“处理办法”是加以“修正”(在计算手段如此便捷的今天,许多“修正”用手机就可以分分钟搞定!),若实在不便“修正”,则只能以“绝对和”的方式与其他“范围”合成,否则,会出现不可收拾的后果!——若以史先生的高论按“方和根”合成(毫无数学道理!)一个“误差范围”的指标,“检定”不合格的风险巨大!若按史先生的高论计“测量误差”的“检定”结果,很可能将“烂仪器”判为合格!——有个实例在另一个贴中。
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9#
qq53039 发表于 2016-8-18 22:12:51
3σ与2σ之别,无关“技术优劣”。“不确定度”表述是必须明确“包含概率”的,不容含糊行事,缺省的“包含概率”很容易按“规定”统一,基于“诚信”社会,取95.4%,甚至90%都未尝不可——报告者会向外行的需求者如实表达;若为防止偷奸耍滑,可能是取99.7%较好?
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10#
ttyn727 发表于 2016-8-18 23:16:22
楼上最后一句应为:若按史先生的高论计算“测量误差”的“检定”结果,很可能将“烂仪器”判为合格!——有个实例在另一个贴中。
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