测量不确定度的评定及其在力值计量中的应用

摘要：本文阐述了测量不确定度评定需借助对测量过程各环节进行分析，涵盖测量设备环境以及人员操作等因素以明确不确定度来源并量化其大小，在力值计量应用领域涉及各种设备使用偏差测量等场景，通过评定不确定度可助力提高力值测量精度，实现质量控制以及为标准制定提供依据等进而保障力值计量结果的准确可靠以及行业的规范发展。

关键词：测量不确定度；力值计量；评定

Abstract: This paper expounds the measurement uncertainty assessment requires the analysis of each link of the measurement process, covering the measuring equipment environment and personnel operation factors to clarify the source of uncertainty, and quantify the size, in force value measurement application field involves various equipment deviation measurement scenarios, by evaluating the uncertainty can help improve the force value measurement accuracy, achieve quality control and provide a basis for the formulation of the standard to ensure the force value measurement results and the standard development of the industry. Key words: measurement uncertainty; force value measurement; assessment

测量不确定度作为反映测量结果可信赖程度的关键参数对于力值计量意义非凡，测量不确定度的评定并非简单任务，需综合考量测量过程中的众多因素以及测量人员操作手法的差异等。深入探究测量不确定度的评定方法以及其在力值计量中的具体应用，不仅有助于提升力值测量的质量还能为相关行业的发展提供坚实支撑。

一、测量不确定度基础理论

（一）测量不确定度的定义

测量不确定度作为与测量结果相联系且表征合理地赋予被测量之值分散性的参数，反映了测量结果的可信赖程度，测量中受多种因素影响，测量结果并非确定值而是存在分散性而测量不确定度正是对这种分散性进行定量描述。

（二）测量不确定度的来源与分类

测量不确定度来源丰富多样，仪器的分辨率以及稳定性等特性会对测量精确程度形成限制，以普通电子天平与高精度分析天平称量同一物体为例，因精度差异得出的结果可能存在不同程度的不确定度，温度湿度以及气压等条件的变化都可能改变测量对象的物理性质或干扰测量仪器的正常工作[1]。测量方法的选择同样会带来不确定度，不同的测量方法基于不同的原理和假设，复杂程度和适用范围各有不同，采用直接测量法和间接测量法测量同一物理量可能会因方法本身的局限性而得到不同结果，测量人员的操作习惯和技能水平也会对测量结果产生影响，熟练测量人员与新手相比在操作仪器的速度力度以及读数准确性上都可能存在差异，进而导致测量不确定度有所不同。

测量不确定度可划分成不同类型，依据评定方法的不同分为A类不确定度和B类不确定度。A类不确定度是经由对观测列进行统计分析来评定的，它体现了测量结果的随机变化特性，多次重复测量同一物理量时测量值的分散性所导致的不确定度便属于A类；B类不确定度则是基于经验或其他信息进行评定的，不依赖于统计分析，以测量仪器的校准误差所带来的不确定度为例就属于B类。下图1就是“不确定度”和“误差”共存示意图。

图1：“不确定度”和“误差”共存示意图

（三）测量不确定度的评定步骤与方法

测量不确定度的评定步骤先是识别不确定度来源，对整个测量过程展开全面细致分析测量所使用仪器的精度以及稳定性等因素会带来不确定度，确定不确定度来源后需对其量化，针对一些能够借助多次测量进行统计分析的不确定度，采用A类评定方法，以对某一物理量进行多次重复测量为例，借助计算测量数据的统计特征如标准偏差等来确定这部分不确定度的大小；而对于那些无法依靠统计分析评定的不确定度，诸如测量仪器的校准误差和参考数据的不确定度等则运用B类评定方法，通常要依据经验以及仪器说明书提供的信息等进行判断和量化。

之后是合成不确定度，鉴于测量过程中常常存在多个不确定度来源，需要按照一定数学模型考虑各不确定度分量之间的相关性，将这些不同来源的不确定度合成以得到合成不确定度，为给出更具置信度的测量结果区间，在合成不确定度基础上乘以包含因子得出扩展不确定度[2]。下图1就是测量不确定度评定流程图。

图 2：测量不确定度评定流程图

二、测量不确定度在力值计量中的应用

（一）提高测量精度

以使用力传感器进行力值测量来说，不确定度分析可涵盖传感器的线性度以及重复性等性能指标，还有测量环境中的温度湿度以及振动等因素对测量结果的影响，经详细的分析计算确定每个因素带来的不确定度分量大小，为测量过程绘制一幅精准的“风险地图”，明确哪些因素对测量精度影响较大哪些相对较小，针对那些不确定度贡献较大的因素能够有针对性地采取措施加以控制和改进，分析发现温度变化是致使测量不确定度较大的主要原因，那么就能够凭借控制测量环境的温度稳定性或者对测量结果进行温度补偿等方式，来降低温度因素对测量精度的影响[3]。

新的测量原理和技术不断涌现为改进测量方法创造了广阔空间，传统的力值测量方法或许存在一定局限，精度难以满足日益增长的高精度测量需求，在这种情况下研究和采用新的测量方法就尤为重要。在某些高精度力值测量场景中传统基于机械结构的测量方法可能因机械部件的摩擦以及磨损等问题致使测量误差较大，而采用基于光学原理或量子技术的新型测量方法能够利用光的高精度干涉特性或量子的微观特性，实现更精确的力值测量。

（二）质量控制

以汽车零部件生产为例，发动机装配过程中螺栓的拧紧力值有严格要求，若拧紧力过小螺栓在车辆运行时可能松动，致使部件连接不稳定影响发动机正常运转，甚至引发安全隐患，若拧紧力过大则可能使螺栓过度拉伸甚至断裂，同样会严重损害产品质量[4]。借助在生产线上安装高精度的力值测量设备，实时监控和调整力值确保每个零部件的装配力值处于规定范围内，帮助提升产品的一致稳定，降低次品率，而且对生产过程中力值数据进行持续记录和分析能够及时发现生产工艺里如设备磨损以及工装不合理等潜在问题，以便及时调整和改进实现对整个生产过程的有效质量控制。

产品生产完成后需进行全面检测，力值验证是其中必不可少的部分，诸如建筑用钢材或安全防护设备等一些需要承受特定力值的产品，准确验证其力值性能至关重要。利用专业的力值检测设备依照严格的检测标准对产品施加相应的力，检测产品在力作用下的各项性能指标，若产品的力值性能不达标表明该产品可能无法在实际使用中发挥应有作用，甚至会带来安全风险，只有经过力值验证合格的产品才能够进入市场，保障消费者的权益和使用安全，产品检测中的力值验证结果还可为产品的研发和改进提供有力依据，推动企业不断优化产品设计和生产工艺，提升产品的竞争力[5]。

（三）标准制定

力值计量标准的制定是一项需综合考虑众多因素的复杂且严谨的工作，其目的在于为整个行业提供统一可靠的测量依据，力值计量涉及众多领域，从制造业的零部件生产到航空航天领域的精密测试，不同行业在力值测量需求以及精度要求方面差异巨大。以汽车制造行业为例，发动机装配过程中螺栓拧紧力的测量需精确到特定数值，所以在制定力值计量标准时要充分调研各个行业的实际应用场景，了解不同生产环节和科研项目里力值测量的具体要求并针对此类需求规定相应的测量方法以及操作规范等内容，同时还要参考国际和国内已有的相关标准和规范，确保新制定的力值计量标准具备广泛的通用性和兼容性，能够与国际接轨，促进国际贸易和技术交流。

不确定度要求的确定是力值计量标准制定中不可缺少的一部分，由于不确定度体现了测量结果的可信赖程度，所以明确合理的不确定度要求对保障力值计量的质量至关重要，在确定不确定度要求之际要深入分析测量过程中的各种不确定度来源。测量设备的精度以及分辨率等因素会直接影响测量结果的不确定度，例如高精度的力传感器虽能提供更准确的测量值，但也存在一定的测量误差范围，这就需要依据设备的性能参数结合实际测量需求确定一个可接受的不确定度区间，测量环境的变化也会引入不确定度，在高温环境下测量力值，由于材料的热膨胀等因素测量结果可能会出现偏差，因而要全面考虑这些环境因素对测量结果的影响，确定在不同环境条件下合理的不确定度要求[6]。

借助科学合理地确定不确定度要求能够让力值计量标准更为完善，为实际测量工作提供更具指导性和可操作性的准则，确保力值测量结果在满足一定不确定度范围内的准确可靠，推动着力值计量行业的健康发展。

结论：

经对测量不确定度进行准确评定可清晰识别出影响力值测量的各类因素，包含测量设备的性能局限，测量环境的复杂多变以及测量人员操作的不确定性等。在力值计量的实际应用场景里从生产过程中的力值控制到产品检测中的力值验证，再到力值计量标准的制定以及不确定度要求的确定，测量不确定度评定均发挥着关键作用。借助科学合理地评定测量不确定度能够有效提高力值测量精度，加强质量控制水平以及完善力值计量标准体系，最终实现力值计量结果的准确可靠，推动力值计量相关行业的高质量发展。

参考文献：

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[4]王晋威,刘良江,朱宪宇,等.宽量限高准确度直流电量测试和不确定度评定[J].计量与测试技术,2025,51(01):18-23.

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