元器件檢測的測量不確定度評定方法與實例

摘要：介紹了元器件檢測實驗室對測量不確定度評定的要求，測量不確定度評定的一般步驟和方法。對元器件檢測中的測量不確定度評定的若干問題進行了分析，用一個實例說明了如何在元器件檢測中實施測量不確定度評定。
關鍵詞：不確定度；電子元器件檢測

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

1 元器件檢測實驗室對測量不確定度評定的要求
    對于需要通過認可機構認可的實驗室，認可依據(jù)都使用ISO／IEC17025：2005《檢測和校準實驗室能力通用要求》或以此為基礎的準則。其中規(guī)定了檢測性質(zhì)的實驗室： “5．4．6．2檢測實驗室應具有并應用測量不確定度的程序。在某種情況下，檢測方法的性質(zhì)會妨礙對測量不確定度進行嚴密的計量學和統(tǒng)計學上的有效計算。在這種情況下，實驗室至少應努力找出不確定度的所有分量且做出合理判定，并確保結果的報告方式不會對不確定度造成錯覺。合理的評定應依據(jù)對方法特性的理解和測量范圍，并利用諸如過去的經(jīng)驗和確認的數(shù)據(jù)。”可以看出，由于檢測的類型的不同，很多情況下準確的不確定度評定是比較困難的，實驗室應基于已有的包括經(jīng)驗在內(nèi)的各種信息來源盡可能給出不確定度，以使該檢測結果在使用中的風險可以控制。所以以CNAS(中國合格評定認可委員會)的規(guī)則CNAS-CL07：2011《測量不確定度要求》中的規(guī)定為例：“8．2檢測實驗室應有能力對每一項有數(shù)值要求的測量結果進行測量不確定度評定。當不確定度與檢測結果的有效性或應用有關、或在用戶有要求時、或當不確定度影響到規(guī)范限度的符合性時、當測試方法中有規(guī)定時和CNAS有要求時(如認可準則在特殊領域的應用說明中有規(guī)定)，檢測報告必須提供測量結果的不確定度。”對于檢測實驗室，不同于校準實驗室必須提供不確定度的規(guī)定，只要求具備不確定度評定的能力，允許在特定需要時對結果進行不確定度評定。
    對于元器件檢測實驗室，由于檢測的目的是對被測件做定性的結論，面對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，評定的實例比較少，但即使只判斷器件是否符合參數(shù)上下限，不確定度的評定對于提高檢測結果質(zhì)量，以及用于評價新的測試方法給出結果時的風險，仍然是非常有價值、值得積極實踐的。
    例如：如某元器件在檢測接收時，一項參數(shù)的合格范圍為[x,z]，如果己知測量的不確定度U，則選擇收緊的接收范圍為[x+U,z-U]，顯然會降低接收的風險，而該措施是有IEC政策支撐的。實際工作中常遇到的測試結果卡限的問題也有了合理的解決。

2 測量不確定度評定方法
    測量不確定度的評定方法主要依據(jù)是JJF1059～1999《測量不確定度評定與表示》。認可機構發(fā)布的要求和指南也都指向和引用該標準。評定測量不確定度的步驟主要有：
2．1 識別不確定度來源
    測量不確定度的分量可能來源于：對被測量的定義不完善；實現(xiàn)被測量定義的方法不理想；取樣的代表性不夠；對測量受環(huán)境影響的認識不周全或?qū)Νh(huán)境條件的測量和控制不完善；對模擬儀器的讀數(shù)存在認為的偏差；測量儀器的分辨力或鑒別力不夠；賦予計量標準的值或標準物質(zhì)的值不準；引用于數(shù)據(jù)計算的常量和其它參量不準；測量方法和測量程序的相似性和假定性；在表面看來完全相同的條件下，被測量重復觀測值的變化。
2．2 建立數(shù)學模型
    (1)確定被測量Y與輸入量X1…Xn的函數(shù)關系。
    (2)輸入量X1…Xn包括估計值(測得讀數(shù))，外部引入的值(如計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)測量的具體特點，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 標準不確定度分量的評估和計算
    (1)A類不確定度分量的評估一對觀測列進行統(tǒng)計分析所做的評估。(A類和B類的分類是在指出評定方法的不同，A類標準不確定度的分量是由一系列重復觀測計算得到的，B類則是根據(jù)有關信息來評定的，即通過一個假定的概率密度函數(shù)得到的)
    1)對輸入量Xi進行n次獨立的等精度的測量，得到的測量結果為X1，X2…Xn為其平均值，即：
   
    2)A類測量不確定度的評估一般是采取對用于日常開展檢測和校準的測試系統(tǒng)和具有代表性的樣品預先評估的。
    3)進行A類不確定度評估時，充分測量次數(shù)應足夠多，一般測量次數(shù)不少于6次。
    (2)B類不確定度分量的評估一當輸入量的估計量Xi不是由重復觀測得到時，其標準偏差可用對Xi有關信息或資料來評估。信息來源可來自：校準證書、生產(chǎn)廠說明書、檢測依據(jù)的標準、引用手冊的參考數(shù)據(jù)、以前測量的數(shù)據(jù)、相關的材料特性等。
    1)若資料給出了Xi的擴展不確定度u(Xi)和包含因子K，則Xi的標準不確定度為
   
    其中K為包含因子，在不能確定Xi的分布形式時，根據(jù)標準的規(guī)定，K選擇2，相當于約95％的包含概率；一般給出擴展不確定度時，同時也會給出包含因子。若給出的擴展不確定度為up(Xi)時(p為包含概率)，則其Kp與Xi的分布相關，按照正態(tài)分布考慮時，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值)：
   
    此時K與Xi在此區(qū)間的概率分布有關，對應幾種分布(非正態(tài))其包含因子為：

   
    (3)輸入量的標準不確定度u(Xi)引起的y的標準不確定度分量ui(y)為：
   
    其中為靈敏系數(shù)，等于輸入量Xi變化單位量時引起y的變化量，可以由數(shù)學模型得到，也可以由實測得到。反映了該輸入量的標準不確定度對輸出量的不確定度的貢獻靈敏程度。
    (4)合成標準不確定度uc(y)的計算
   
    實際工作中，若各輸入量之間互不相關，或有部分輸入量相關，但其相關系數(shù)較小(弱相關)，即r(Xi,Xj)=0，可化簡為：

    此時，計算合成不確定度采用的是方和根法，即將各標準不確定度分量平方后求和再開根。
    (5)擴展不確定度u的計算
    1)通常提供的不確定度是特定包含概率下的擴展不確定度，這時需要估計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，按照標準的規(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 元器件測試中測量不確定度評定實例
3．1 測試過程信息
    (1)測試設備為數(shù)字電路自動測試系統(tǒng)J750。
    電壓測量能力：量程5V、分辨力0．625mV；測量電壓準確度±0．1％+3mV。
    (2)測試參數(shù)及測試結果：在重復性條件下(26．4℃、54％)，測量標準樣片54LS245的Voh參量(Ioh=3mA)，其6次結果如下：

    平均值為Ave=2．93477V
3．2 測試不確定度來源分析
    (1)測試設備固有的不確定度：電壓測量分辨力，電壓測量準確度。
    (2)環(huán)境條件。對于元器件測試來說，其環(huán)境條件在實驗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。
    (3)測量方法和檢測過程。對于元器件較復雜的測試過程中，因各種假設和近似計算等技術因素有時無法分析出不確定度，需要經(jīng)過多次的試驗才能定量描述；對于該例中的加流測壓的簡單過程，引入的不確定度可忽略不計。
    (4)測試夾具、引線等工裝輔助裝置的殘余參數(shù)。對于自制或臨時增加的該類裝置，其殘余參數(shù)的度量是較復雜的過程，取決于其介質(zhì)、形狀、長度等多種因素，也和測試速度、測試對象有關，該實例中使用的是設備廠家配置的夾具，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。
    (5)測量重復性引起的不確定度?？梢酝ㄟ^多次測量的實驗方法得出，該例中的重復測試為6次。
    (6)人員素質(zhì)引起的不確定度。該實例的測量由自動測試設備實現(xiàn)，操作過程符合規(guī)程要求，此項因素引入的不確定度可忽略不計。
3．3 不確定度評定的計算過程
    (1)數(shù)學模型
    Y=Voh
    (2)重復測量所引入的不確定度。
    A類評定，使用Bessel公式計算重復測量引入的不確定度：
   
    (6)擴展不確定度。
    U=K×uc=0．0068V(k=2)
    (7)標準樣片54LS245在J750上測得的Voh=2．9348V，不確定度為0．0068V。

4 結束語
    在影響測量結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測試的分散性和設備自身的偏差，測量不確定度的評定并不復雜，該實例所用樣片作為盲樣在不同實驗室比對得到的測量結果時，表明該次測量結果為滿意。其中比對結果值的計算方法：
   
    包含了使用擴展測量不確定度的計算。所以，開展測量不確定度的評定同時也是評價檢測方法和過程的合理水平，評價實驗室間比對檢測結果的必要工作。