當數(shù)據(jù)遇上不確定性：揭秘測量誤差的科學(xué)

在科學(xué)實驗和日常工作中，我們經(jīng)常聽到“精確測量”這個詞，但實際上，無論我們多么小心，每次測量都存在一定的誤差空間。這種誤差就是“測量不確定度”，它是表征測量值精確度的重要概念，對于工程設(shè)計、產(chǎn)品開發(fā)和科研結(jié)果的可靠性及可信度都具有重大意義。

從精密的機械設(shè)備到大型航天航空器的測量，不確定度都在悄然影響著結(jié)果的準確性。通過本文，我們將一起揭開測量不確定度的神秘面紗，探索其在科研和工作中的作用，幫助我們正確評估測量結(jié)果。

01 什么是測量不確定度？

在進行測量時，無法避免地會因為一些因素而導(dǎo)致測量結(jié)果不準確，比如儀器本身的精確度、人為操作的不穩(wěn)定性、環(huán)境的影響等等，這種表示測量數(shù)值的不確定程度就是測量不確定度。

舉個例子：假設(shè)你要用一個刻度尺測量一張紙的長度，這張紙的實際長度是10mm。但是由于刻度尺的精確度有限，你可能無法準確地看清楚紙的邊緣與刻度尺之間的對齊情況。這樣一來，你的測量結(jié)果可能是9.8mm或10.2mm，而不是完全準確的10mm。

在這個例子中，測量的不確定度來源于刻度尺的精確度、你的目測能力等因素。因此，我們不能簡單地說這張紙的長度就是10mm，而是需要附加一個不確定度，比如說10±0.2mm，表示測量結(jié)果的范圍是在10mm的基礎(chǔ)上加減0.2mm。

測量的不確定度是反映測量結(jié)果的可靠性和精確度的重要指標，它告訴我們在測量結(jié)果中可能存在的誤差范圍，幫助我們更好地理解和解釋實驗或測量數(shù)據(jù)。

02 如何表達測量不確定度？

在進行測量的時候，我們常常無法完全確定測量結(jié)果的準確性，因此我們需要關(guān)注有多少誤差可能存在。為了量化這種不確定度，我們需要明確兩個數(shù)字：1. 誤差的范圍，也可以說是測量結(jié)果的上下限；2. 置信概率，用來說明我們在這個范圍內(nèi)對“真實值”有多大的把握。

通常情況下，我們會使用一個包含因子k=2的范圍來估計總的測量誤差，同時給出一個約為95%的置信概率。這樣可以用最小的誤差范圍和高置信度來描述測量結(jié)果的不確定性，幫助我們更好地理解測量結(jié)果和評估其可靠性。

 

思看科技校準中心獲得ISO 17025:2017 & CNAS資質(zhì)認可，這是一套全球認可的檢測和校準實驗室質(zhì)量管理標準，表明思看科技在光學(xué)三維測量系統(tǒng)校準領(lǐng)域已具備按照國家規(guī)范及國際標準開展可追溯性計量校準的技術(shù)能力。

下面是三維掃描儀在思看校準中心校準后得到的證書資料，使用三維掃描儀對標準器進行多次重復(fù)的測量，再結(jié)合標準器球板的證書以及校準環(huán)境條件等因素，最后計算出擴展不確定度為U=0.010mm，k=2。

03 影響測量不確定度的因素有哪些？

在測量過程中，有很多因素可能會導(dǎo)致測量不確定度的增加。一是儀器本身對物體的測量能力，如分辨率、精度、穩(wěn)定性和校準狀態(tài)等；二是環(huán)境因素，如溫度、濕度、噪音等的變化會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響；三是人為因素，例如人的操作技巧、視覺判斷的限制也會對測量結(jié)果造成誤差。

04 如何減小測量不確定度？

雖然測量不確定度無法完全消除，但我們可以采取一些方法來減小不確定度。

01 選擇合適的測量方法：選擇合適的測量方法是減小不確定度的關(guān)鍵。對于不同的測量目的，以及測量對象的大小，形狀和材料特性等選擇適合儀器和測量方法。

02 儀器校準和維護：保證設(shè)備定期校準和維護，以維持其最佳性能。

03 充分利用軟件：高質(zhì)量的數(shù)據(jù)處理和分析軟件可以幫助降低數(shù)據(jù)處理過程中的誤差。

04 提高操作技能：培訓(xùn)操作人員以提升其技能和經(jīng)驗，減少操作中的人為誤差。

05 環(huán)境控制：控制測量環(huán)境，如濕度、溫度等，避免環(huán)境因素對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。

05 三維掃描儀如何減小測量不確定度？

思看科技3D掃描儀憑借強大且穩(wěn)定的性能，可以很大程度減小測量不確定度，滿足大部分應(yīng)用場景的三維測量需求。

高精度和分辨率

三維掃描儀能夠提供高分辨率的圖像和數(shù)據(jù)，這意味著它們可以捕捉到微小的細節(jié)，并且結(jié)果誤差小，有助于減少測量不確定度。

非接觸測量

三維掃描儀通常采用非接觸測量方式，可以測量易受損或復(fù)雜的物體表面，從而避免了物理接觸可能產(chǎn)生的誤差。

快速獲取數(shù)據(jù)

相比傳統(tǒng)的測量設(shè)備，三維掃描儀能夠快速獲取被測對象表面的數(shù)據(jù)，這有助于提高效率，減少在測量過程等待過程中可能產(chǎn)生的誤差。

先進的數(shù)據(jù)處理能力

三維掃描儀通常配備有先進的數(shù)據(jù)處理軟件，這些軟件可以自動處理、分析數(shù)據(jù)，從而減小因手工數(shù)據(jù)處理可能產(chǎn)生的不確定度。 

靈活性和適應(yīng)性強

三維掃描儀通常有著較強的便攜性和材質(zhì)適應(yīng)性，可以靈活測量不同尺寸和材質(zhì)的物體。

測量不確定度是衡量測量結(jié)果精確度的量化指標，用測量不確定度代替誤差表示測量結(jié)果，易于理解、便于評定，具有較強的合理性和實用性。學(xué)習(xí)和理解測量不確定度的相關(guān)知識，對于提高測量水平有著積極的意義。

在量化測量不確定度的過程中，可以通過選擇合適的測量儀器、測量環(huán)境條件以及操作技巧等，不斷減小測量不確定度，提高測量的精確度和測量結(jié)果的可信度。