當(dāng)數(shù)據(jù)遇上不確定性：揭秘測(cè)量誤差的科學(xué)

在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和日常工作中，我們經(jīng)常聽到“精確測(cè)量”這個(gè)詞，但實(shí)際上，無(wú)論我們多么小心，每次測(cè)量都存在一定的誤差空間。這種誤差就是“測(cè)量不確定度”，它是表征測(cè)量值精確度的重要概念，對(duì)于工程設(shè)計(jì)、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(jī)械設(shè)備到大型航天航空器的測(cè)量，不確定度都在悄然影響著結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過(guò)本文，我們將一起揭開測(cè)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(píng)估測(cè)量結(jié)果。

01 什么是測(cè)量不確定度？

在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，無(wú)法避免地會(huì)因?yàn)橐恍┮蛩囟鴮?dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)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(cè)量數(shù)值的不確定程度就是測(cè)量不確定度。

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

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

測(cè)量的不確定度是反映測(cè)量結(jié)果的可靠性和精確度的重要指標(biāo)，它告訴我們?cè)跍y(cè)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(shí)驗(yàn)或測(cè)量數(shù)據(jù)。

02 如何表達(dá)測(cè)量不確定度？

在進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候，我們常常無(wú)法完全確定測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)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(gè)數(shù)字：1. 誤差的范圍，也可以說(shuō)是測(cè)量結(jié)果的上下限；2. 置信概率，用來(lái)說(shuō)明我們?cè)谶@個(gè)范圍內(nèi)對(duì)“真實(shí)值”有多大的把握。

通常情況下，我們會(huì)使用一個(gè)包含因子k=2的范圍來(lái)估計(jì)總的測(cè)量誤差，同時(shí)給出一個(gè)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(lái)描述測(cè)量結(jié)果的不確定性，幫助我們更好地理解測(cè)量結(jié)果和評(píng)估其可靠性。

 

思看科技校準(zhǔn)中心獲得ISO 17025:2017 & CNAS資質(zhì)認(rèn)可，這是一套全球認(rèn)可的檢測(cè)和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)，表明思看科技在光學(xué)三維測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)領(lǐng)域已具備按照國(guó)家規(guī)范及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)開展可追溯性計(jì)量校準(zhǔn)的技術(shù)能力。

下面是三維掃描儀在思看校準(zhǔn)中心校準(zhǔn)后得到的證書資料，使用三維掃描儀對(duì)標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行多次重復(fù)的測(cè)量，再結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)器球板的證書以及校準(zhǔn)環(huán)境條件等因素，最后計(jì)算出擴(kuò)展不確定度為U=0.010mm，k=2。

03 影響測(cè)量不確定度的因素有哪些？

在測(cè)量過(guò)程中，有很多因素可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)量不確定度的增加。一是儀器本身對(duì)物體的測(cè)量能力，如分辨率、精度、穩(wěn)定性和校準(zhǔn)狀態(tài)等；二是環(huán)境因素，如溫度、濕度、噪音等的變化會(huì)對(duì)測(cè)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(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成誤差。

04 如何減小測(cè)量不確定度？

雖然測(cè)量不確定度無(wú)法完全消除，但我們可以采取一些方法來(lái)減小不確定度。

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

02 儀器校準(zhǔn)和維護(hù)：保證設(shè)備定期校準(zhǔn)和維護(hù)，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(guò)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(yàn)，減少操作中的人為誤差。

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

05 三維掃描儀如何減小測(cè)量不確定度？

思看科技3D掃描儀憑借強(qiáng)大且穩(wěn)定的性能，可以很大程度減小測(cè)量不確定度，滿足大部分應(yīng)用場(chǎng)景的三維測(cè)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(xì)節(jié)，并且結(jié)果誤差小，有助于減少測(cè)量不確定度。

非接觸測(cè)量

三維掃描儀通常采用非接觸測(cè)量方式，可以測(cè)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(cè)量設(shè)備，三維掃描儀能夠快速獲取被測(cè)對(duì)象表面的數(shù)據(jù)，這有助于提高效率，減少在測(cè)量過(guò)程等待過(guò)程中可能產(chǎn)生的誤差。

先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理能力

三維掃描儀通常配備有先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理軟件，這些軟件可以自動(dòng)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(qiáng)

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

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

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