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FIELD NOTES / 感測器與量測

量測不確定度如何在報表中與顯示解析度分開

感測器與量測作者:站長預估 6 分鐘閱讀

分清解析度、標準與擴展不確定度,完成可重算的預算與報表。

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小數位數不能代替量測可信範圍

報表顯示25.00 bar,不代表壓力已準確到0.01 bar。小數位數是顯示選擇,解析度是儀器或記錄可分辨的步進,不確定度則描述對量測結果仍存在多少合理分散。先把三者分欄,避免使用者把更多小數當成更精準的保證。

再分清誤差與不確定度。若校正發現儀器固定高0.10 bar,可以在有依據的模型中修正;修正後仍有參考標準、重複性、環境與修正本身的不確定度。不能把已知偏差原封不動留著,再說誤差都包含在一個正負範圍裡。

本篇使用壓力量測的示例預算。先定義被量的是哪個位置、哪個時刻或哪段平均、表壓還是絕對壓,以及適用溫度與負載。若被測量本身定義不清,同樣寫25 bar的兩份報告也可能無法比較。

本文的u表示標準不確定度,u_c表示合成標準不確定度,U表示擴展不確定度,k為擴展因子。U=k×u_c,三種不確定度都帶被測量的單位,k沒有單位。報表只寫±0.4卻不說是什麼,讀者無法正確使用。

A類與B類指評估方法,不是把所有隨機效應叫A類、所有系統效應叫B類。相同物理來源可能依統計資料或其他可靠資訊評估;整理預算時先說證據怎麼來,再決定換算方式,避免用分類名稱取代實際計算。

先把每個來源換成標準不確定度

先列預算表,寫出來源、原始資料、分布假設、換算方式、靈敏度係數及最後貢獻。校正證書給U=0.20 bar、k=2時,對應標準不確定度0.10 bar;不能直接把0.20拿去和其他標準差合成。證書適用範圍也要與本次量測相符。

數位顯示步進假設為0.10 bar,且四捨五入誤差可合理視為−0.05至+0.05 bar均勻分布,解析度貢獻為0.05/√3,約0.0289 bar。這是明確模型,不是所有儀器固定公式;若有其他量化機制、抖動或同一影響已計入別項,需避免重複計算。

重複量測也要說明結果是單次值還是平均值。假設十次獨立、穩定量測的樣本標準差0.06 bar,十次平均的標準不確定度可估為0.06/√10,約0.0190 bar。若資料存在強烈時間相關或漂移,不能直接靠增加筆數除以根號十宣稱改善。

把不同單位轉成輸出單位。若電流的不確定度為0.02 mA,而壓力換算斜率0.625 bar/mA,對壓力的標準貢獻是0.0125 bar。電流、溫度與壓力不能把數字直接平方相加,先用量測模型的靈敏度係數映射到同一輸出。

資料不足的來源也要列出。例如只知道工作溫度超過校正條件,卻沒有溫漂資料,應補資料或限制報告適用範圍。把未知項填零會使總不確定度看起來漂亮,但沒有量測依據。

跟著算一次合成與擴展

為方便練習,另取已換算成bar且互不相關的三項標準貢獻0.20、0.10與0.05。合成u_c=√(0.20²+0.10²+0.05²)=√0.0525,約0.2291 bar。這三項是獨立教學數據,不與上一頁的預算再加一次。

若選k=2,U約0.4583 bar。依預先採用的報告規則可保留兩位有效數字為0.46 bar,量測結果對應寫25.00 bar,再註明U、k與覆蓋解釋;額外的小數是為了與報告位數對齊,不代表儀器突然提高解析度。原始計算保留未捨入值。

k=2常用於適合的近似常態條件,但不等於所有情況都保證百分之九十五覆蓋。分布、有效自由度與模型條件會影響選擇。若僅依內部規則採k=2,報告要清楚寫出依據,不能自動補上沒有驗證的精確信心水準。

若前兩項相關係數r=0.5,且三項靈敏度已含入貢獻、第三項與其他項不相關,還須加入2×0.5×0.20×0.10=0.0200 bar²。總方差變0.0725,u_c約0.2693 bar,k=2時U約0.5385 bar。這說明共同參考或共同環境不能永遠當成獨立。

相關性有正負,也受模型符號影響,不能為了降低結果任意選負值。一般模型需要所有相關項與靈敏度係數;本例只示範一對相關來源。非線性很強或接近邊界時,還需評估簡化的一階傳播是否適用。

報告要讓別人看得懂也重算得出

報表至少顯示量測結果、單位、U、k、覆蓋或分布說明、量測條件及方法版本。預算附表再列u_c、各分量及參考證據。顯示解析度另列0.10 bar,不把它放在U欄;若同時報kPa,結果與不確定度都乘100,k仍不變。

合格判定另依決策規則。若規格上限25.0 bar,量測24.8 bar、U=0.4 bar,僅看中心值會落在規格內;若採要求量測值加U不超過上限的保守接受規則,25.2 bar就不滿足。這是示例規則,不代表所有驗收都必須如此,也不是確定產品真值超限。

失敗時先查單位、證書給u還是U、k是否漏除,再查解析度半寬、標準差與平均的差異,以及相關項。最後核對四捨五入是否只用在報告階段。中途反覆捨入可能讓邊界判定變動,不能用顯示數字重做完整預算。

感測器、量程、方法、環境或校正狀態改變,都可能使原預算不再適用。保存每版的原始資料和假設,讓使用者知道0.46 bar來自哪三項。本文說明計算與報告方法,不構成現場校正證書。

若報告的是多次量測平均,必須保留次數、取樣間隔、平均前的原始序列與穩定性檢查。對同一個不斷漂移的訊號連續讀一百次,平均可以改變結果的時間意義,卻不能自動消除漂移。先界定被測量是瞬間值還是期間平均,再設計取樣。

練習與常見問題

練習:證書U=0.30 bar、k=3,轉成標準不確定度為0.10 bar。若另一獨立貢獻也是0.10 bar,合成約0.1414 bar;再採k=2時U約0.2828 bar。不能把0.30與0.10直接加成0.40後叫標準不確定度。

FAQ1:顯示多兩位小數會讓U變小嗎?不會,須靠量測方法、參考與環境等證據改善,顯示格式本身不提高可信度。

FAQ2:所有來源都能平方和開根號嗎?先轉為適當標準貢獻,且需檢查相關性與模型,不能省略共變異項。

FAQ3:k=2一定等於百分之九十五嗎?不是無條件成立,必須看分布與自由度等適用條件。

FAQ4:不確定度範圍碰到規格線就一定NG嗎?依已約定的決策規則處理,不能把不確定度直接當成確定的最大誤差。

參考:NIST TN1297第4節:B類評估與分布換算。

參考:NIST TN1297第5節:合成標準不確定度。

參考:NIST TN1297第6節:擴展不確定度與k。

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