0 前言：
目前，随着国内基础建设的快速发展，岩土工程及其建筑物对测量的要求越来越复杂同时越来越高。为满足这种测量要求，各种形式的测量仪器也是层出不穷。在水工监测中使用的各种测量仪器，虽然各种产品均有各自的产品标准，有自己的各种技术指标，但有些技术指标含义模糊，定义与计算完全两样，有些校准时使用的特性与实际测量时使用的特性完全两样，造成使用者的困惑。最大的问题是，很多在水工监测中使用的测量传感器均没有准确度的说明，当我们使用这些仪器测量产生的测量结果究竟有多准，似乎谁也说不清楚。本文试图探讨这些问题，提出校准的观点，用测量仪器校准的方法来评价这些测量仪器的准确度。
1 测量及测量仪器一些基本概念
测量的定义是：以确定量值为目的的一组操作，也就是说，测量的目的是要获取一个定量的值。这个值我们称之为测量结果。当我们获取了测量结果后，如何评价这个测量结果的质量，即这个测量结果是否准确可靠，准确可靠的程度是多少。换句话说，测量结果的误差有多大，测量结果的置信度有多高？这是人们常常在讨论的一个问题，也是常常让人感觉困惑的一个问题。那么究竟应当如何评价？国际标准化组织ISO、国际电工委员会IEC、国际计量局BIPM、国际法制计量组织OIML、国际理论化学与应用化学联合会IUPAC、国际理论物理与应用物理联合会IUPAP、国际临床化学联合会IFCC等7个国际组织于1993年，联合发布了《测量不确定度表示指南》（GUM，Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement）并与1995年进行了修订。自GUM颁布以来，随着对测量不确定度理解的不断深入，人们清楚地认识到，不确定度就是评价测量结果的质量和可靠性的工具。GUM是汇集了世界各国科学家的经验和智慧才形成的。中国于1999年也发布了JJF1059-1999《测量不确定度的评定与表示》，这个技术规范的核心部分与GUM等同。它应该作为我们评价测量结果质量的指南。
在测量中，人们必须依靠工具或测量仪器才能够进行测量，因此，测量仪器是一个关键的因素。那么在对测量仪器进行评价、检定或校准时，应遵循什么样的原则，评定哪些特性，对各个特性如何评定？按照测量的目的，显然准确度是表征测量仪器最主要的参数，因为任何测量的目的就是为了得到准确可靠的测量结果。一个测量仪器的指标从灵敏度、分辨力、重复性和滞后都做的很好，可却没有准确度的指标，我们又怎么能知道用这个测量仪器得出的测量结果有多准确呢？要解决这个问题，国家计量技术规范JJF1094-2002《测量仪器特性评定》给出了如何评定测量仪器这些特性的原则和途径。
测量仪器的准确度是一个定性的概念，在实际应用中以示值误差或准确度等级来衡量，就如我们熟知的，在压力校验系统中，有4级、2.5级、1.6级、1级、0.4级和0.25级等级的压力表；在百分表与千分表中有1级和0级的，他们均以示值误差来划分等级。但在岩土工程测量仪器中，尤其是水工建筑物的内观仪器中以曲线来拟合的测量仪器没有示值误差及准确度，其测量结果的准确性无法进行评定。有人提出用几个传感器的指标来合成，有人提出综合误差，有人提出基本误差等等，这些误差的置信度有多高，其理论依据是什么，也说不清楚，造成人们对这些测量仪器在认识上的一些混乱。
2 水工监测仪器目前存在的问题
2.1 仪器没有准确度造成使用中的问题
目前，由于监测仪器的种类越来越多，尤其是自动化程度越来越高，所以用曲线拟合的传感器也越来越多，这些传感器大部分给出的指标只是线性、滞后、重复性和分辨力等指标，而这些指标中用法还有错误的，例如：在钢弦式测量仪器中，产品规定校准时的拟合曲线为最小二乘法，并以此曲线来评价产品的测量误差，但是测量时却使用零基直线作为其拟合曲线来计算其测量结果，显然，由于这两种拟合线本身所产生的测量结果是不一致的，更别说如何评价测量的误差了。因此，尽管看起来传感器的线性度很好，但使用中的线性度却并不是评价时的线性度，这相当于传感器没有进行校准，其测量结果根本无法评定。
在用传感器的一些监测项目中，常常有些人感觉到观测值不准，但却不知问题出在那里，两支不同的仪器放在一起测量，可是测量结果却不一致，这些现象经常出现，于是，有人给出这样的解释，不同原理的仪器不可以比较，因为它们的指标是不一样。不同的传感器在测量同一物理量时，真的不能比较吗？实际上这是一种错误的说法，难道当传感器进行校准时，提供标准量的装置也要同被校准的传感器具有相同的原理吗？这就说明了我们对传感器的认识上还有欠缺。
另外，有很多人在选择传感器时，将分辨力及线性看得很重要，这是因为目前提供的传感器指标中，由于没有准确度的概念，而其余的指标又似乎无法区分这些传感器哪一个测量的更准确。实际上从目前传感器计算这些指标的数学公式中，我们不难知道这些指标其背后真实的含义，比如，线性的问题，从其计算方法可以看出，是用来拟合传感器输入输出关系的，是传感器拟合的一个特性，但不是用来评价传感器测量准确度的特性。分辨力的问题也同样，从GB/T13606－92《岩土工程用钢弦式压力传感器》中的数学公式来看，用最大的频率模数减去最小的频率模数取其倒数，可以看出，其分辨力这个指标主要与仪表的读数有关，仪表所能显示的位数越多，其分辨力就越高，这与测量时真正能分辨出的量并无多大关系。实际上对于测量来说，准确度是最主要的，而分辨力只要比准确的示值多一位就可以了，而不用作为主要指标来评价。如果一支传感器只能准确测量0.1mm，而分辨力却有0.001mm，显示出的0.01mm的结果不可信，那么0.001mm又有什么用呢？
对于使用传感器来说，我们最关心的指标是测量范围，测量准确度，有很多指标主要是与制造传感器有关，对于使用者来说，并不需要非常关心，当然在水工内部监测仪器中，由于环境特殊，还必须考虑一些其它的指标，比如长期稳定性、绝缘性能等指标，但最为关键的还是测量准确度，因为这些传感器的使用目的是为了获取测量结果，如果没有准确的测量结果，其余指标再好也没用。
2.2 监测仪器产品标准的问题
监测仪器产品的国家标准，大部分是80年代编写的，到90年代虽然进行了修订，但是，毕竟那是80年代的技术水平的体现，现在已过去20多年了，随着贸易全球化的影响，世界各国利用自己的测量水平的提高，制定各种产品标准以作为技术壁垒，因此，现代测量技术及其误差分析理论也发生了变化，为了世界各国检测同一量具有可比性，七个国际组织联合制定了《测量不确定度表示指南》，对现代误差理论作了统一规定，以相同的方法来评价检测实验室的测量结果。这些误差理论和概念与过去已经有很多的差别。
但作为水工监测用传感器的产品标准依然停留在80年代的水平上，目前许多在编的行业标准也依然以此为准，并且引用一些已作废的国标，不能体现现代测量技术及误差的分析方法，仍然沿用线性度、滞后、重复性和分辨力这几个指标，新编的有些标准中依然使用一些错误的术语，比如非线性误差、重复性误差、迟滞误差、综合误差等术语，这些术语在现代测量技术中已不存在，在新编GB/T7665－2005《传感器通用术语》中也找不到这些因逻辑上错误而不再使用的术语。
作为水工监测用传感器的行业标准如果还在沿用这些错误的术语，其标准的水平就无法跟上现代测量技术的步伐，对整个行业的发展应该说是不利的，而且作为行业产品标准会显得与外界格格不入，也显现出整个行业对现代测量技术及误差分析方法的陌生。并且依然造成测量同一物理量各种不同原理的仪器无法比较这样错误的观念。
2.3 监测仪器术语问题
在监测仪器使用中，许多术语没有经过严格的定义，在引用上的解释也不明确，不能统一，这也是造成测量同一物理量不同原理的仪器不能比较的原因之一。在有的文章中将“精度”说明为“精度的含义是测值与真实值的接近程度，为了真实反映传感器的精度，应该考虑所有的误差来源。通常误差来源包括标准精度误差、温度误差和长期稳定性。”这样的说法极不严格，在逻辑上也有问题，如标准精度是什么？精度怎么也有误差？这精度究竟是什么？做过测量的人都知道，测量结果不止和传感器相关，还和测量原理、测量方法、环境和人员等因素有关。问题是如何才能真实的反映传感器的准确度，究竟什么是传感器的精度，没有说明。在这里提出应考虑所有误差的来源，而又说通常误差来源只有三项。更何况标准精度误差是什么，从来没有定义，可以这样或那样的理解。这些问题说明了对什么是测量精度并不了解，无论用老的误差理论还是用现代的误差理论都无法解释，尽管现在已经没有精度这个词了。
按照过去的误差理论，精度一词是指精确度与精密度的合成，而精确度是与系统误差相关联的一个量，精密度是与随机误差相关联的一个量，其合成的方法在国际上并不一致，其关键的问题出在了误差一词本身的定义上，因为误差一词的定义是测量值减去（约定）真值，因此它是一个带有符号的数值，而随机误差却是一个范围，他们怎样合成才算正确呢？世界上各国的规定也不一致，如在前苏联，对这两个误差不提合成的问题，由使用者自行解决。而美国的有些国家基准往往将这两个量之和作为总误差，其原因是要求安全可靠，因为无论用何种方法合成，采用算术相加的方法得到的误差最大。而在中国的几何量测量领域，对这两个量的合成往往采用方和根法，但由于在正态分布下，方和根法所得的标准偏差所对应区间的置信概率仅为68.27％。而往往要求置信概率为95％以上，因此又常将此标准偏差扩大3倍以满足要求。由于在数学上无法解决两个不同性质的量之间的合成问题，因此造成了测量结果无法比较。
目前，GUM和VIM为世界各国统一采用测量结果不确定度评定和表示奠定了基础，而且国际实验室认可合作组织在对校准和检测实验室进行认可时，其测量结果的不确定度评定均以GUM为基础。
1998年我国发布的JJF1001－1998《通用计量术语及定义》，其中前六章的内容与第二版VIM完全相对应。并在1999年发布了JJF1059－1999《测量不确定度评定与表示》。可见这是在世界范围内最为权威也是最新的误差理论。
在水工监测中的有关误差及测量仪器误差的评定问题，应当按照目前世界上最权威和最新的理论，而不应该还停留在传统的误差理论上，而跟不上发展。并且还在为那些不能准确表达的概念而讨论。
3 监测用传感器的校准
针对以上提出的种种问题，本文建议对行业内使用的测量传感器应让有资质的第三方进行校准。校准的目的是使测量用的传感器通过一条具有规定不确定度的不间断的比较测量链向SI单位溯源，以保证测量仪器所得测量结果的正确性。
按照JJF1094－2002《测量仪器特性评定指南》中，校准的定义是：“校准是依据校准规范或校准方法，为确定测量仪器所指示的量值与对应的由其测量标准所复现的量值之间关系的一组操作。”
校准结果应以校准证书的形式提供，在校准证书中应包含有测量条件、环境条件、测量不确定度和溯源方式等信息。
应制定测量用传感器的校准规范，在行业内推行，并将这些测量传感器进行分等或分级，以确定传感器的准确度，以便于提供给用户以确定如何选用传感器。
校准主要是确定测量传感器的示值误差，即测量传感器的示值与约定真值（在指定的准确度水平上）之间的关系。这样经过的校准的传感器可以避免向像我们上面所述的拟合时采用一种线性来评价，而使用时提供另外一种线性。经过校准后的传感器可以告知使用者准确度和测量不确定度，使用者在选用传感器时，可以根据测量的需要，选用不同等级的传感器，并可以清楚了解该等级的传感器测量误差有多大。
校准中其余参数应按照JJF1094－2002《测量仪器特性评定指南》并参考过去在水工建筑观测中积累的经验来选择。参数的定义或解释应按照JJF1001－1998《通用计量术语及定义》，以避免认识不一致。应要求校准的单位在校准报告中提供测量不确定度，让使用者知道测量不确定度是多少，置信度水平有多高，以便正确的使用测量传感器。
4 校准质量的评价
测量的目的是为了确定被测量的量值，测量的结果的质量直接影响我们对水工建筑物安全性的判断。按照测量误差的定义是测量值减去真值，而真值的定义是“与给定的特定量的定义一致的值”，因而，真值是一个理想的概念，只有通过完善的测量才能获得。任何测量都是有缺陷的，因而真正完善的真值是不存在的。在测量比较的过程中，我们常使用的是“约定真值”。因此，对测量传感器的校准，应当对校准的质量进行评价，如果校准的质量不好，即测量不确定度很大的话，那么传感器测量的准确度依然可疑。
校准质量的评价，主要是依据测量不确定度的评定。校准的数据是否可用，在很大程度上取决于测量不确定度的大小，因为在评定测量不确定度的同时给出了测量时的置信度，即误差发生的概率。由于经过不确定度的评定后，就不会再发生像本文前面所述的评价时使用一种线性，使用时又使用另外一种线性的情况，因为在测量不确定度的评定中，要求将测量的数学模型写出。
测量不确定度的评定同时还包含了对标准量值的不确定度的评定，也就是说可以避免标准器的准确度低于测量仪器的准确度。比如在应变计的标定中，我们可能会犯这样的错误，由于对测量要求并不明确，习惯性的使用千分表来对应变计进行校准，可是有些应变计的是不能使用千分表进行校准的。我们可以举个例子来说明，假设一支应变计参数如下：
标距：150mm； 量程：3000με； 灵敏度：1με； 精度：±0.1%FS
标定时，首先要确定测量要求（即确定测量标准器的准确度要求是多少），由于该应变计的所说的精度（我们认为是准确度）为±0.1%FS.，则其在测量范围内的误差为±0.1%×3000=±3με，而3με对应着150mm标距时，其测量要求准确到0.00045mm（即0.45μm），因此，测量标准至少应准确到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）检定规程可知，量程为1mm的0级干分表的最小刻度为1μm，其示值允许误差在任意0.2mm的量程中为3μm；在全量程中为4μm，显然不能满足标定的要求，如果使用干分表标定，单测量标准一个分量，其测量不确定度至少也达到几十个微应变，显然标定结果不能满足精度±0.1%FS的要求。这就是用测量不确定度给我们带来的对测量结果质量的评定。如果校准的质量高，还可以提供校准后的修正值，以提高传感器测量的准确度。
5 结束语
传感器是用来测量工程建筑物的物理量的，对传感器评价的目的是为了使测量结果更加准确、可靠。因此，我们最关心的应该是测量传感器的准确度和使用传感器获得的测量的结果的准确度，该准确度的置信度是多少，即测量的不确定度是多少，假如依据了不可靠的测量结果做出的数据分析或判定就会与事实相违背。所以传感器的校准是一个很重要的问题，应该尽量使其规范化。校准应当由第三方检测机构进行，并给出校准中的不确定度，置信度，以评价校准的质量。本文希望通过讨论，能提高大家对监测传感器准确度的认识有所帮助。并提出校准的方法来确定监测传感器的准确度。
参考文献
[1] 国家质量技术监督局，全国法制计量技术委员会 JJF1001－1998《通用计量术语及定义》。中国计量出版社。
[2] 国家质量监督检验检疫总局计量司 JJF1094－2002《测量仪器特性评定指南》。中国计量出版社。
[3] 国家质量监督检验检疫总局计量司JJF1059－1999《测量不确定度评定与表示》中国计量出版社。
