0 前言：
目前，隨著國內基礎建設的快速發展，巖土工程及其建筑物對測量的要求越來越復雜同時越來越高。為滿足這種測量要求，各種形式的測量儀器也是層出不窮。在水工監測中使用的各種測量儀器，雖然各種產品均有各自的產品標準，有自己的各種技術指標，但有些技術指標含義模糊，定義與計算完全兩樣，有些校準時使用的特性與實際測量時使用的特性完全兩樣，造成使用者的困惑。最大的問題是，很多在水工監測中使用的測量傳感器均沒有準確度的說明，當我們使用這些儀器測量產生的測量結果究竟有多準，似乎誰也說不清楚。本文試圖探討這些問題，提出校準的觀點，用測量儀器校準的方法來評價這些測量儀器的準確度。
1 測量及測量儀器一些基本概念
測量的定義是：以確定量值為目的的一組操作，也就是說，測量的目的是要獲取一個定量的值。這個值我們稱之為測量結果。當我們獲取了測量結果后，如何評價這個測量結果的質量，即這個測量結果是否準確可靠，準確可靠的程度是多少。換句話說，測量結果的誤差有多大，測量結果的置信度有多高？這是人們常常在討論的一個問題，也是常常讓人感覺困惑的一個問題。那么究竟應當如何評價？國際標準化組織ISO、國際電工委員會IEC、國際計量局BIPM、國際法制計量組織OIML、國際理論化學與應用化學聯合會IUPAC、國際理論物理與應用物理聯合會IUPAP、國際臨床化學聯合會IFCC等7個國際組織于1993年，聯合發布了《測量不確定度表示指南》（GUM，Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement）并與1995年進行了修訂。自GUM頒布以來，隨著對測量不確定度理解的不斷深入，人們清楚地認識到，不確定度就是評價測量結果的質量和可靠性的工具。GUM是匯集了世界各國科學家的經驗和智慧才形成的。中國于1999年也發布了JJF1059-1999《測量不確定度的評定與表示》，這個技術規范的核心部分與GUM等同。它應該作為我們評價測量結果質量的指南。
在測量中，人們必須依靠工具或測量儀器才能夠進行測量，因此，測量儀器是一個關鍵的因素。那么在對測量儀器進行評價、檢定或校準時，應遵循什么樣的原則，評定哪些特性，對各個特性如何評定？按照測量的目的，顯然準確度是表征測量儀器最主要的參數，因為任何測量的目的就是為了得到準確可靠的測量結果。一個測量儀器的指標從靈敏度、分辨力、重復性和滯后都做的很好，可卻沒有準確度的指標，我們又怎么能知道用這個測量儀器得出的測量結果有多準確呢？要解決這個問題，國家計量技術規范JJF1094-2002《測量儀器特性評定》給出了如何評定測量儀器這些特性的原則和途徑。
測量儀器的準確度是一個定性的概念，在實際應用中以示值誤差或準確度等級來衡量，就如我們熟知的，在壓力校驗系統中，有4級、2.5級、1.6級、1級、0.4級和0.25級等級的壓力表；在百分表與千分表中有1級和0級的，他們均以示值誤差來劃分等級。但在巖土工程測量儀器中，尤其是水工建筑物的內觀儀器中以曲線來擬合的測量儀器沒有示值誤差及準確度，其測量結果的準確性無法進行評定。有人提出用幾個傳感器的指標來合成，有人提出綜合誤差，有人提出基本誤差等等，這些誤差的置信度有多高，其理論依據是什么，也說不清楚，造成人們對這些測量儀器在認識上的一些混亂。
2 水工監測儀器目前存在的問題
2.1 儀器沒有準確度造成使用中的問題
目前，由于監測儀器的種類越來越多，尤其是自動化程度越來越高，所以用曲線擬合的傳感器也越來越多，這些傳感器大部分給出的指標只是線性、滯后、重復性和分辨力等指標，而這些指標中用法還有錯誤的，例如：在鋼弦式測量儀器中，產品規定校準時的擬合曲線為最小二乘法，并以此曲線來評價產品的測量誤差，但是測量時卻使用零基直線作為其擬合曲線來計算其測量結果，顯然，由于這兩種擬合線本身所產生的測量結果是不一致的，更別說如何評價測量的誤差了。因此，盡管看起來傳感器的線性度很好，但使用中的線性度卻并不是評價時的線性度，這相當于傳感器沒有進行校準，其測量結果根本無法評定。
在用傳感器的一些監測項目中，常常有些人感覺到觀測值不準，但卻不知問題出在那里，兩支不同的儀器放在一起測量，可是測量結果卻不一致，這些現象經常出現，于是，有人給出這樣的解釋，不同原理的儀器不可以比較，因為它們的指標是不一樣。不同的傳感器在測量同一物理量時，真的不能比較嗎？實際上這是一種錯誤的說法，難道當傳感器進行校準時，提供標準量的裝置也要同被校準的傳感器具有相同的原理嗎？這就說明了我們對傳感器的認識上還有欠缺。
另外，有很多人在選擇傳感器時，將分辨力及線性看得很重要，這是因為目前提供的傳感器指標中，由于沒有準確度的概念，而其余的指標又似乎無法區分這些傳感器哪一個測量的更準確。實際上從目前傳感器計算這些指標的數學公式中，我們不難知道這些指標其背后真實的含義，比如，線性的問題，從其計算方法可以看出，是用來擬合傳感器輸入輸出關系的，是傳感器擬合的一個特性，但不是用來評價傳感器測量準確度的特性。分辨力的問題也同樣，從GB/T13606－92《巖土工程用鋼弦式壓力傳感器》中的數學公式來看，用最大的頻率模數減去最小的頻率模數取其倒數，可以看出，其分辨力這個指標主要與儀表的讀數有關，儀表所能顯示的位數越多，其分辨力就越高，這與測量時真正能分辨出的量并無多大關系。實際上對于測量來說，準確度是最主要的，而分辨力只要比準確的示值多一位就可以了，而不用作為主要指標來評價。如果一支傳感器只能準確測量0.1mm，而分辨力卻有0.001mm，顯示出的0.01mm的結果不可信，那么0.001mm又有什么用呢？
對于使用傳感器來說，我們最關心的指標是測量范圍，測量準確度，有很多指標主要是與制造傳感器有關，對于使用者來說，并不需要非常關心，當然在水工內部監測儀器中，由于環境特殊，還必須考慮一些其它的指標，比如長期穩定性、絕緣性能等指標，但最為關鍵的還是測量準確度，因為這些傳感器的使用目的是為了獲取測量結果，如果沒有準確的測量結果，其余指標再好也沒用。
2.2 監測儀器產品標準的問題
監測儀器產品的國家標準，大部分是80年代編寫的，到90年代雖然進行了修訂，但是，畢竟那是80年代的技術水平的體現，現在已過去20多年了，隨著貿易全球化的影響，世界各國利用自己的測量水平的提高，制定各種產品標準以作為技術壁壘，因此，現代測量技術及其誤差分析理論也發生了變化，為了世界各國檢測同一量具有可比性，七個國際組織聯合制定了《測量不確定度表示指南》，對現代誤差理論作了統一規定，以相同的方法來評價檢測實驗室的測量結果。這些誤差理論和概念與過去已經有很多的差別。
但作為水工監測用傳感器的產品標準依然停留在80年代的水平上，目前許多在編的行業標準也依然以此為準，并且引用一些已作廢的國標，不能體現現代測量技術及誤差的分析方法，仍然沿用線性度、滯后、重復性和分辨力這幾個指標，新編的有些標準中依然使用一些錯誤的術語，比如非線性誤差、重復性誤差、遲滯誤差、綜合誤差等術語，這些術語在現代測量技術中已不存在，在新編GB/T7665－2005《傳感器通用術語》中也找不到這些因邏輯上錯誤而不再使用的術語。
作為水工監測用傳感器的行業標準如果還在沿用這些錯誤的術語，其標準的水平就無法跟上現代測量技術的步伐，對整個行業的發展應該說是不利的，而且作為行業產品標準會顯得與外界格格不入，也顯現出整個行業對現代測量技術及誤差分析方法的陌生。并且依然造成測量同一物理量各種不同原理的儀器無法比較這樣錯誤的觀念。
2.3 監測儀器術語問題
在監測儀器使用中，許多術語沒有經過嚴格的定義，在引用上的解釋也不明確，不能統一，這也是造成測量同一物理量不同原理的儀器不能比較的原因之一。在有的文章中將“精度”說明為“精度的含義是測值與真實值的接近程度，為了真實反映傳感器的精度，應該考慮所有的誤差來源。通常誤差來源包括標準精度誤差、溫度誤差和長期穩定性。”這樣的說法極不嚴格，在邏輯上也有問題，如標準精度是什么？精度怎么也有誤差？這精度究竟是什么？做過測量的人都知道，測量結果不止和傳感器相關，還和測量原理、測量方法、環境和人員等因素有關。問題是如何才能真實的反映傳感器的準確度，究竟什么是傳感器的精度，沒有說明。在這里提出應考慮所有誤差的來源，而又說通常誤差來源只有三項。更何況標準精度誤差是什么，從來沒有定義，可以這樣或那樣的理解。這些問題說明了對什么是測量精度并不了解，無論用老的誤差理論還是用現代的誤差理論都無法解釋，盡管現在已經沒有精度這個詞了。
按照過去的誤差理論，精度一詞是指精確度與精密度的合成，而精確度是與系統誤差相關聯的一個量，精密度是與隨機誤差相關聯的一個量，其合成的方法在國際上并不一致，其關鍵的問題出在了誤差一詞本身的定義上，因為誤差一詞的定義是測量值減去（約定）真值，因此它是一個帶有符號的數值，而隨機誤差卻是一個范圍，他們怎樣合成才算正確呢？世界上各國的規定也不一致，如在前蘇聯，對這兩個誤差不提合成的問題，由使用者自行解決。而美國的有些國家基準往往將這兩個量之和作為總誤差，其原因是要求安全可靠，因為無論用何種方法合成，采用算術相加的方法得到的誤差最大。而在中國的幾何量測量領域，對這兩個量的合成往往采用方和根法，但由于在正態分布下，方和根法所得的標準偏差所對應區間的置信概率僅為68.27％。而往往要求置信概率為95％以上，因此又常將此標準偏差擴大3倍以滿足要求。由于在數學上無法解決兩個不同性質的量之間的合成問題，因此造成了測量結果無法比較。
目前，GUM和VIM為世界各國統一采用測量結果不確定度評定和表示奠定了基礎，而且國際實驗室認可合作組織在對校準和檢測實驗室進行認可時，其測量結果的不確定度評定均以GUM為基礎。
1998年我國發布的JJF1001－1998《通用計量術語及定義》，其中前六章的內容與第二版VIM完全相對應。并在1999年發布了JJF1059－1999《測量不確定度評定與表示》。可見這是在世界范圍內最為權威也是最新的誤差理論。
在水工監測中的有關誤差及測量儀器誤差的評定問題，應當按照目前世界上最權威和最新的理論，而不應該還停留在傳統的誤差理論上，而跟不上發展。并且還在為那些不能準確表達的概念而討論。
3 監測用傳感器的校準
針對以上提出的種種問題，本文建議對行業內使用的測量傳感器應讓有資質的第三方進行校準。校準的目的是使測量用的傳感器通過一條具有規定不確定度的不間斷的比較測量鏈向SI單位溯源，以保證測量儀器所得測量結果的正確性。
按照JJF1094－2002《測量儀器特性評定指南》中，校準的定義是：“校準是依據校準規范或校準方法，為確定測量儀器所指示的量值與對應的由其測量標準所復現的量值之間關系的一組操作。”
校準結果應以校準證書的形式提供，在校準證書中應包含有測量條件、環境條件、測量不確定度和溯源方式等信息。
應制定測量用傳感器的校準規范，在行業內推行，并將這些測量傳感器進行分等或分級，以確定傳感器的準確度，以便于提供給用戶以確定如何選用傳感器。
校準主要是確定測量傳感器的示值誤差，即測量傳感器的示值與約定真值（在指定的準確度水平上）之間的關系。這樣經過的校準的傳感器可以避免向像我們上面所述的擬合時采用一種線性來評價，而使用時提供另外一種線性。經過校準后的傳感器可以告知使用者準確度和測量不確定度，使用者在選用傳感器時，可以根據測量的需要，選用不同等級的傳感器，并可以清楚了解該等級的傳感器測量誤差有多大。
校準中其余參數應按照JJF1094－2002《測量儀器特性評定指南》并參考過去在水工建筑觀測中積累的經驗來選擇。參數的定義或解釋應按照JJF1001－1998《通用計量術語及定義》，以避免認識不一致。應要求校準的單位在校準報告中提供測量不確定度，讓使用者知道測量不確定度是多少，置信度水平有多高，以便正確的使用測量傳感器。
4 校準質量的評價
測量的目的是為了確定被測量的量值，測量的結果的質量直接影響我們對水工建筑物安全性的判斷。按照測量誤差的定義是測量值減去真值，而真值的定義是“與給定的特定量的定義一致的值”，因而，真值是一個理想的概念，只有通過完善的測量才能獲得。任何測量都是有缺陷的，因而真正完善的真值是不存在的。在測量比較的過程中，我們常使用的是“約定真值”。因此，對測量傳感器的校準，應當對校準的質量進行評價，如果校準的質量不好，即測量不確定度很大的話，那么傳感器測量的準確度依然可疑。
校準質量的評價，主要是依據測量不確定度的評定。校準的數據是否可用，在很大程度上取決于測量不確定度的大小，因為在評定測量不確定度的同時給出了測量時的置信度，即誤差發生的概率。由于經過不確定度的評定后，就不會再發生像本文前面所述的評價時使用一種線性，使用時又使用另外一種線性的情況，因為在測量不確定度的評定中，要求將測量的數學模型寫出。
測量不確定度的評定同時還包含了對標準量值的不確定度的評定，也就是說可以避免標準器的準確度低于測量儀器的準確度。比如在應變計的標定中，我們可能會犯這樣的錯誤，由于對測量要求并不明確，習慣性的使用千分表來對應變計進行校準，可是有些應變計的是不能使用千分表進行校準的。我們可以舉個例子來說明，假設一支應變計參數如下：
標距：150mm； 量程：3000με； 靈敏度：1με； 精度：±0.1%FS
標定時，首先要確定測量要求（即確定測量標準器的準確度要求是多少），由于該應變計的所說的精度（我們認為是準確度）為±0.1%FS.，則其在測量范圍內的誤差為±0.1%×3000=±3με，而3με對應著150mm標距時，其測量要求準確到0.00045mm（即0.45μm），因此，測量標準至少應準確到0.45μm/3＝0.15μm。假如使用干分表，由JJG34－1996指示表（百分表和干分表）檢定規程可知，量程為1mm的0級干分表的最小刻度為1μm，其示值允許誤差在任意0.2mm的量程中為3μm；在全量程中為4μm，顯然不能滿足標定的要求，如果使用干分表標定，單測量標準一個分量，其測量不確定度至少也達到幾十個微應變，顯然標定結果不能滿足精度±0.1%FS的要求。這就是用測量不確定度給我們帶來的對測量結果質量的評定。如果校準的質量高，還可以提供校準后的修正值，以提高傳感器測量的準確度。
5 結束語
傳感器是用來測量工程建筑物的物理量的，對傳感器評價的目的是為了使測量結果更加準確、可靠。因此，我們最關心的應該是測量傳感器的準確度和使用傳感器獲得的測量的結果的準確度，該準確度的置信度是多少，即測量的不確定度是多少，假如依據了不可靠的測量結果做出的數據分析或判定就會與事實相違背。所以傳感器的校準是一個很重要的問題，應該盡量使其規范化。校準應當由第三方檢測機構進行，并給出校準中的不確定度，置信度，以評價校準的質量。本文希望通過討論，能提高大家對監測傳感器準確度的認識有所幫助。并提出校準的方法來確定監測傳感器的準確度。
參考文獻
[1] 國家質量技術監督局，全國法制計量技術委員會 JJF1001－1998《通用計量術語及定義》。中國計量出版社。
[2] 國家質量監督檢驗檢疫總局計量司 JJF1094－2002《測量儀器特性評定指南》。中國計量出版社。
[3] 國家質量監督檢驗檢疫總局計量司JJF1059－1999《測量不確定度評定與表示》中國計量出版社。
