基于測量不確定度的產品合格評定新方法

黃　英，李　倩，秦曉霞，張　維

(杭州遠方光電研究院，浙江 杭州　310053)

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基于測量不確定度的產品合格評定新方法

黃英，李倩，秦曉霞，張維

(杭州遠方光電研究院，浙江 杭州310053)

測量不確定度與測量過程相生相隨，但在傳統的合格評定中，往往忽略了測量不確定度，導致合格評定的合理性和準確性受到質疑。本文在分析傳統合格評定方法的缺陷和可能的風險的基礎上，介紹了JCGM 106: 2012基于測量不確定度的最新合格評定方法，該方法目前也被越來越多的產品標準所引入；本文還結合實際的光輻射測量實例，給出了新合格評定方法如何應用實際計量過程中，以及廠商如何應對新合格評定方法的一些指導意見，供業界參考。

不確定度；合格評定；接受區間；保護頻帶

引言

合格評定[1-2]是指任何直接或間接確定是否滿足技術法規或標準有關要求的程序。合格評定的過程通常包括測得的量值，將其與規定要求比較，并據此作出判斷。

在實際測量中，被測量的真值往往是不可知的，測量結果的表述必須同時包含測量值和與該值相關的測量不確定度，才是完整且有意義的。測量不確定度是表征合理地賦予被測量值分散性的非負參數，是對測量結果質量的定量表征，測量結果的可用性很大程度上取決于不確定度的大小。然而在傳統的合格評定中，不確定度往往被忽略，一般僅通過判斷測得值是否位于允許范圍內，來確定產品是否合格或者達到的等級，這可能導致評價結果的誤判，其合格評定的結果存在較大的風險。

1　傳統合格評定方法的缺陷和風險

傳統合格評定方法，通過設定允許限值(Tolerance limit)來確定允許區間(Tolerance interval)，通過判斷測得值是否落在允許區間內，給出合格與否或者某確定的等級的評價結果。允許限值可能是上限、下限或者雙邊限值。

結合測量不確定度重新審視傳統的合格評定方法，可能會出現評定結果與實際不相符的情況，具體可見圖1。按照傳統合格評定方法[1]，測量結果①和②將被評定為合格，③和④評定為不合格；但考慮不確定度后，②實際的真值可能位于允許區間外，③實際的真值可能位于允許區間內，此時該產品實際的情況與傳統合格評定結果是存在矛盾的。此外，還需要值得廠商及消費者注意的是，②③情況下的測量值均位于限值附近，此時錯誤接受和錯誤拒絕的概率相比測量值遠離限值時的評定結果存在錯誤的概率要高出許多，也即是對測量值位于限值附近的合格評定風險要大得多。

圖1　傳統合格評定存在較大風險Fig.1　The big risk in traditional conformity assessment

2　產品合格的概率分析

測量值實際是以一定的概率分布落在某個區域內[1]，也即是前文提到的不確定度有其統計學的基礎，其概率分布的類型常見的有正態分布、均勻分布、指數分布等，其中最為常用的是正態分布(高斯分布)。產品合格評定中用概率密度函數來表征真值落在某一區間可能性的大小。如圖2所示，擴展不確定度U由標準不確定度u乘以包含因子k得到，通常取k=2，其對應的包含概率為95.5%。

圖2　包含因子k與包含概率的關系Fig.2　Coverage factor k and coverage probability

下面結合實際的光輻射測量的實例，給出基于概率分布的不確定度如何應用到實際產品合格評定過程中。對于單邊限值的情況，例如：根據歐盟法規EN 244/2012的規定，緊湊型熒光燈的紫外輻射危害效率應低于2.0mW/klm，如圖3所示，某產品的測得值為ηUVR=(1.91±0.40)mW/klm，k=2，測量值以標準正態分布概率密度函數分布，根據以上數據可計算出該熒光燈合格的概率為67.4%，則不合格的概率為32.6%，也即是該緊湊型熒光燈的紫外輻射危害效率低于2.0mW/klm的概率為67.4%。與傳統合格評定方法不同的是，這里的評價方式并非直接判定該燈是否合格，而是給出了其合格的概率，概率值越高，意味著該燈符合標準的可能性越大。

對于雙邊限值的情況，如圖4、圖5所示，以LED的能效等級為例，LED的能效等級標識是消費者判斷其性能的重要手段，歐盟法規EN 874/2012根據測得的LED能效值將對應的LED產品劃入不同的等級[1，4]，從A++到E能效依次降低。對于一個測得量為0.85的LED，測量擴展不確定度為12%，k=2；根據圖5右側的表格可知，當沒有考慮不確定度時，此時認為該LED的能效等級處于D級；考慮不確定度后，假設真值以正態分布函數的形式分布，此時LED的能效等級并不確定地位于某一等級上，而是以不同的概率處在不同的等級上，此例中該LED位于C等級的概率為16.3%，位于D等級的概率為81.1%，而位于E等級的概率為2.5%。

圖4　在允許區間[TL, Tu]內產品合格的概率Fig.4　Conformance probability in the tolerance interval[TL, Tu]

圖5　EN Regulation 874/2012中對LED能效等級的劃分Fig.5　Energy efficiency class for LED in EN Regulation 874/2012

3　新的合格評定方法

上述基于概率的評定方法雖然更為客觀的描述了產品的實際狀況，但本質并未降低廠商和消費者需要承擔的風險，而且表達方式非常復雜，不便于對產品合格與否的評定做出直觀的認識。因此JCGM 106提出在原先的允許區間內定義接受區間(Acceptance interval)[1]，以此來平衡由于示值誤差測量不確定度存在導致的錯誤接受/拒絕的風險，以降低由于錯誤評估造成的損失。其中將允許限值Tu和接受限值Au(Acceptance limits)之間的區域定義為保護頻帶(Guard band)w，并且定義w=Tu-Au，具體如圖6所示。

圖6　保護接受，拒絕評定原則Fig.6　Guarded acceptance and rejecrtion

結合圖6、圖7可知，保護接受評定原則(w>0)，通過在允許區間內設置接受限值Au可有效降低接受不合格產品的風險，當測量值位于接受區間內，消費者和廠商即可認為產品是合格的(如圖7中的測量點1、2、3)；對于保護拒絕評定原則(w<0)，通過在允許區間外設置接受限值Au可有效提高拒絕確實不合格產品的概率，對于測量值位于接受區間外的產品，消費者和廠商即可認為產品是不合格、并予以直接拒絕(如測量點4、5、9)。新的評定原則在一定程度上更傾向于保護消費者的利益。

保護頻帶的范圍是基于擴展不確定度的，它是用以限制基于測量信息做出錯誤合格評定的概率。對于測量值位于保護頻帶內的情況，產品的合格與否待定，此時真值可能位于允許區間內也可能在允許區間外(如測量點6、7、8)。特別需要注意的是，當測量值接近允許限值時，風險幾率最高可上升至50%；為了進一步評定是否合格，可再次對測量值落在保護頻帶內的產品進行不確定度更低的測量，并與接受限值Au相比較。

圖7　JCGM 106:2012提出的“接受區間”和“保護頻帶”Fig.7　Acceptance interval and guard band in JCGM 106:2012

4　JCGM 106：2012的應用

目前包括基礎標準、通用標準、產品標準等在內的一系列與產品測試相關的標準都逐漸加大了對測量不確定度對測試結果影響的重視。CIE、IEC等國際標準化組織也紛紛將測量不確定度評估納入其最新的測試方法標準[3,4]中。

CIE S 025 “LED燈、燈具及模組的測量方法”標準充分體現了測試中對不確定度加以考慮的思想，并明確要求在LED各參數的測試報告中應包括對測量不確定度的說明。這種思想主要體現在以下幾個方面：

1)標準測試條件的限定。在LED光色電參數的測試中需要對各種測試條件如溫度、氣壓、電壓等進行限定。以溫度為例，標準中規定燈具的測試環境溫度的允許區間為25℃±1.2℃[3]，如果給出溫度測試的不確定度為0.2℃，那么溫度計的測量讀數的必須在25℃±1℃(可接受區間)范圍內，才能認為是滿足標準測試條件的要求。

2)由對待測參數的要求反向限定測試條件。例如LED燈具測試中要求氣流對LED某性能參數的影響不得大于1%，同時給出該性能參數對氣流變化的靈敏度為±5%/(m/s)，為滿足要求，環境的氣流允許區間為(0～0.2)m/s，這樣反推的思想可以把測試條件對待測參數的影響降到最低。

簡而言之，只有當測量條件得到保證，才能提高測試結果的可信度，基于測試結果的判斷才能更加準確，這也是合格評定方法不斷改進的目標。

5　應對JCGM 106:2012的思路

相比傳統的合格評定方法，JCGM在允許區間內設置保護頻帶的新合格評定方法顯然更為嚴謹且直觀。面對新的合格評定規則，各方面又該如何應對？

由于保護接受原則下，只有落在接受區間內的產品才被認定為合格，新合格評定原則在一定程度上對產品性能提出了更為嚴格的要求。因此對于廠商而言，為了提高產品合格率，本質上還是應從改善自身產品設計及工藝出發，提高測得值落在接受區間內的概率、盡可能的使測量值遠離臨界位置以降低誤判風險；對于消費者而言，利用保護接受判定原則可更好地降低錯誤接受的風險，保護自身利益。

對于實驗室測量而言，一般要求測量不確定度應盡可能的小，以減少對保護頻帶內產品合格與否的爭議。一般可通過采用更為精確的設備(精度高)、更加科學的計量方法(如量值溯源)和測量方法等以降低不確定度，縮小保護頻帶范圍。

對于工業測量，可將保護接受原則和保護拒絕原則有機結合利用以達到節約成本、提高測量質量和甄別效率的目的。例如，可利用不確定度相對較大的測量進行初步篩查，利用保護接受原則和保護拒絕原則先篩選出合格產品并剔除出不合格產品，由于對測量不確定度要求并不高，因此這樣的測量成本并不高；然后可通過采用測量不確定度更小、更為精密的設備和方法對落在保護頻帶內產品的合格與否做進一步的判斷，以降低錯誤評估的風險。二者相結合既能夠提高產品合格評定的可靠性，又能大幅降低測量成本。

6　結語

新合格評定方法突出了測量不確定度在產品合格評定中的重要作用，通過引入基于擴展不確定度的保護頻帶以降低消費者和廠商所需承擔的風險。利用新合格評定方法進行評定時不僅能更加客觀地反映了產品的實際性能，同時也對進一步提高產品性能提出了更為嚴格的要求。測量不確定度在合格評定中的重要性應得到包括消費者、廠商以及計量工作者等在內人員的高度重視。

[1] JCGM 106. Evaluation of measurement data-The role of measurement uncertainty in conformity assessment[S]. JCGM, 2012.

[2] JCGM 100. Evaluation of measurement data-Guide to the expression of uncertainty in measurement[S]. JCGM, 2008.

[3] CIE AD/IS 025/E. Test Method for LED Lamps, LED Luminaires and LED Modules[S]. CIE, 2015.

[4] 照明設備對人體電磁輻射的評價：GB/T 31275—2014[S].北京：中國標準出版社，2014.

[5] 陳迪,張璐.美國NVLAP節能照明產品檢測實驗室認可要求解析[J].照明工程學報，2014，25(5)：28-31.

Product Conformity Assessment Based on Measurement Uncertainty

HUANG Ying， LI Qian， QIN Xiaoxia， ZHANG Wei

(EVERFINEInstituteofOptoelectronic，Hangzhou310053,China)

Measurement uncertainty exists in each measurement process. However, it is always ignored in traditional product conformity assessment, which may reduce the rationality and accuracy of conformity assessment. In this paper, the risk of traditional assessment method is explained, and based on this, a new assessment method of JCGM 106: 2012 is put forward. So far, this new method has been cited in many product standards. Besides, in this paper, taking optical radiation measurement as examples, the practical application of this new assessment is explained in details. Finally, some guidance is given for manufacturers to deal with the new conformity assessment methods.

uncertainty; conformity assessment; acceptance interval; guard band

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.02.006