儀器的技術(shù)指標(biāo)是每一個(gè)儀表人都要了解的基本知識(shí)，也是衡量一臺(tái)儀器好壞的基礎(chǔ)。本文根據(jù)GBT18403.1-2022《氣體分析器性能表示 第一部分 總則》和JJF1001-2011《通用計(jì)量術(shù)語及定義》兩個(gè)文件，結(jié)合自己工作簡(jiǎn)單談一談個(gè)人理解。
（1）傻傻分不清的精度/精密度/準(zhǔn)確度/不確定度/線性誤差

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工作中常常聽到精度、精密度、準(zhǔn)確度、線性誤差、不確定度這些詞，他們都有什么區(qū)別呢？有時(shí)真當(dāng)是傻傻分不清。首先他們都是評(píng)價(jià)儀器測(cè)量值反應(yīng)真值水平的概念，但也有差異。
首先說精度、精密度和準(zhǔn)確度。儀器的精確度，簡(jiǎn)稱精度，它是由精密度和準(zhǔn)確度共同組成，精密度體現(xiàn)的是系統(tǒng)誤差，準(zhǔn)確度體現(xiàn)的是隨機(jī)誤差。
所謂的系統(tǒng)誤差就是重復(fù)測(cè)量中保持不變或者按可預(yù)見方式變化的測(cè)量誤差的量，而隨機(jī)誤差就是重復(fù)測(cè)量中按不可預(yù)見方式變化的測(cè)量誤差的量。
舉個(gè)例子，我們測(cè)量大氣中的氧氣，假設(shè)氧氣含量為21%，有兩臺(tái)養(yǎng)分儀，連續(xù)5次測(cè)量，儀器顯示值如圖1所示。1#最大誤差-0.5%，2號(hào)最大誤差0.3%，這兩臺(tái)表，你認(rèn)為哪一臺(tái)更好？就像圖2兩個(gè)選手打靶，你覺得哪個(gè)水平高？      引起系統(tǒng)誤差的表現(xiàn)是數(shù)據(jù)穩(wěn)定，但不一定準(zhǔn)確。引起的原因比如標(biāo)氣不準(zhǔn)確、溫度壓力影響、背景氣體干擾等。隨機(jī)誤差表現(xiàn)為測(cè)量值與參考值比較接近，但數(shù)據(jù)跳動(dòng)。引起的原因，比如電噪聲、環(huán)境噪聲等。
這里再多說一點(diǎn)，有的系統(tǒng)誤差是比較好改善的，比如選合適的標(biāo)氣、進(jìn)行溫度壓力補(bǔ)償?shù)?。但是?dāng)測(cè)量ppb級(jí)痕量的水分或者硫化氫時(shí)，這種系統(tǒng)誤差就比較難克服了，因?yàn)闃?biāo)氣也搞不準(zhǔn)、管路吸附影響還很大，要把系統(tǒng)搞準(zhǔn)也是很難的。
其次是測(cè)量不確定度，JJF1001-2011里定義是“表征賦予被測(cè)量量值分散性的非負(fù)參數(shù)”。GBT18403.1-2022中定義是“與測(cè)量結(jié)果相關(guān)的參數(shù)，其能合理的表征被測(cè)量值之間的分散性”。按照這個(gè)字面意思理解，不確定度是描述測(cè)量結(jié)果分散性的量，實(shí)際上描述的指標(biāo)與系統(tǒng)隨機(jī)誤差的關(guān)系更大。一般采用標(biāo)準(zhǔn)差或者標(biāo)準(zhǔn)差的倍數(shù)來描述。
最后再說說線性誤差。我們沒有在JJF1001-2011和GBT18403.1-2022兩個(gè)文件中找到關(guān)于線性誤差的定義，但在GBT18403.1-2022中有一個(gè)線性不確定度的定義，儀器的實(shí)際讀數(shù)與通過被測(cè)量的線性函數(shù)求出的讀數(shù)之間的最大偏差。他從全量程的角度反映了測(cè)量誤差，也可以理解成他從全量程的角度反映了測(cè)量精度。
線性不確定度與測(cè)量不確定度，里面都有不確定度，但根據(jù)定義似乎有著不一樣的意思。一個(gè)描述最大偏差，一個(gè)描述分散性。
（2）重復(fù)性和穩(wěn)定性到底哪個(gè)重要
根據(jù)JJF1001-2011 通用計(jì)量術(shù)語與定義，重復(fù)性是指一組重復(fù)性測(cè)量條件下的測(cè)量精密度，他反映的是一組數(shù)據(jù)的一致性程度。重復(fù)性測(cè)量條件是指相同測(cè)量程序、相同操作者、相同測(cè)量系統(tǒng)、相同操作條件和相同地點(diǎn)，并在短時(shí)間內(nèi)對(duì)同類或相似被測(cè)對(duì)象重復(fù)測(cè)量。
從這個(gè)定義上看，它主要是對(duì)隨機(jī)誤差大小的一種描述。因此重復(fù)性的指標(biāo)至少是會(huì)優(yōu)于精度等級(jí)的，因?yàn)榫冗€包括了準(zhǔn)確度的影響。
在GBT18403.1-2022中對(duì)這個(gè)短時(shí)間也給出了建議，那就是響應(yīng)時(shí)間T90的10倍。 穩(wěn)定性是怎么定義的呢？穩(wěn)定性就是測(cè)量?jī)x器的計(jì)量特性隨時(shí)間不變化的能力。換句話說就是長(zhǎng)期使用的重復(fù)性好。
我們來比較一下重復(fù)性和穩(wěn)定性，重復(fù)性強(qiáng)調(diào)短時(shí)間，穩(wěn)定性強(qiáng)調(diào)長(zhǎng)時(shí)間，重復(fù)性一般是實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)，穩(wěn)定性可以是實(shí)驗(yàn)室測(cè)量，但更多的是反映實(shí)際使用過程中的表現(xiàn)。重復(fù)性一般是儀器自身的特性，穩(wěn)定性還和外部特性有關(guān)，不再?gòu)?qiáng)調(diào)相同操作條件和地點(diǎn)，也不再?gòu)?qiáng)調(diào)相同測(cè)量方法和操作者，它強(qiáng)調(diào)的是系統(tǒng)在不同的預(yù)處理、使用者、溫度、壓力等條件下，儀器的長(zhǎng)期實(shí)際表現(xiàn)。因此穩(wěn)定性是儀器使用者，特別是在線儀器使用者最關(guān)心的一個(gè)指標(biāo)。對(duì)于穩(wěn)定性的度量，常常用漂移來表示，比如7天漂移量或者年漂移量。
當(dāng)然重復(fù)性在一些科學(xué)研究中，也是很重要的一個(gè)指標(biāo)，但在在線儀表中，有了精度或者線性不確定度這樣的指標(biāo)約束，又是連續(xù)在線使用，重復(fù)性可能就不那么重要了。
（3）分辨力與靈敏度的區(qū)別真的不太好理解

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我們先根據(jù)JJF1001-2011給出這兩個(gè)概念的定義。 顯示裝置分辨力，他的定義是能有效辨別的顯示示值間的最小差值。假如兩臺(tái)氧氣分析儀測(cè)量空氣值分別是20.5%和20.55%，此時(shí)我們認(rèn)為一臺(tái)顯示分辨力是0.1%，另一臺(tái)的顯示分辨力為0.01%。那顯示裝置的分辨力和儀器實(shí)際分辨力顯然不是一回事。
分辨力的意義是強(qiáng)調(diào)的是被測(cè)量值的最小變化達(dá)到多少，可以引起顯示值的變化。從用戶的角度，數(shù)字儀表的分辨力是小于等于顯示裝置分辨力的，用戶并不能獲得某儀器的最大分辨力潛能。
靈敏度的定義是評(píng)價(jià)被測(cè)量值的變化可以引起顯示值多大的變化。
如果要咬文嚼字的話，靈敏度和分辨力是有差異。靈敏度沒有強(qiáng)調(diào)最小變化，靈敏度里面的“被測(cè)值變化”是大于等于分辨力的，另外從定義看它是一個(gè)沒有量綱的值。
對(duì)于經(jīng)校驗(yàn)的數(shù)字化儀表，測(cè)量值有多少變化就會(huì)引起顯示值的同樣變化，那么按定義靈敏度這個(gè)概念就沒有意義了，用分辨力作為衡量?jī)x器對(duì)微小變化測(cè)量能力的指標(biāo)更合適。
另外，對(duì)于卡尺這一類計(jì)量器具，我們也很少說這把尺子的靈敏度是多少，但根據(jù)刻度可以說分辨力是多少。
要說明的是在GBT18403.1-2022中找不到分辨力和靈敏度的概念，只有一個(gè)最小可檢測(cè)變化的定義，定義為5min內(nèi)輸出波動(dòng)的兩倍。
（4）用噪聲的倍數(shù)定義檢出限合適不合適

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還是先給出概念，GBT18403.1-2022中沒有檢出限的概念，只有最小可檢測(cè)變化。實(shí)際中，有很多學(xué)術(shù)論文和資料把2倍或者3倍噪聲當(dāng)成檢出限。 大都數(shù)情況下，這兩個(gè)概念是可以通用的，用輸出波動(dòng)或者噪聲來定義檢出限有一定的道理，但本質(zhì)還是有區(qū)別的。因?yàn)橛袝r(shí)儀器還涉及到一個(gè)本底噪聲的問題。由于本地噪聲的存在，儀器的實(shí)際檢出限值會(huì)大于最小可檢測(cè)變化。
比如激光光譜法測(cè)量中，如圖4所示，一束激光從光源通過測(cè)量氣室到達(dá)檢測(cè)器，采用諧波解調(diào)得到的信號(hào)可能如圖示波器所示，如果這是0.5%氧氣濃度時(shí)的信號(hào)，由于光、電噪聲的疊加，信號(hào)底部并不平坦，可能0.1%時(shí)已經(jīng)無法區(qū)分噪聲還是有用信號(hào)。但5min波動(dòng)可能只有0.01%，因此，兩個(gè)概念不完全相同，不能用最小可檢測(cè)變化來定義檢出限。 （5）再談測(cè)量誤差的描述方式

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當(dāng)我們理解了用什么參數(shù)去評(píng)估精度后，我們還需要知道如何去描述這個(gè)指標(biāo)。我們測(cè)量大氣中的氧氣，如圖所示假如一臺(tái)儀器量程是0~50%，假如真值是21%，顯示值為20.5%，他的測(cè)量誤差就是-0.5%，這個(gè)測(cè)量誤差我們也叫做絕對(duì)誤差。
評(píng)價(jià)一臺(tái)儀器只用絕對(duì)誤差有時(shí)無法客觀評(píng)價(jià)它的好壞，測(cè)量1噸的東西差1kg和測(cè)10kg的東西差1kg肯定不是一個(gè)概念。所以誤差的描述我們還常用到相對(duì)誤差的概念，就是把絕對(duì)誤差除以參考值，乘以100%。這時(shí)圖中例子的測(cè)量相對(duì)誤差就是-2.38%。
評(píng)價(jià)一臺(tái)儀器是否滿足要求，有時(shí)光用相對(duì)誤差也不能很科學(xué)的進(jìn)行描述。比如量程0~100%的分析儀，當(dāng)你測(cè)量1%濃度時(shí)，如果要求+-5%的相對(duì)誤差，這時(shí)就相當(dāng)于要求0.05%的絕對(duì)誤差，難度就開始變大了。所以又有了滿量程相對(duì)誤差，就是測(cè)量結(jié)果與滿量程之間的相對(duì)偏差，絕對(duì)誤差除以量程值，乘以100%。圖中例子的滿量程相對(duì)誤差就是-1%。
滿量程相對(duì)誤差比較直觀的表述了儀器的不確定度，沒有歧義，在招標(biāo)文件等技術(shù)文件里用的最多。如果用相對(duì)誤差，一般最好加一個(gè)絕對(duì)誤差作為限制，比如±3%RD 或±0.1%，滿足其一，這樣就沒有爭(zhēng)議。另外為了區(qū)分兩個(gè)相對(duì)誤差，在提要求時(shí)最好在后面加上RD和FS。
再來說一說這個(gè)里面的幾個(gè)%，圖中黃色的“%”表示濃度值，指濃度是百分之多少，是表示體積比、或者質(zhì)量比等，紅色的“%”是誤差的相對(duì)值，是沒有量綱的。當(dāng)我們看到一個(gè)測(cè)量結(jié)果說誤差是0.5%，如果沒有任何說明，很多時(shí)候都需要問問到底是相對(duì)誤差還是絕對(duì)誤差。
寫在最后

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各種技術(shù)文件中技術(shù)參數(shù)是對(duì)儀器要求描述的主要方式。進(jìn)行準(zhǔn)確地描述和理解，可以大大減少項(xiàng)目執(zhí)行過程中不必要的溝通成本，減少出錯(cuò)風(fēng)險(xiǎn)。