元器件檢測(cè)的測(cè)量不確定度評(píng)定方法與實(shí)例

摘要：介紹了元器件檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室對(duì)測(cè)量不確定度評(píng)定的要求，測(cè)量不確定度評(píng)定的一般步驟和方法。對(duì)元器件檢測(cè)中的測(cè)量不確定度評(píng)定的若干問題進(jìn)行了分析，用一個(gè)實(shí)例說明了如何在元器件檢測(cè)中實(shí)施測(cè)量不確定度評(píng)定。
關(guān)鍵詞：不確定度；電子元器件檢測(cè)

0 引言
    測(cè)量不確定度是與測(cè)量結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù)，表征合理地賦予被測(cè)量之值的分散性。是綜合考慮包括測(cè)量誤差等各種影響因素后，對(duì)測(cè)量結(jié)果不能肯定的程度的評(píng)定。
    對(duì)于檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室，開展測(cè)量不確定度的評(píng)定工作是提高檢測(cè)結(jié)果質(zhì)量、衡量測(cè)試過程中各種因素帶來的影響的重要手段，也是適應(yīng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室發(fā)展趨勢(shì)所必須具備的能力，本文介紹了測(cè)量不確定度的評(píng)定方法，分析了在元器件檢測(cè)中不確定度的來源以及據(jù)此進(jìn)行的不確定度評(píng)定的實(shí)例。

1 元器件檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室對(duì)測(cè)量不確定度評(píng)定的要求
    對(duì)于需要通過認(rèn)可機(jī)構(gòu)認(rèn)可的實(shí)驗(yàn)室，認(rèn)可依據(jù)都使用ISO／IEC17025：2005《檢測(cè)和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室能力通用要求》或以此為基礎(chǔ)的準(zhǔn)則。其中規(guī)定了檢測(cè)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室： “5．4．6．2檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)具有并應(yīng)用測(cè)量不確定度的程序。在某種情況下，檢測(cè)方法的性質(zhì)會(huì)妨礙對(duì)測(cè)量不確定度進(jìn)行嚴(yán)密的計(jì)量學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)上的有效計(jì)算。在這種情況下，實(shí)驗(yàn)室至少應(yīng)努力找出不確定度的所有分量且做出合理判定，并確保結(jié)果的報(bào)告方式不會(huì)對(duì)不確定度造成錯(cuò)覺。合理的評(píng)定應(yīng)依據(jù)對(duì)方法特性的理解和測(cè)量范圍，并利用諸如過去的經(jīng)驗(yàn)和確認(rèn)的數(shù)據(jù)。”可以看出，由于檢測(cè)的類型的不同，很多情況下準(zhǔn)確的不確定度評(píng)定是比較困難的，實(shí)驗(yàn)室應(yīng)基于已有的包括經(jīng)驗(yàn)在內(nèi)的各種信息來源盡可能給出不確定度，以使該檢測(cè)結(jié)果在使用中的風(fēng)險(xiǎn)可以控制。所以以CNAS(中國(guó)合格評(píng)定認(rèn)可委員會(huì))的規(guī)則CNAS-CL07：2011《測(cè)量不確定度要求》中的規(guī)定為例：“8．2檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)有能力對(duì)每一項(xiàng)有數(shù)值要求的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行測(cè)量不確定度評(píng)定。當(dāng)不確定度與檢測(cè)結(jié)果的有效性或應(yīng)用有關(guān)、或在用戶有要求時(shí)、或當(dāng)不確定度影響到規(guī)范限度的符合性時(shí)、當(dāng)測(cè)試方法中有規(guī)定時(shí)和CNAS有要求時(shí)(如認(rèn)可準(zhǔn)則在特殊領(lǐng)域的應(yīng)用說明中有規(guī)定)，檢測(cè)報(bào)告必須提供測(cè)量結(jié)果的不確定度。”對(duì)于檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室，不同于校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室必須提供不確定度的規(guī)定，只要求具備不確定度評(píng)定的能力，允許在特定需要時(shí)對(duì)結(jié)果進(jìn)行不確定度評(píng)定。
    對(duì)于元器件檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室，由于檢測(cè)的目的是對(duì)被測(cè)件做定性的結(jié)論，面對(duì)的客戶一般沒有不確定度的要求，所以不確定度大多只是有原則性的方法，評(píng)定的實(shí)例比較少，但即使只判斷器件是否符合參數(shù)上下限，不確定度的評(píng)定對(duì)于提高檢測(cè)結(jié)果質(zhì)量，以及用于評(píng)價(jià)新的測(cè)試方法給出結(jié)果時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)，仍然是非常有價(jià)值、值得積極實(shí)踐的。
    例如：如某元器件在檢測(cè)接收時(shí)，一項(xiàng)參數(shù)的合格范圍為[x,z]，如果己知測(cè)量的不確定度U，則選擇收緊的接收范圍為[x+U,z-U]，顯然會(huì)降低接收的風(fēng)險(xiǎn)，而該措施是有IEC政策支撐的。實(shí)際工作中常遇到的測(cè)試結(jié)果卡限的問題也有了合理的解決。

2 測(cè)量不確定度評(píng)定方法
    測(cè)量不確定度的評(píng)定方法主要依據(jù)是JJF1059～1999《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》。認(rèn)可機(jī)構(gòu)發(fā)布的要求和指南也都指向和引用該標(biāo)準(zhǔn)。評(píng)定測(cè)量不確定度的步驟主要有：
2．1 識(shí)別不確定度來源
    測(cè)量不確定度的分量可能來源于：對(duì)被測(cè)量的定義不完善；實(shí)現(xiàn)被測(cè)量定義的方法不理想；取樣的代表性不夠；對(duì)測(cè)量受環(huán)境影響的認(rèn)識(shí)不周全或?qū)Νh(huán)境條件的測(cè)量和控制不完善；對(duì)模擬儀器的讀數(shù)存在認(rèn)為的偏差；測(cè)量?jī)x器的分辨力或鑒別力不夠；賦予計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的值或標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的值不準(zhǔn)；引用于數(shù)據(jù)計(jì)算的常量和其它參量不準(zhǔn)；測(cè)量方法和測(cè)量程序的相似性和假定性；在表面看來完全相同的條件下，被測(cè)量重復(fù)觀測(cè)值的變化。
2．2 建立數(shù)學(xué)模型
    (1)確定被測(cè)量Y與輸入量X1…Xn的函數(shù)關(guān)系。
    (2)輸入量X1…Xn包括估計(jì)值(測(cè)得讀數(shù))，外部引入的值(如計(jì)量獲得的修正因子及證書提供的不確定度)。
    (3)因難以量化不能明顯呈現(xiàn)在函數(shù)關(guān)系中的分量，在該函數(shù)中忽略作為不確定度處理。根據(jù)測(cè)量的具體特點(diǎn)，一些輸入值可以是修正因子(最佳值為0)或修正系數(shù)(最佳值為1)。
2．3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的評(píng)估和計(jì)算
    (1)A類不確定度分量的評(píng)估一對(duì)觀測(cè)列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析所做的評(píng)估。(A類和B類的分類是在指出評(píng)定方法的不同，A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度的分量是由一系列重復(fù)觀測(cè)計(jì)算得到的，B類則是根據(jù)有關(guān)信息來評(píng)定的，即通過一個(gè)假定的概率密度函數(shù)得到的)
    1)對(duì)輸入量Xi進(jìn)行n次獨(dú)立的等精度的測(cè)量，得到的測(cè)量結(jié)果為X1，X2…Xn為其平均值，即：
   
    2)A類測(cè)量不確定度的評(píng)估一般是采取對(duì)用于日常開展檢測(cè)和校準(zhǔn)的測(cè)試系統(tǒng)和具有代表性的樣品預(yù)先評(píng)估的。
    3)進(jìn)行A類不確定度評(píng)估時(shí)，充分測(cè)量次數(shù)應(yīng)足夠多，一般測(cè)量次數(shù)不少于6次。
    (2)B類不確定度分量的評(píng)估一當(dāng)輸入量的估計(jì)量Xi不是由重復(fù)觀測(cè)得到時(shí)，其標(biāo)準(zhǔn)偏差可用對(duì)Xi有關(guān)信息或資料來評(píng)估。信息來源可來自：校準(zhǔn)證書、生產(chǎn)廠說明書、檢測(cè)依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)、引用手冊(cè)的參考數(shù)據(jù)、以前測(cè)量的數(shù)據(jù)、相關(guān)的材料特性等。
    1)若資料給出了Xi的擴(kuò)展不確定度u(Xi)和包含因子K，則Xi的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為
   
    其中K為包含因子，在不能確定Xi的分布形式時(shí)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，K選擇2，相當(dāng)于約95％的包含概率；一般給出擴(kuò)展不確定度時(shí)，同時(shí)也會(huì)給出包含因子。若給出的擴(kuò)展不確定度為up(Xi)時(shí)(p為包含概率)，則其Kp與Xi的分布相關(guān)，按照正態(tài)分布考慮時(shí)，如p=0．95，可查表得到Kp=1．960。
    2)若資料給出Xi可能值分布區(qū)間半寬度為a(通常為允許誤差限的絕對(duì)值)：
   
    此時(shí)K與Xi在此區(qū)間的概率分布有關(guān)，對(duì)應(yīng)幾種分布(非正態(tài))其包含因子為：

   
    (3)輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(Xi)引起的y的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量ui(y)為：
   
    其中為靈敏系數(shù)，等于輸入量Xi變化單位量時(shí)引起y的變化量，可以由數(shù)學(xué)模型得到，也可以由實(shí)測(cè)得到。反映了該輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度對(duì)輸出量的不確定度的貢獻(xiàn)靈敏程度。
    (4)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc(y)的計(jì)算
   
    實(shí)際工作中，若各輸入量之間互不相關(guān)，或有部分輸入量相關(guān)，但其相關(guān)系數(shù)較小(弱相關(guān))，即r(Xi,Xj)=0，可化簡(jiǎn)為：

    此時(shí)，計(jì)算合成不確定度采用的是方和根法，即將各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量平方后求和再開根。
    (5)擴(kuò)展不確定度u的計(jì)算
    1)通常提供的不確定度是特定包含概率下的擴(kuò)展不確定度，這時(shí)需要估計(jì)不確定度分量的分布形式，在不確定度較多、其大小比較接近，而無法確定其分布形式時(shí)，按照標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定取K=2，近似的正態(tài)分布其包含概率約為95％，即U=Kuc(y)=2uc(y)。
    2)如果可以確定合成不確定度包含的分量中較多分量或占支配地位的分量的概率分布形式，則需要按照其分布形式來確定K值。

3 元器件測(cè)試中測(cè)量不確定度評(píng)定實(shí)例
3．1 測(cè)試過程信息
    (1)測(cè)試設(shè)備為數(shù)字電路自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)J750。
    電壓測(cè)量能力：量程5V、分辨力0．625mV；測(cè)量電壓準(zhǔn)確度±0．1％+3mV。
    (2)測(cè)試參數(shù)及測(cè)試結(jié)果：在重復(fù)性條件下(26．4℃、54％)，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)樣片54LS245的Voh參量(Ioh=3mA)，其6次結(jié)果如下：

    平均值為Ave=2．93477V
3．2 測(cè)試不確定度來源分析
    (1)測(cè)試設(shè)備固有的不確定度：電壓測(cè)量分辨力，電壓測(cè)量準(zhǔn)確度。
    (2)環(huán)境條件。對(duì)于元器件測(cè)試來說，其環(huán)境條件在實(shí)驗(yàn)室可以控制在特定的溫濕度下，由此引入的不確定度可忽略不計(jì)。
    (3)測(cè)量方法和檢測(cè)過程。對(duì)于元器件較復(fù)雜的測(cè)試過程中，因各種假設(shè)和近似計(jì)算等技術(shù)因素有時(shí)無法分析出不確定度，需要經(jīng)過多次的試驗(yàn)才能定量描述；對(duì)于該例中的加流測(cè)壓的簡(jiǎn)單過程，引入的不確定度可忽略不計(jì)。
    (4)測(cè)試夾具、引線等工裝輔助裝置的殘余參數(shù)。對(duì)于自制或臨時(shí)增加的該類裝置，其殘余參數(shù)的度量是較復(fù)雜的過程，取決于其介質(zhì)、形狀、長(zhǎng)度等多種因素，也和測(cè)試速度、測(cè)試對(duì)象有關(guān)，該實(shí)例中使用的是設(shè)備廠家配置的夾具，其殘值已包含于系統(tǒng)的誤差范圍，這里將該因素引入的不確定度忽略不計(jì)。
    (5)測(cè)量重復(fù)性引起的不確定度?？梢酝ㄟ^多次測(cè)量的實(shí)驗(yàn)方法得出，該例中的重復(fù)測(cè)試為6次。
    (6)人員素質(zhì)引起的不確定度。該實(shí)例的測(cè)量由自動(dòng)測(cè)試設(shè)備實(shí)現(xiàn)，操作過程符合規(guī)程要求，此項(xiàng)因素引入的不確定度可忽略不計(jì)。
3．3 不確定度評(píng)定的計(jì)算過程
    (1)數(shù)學(xué)模型
    Y=Voh
    (2)重復(fù)測(cè)量所引入的不確定度。
    A類評(píng)定，使用Bessel公式計(jì)算重復(fù)測(cè)量引入的不確定度：
   
    (6)擴(kuò)展不確定度。
    U=K×uc=0．0068V(k=2)
    (7)標(biāo)準(zhǔn)樣片54LS245在J750上測(cè)得的Voh=2．9348V，不確定度為0．0068V。

4 結(jié)束語
    在影響測(cè)量結(jié)果的各因素受到控制的情況下，不確定度的來源主要為重復(fù)測(cè)試的分散性和設(shè)備自身的偏差，測(cè)量不確定度的評(píng)定并不復(fù)雜，該實(shí)例所用樣片作為盲樣在不同實(shí)驗(yàn)室比對(duì)得到的測(cè)量結(jié)果時(shí)，表明該次測(cè)量結(jié)果為滿意。其中比對(duì)結(jié)果值的計(jì)算方法：
   
    包含了使用擴(kuò)展測(cè)量不確定度的計(jì)算。所以，開展測(cè)量不確定度的評(píng)定同時(shí)也是評(píng)價(jià)檢測(cè)方法和過程的合理水平，評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)檢測(cè)結(jié)果的必要工作。