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标题: 《史氏测量计量学说》征求意见稿（8） [打印本页]

作者: winteer 时间: 2016-8-18 19:10
标题: 《史氏测量计量学说》征求意见稿（8）
《史氏测量计量学说》征求意见稿（8）

                                                                                                                     史锦顺

第8章研制入门

   测量依靠测量仪器，计量依靠计量标准。测量仪器与计量标准是测量计量的工具，是手段，是物质基础。
   研制、计量、测量这三大环节，相互贯通，相互依赖，构成测量计量功能的完备性。计量体系实现着量值的准确、一致，体现了人类社会的组织功能，是一项人类文明。
   研制，即研究、制造并建立计量基准，研究、制造并建立各级计量标准，研制并进而生产测量仪器，这三类研制的水平，代表整个测量计量界的水平。
   测量计量的理论，要解决一般性的问题，但更重要的是处理研制中的问题。研制必须靠误差理论。不确定度论对研制毫无用处。当今不确定度论喧嚣于世，似乎是当家理论，由于它无能处理研制问题，没法介入；于是在研制场合，还是误差理论当家管事。

   研制工作，既要有高的理论水平，又要有实现的技术能力。研制的最大特点是其先进性与多样性。研制是发明，研制是创造，大大小小的研制，都是对国家，对社会的贡献。新机制的基准的发明，是诺贝尔奖的项目。与时频基准的研制有关的项目，已有六位获诺贝尔物理奖。发明新机制的计量标准，发明新原理新机制的测量仪器，都是国家发明奖项目。就是成功仿制国外的新机制的基准、标准、测量仪器，只要是填补国家技术空白的，都是国家科技进步奖项目。
   讲究准确，是研制的要点。准确的程度，用误差范围来表征，误差范围称为准确度。
   追求高准确度的研制，是锦上添花；而研制与生产的基本任务是满足社会需求。因此，准确、可靠、经济，要综合考虑。
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1 研制的几个基本问题

1.1 研制要有计量标准
   研制测量仪器，必须有比测量仪器指标高一个档次的计量标准。用来抽样证实测得值函数的正确性。就是证实实测误差绝对值都小于误差范围指标值。检验合格的产品才能出厂。检验测量仪器，必须有计量标准。
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1.2 指标要留有余地
   研制中的小部分是追求高水平；而大量的通常的研制，是满足社会需求。
   通常的研制，是生产的准备、是生产的样板。生产的使命是满足社会的需求。社会对准确程度的要求，有不同的层次。研制与生产首先该确立目标，即确定准确度指标，就是确定误差范围的指标值。
   误差元是测得值减真值；误差范围是误差元的绝对值的一定概率（99%）意义上的最大可能值。误差量的特点是误差元绝对值的上限性。因此当人们制定仪器的误差范围指标时，或说明测量的测量结果时，误差范围可以说得大，而不能说得小。就是说要给出误差范围的上限值，这个误差范围放大后的上限，是人为的规定，是误差性能的指标值。
   误差范围的指标值的确定，第一要根据社会的需求；第二要留有余地。生产厂给出的指标，是厂家对社会的承诺。在说明书规定的使用条件下，只要正确操作，测量仪器必须符合其性能指标。
   经常出现一种误解，那就是有些人误以为测量仪器的指标值越接近测量的实际误差值越合理。不，测量的实际误差值（指误差元的绝对值，下同），必须不大于误差范围指标值，这是必须的，但这还不够，指标值必须有余量。最好留1/3以上。实测误差值比指标值小得越多，用户越信任，厂家声誉就越高。

1.3 适用条件很重要
   研制给出测量仪器的测得值函数；当仪器的测得值函数，能确定地转化为被测量的量值（真值）函数时，测量仪器才可用。就是说，研制时的误差范围，计量时必须得到证实，而在应用场合，必须仍然有效。这里的条件规定，称为测量仪器的适用条件。适用条件，就是可以实现仪器性能的条件。例如，通用测量仪器的温度条件，应该是-20℃到+40℃。
在满足适用条件与正确操作的条件下，测量仪器应保证其性能指标。
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1.4 测量仪器的主要指标
   （1）量程
   使用者要知道，量程内的不同段（或点），指标不同。仪器指标应标明。
   （2）分辨力
   数显测量仪器，分辨力是尾数1，则分辨力误差是±1，而不是±0.5。（最低位的下一位进行了四舍五入处理时，分辨力1引入误差是±0.5，通常的测量仪器没有这种处理。）
   （3）误差范围
   测量仪器的误差范围指标，是以真值为参考的真误差范围。实测得到的误差范围是以计量标准的标称值为参考的。因此，误差范围的实测值，加上所用标准的误差范围，才是测量仪器的真误差范围。仪器必须保证真误差范围不大于仪器误差范围指标值。

1.5 误差范围的构成

      随机误差范围
      系统误差范围
      附加误差
      稳定性
      复现性

1.6 误差范围指标的给出与确认
   （1）随机误差，按单值的σ；取3σ为随机误差范围。
   （2）按对测得值函数的分析，已定系统误差，代数合成，再取绝对值。未定系统误差，绝对值合成。最后，系统误差范围与随机误差范围相加，构成测量仪器的误差范围，并进位、取整，扩大，纳入国家规范指标系列。新型仪器，超出原来系列时，指标的给法要按5、2、1、0.5 二分法跃进规则。如已有测量仪器的最高指标是2E-5，新研制仪器是1.5E-5，只能并入2E-5那一级。
   （3）误差范围值，必须由测得值函数在全量程上给出，并取其最大值。测得值函数不能有奇异点。可以用拟合法确定测得值函数，但采样点必须足够细，足够多，以确保没有奇异点。任何在量程内有奇异点的测量仪器，都是不合格的。
   （4）依据检定规程，确认误差范围之各项指标。
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作者: gooobooo 时间: 2016-8-18 20:49
1964年，四清运动中，群众讨论课题的事。由于双探针法，简单、易行，就上马了；其实我本人倾向于搞难一点的反射计方案，当时不敢拗，也拗不过。滑动标准负载由大华无线电厂姜可正设计，稳定性十分好，在这项标准的建立上，起了重要作用。我只搞定标方法。1966年全国新产品展览会后，每年都按计划生产。但1970年我被调去搞大铯钟，特别是1973年离开北京，又一直搞频率方面的工作，这种标准负载的情况，我就全然不知了。
先生所说，美国人的滑动负载我不了解。但我可以肯定的说，美国人的定标方案与我的那个“双探针法”无关。因为美国的NBS的Beatty早在1957年就发明了“调配反射计”技术。就是说同时代的美国人的“反射计方案”比苏联的“探针法”方案优越。因此，美国人不会采用探针的方式。我的那个“双探针法”在消除系统误差方面，有些启发作用，但这改变不了技术路线优劣之比较。固定的双探针仅仅适应一个频率，而反射计可以对应任何频率。我在1968年已经把双探针升华为普通测量线探针的两个位置，于是原设备被闲置，仅仅保留“变相位消除系统误差”的技巧。
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作者: chaojiwantong 时间: 2016-8-18 21:48
　　在JJF1001-2011中定义的“测量设备”包括了“测量仪器、测量软件、计量标准、标准物质、辅助设备或它们的组合”，因此我认为史老师在这一部分主要讲的就是测量设备的研制。测量设备是“为实现测量过程所必需”，检定/校准也是一种测量过程，所以计量标准也就包含在测量设备概念之中了。
　　测量设备既然是“为实现测量过程所必需”，那么测量设备的研制首当其冲的任务就是识别好确认其拟实现的测量过程的“计量要求”，而测量过程的计量要求必须从被测参数的要求中导出。离开了被测参数的测量要求，包括测量范围和控制限（即评判被测参数合格与否的上下控制限之差）等的要求，测量设备的研制就失去了目标，研制也就失去了意义。
　　研制测量设备应确定所研制的测量设备“计量特性”指标，最重要的指标是允许的最大测量误差（以下简称最大允差）和测量范围，然后将这个最大允差通过研究设计合理分配到所设计的测量设备各个构件上，实现测量设备的零部件设计。
　　从被测参数计量要求的识别、确认到测量设备计量要求确定，再到测量原理的合理选择，测量设备零部件设计时的误差合理分配等，无一不用到误差分析理论，因此我赞成史老师关于误差理论在测量设备研制工作中的重要作用，离开了误差理论的确也就无法完成测量设备的设计。
　　不确定度是测量结果或测量过程的计量特性，不是测量设备的计量特性，不确定度不能也不应该作为测量设备的一项设计指标，但也不能因此而说不确定度评定在测量设备研制中“没法用、不能用”。不确定度评定在测量设备研制的前期“计量要求”导出和后期测量设备的能力验证方面有其不可缺少的重要作用。
　　在计量要求导出中，根据被测参数的控制限测量要求导出对测量过程（测量方案）的计量要求时，首先考虑的就是测量方案的“可信性”（又称可靠性），使用1/3原则（U/T≤1/3）或测量能力指数Mcp（Mcp=T/(2U)≥1.5）确定测量方案的测量不确定度U，再根据这个U导出在采用的测量原理中拟设计的测量设备所占U的分量U1应该是多少，然后根据导出的U1推算拟设计的测量设备的计量特性允许值，即测量设备的误差控制限T，然后运用误差理论的误差分配方法将控制限T合理分配到测量设备的各个零部件的计量要求中，从而完成测量设备的设计。
　　测量设备的制造过程与其他产品的制造过程控制并无差别。完成制造的测量设备还必须进行一个叫做“项目完工验收”的工作，商品化的测量设备应该进行一个叫做“型式评价”的工作，在完工验收或型式评价中除了提供检定/校准证明样品达到合格外，还应该评价测量不确定度，证明这种合格是可信的、可靠的，而不是“瞎猫碰到死耗子”，质量是可以得到保证的，设计方案和制作工艺、质量控制是没有问题的。

作者: nshukwrd 时间: 2016-8-18 21:52
附言：本章讲研制测量仪器时必须用的误差理论。那么，当前流行的不确定度论、不确定度评定，行不行呢？一言以蔽之：没法用、不能用。不确定度的A类评定，对测量仪器的随机误差，有所反映；但除以根号N，是错误的。给仪器定指标，随机误差范围的表征量必须是单值的σ（取概率99%，要用3σ）。至于不确定度的B类评定，去掉那些没用的条款外，只剩“查说明书”一条；但仪器刚刚研制，哪有可查的说明书？工作的结果怎能当工作的根据？所以如此没谱，那是不确定度论的炮制者，眼光死盯在“应用测量”的事上；根本没想过不确定度论在研制中怎么用！

其实不确定度在仪器研制生产中还是很有法用的

作者: tgboler 时间: 2016-8-18 22:33
《史氏测量计量学说》征求意见稿（8续）

                                                                                                                     史锦顺

第8章研制入门（续）

2 理论工作
2.1 确定物理机制
用哪种物理机制，是研制测量仪器，研制标准与基准的重大决策，是前提，是基础，是研制成败的关键。
物理机制体现了基本工作模式，包括机内标准、数据采集，比较，输出的方式等的方案，以及量程、分辨力、准确度等技术性能的考虑。
选取物理机制要与误差分析结合进行，经反复比较后确定。
2.2 建立测量方程（第3章）
2.3 基于测得值函数进行误差分析（第3章）
2.4 用“绝对和法”合成误差范围（第4章）

3 制造
3.1 根据误差分析提出分项要求；
3.2 进行可靠性设计，零部件必须满足可靠性要求；
3.3 选购零部件、加工，分项检验；
3.4 装配、调整；

一切分析，一切计算，都要经过实测证实。经过检验（类似计量，参考下一章）合格，才能出厂。为确保可靠性，要经过例行实验（主要是恶劣环境以及震动、运输等的考验）。

4 检验
   同于计量（见下章）

5 几点个人体会与心得
   5.1  测量仪器的作用是一种函数变换
   为得知量值的大小，要用测量仪器进行测量。测量仪器可以看成是一台函数机。研制仪器时给出的是测得值函数。此时真值是自变量，测得值是函数。计量是证实这个函数，而测量是利用这个函数的反函数，称被测量的量值函数。被测量的量值就是真值，因此就是真值函数。真值函数的自变量是测得值，而真值是函数。测量就是由测得值而认定真值。
   测得值函数为
               Ym = f(X1m/o,X2m/o,……,XNm/o)-f(X1,X2,……XN) + Y          (5.1)
   此式可以简化
               Ym=Y±R                                                                   （8.1）
   （8.1）式由（5.1）式导出，（8.1）与（5.1）式等效。因此，测得值公式（8.1）是测得值函数式的简化表达。
   由（8.1）很容易推得（参见第5章）：
               Y=Ym±R                                                                   （8.2）
   （8.2）式称为测量结果。
   测量结果的物理意义：被测量的真值的最佳表征值是测得值Ym。被测量的真值Y可能大些，但不会大于Ym +R，被测量的真值可能小些，但不会小于Ym―R。
   原来，（8.1）是测得值函数；而（8.2）是真值函数。因为二式中都有±号，都不是单值函数。是一个已知量对应一个未知量区间。区间的半宽是误差范围R。研制是确定误差范围R；计量是公证误差范围R；测量是应用误差范围R。
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     5.2  明确物理概念
   测量计量，特别是建立基准或国家标准，是基础物理学工作，一定要物理概念明确。
   我大学毕业分配到国家计量院，一开始就被授命筹建微波阻抗国家标准。什么是微波阻抗？复习大学微波教科书，查国内外资料，陷入概念的矛盾中。分析双线、同轴线阻抗的个性，分析各种传输线的共性，再分析波导的特性，于是总结出“连续条件”这个要点，便产生了认识的飞跃。
   矩形波导是微波传输线主要形式。矩形波导的特性阻抗，是美国人谢昆诺夫于1944年提出的。载于国内外各种大学教科书、各种专著。由于囿于“电压比电流为阻抗”的传统习惯，忽视了波导中电磁场的分布特性，弄错了连续条件，形成了概念性的错误。
   我根据连续条件，提出波导特性阻抗的新概念，为建立微波阻抗标准打下坚实的基础。此事受到国家计量总局李乐山局长的重视。后经国防科委领导钱学森先生批转讨论，由此在我国人卫地面站的建造中，被成功应用。（《电子学报》1979.2）
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   5.3  消除系统误差，提出“双探针法”
   原苏联的微波标准方案，是滑动标准负载。主要误差项是接头等的固有反射误差。该误差项等于反射系数模值与反射角余弦的乘积。
   余弦角与反射波的行程有关。改变行程1/4波导波长，反射角改变180度，则反射角余弦反号。注意到这一点，就可以消除该项误差。
   在标准波导段上，设置两个探头，相距1/4λg。在两个探头上测得两个反射系数，取两个反射系数的平均值，则消除了固有反射误差。
   这就是定度标准负载的双探针法。1966年初，在全国新产品展览会上展出。其中滑动式标准负载由大华仪器厂生产。
   消除系统误差的“变相位正负抵消”法，后来被误差理论专家肖明耀（曾参加该项目鉴定会）写入误差理论书中。
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   5.4  选取光路减小系统误差
   热轧钢板生产线上用的激光测厚仪，是几个年轻人的研制项目。负责人陈为民请我审查方案。我提出两点：1 误差分析结果，必须简化，要能提出对加工的具体要求；2 钢板倾斜误差是正切关系，小角度正切近似等于弧度，此项误差等于倾斜弧度，误差过大。这第二点，使方案不能成立。
   经过几天的琢磨，我提出改进办法。倒换一下光路，将“斜入射、垂直检测”改为“垂直入射、斜检测”，于是，钢板倾斜误差，由正切变为倾斜角余弦与1之差，而小角度的余弦等于1减弧度的平方，则此项误差变成弧度的平方。弧度是百分之几，弧度平方是万分之几，这样，该项误差就可略了。此机后来正规生产，并有出口。
   这里还有一点，体现误差分析的作用。美国人的方案，鉴于横梁的温度效应将引入测量误差，于是用温度系数小的石英制作横梁。我的误差分析结果是，横梁与立柱的误差符号相反，用同样的材料（铸铁）二者误差有相互抵消作用。美国的方案，顾了横梁而忘了立柱（因强度问题，立柱不能用石英材料），横梁用石英材料，代价高、不结实，又破坏了误差的抵消作用。
   我们的方案，误差小、牢固而成本低。美国的报价是本机售价的5倍。

   5.5  验证误差公式的外推法
   误差公式是靠误差分析推导出来的。误差公式应该经过实验证明。
   由于误差量通常很小，而测量仪器的分辨力有限，误差公式通常不能直接测量证明。外推法的要点是故意设置误差项的数值，达原值的几十倍到几百倍，就可用通常的较精密的仪器判别了。
   在推导矢量网络分析仪（核心是双定向耦合器）的全解时，我发现：理论上信号源的反射不引入反射系数的测量误差。而美国的矢量网络分析仪有“信号源反射误差”项，等于信号源反射与被测反射系数的乘积（这对单定向耦合器反射计是对的）。
   我的理论分析结论，是矢量网络分析仪的信号源反射不引入测量误差。这与国际上的认识相反。谁对谁错，必须用实验来判别。
   做实验的方法是夸张信号源的反射系数。通常的信号源反射系数为小于0.05，直接测量，鉴别力低。我用一段焊锡丝缠在一个同轴线接头的内导体上，使产生0.3的反射并测准。先用正常信号源（反射小于0.02），测一滑动反射体，得反射系数r(A)；将反射系数为0.3的接头接在信号源出口处（等效信号源反射系数为0.3），再测那个滑动反射体，得反射系数r(B)。实验结果是r(A)与r(B)相等，证明对矢量网络分析仪（双定向耦合器）来说，没有“信号源反射”这项误差。
   1967年，为编写测量线检定规程，我清理说明书、教科书上的微波测量线的误差公式，证实了几种，否定了几种，用的都是外推法（《测量线检定与误差公式判别》无线电技术1976.10）。
   建立基准，依靠误差公式，外推法更显得重要。
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   研制，无论理论与实践，博大精深，日新月异，无穷无尽。故本章所论，点滴而已。
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   附言：本章讲研制测量仪器时必须用的误差理论。那么，当前流行的不确定度论、不确定度评定，行不行呢？一言以蔽之：没法用、不能用。不确定度的A类评定，对测量仪器的随机误差，有所反映；但除以根号N，是错误的。给仪器定指标，随机误差范围的表征量必须是单值的σ（取概率99%，要用3σ）。至于不确定度的B类评定，去掉那些没用的条款外，只剩“查说明书”一条；但仪器刚刚研制，哪有可查的说明书？工作的结果怎能当工作的根据？所以如此没谱，那是不确定度论的炮制者，眼光死盯在“应用测量”的事上；根本没想过不确定度论在研制中怎么用！
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作者: ck99945 时间: 2016-8-18 23:04
清楚了，多谢先生答疑解惑！

作者: buffona 时间: 2016-8-18 23:31
5.3  消除系统误差，提出“双探针法”
   原苏联的微波标准方案，是滑动标准负载。主要误差项是接头等的固有反射误差。该误差项等于反射系数模值与反射角余弦的乘积。
   余弦角与反射波的行程有关。改变行程1/4波导波长，反射角改变180度，则反射角余弦反号。注意到这一点，就可以消除该项误差。
   在标准波导段上，设置两个探头，相距1/4λg。在两个探头上测得两个反射系数，取两个反射系数的平均值，则消除了固有反射误差。
   这就是定度标准负载的双探针法。1966年初，在全国新产品展览会上展出。其中滑动式标准负载由大华仪器厂生产。
   消除系统误差的“变相位正负抵消”法，后来被误差理论专家肖明耀（曾参加该项目鉴定会）写入误差理论书中。

不知这种改良的滑动负载国内目前有那个厂在生产？现在国内普遍使用的agilent、maury的滑动负载有没有使用这种技术？

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