量具管理
校准不确定度与被校仪器的重复性
仪器自己的重复性,属于“你以后用它测量”的不确定度,不属于“现在检验它”的不确定度。ISO 14253-5、NIST 对这个问题的专文、BIPM 工作组的 CMC 公式,从不同方向划的是同一条线。
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三个常被混淆的“不确定度”
计量里挂着“不确定度”三个字的东西不止一种。第一种:用仪器测量工件时,测量结果的不确定度——经典的 GUM 预算,ISO 14253-2 的框架。
第二种:实验室的校准测量能力(CMC)——正常条件下对最佳现有仪器(best existing device, BED)能给出的最小扩展不确定度(ILAC-P14 §4)。第三种,也是本文主角:检验指示类测量仪器时“检验值”的不确定度,ISO 14253-5:2015 标准化的对象。
它的范围注记自己就提醒:别把它和 GUM 的量混为一谈,检验值相对的是仪器示值,不是被测工件。
三者回答的问题不同。GUM:这个工件尺寸我知道得多准?CMC:这家实验室最好状态下能给出多准?ISO 14253-5:这台仪器此刻在这个点的误差,我知道得多准?
为什么仪器自身的重复性不计入
检验里有两个被测量,不是一个。次被测量是标准器复现的量——标称长度 L 的量块。主被测量是仪器此刻在该点的示值误差:误差 = 示值 − 约定真值。
仪器在两个不同时刻被观测:t1 时对着标准器,t2 时对着工件(或另一点)。它在 t1 的误差和 t2 的误差是两个不同的被测量,误差自身在时刻之间的随机涨落,不是“测定 t1 时刻误差”的不确定度来源。
把仪器的随机涨落塞进来只会把被测量本身抹糊(Shakarji & Phillips, NCSL 2017)。
该计入的是标准器与检验装置的不确定度来源:量块的校准不确定度、比较仪的、温度效应等。NIST 论文明示其论证与 ISO 14253-5 一致。
论文里的温度类比值得记住:24 次逐时室温测量,每次的被测量是“那一时刻的温度”。气温一天的波动不降低任何单次测温的准确度;把 24 次读数的标准差塞进每次读数的不确定度——这正是论文批驳的做法。
让这个问题纠缠不清的四个误解
| 误解 | 混淆了什么 |
|---|---|
| 没意识到检验中有两个被测量 | 标准器的量 vs 仪器某一时刻的误差 |
| 把“检验值不确定度”读成“整项检验的不确定度” | 单个检验值的准确度 vs 检验方案的覆盖充分性 |
| 拿检验值不确定度当仪器今后的准确度 | 一个点的误差 vs 最大允许误差、测工件的测量不确定度 |
| 反推“所以装置重复性永远不用计” | 排除的是被校仪器自身的;该计的是装置的、BED 的 |
每一条都有真实代价。第四条在实践中尤其贵:有的企业被迫把仪器的精度规格大幅虚增,验收测试才过得去——因为预算被不该计入的仪器自身散布无谓撑大。边界从来不是宽严问题,是“你到底测了哪个量”的问题。
CMC 用“最佳现有仪器”声明
ILAC-P14 要求 CMC 对最佳现有仪器(BED)声明,让声明“可兑现”。BIPM 流量工作组把结构写在一行公式里:U_CMC = k95·√(u_base² + u_repeat,BED²)——基础不确定度与最佳现有仪器的重复性合成,约 95% 覆盖概率扩展(WGFF 2013,式 1)。
注意公式里是谁的重复性:BED 的。不是今天早上送到你面前这台的。CMC 是实验室的属性,用它的基准器声明。如果眼前这台明显更差,它的散布是另一笔账;而当某类仪器根本不存在可用的 BED、其贡献显著时,ILAC-P14 注 3 允许把仪器贡献从 CMC 中剔除——但必须在认可范围上明示。
证书报告的不确定度比 CMC 大
对具体一次校准,报告的扩展不确定度必须覆盖实际条件。WGFF 的第二个公式在 u_base(参考标准器的基础不确定度)之上,再加上 CMC 事先不可能知道的项(式 2)。
新项有三类:与被校设备关联的仪表(如温度表、压力表)、物性(传播)效应,以及被校仪器这次校准实际表现出的重复性或短期复现性。
校准报告声明的值不得低于 CMC——CMC 是地板,不是内容。
两个公式不是对手。CMC 说实验室最好状态能做什么;证书说这台设备这一周表现如何,包括它稳不稳。
配套仪表的分工,WGFF 说得很直白:其贡献在 CMC 里按零计,在校准报告里必须计;ILAC-P14 §5.4 同向要求——证书分量覆盖校准过程的短期分量,BED 分量换成客户设备的实际分量。
什么时候它的重复性一定要算
这个问题从来不是抽象地“计或不计”,而是“对哪个被测量”。你用校准过的仪器测工件时,它的重复性、分辨力、校准值的不确定度都是那次测量的 GUM 分量——卡尺测工件的完整预算算例见卡尺测量不确定度预算。
实验室检验仪器时,被校仪器自身散布不进检验值不确定度,但这次校准实际表现出的重复性会进证书。涉及合格判定时,判定规则与保护带归 ISO 14253-1 与 JCGM 106 管,见判定规则和读校准证书。Salsbury《Test Uncertainty》第 2 版(Mitutoyo America, 2022)把合格评定一侧写成了一本书;本文的标准引用不依赖它。
读证书的四问清单
| 问题 | 看哪里 |
|---|---|
| 这是实验室能力还是本次结果? | CMC vs 本证书报告的扩展不确定度 |
| 里面装的是谁的重复性? | CMC 装 BED 的;证书装这台被校仪器当次的 |
| 报告值能低于 CMC 吗? | 不能(ILAC-P14;WGFF 式 2) |
| 验收谈判写什么 | 把检验方案——测哪些点、各测几次、判定规则——写进协议 |
清单短,因为原理短:先点名被测量,分量该不该计自己就回答了。实训室里可以对着量块看一遍被检验的测量序列:30 mm 量块比对。
参考资料
- C. Shakarji, S. Phillips, “Should the repeatability of the instrument under test be included in test uncertainty?”, NCSL International Workshop & Symposium, 2017 · NIST
- CCM Working Group for Fluid Flow, “WGFF Guidelines for CMC Uncertainty and Calibration Report Uncertainty”, 2013-10-21 · BIPM
- ILAC P14:09/2020 — ILAC Policy for Measurement Uncertainty in Calibration · ILAC
- ISO 14253-5:2015 — GPS — Inspection by measurement of workpieces and measuring equipment — Part 5: Uncertainty in verification testing of indicating measuring instruments (confirmed 2026, current) · ISO
- JCGM 100:2008 — Evaluation of measurement data — Guide to the expression of uncertainty in measurement (GUM) · JCGM / BIPM
- JCGM 106:2012 — Evaluation of measurement data — The role of measurement uncertainty in conformity assessment · JCGM / BIPM
- J. G. Salsbury, Test Uncertainty: Guide to the evaluation of measurement uncertainty in the conformity assessment of measuring instruments, 2nd edition, Mitutoyo America Corporation, 2022 (EDU-510-20) (按编号引用,无公开页面) · Mitutoyo America Corporation
这些来源怎样用、怎样核对,见关于 KELIBRON。
完整复现
由实训室按领域命令复现;读数与判定来自测量模型。
在实训室中练习
常见问题
校准不确定度计入被校仪器的重复性吗?
ISO 14253-5 的检验值不确定度不计:检验时刻的仪器误差才是被测量,误差在时刻间的随机涨落不是这个量的不确定度来源。但被校仪器在这次校准中表现出的重复性要计入证书报告的扩展不确定度(BIPM WGFF 式 2)。
CMC 和证书不确定度有什么区别?
CMC 是实验室对最佳现有仪器声明的能力,含该仪器的重复性(ILAC-P14;WGFF 式 1);证书不确定度覆盖这一次校准——标准器、装置、传播和这台仪器当次表现——且不得低于 CMC。
CMC 里装的是谁的重复性?
最佳现有仪器(BED)的。该类仪器若不存在可用的 BED,其贡献可从 CMC 剔除,但认可范围必须明示(ILAC-P14 注 3)。
动手试一试
在三维实训室中打开同样的场景,自己读一次数。



