Research on the Standard Construction Process and Uncertainty Assessment of the Electrical Measurement Standard Laboratory

PENG Hui1JIANG Kun2LIUYang3PAN Zhong-chang4LIYing-jie5 （1.Dong'eCountyMetrologyandTestingInstitute;2.Chiping DistrictStandardMetrologyInstitute;3.ShandongInstitute ofMetrology;4.Liaocheng Inspectionand Testing Center; 5.Ordos Inspection and Testing Center）

Abstract：The electricalmeasurement standard laboratory is theimportantfundamentalinfrastructureof ensuring the accuracyand reliability of measurement data.This paper discusses the standard construction process and uncertainty assessment methods ofthelaboratories.In terms of theconstructionprocess，fromthe threekeystages of preparation， construction，and qualitysystem establishment，thecore elements suchas environmentalconditions，measurement instrumentconfiguration，andpersonnelcapacityareelaborated.Intermsofuncertaintyassessment，thepaperis based on the GUMrule，and discusses the implementation steps and mathematical models oftheAand Bassessment methods respectively.The study demonstrates that astandardized standard construction process and scientific uncertainty assessment methodscan efectively ensure the measurement accuracyand traceability of the laboratories，providing reliable technical support for industry development.

Keywords： electrical measurement standards，laboratory，standard construction proces，inconclusive rating

0 引言

在全球科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)變革加速推進(jìn)的新時(shí)代背景下，計(jì)量作為質(zhì)量技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施的核心要素，其戰(zhàn)略地位愈發(fā)凸顯。電測(cè)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室不僅是量值傳遞的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，更是支撐國(guó)家質(zhì)量基礎(chǔ)設(shè)施體系的重要支柱。從微觀層面看，其為工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究提供可靠的測(cè)量溯源；從宏觀層面看，其直接影響國(guó)家計(jì)量能力和產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈的穩(wěn)定性，是實(shí)現(xiàn)質(zhì)量強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的基礎(chǔ)保障。

當(dāng)前，隨著新一代信息技術(shù)與先進(jìn)制造業(yè)的深度融合，測(cè)量對(duì)象呈現(xiàn)出多元化、復(fù)雜化的特征，測(cè)量精度要求不斷提升，這對(duì)電測(cè)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與運(yùn)行提出了更高要求。特別是在智能制造、新能源、航空航天等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的推動(dòng)下，亟需建立更高水平的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)體系，以滿足產(chǎn)業(yè)升級(jí)對(duì)高精度、寬范圍、多參數(shù)測(cè)量的迫切需求。

本文立足于JJF1033—2023《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具核準(zhǔn)管理辦法》和ISO/IEC17025—2023等權(quán)威規(guī)范，系統(tǒng)探討電測(cè)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的建標(biāo)流程，深入研究基于GUM法則的不確定度評(píng)定方法。研究旨在通過(guò)建立科學(xué)完備的實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量體系，提升計(jì)量溯源能力，加強(qiáng)測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性，為我國(guó)計(jì)量技術(shù)基礎(chǔ)能力的整體提升提供理論指導(dǎo)和實(shí)踐參考。

1電測(cè)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室建標(biāo)流程

1.1建標(biāo)準(zhǔn)備階段

電測(cè)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室建標(biāo)準(zhǔn)備階段需遵循JJF1033—2023《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具核準(zhǔn)管理辦法》要求，系統(tǒng)評(píng)估實(shí)驗(yàn)室技術(shù)能力與基礎(chǔ)條件。主要包括以下核心要素：環(huán)境條件建設(shè)須對(duì)溫濕度、振動(dòng)、電磁干擾等參數(shù)實(shí)施量化控制，建立實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具配置需建立完整溯源鏈，選用具備良好穩(wěn)定性、準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)器具；人員能力建設(shè)應(yīng)培養(yǎng)專業(yè)計(jì)量技術(shù)團(tuán)隊(duì)，使其掌握校準(zhǔn)方法與不確定度評(píng)定；質(zhì)量體系文件須建立完整的管理體系文檔，規(guī)范技術(shù)要求與工作流程；技術(shù)方法研究需對(duì)測(cè)量原理、校準(zhǔn)方法進(jìn)行驗(yàn)證，建立數(shù)據(jù)處理體系，確保結(jié)果的準(zhǔn)確性與溯源性。

1.2實(shí)驗(yàn)室建設(shè)階段

電測(cè)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)階段是建標(biāo)流程的重要環(huán)節(jié)，需要系統(tǒng)化實(shí)施各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與技術(shù)能力構(gòu)建。

（1）應(yīng)依據(jù)GB/T27025—2023《檢測(cè)和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室能力的通用要求》，打造符合計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的專用環(huán)境。這包括配置精度為 ±0.1 （204號(hào) °C 的恒溫恒濕系統(tǒng)，將溫度控制在 （23±2）^qC， 相對(duì)濕度控制在（45±5）%RH ，以確保環(huán)境條件的穩(wěn)定性。同時(shí)，為了滿足電測(cè)計(jì)量的特殊需求，實(shí)驗(yàn)室需安裝防靜電地板，表面電阻應(yīng)在106＼～109 Ω 之間；建立接地系統(tǒng)，接地電阻要求小于等于4 Ω ；并配備電磁屏蔽設(shè)施，屏蔽衰減能力需達(dá)到或超過(guò) 40dB@1GHz 以確保測(cè)量環(huán)境的電磁兼容性。

（2）實(shí)驗(yàn)室應(yīng)建立完整的計(jì)量溯源體系，配置8.5位高精度數(shù)字多用表（精度優(yōu)于 0.0008% ）、標(biāo)準(zhǔn)電阻器（穩(wěn)定性優(yōu)于 2ppm/ 年）、交直流電壓源（穩(wěn)定性優(yōu)于 5ppm/ 年）等計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具，確保其準(zhǔn)確度等級(jí)滿足4：1測(cè)量比例關(guān)系。通過(guò)建立計(jì)量比對(duì)體系，實(shí)現(xiàn)與上級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的有效溯源，保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。配置標(biāo)準(zhǔn)電壓源量程為 0～1000V ，分辨率 0.1μV ；標(biāo)準(zhǔn)電流源量程為 0～100A ，分辨率 0.1μA ；同時(shí)配置自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)量周期可控制在 100ms 以內(nèi)，提升計(jì)量過(guò)程的效率與重復(fù)性[2]

（3）為了保障實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行的規(guī)范性和可持續(xù)性，應(yīng)制定涵蓋47個(gè)測(cè)量項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程（SOP）。該規(guī)程需明確儀器設(shè)備的管理、使用和維護(hù)流程，并建立計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具的檔案管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備全生命周期的信息化管理。系統(tǒng)應(yīng)能夠監(jiān)控關(guān)鍵參數(shù)，如校準(zhǔn)周期（通常為12個(gè)月）和期間核查周期（通常為3個(gè)月），以確保實(shí)驗(yàn)室的持續(xù)合規(guī)和高效運(yùn)行。

1.3質(zhì)量體系建立

電測(cè)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量體系建設(shè)需遵循ISO/IEC17025：2023與CNAS-CL01-2024標(biāo)準(zhǔn)要求，構(gòu)建“過(guò)程方法”導(dǎo)向的質(zhì)量管理體系。質(zhì)量體系采用三層文件架構(gòu)，具體如表1所示。

在質(zhì)量體系運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)室通過(guò)MetrologicalConfirmation軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)計(jì)量特性分析，對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。同時(shí)建立計(jì)量比對(duì)機(jī)制，每半年開(kāi)展能力驗(yàn)證， En 值嚴(yán)格控制在0.3以內(nèi)。通過(guò)設(shè)備臺(tái)賬和使用記錄的建立，實(shí)現(xiàn)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具全生命周期的有效管理，確保實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量體系的持續(xù)改進(jìn)和有效運(yùn)行[3]

2計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量不確定度評(píng)定方法

2.1A類評(píng)定方法

在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量中，A類測(cè)量不確定度的評(píng)定需要符合GUM法則與JJF1059—2023.1《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》的要求。此方法基于統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，通過(guò)對(duì)重復(fù)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，評(píng)估實(shí)驗(yàn)室測(cè)量數(shù)據(jù)的隨機(jī)性和正態(tài)分布特性。具體評(píng)定步驟如下：

（1）應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立性檢驗(yàn)，確保觀測(cè)數(shù)據(jù)之間不存在顯著相關(guān)性。采用游程檢驗(yàn)（RunTest），在顯著性水平 α=0.05 下對(duì)數(shù)據(jù)的獨(dú)立性進(jìn)行分析。如果數(shù)據(jù)通過(guò)游程檢驗(yàn)，則可以認(rèn)為數(shù)據(jù)具有獨(dú)立性，可以繼續(xù)進(jìn)行下一步分析。

（2）對(duì)數(shù)據(jù)的正態(tài)性進(jìn)行檢驗(yàn)，以確保其符合正態(tài)分布特性。常用的正態(tài)性檢驗(yàn)方法為Shapiro-Wilk檢驗(yàn)，該方法在小樣本條件下具有較高的準(zhǔn)確性。同時(shí)，還需結(jié)合偏度系數(shù) ?_g1 和峰度系數(shù) ?_g2 來(lái)判斷數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布。一般情況下，偏度 應(yīng)控制在[-0.2，0.2]的范圍內(nèi)，而峰度 應(yīng)控制在[-1.0，1.0]的范圍內(nèi)。如果數(shù)據(jù)通過(guò)正態(tài)性檢驗(yàn)，則可以進(jìn)入最終的標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算環(huán)節(jié)

（3）計(jì)算重復(fù)觀測(cè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差作為不確定度評(píng)定的基礎(chǔ)。標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算公式為：

式中： x_i 表示第i個(gè)觀測(cè)值； 為數(shù)據(jù)的平均值； Ω_n 為觀測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)量。該公式用于評(píng)估數(shù)據(jù)的離散程度，從而為不確定度的量化提供依據(jù)。

2.2B類評(píng)定方法

B類測(cè)量不確定度的評(píng)定方法以非統(tǒng)計(jì)學(xué)手段為基礎(chǔ)，綜合考慮實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)條件、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具的特性、環(huán)境影響因素及其他系統(tǒng)性誤差源，進(jìn)行理論分析與數(shù)據(jù)推導(dǎo)。此方法遵循JJF1059—2023.1中的相關(guān)要求，主要通過(guò)技術(shù)規(guī)范、校準(zhǔn)證書及設(shè)備技術(shù)指標(biāo)等文獻(xiàn)數(shù)據(jù)來(lái)量化不確定度分量5。具體評(píng)定步驟如下：

需分析計(jì)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性與誤差傳播模型，明確關(guān)鍵參數(shù)及其對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響程度。根據(jù)測(cè)量原理及技術(shù)條件，建立不確定度分量的數(shù)學(xué)模型。例如，對(duì)于電壓測(cè)量而言，系統(tǒng)的不確定度可分解為基準(zhǔn)電壓源的不確定度、數(shù)字多用表的線性誤差、溫度漂移及其他環(huán)境因素的疊加。利用誤差傳播公式：

式中： u（x_i） 為輸入量的不確定度; 為靈敏度系數(shù)。

關(guān)鍵分量包括基準(zhǔn)設(shè)備的不確定度（如基準(zhǔn)電壓源的 2×10^-6 至 5×10^-6 ）、儀器誤差（如數(shù)字多用表的 0.0005% ）及環(huán)境影響（如溫度漂移的0.1×10^-6/^°C ）。難以直接量化的系統(tǒng)性誤差通過(guò)類比法或經(jīng)驗(yàn)評(píng)估。

最終，通過(guò)合成公式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)不確定度 ，并結(jié)合覆蓋因子 k=2 得出擴(kuò)展不確定度：

U=k?u_c

例如，基準(zhǔn)電阻的綜合不確定度計(jì)算為U=0.0046Ω 。B類評(píng)定注重理論分析與數(shù)據(jù)推導(dǎo)，確保測(cè)量結(jié)果的量化準(zhǔn)確性與可靠性。

3結(jié)語(yǔ)

本文系統(tǒng)探討了電測(cè)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的建標(biāo)流程與不確定度評(píng)定方法。在建標(biāo)流程方面，從準(zhǔn)備階段、建設(shè)階段到質(zhì)量體系建立3個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，詳細(xì)闡述了環(huán)境條件建設(shè)、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具配置與人員能力建設(shè)等核心要素。研究強(qiáng)調(diào)了恒溫恒濕系統(tǒng)的精確控制、防靜電與電磁屏蔽設(shè)施的規(guī)范要求，以及計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具的溯源體系建設(shè)。在不確定度評(píng)定方面，基于GUM法則，深人探討了A類和B類評(píng)定方法的具體實(shí)施步驟與數(shù)學(xué)模型，建立了科學(xué)的數(shù)據(jù)分析體系。研究表明，通過(guò)建立‘ ?1+23+47 ”三層質(zhì)量體系文件架構(gòu)，規(guī)范化實(shí)施建標(biāo)流程，科學(xué)開(kāi)展不確定度評(píng)定，可以有效保障計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)能力和測(cè)量質(zhì)量。隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，建議進(jìn)一步加強(qiáng)計(jì)量過(guò)程的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化建設(shè)，推進(jìn)人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)在計(jì)量領(lǐng)域的深度應(yīng)用，建立智能計(jì)量平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集與分析，持續(xù)提升計(jì)量服務(wù)水平，為產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供更可靠的計(jì)量技術(shù)支撐?；?/p>

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作者簡(jiǎn)介

彭慧，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楣こ碳夹g(shù)、質(zhì)量管理、計(jì)量管理，產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)、計(jì)量器具檢定校準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)研究，實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證，產(chǎn)品工藝配方技術(shù)研發(fā)等。

（責(zé)任編輯：袁文靜）