基于测量不确定度的产品合格评定新方法

黄　英，李　倩，秦晓霞，张　维

(杭州远方光电研究院，浙江 杭州　310053)



基于测量不确定度的产品合格评定新方法

黄英，李倩，秦晓霞，张维

(杭州远方光电研究院，浙江 杭州310053)

测量不确定度与测量过程相生相随，但在传统的合格评定中，往往忽略了测量不确定度，导致合格评定的合理性和准确性受到质疑。本文在分析传统合格评定方法的缺陷和可能的风险的基础上，介绍了JCGM 106: 2012基于测量不确定度的最新合格评定方法，该方法目前也被越来越多的产品标准所引入；本文还结合实际的光辐射测量实例，给出了新合格评定方法如何应用实际计量过程中，以及厂商如何应对新合格评定方法的一些指导意见，供业界参考。

不确定度；合格评定；接受区间；保护频带

引言

合格评定[1-2]是指任何直接或间接确定是否满足技术法规或标准有关要求的程序。合格评定的过程通常包括测得的量值，将其与规定要求比较，并据此作出判断。

在实际测量中，被测量的真值往往是不可知的，测量结果的表述必须同时包含测量值和与该值相关的测量不确定度，才是完整且有意义的。测量不确定度是表征合理地赋予被测量值分散性的非负参数，是对测量结果质量的定量表征，测量结果的可用性很大程度上取决于不确定度的大小。然而在传统的合格评定中，不确定度往往被忽略，一般仅通过判断测得值是否位于允许范围内，来确定产品是否合格或者达到的等级，这可能导致评价结果的误判，其合格评定的结果存在较大的风险。

1　传统合格评定方法的缺陷和风险

传统合格评定方法，通过设定允许限值(Tolerance limit)来确定允许区间(Tolerance interval)，通过判断测得值是否落在允许区间内，给出合格与否或者某确定的等级的评价结果。允许限值可能是上限、下限或者双边限值。

结合测量不确定度重新审视传统的合格评定方法，可能会出现评定结果与实际不相符的情况，具体可见图1。按照传统合格评定方法[1]，测量结果①和②将被评定为合格，③和④评定为不合格；但考虑不确定度后，②实际的真值可能位于允许区间外，③实际的真值可能位于允许区间内，此时该产品实际的情况与传统合格评定结果是存在矛盾的。此外，还需要值得厂商及消费者注意的是，②③情况下的测量值均位于限值附近，此时错误接受和错误拒绝的概率相比测量值远离限值时的评定结果存在错误的概率要高出许多，也即是对测量值位于限值附近的合格评定风险要大得多。

图1　传统合格评定存在较大风险Fig.1　The big risk in traditional conformity assessment

2　产品合格的概率分析

测量值实际是以一定的概率分布落在某个区域内[1]，也即是前文提到的不确定度有其统计学的基础，其概率分布的类型常见的有正态分布、均匀分布、指数分布等，其中最为常用的是正态分布(高斯分布)。产品合格评定中用概率密度函数来表征真值落在某一区间可能性的大小。如图2所示，扩展不确定度U由标准不确定度u乘以包含因子k得到，通常取k=2，其对应的包含概率为95.5%。

图2　包含因子k与包含概率的关系Fig.2　Coverage factor k and coverage probability

下面结合实际的光辐射测量的实例，给出基于概率分布的不确定度如何应用到实际产品合格评定过程中。对于单边限值的情况，例如：根据欧盟法规EN 244/2012的规定，紧凑型荧光灯的紫外辐射危害效率应低于2.0mW/klm，如图3所示，某产品的测得值为ηUVR=(1.91±0.40)mW/klm，k=2，测量值以标准正态分布概率密度函数分布，根据以上数据可计算出该荧光灯合格的概率为67.4%，则不合格的概率为32.6%，也即是该紧凑型荧光灯的紫外辐射危害效率低于2.0mW/klm的概率为67.4%。与传统合格评定方法不同的是，这里的评价方式并非直接判定该灯是否合格，而是给出了其合格的概率，概率值越高，意味着该灯符合标准的可能性越大。

对于双边限值的情况，如图4、图5所示，以LED的能效等级为例，LED的能效等级标识是消费者判断其性能的重要手段，欧盟法规EN 874/2012根据测得的LED能效值将对应的LED产品划入不同的等级[1，4]，从A++到E能效依次降低。对于一个测得量为0.85的LED，测量扩展不确定度为12%，k=2；根据图5右侧的表格可知，当没有考虑不确定度时，此时认为该LED的能效等级处于D级；考虑不确定度后，假设真值以正态分布函数的形式分布，此时LED的能效等级并不确定地位于某一等级上，而是以不同的概率处在不同的等级上，此例中该LED位于C等级的概率为16.3%，位于D等级的概率为81.1%，而位于E等级的概率为2.5%。

图4　在允许区间[TL, Tu]内产品合格的概率Fig.4　Conformance probability in the tolerance interval[TL, Tu]

图5　EN Regulation 874/2012中对LED能效等级的划分Fig.5　Energy efficiency class for LED in EN Regulation 874/2012

3　新的合格评定方法

上述基于概率的评定方法虽然更为客观的描述了产品的实际状况，但本质并未降低厂商和消费者需要承担的风险，而且表达方式非常复杂，不便于对产品合格与否的评定做出直观的认识。因此JCGM 106提出在原先的允许区间内定义接受区间(Acceptance interval)[1]，以此来平衡由于示值误差测量不确定度存在导致的错误接受/拒绝的风险，以降低由于错误评估造成的损失。其中将允许限值Tu和接受限值Au(Acceptance limits)之间的区域定义为保护频带(Guard band)w，并且定义w=Tu-Au，具体如图6所示。

图6　保护接受，拒绝评定原则Fig.6　Guarded acceptance and rejecrtion

结合图6、图7可知，保护接受评定原则(w>0)，通过在允许区间内设置接受限值Au可有效降低接受不合格产品的风险，当测量值位于接受区间内，消费者和厂商即可认为产品是合格的(如图7中的测量点1、2、3)；对于保护拒绝评定原则(w<0)，通过在允许区间外设置接受限值Au可有效提高拒绝确实不合格产品的概率，对于测量值位于接受区间外的产品，消费者和厂商即可认为产品是不合格、并予以直接拒绝(如测量点4、5、9)。新的评定原则在一定程度上更倾向于保护消费者的利益。

保护频带的范围是基于扩展不确定度的，它是用以限制基于测量信息做出错误合格评定的概率。对于测量值位于保护频带内的情况，产品的合格与否待定，此时真值可能位于允许区间内也可能在允许区间外(如测量点6、7、8)。特别需要注意的是，当测量值接近允许限值时，风险几率最高可上升至50%；为了进一步评定是否合格，可再次对测量值落在保护频带内的产品进行不确定度更低的测量，并与接受限值Au相比较。

图7　JCGM 106:2012提出的“接受区间”和“保护频带”Fig.7　Acceptance interval and guard band in JCGM 106:2012

4　JCGM 106：2012的应用

目前包括基础标准、通用标准、产品标准等在内的一系列与产品测试相关的标准都逐渐加大了对测量不确定度对测试结果影响的重视。CIE、IEC等国际标准化组织也纷纷将测量不确定度评估纳入其最新的测试方法标准[3,4]中。

CIE S 025 “LED灯、灯具及模组的测量方法”标准充分体现了测试中对不确定度加以考虑的思想，并明确要求在LED各参数的测试报告中应包括对测量不确定度的说明。这种思想主要体现在以下几个方面：

1)标准测试条件的限定。在LED光色电参数的测试中需要对各种测试条件如温度、气压、电压等进行限定。以温度为例，标准中规定灯具的测试环境温度的允许区间为25℃±1.2℃[3]，如果给出温度测试的不确定度为0.2℃，那么温度计的测量读数的必须在25℃±1℃(可接受区间)范围内，才能认为是满足标准测试条件的要求。

2)由对待测参数的要求反向限定测试条件。例如LED灯具测试中要求气流对LED某性能参数的影响不得大于1%，同时给出该性能参数对气流变化的灵敏度为±5%/(m/s)，为满足要求，环境的气流允许区间为(0～0.2)m/s，这样反推的思想可以把测试条件对待测参数的影响降到最低。

简而言之，只有当测量条件得到保证，才能提高测试结果的可信度，基于测试结果的判断才能更加准确，这也是合格评定方法不断改进的目标。

5　应对JCGM 106:2012的思路

相比传统的合格评定方法，JCGM在允许区间内设置保护频带的新合格评定方法显然更为严谨且直观。面对新的合格评定规则，各方面又该如何应对？

由于保护接受原则下，只有落在接受区间内的产品才被认定为合格，新合格评定原则在一定程度上对产品性能提出了更为严格的要求。因此对于厂商而言，为了提高产品合格率，本质上还是应从改善自身产品设计及工艺出发，提高测得值落在接受区间内的概率、尽可能的使测量值远离临界位置以降低误判风险；对于消费者而言，利用保护接受判定原则可更好地降低错误接受的风险，保护自身利益。

对于实验室测量而言，一般要求测量不确定度应尽可能的小，以减少对保护频带内产品合格与否的争议。一般可通过采用更为精确的设备(精度高)、更加科学的计量方法(如量值溯源)和测量方法等以降低不确定度，缩小保护频带范围。

对于工业测量，可将保护接受原则和保护拒绝原则有机结合利用以达到节约成本、提高测量质量和甄别效率的目的。例如，可利用不确定度相对较大的测量进行初步筛查，利用保护接受原则和保护拒绝原则先筛选出合格产品并剔除出不合格产品，由于对测量不确定度要求并不高，因此这样的测量成本并不高；然后可通过采用测量不确定度更小、更为精密的设备和方法对落在保护频带内产品的合格与否做进一步的判断，以降低错误评估的风险。二者相结合既能够提高产品合格评定的可靠性，又能大幅降低测量成本。

6　结语

新合格评定方法突出了测量不确定度在产品合格评定中的重要作用，通过引入基于扩展不确定度的保护频带以降低消费者和厂商所需承担的风险。利用新合格评定方法进行评定时不仅能更加客观地反映了产品的实际性能，同时也对进一步提高产品性能提出了更为严格的要求。测量不确定度在合格评定中的重要性应得到包括消费者、厂商以及计量工作者等在内人员的高度重视。

[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] 照明设备对人体电磁辐射的评价：GB/T 31275—2014[S].北京：中国标准出版社，2014.

[5] 陈迪,张璐.美国NVLAP节能照明产品检测实验室认可要求解析[J].照明工程学报，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