《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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chaojiwantong
发表于 2016-8-18 21:48:53
