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計量論壇

標(biāo)題: 《史氏測量計量學(xué)說》征求意見稿（8） [打印本頁]

作者: 史錦順 時間: 2015-9-9 09:37
標(biāo)題: 《史氏測量計量學(xué)說》征求意見稿（8）
本帖最后由史錦順于 2015-9-9 09:39 編輯

                     《史氏測量計量學(xué)說》征求意見稿（8）

                                                                                                                     史錦順

第8章研制入門

   測量依靠測量儀器，計量依靠計量標(biāo)準(zhǔn)。測量儀器與計量標(biāo)準(zhǔn)是測量計量的工具，是手段，是物質(zhì)基礎(chǔ)。
   研制、計量、測量這三大環(huán)節(jié)，相互貫通，相互依賴，構(gòu)成測量計量功能的完備性。計量體系實現(xiàn)著量值的準(zhǔn)確、一致，體現(xiàn)了人類社會的組織功能，是一項人類文明。
   研制，即研究、制造并建立計量基準(zhǔn)，研究、制造并建立各級計量標(biāo)準(zhǔn)，研制并進而生產(chǎn)測量儀器，這三類研制的水平，代表整個測量計量界的水平。
   測量計量的理論，要解決一般性的問題，但更重要的是處理研制中的問題。研制必須靠誤差理論。不確定度論對研制毫無用處。當(dāng)今不確定度論喧囂于世，似乎是當(dāng)家理論，由于它無能處理研制問題，沒法介入；于是在研制場合，還是誤差理論當(dāng)家管事。

   研制工作，既要有高的理論水平，又要有實現(xiàn)的技術(shù)能力。研制的最大特點是其先進性與多樣性。研制是發(fā)明，研制是創(chuàng)造，大大小小的研制，都是對國家，對社會的貢獻。新機制的基準(zhǔn)的發(fā)明，是諾貝爾獎的項目。與時頻基準(zhǔn)的研制有關(guān)的項目，已有六位獲諾貝爾物理獎。發(fā)明新機制的計量標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)明新原理新機制的測量儀器，都是國家發(fā)明獎項目。就是成功仿制國外的新機制的基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)、測量儀器，只要是填補國家技術(shù)空白的，都是國家科技進步獎項目。
   講究準(zhǔn)確，是研制的要點。準(zhǔn)確的程度，用誤差范圍來表征，誤差范圍稱為準(zhǔn)確度。
   追求高準(zhǔn)確度的研制，是錦上添花；而研制與生產(chǎn)的基本任務(wù)是滿足社會需求。因此，準(zhǔn)確、可靠、經(jīng)濟，要綜合考慮。
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1 研制的幾個基本問題

1.1 研制要有計量標(biāo)準(zhǔn)
   研制測量儀器，必須有比測量儀器指標(biāo)高一個檔次的計量標(biāo)準(zhǔn)。用來抽樣證實測得值函數(shù)的正確性。就是證實實測誤差絕對值都小于誤差范圍指標(biāo)值。檢驗合格的產(chǎn)品才能出廠。檢驗測量儀器，必須有計量標(biāo)準(zhǔn)。
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1.2 指標(biāo)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，是滿足社會需求。
   通常的研制，是生產(chǎn)的準(zhǔn)備、是生產(chǎn)的樣板。生產(chǎn)的使命是滿足社會的需求。社會對準(zhǔn)確程度的要求，有不同的層次。研制與生產(chǎn)首先該確立目標(biāo)，即確定準(zhǔn)確度指標(biāo)，就是確定誤差范圍的指標(biāo)值。
   誤差元是測得值減真值；誤差范圍是誤差元的絕對值的一定概率（99%）意義上的最大可能值。誤差量的特點是誤差元絕對值的上限性。因此當(dāng)人們制定儀器的誤差范圍指標(biāo)時，或說明測量的測量結(jié)果時，誤差范圍可以說得大，而不能說得小。就是說要給出誤差范圍的上限值，這個誤差范圍放大后的上限，是人為的規(guī)定，是誤差性能的指標(biāo)值。
   誤差范圍的指標(biāo)值的確定，第一要根據(jù)社會的需求；第二要留有余地。生產(chǎn)廠給出的指標(biāo)，是廠家對社會的承諾。在說明書規(guī)定的使用條件下，只要正確操作，測量儀器必須符合其性能指標(biāo)。
   經(jīng)常出現(xiàn)一種誤解，那就是有些人誤以為測量儀器的指標(biāo)值越接近測量的實際誤差值越合理。不，測量的實際誤差值（指誤差元的絕對值，下同），必須不大于誤差范圍指標(biāo)值，這是必須的，但這還不夠，指標(biāo)值必須有余量。最好留1/3以上。實測誤差值比指標(biāo)值小得越多，用戶越信任，廠家聲譽就越高。

1.3 適用條件很重要
   研制給出測量儀器的測得值函數(shù)；當(dāng)儀器的測得值函數(shù)，能確定地轉(zhuǎn)化為被測量的量值（真值）函數(shù)時，測量儀器才可用。就是說，研制時的誤差范圍，計量時必須得到證實，而在應(yīng)用場合，必須仍然有效。這里的條件規(guī)定，稱為測量儀器的適用條件。適用條件，就是可以實現(xiàn)儀器性能的條件。例如，通用測量儀器的溫度條件，應(yīng)該是-20℃到+40℃。
在滿足適用條件與正確操作的條件下，測量儀器應(yīng)保證其性能指標(biāo)。
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1.4 測量儀器的主要指標(biāo)
   （1）量程
   使用者要知道，量程內(nèi)的不同段（或點），指標(biāo)不同。儀器指標(biāo)應(yīng)標(biāo)明。
   （2）分辨力
   數(shù)顯測量儀器，分辨力是尾數(shù)1，則分辨力誤差是±1，而不是±0.5。（最低位的下一位進行了四舍五入處理時，分辨力1引入誤差是±0.5，通常的測量儀器沒有這種處理。）
   （3）誤差范圍
   測量儀器的誤差范圍指標(biāo)，是以真值為參考的真誤差范圍。實測得到的誤差范圍是以計量標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)稱值為參考的。因此，誤差范圍的實測值，加上所用標(biāo)準(zhǔn)的誤差范圍，才是測量儀器的真誤差范圍。儀器必須保證真誤差范圍不大于儀器誤差范圍指標(biāo)值。

1.5 誤差范圍的構(gòu)成

      隨機誤差范圍
      系統(tǒng)誤差范圍
      附加誤差
      穩(wěn)定性
      復(fù)現(xiàn)性

1.6 誤差范圍指標(biāo)的給出與確認
   （1）隨機誤差，按單值的σ；取3σ為隨機誤差范圍。
   （2）按對測得值函數(shù)的分析，已定系統(tǒng)誤差，代數(shù)合成，再取絕對值。未定系統(tǒng)誤差，絕對值合成。最后，系統(tǒng)誤差范圍與隨機誤差范圍相加，構(gòu)成測量儀器的誤差范圍，并進位、取整，擴大，納入國家規(guī)范指標(biāo)系列。新型儀器，超出原來系列時，指標(biāo)的給法要按5、2、1、0.5 二分法躍進規(guī)則。如已有測量儀器的最高指標(biāo)是2E-5，新研制儀器是1.5E-5，只能并入2E-5那一級。
   （3）誤差范圍值，必須由測得值函數(shù)在全量程上給出，并取其最大值。測得值函數(shù)不能有奇異點?？梢杂脭M合法確定測得值函數(shù)，但采樣點必須足夠細，足夠多，以確保沒有奇異點。任何在量程內(nèi)有奇異點的測量儀器，都是不合格的。
   （4）依據(jù)檢定規(guī)程，確認誤差范圍之各項指標(biāo)。
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作者: 史錦順 時間: 2015-9-9 15:28

                     《史氏測量計量學(xué)說》征求意見稿（8續(xù)）

                                                                                                                     史錦順

第8章研制入門（續(xù)）

2 理論工作
2.1 確定物理機制
用哪種物理機制，是研制測量儀器，研制標(biāo)準(zhǔn)與基準(zhǔn)的重大決策，是前提，是基礎(chǔ)，是研制成敗的關(guān)鍵。
物理機制體現(xiàn)了基本工作模式，包括機內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)采集，比較，輸出的方式等的方案，以及量程、分辨力、準(zhǔn)確度等技術(shù)性能的考慮。
選取物理機制要與誤差分析結(jié)合進行，經(jīng)反復(fù)比較后確定。
2.2 建立測量方程（第3章）
2.3 基于測得值函數(shù)進行誤差分析（第3章）
2.4 用“絕對和法”合成誤差范圍（第4章）

3 制造
3.1 根據(jù)誤差分析提出分項要求；
3.2 進行可靠性設(shè)計，零部件必須滿足可靠性要求；
3.3 選購零部件、加工，分項檢驗；
3.4 裝配、調(diào)整；

一切分析，一切計算，都要經(jīng)過實測證實。經(jīng)過檢驗（類似計量，參考下一章）合格，才能出廠。為確保可靠性，要經(jīng)過例行實驗（主要是惡劣環(huán)境以及震動、運輸?shù)鹊目简灒?br />
4 檢驗
   同于計量（見下章）

5 幾點個人體會與心得
   5.1  測量儀器的作用是一種函數(shù)變換
   為得知量值的大小，要用測量儀器進行測量。測量儀器可以看成是一臺函數(shù)機。研制儀器時給出的是測得值函數(shù)。此時真值是自變量，測得值是函數(shù)。計量是證實這個函數(shù)，而測量是利用這個函數(shù)的反函數(shù)，稱被測量的量值函數(shù)。被測量的量值就是真值，因此就是真值函數(shù)。真值函數(shù)的自變量是測得值，而真值是函數(shù)。測量就是由測得值而認定真值。
   測得值函數(shù)為
               Ym = f(X1m/o,X2m/o,……,XNm/o)-f(X1,X2,……XN) + Y          (5.1)
   此式可以簡化
               Ym=Y±R                                                                   （8.1）
   （8.1）式由（5.1）式導(dǎo)出，（8.1）與（5.1）式等效。因此，測得值公式（8.1）是測得值函數(shù)式的簡化表達。
   由（8.1）很容易推得（參見第5章）：
               Y=Ym±R                                                                   （8.2）
   （8.2）式稱為測量結(jié)果。
   測量結(jié)果的物理意義：被測量的真值的最佳表征值是測得值Ym。被測量的真值Y可能大些，但不會大于Ym +R，被測量的真值可能小些，但不會小于Ym―R。
   原來，（8.1）是測得值函數(shù)；而（8.2）是真值函數(shù)。因為二式中都有±號，都不是單值函數(shù)。是一個已知量對應(yīng)一個未知量區(qū)間。區(qū)間的半寬是誤差范圍R。研制是確定誤差范圍R；計量是公證誤差范圍R；測量是應(yīng)用誤差范圍R。
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     5.2  明確物理概念
   測量計量，特別是建立基準(zhǔn)或國家標(biāo)準(zhǔn)，是基礎(chǔ)物理學(xué)工作，一定要物理概念明確。
   我大學(xué)畢業(yè)分配到國家計量院，一開始就被授命籌建微波阻抗國家標(biāo)準(zhǔn)。什么是微波阻抗？復(fù)習(xí)大學(xué)微波教科書，查國內(nèi)外資料，陷入概念的矛盾中。分析雙線、同軸線阻抗的個性，分析各種傳輸線的共性，再分析波導(dǎo)的特性，于是總結(jié)出“連續(xù)條件”這個要點，便產(chǎn)生了認識的飛躍。
   矩形波導(dǎo)是微波傳輸線主要形式。矩形波導(dǎo)的特性阻抗，是美國人謝昆諾夫于1944年提出的。載于國內(nèi)外各種大學(xué)教科書、各種專著。由于囿于“電壓比電流為阻抗”的傳統(tǒng)習(xí)慣，忽視了波導(dǎo)中電磁場的分布特性，弄錯了連續(xù)條件，形成了概念性的錯誤。
   我根據(jù)連續(xù)條件，提出波導(dǎo)特性阻抗的新概念，為建立微波阻抗標(biāo)準(zhǔn)打下堅實的基礎(chǔ)。此事受到國家計量總局李樂山局長的重視。后經(jīng)國防科委領(lǐng)導(dǎo)錢學(xué)森先生批轉(zhuǎn)討論，由此在我國人衛(wèi)地面站的建造中，被成功應(yīng)用。（《電子學(xué)報》1979.2）
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   5.3  消除系統(tǒng)誤差，提出“雙探針法”
   原蘇聯(lián)的微波標(biāo)準(zhǔn)方案，是滑動標(biāo)準(zhǔn)負載。主要誤差項是接頭等的固有反射誤差。該誤差項等于反射系數(shù)模值與反射角余弦的乘積。
   余弦角與反射波的行程有關(guān)。改變行程1/4波導(dǎo)波長，反射角改變180度，則反射角余弦反號。注意到這一點，就可以消除該項誤差。
   在標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)段上，設(shè)置兩個探頭，相距1/4λg。在兩個探頭上測得兩個反射系數(shù)，取兩個反射系數(shù)的平均值，則消除了固有反射誤差。
   這就是定度標(biāo)準(zhǔn)負載的雙探針法。1966年初，在全國新產(chǎn)品展覽會上展出。其中滑動式標(biāo)準(zhǔn)負載由大華儀器廠生產(chǎn)。
   消除系統(tǒng)誤差的“變相位正負抵消”法，后來被誤差理論專家肖明耀（曾參加該項目鑒定會）寫入誤差理論書中。
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   5.4  選取光路減小系統(tǒng)誤差
   熱軋鋼板生產(chǎn)線上用的激光測厚儀，是幾個年輕人的研制項目。負責(zé)人陳為民請我審查方案。我提出兩點：1 誤差分析結(jié)果，必須簡化，要能提出對加工的具體要求；2 鋼板傾斜誤差是正切關(guān)系，小角度正切近似等于弧度，此項誤差等于傾斜弧度，誤差過大。這第二點，使方案不能成立。
   經(jīng)過幾天的琢磨，我提出改進辦法。倒換一下光路，將“斜入射、垂直檢測”改為“垂直入射、斜檢測”，于是，鋼板傾斜誤差，由正切變?yōu)閮A斜角余弦與1之差，而小角度的余弦等于1減弧度的平方，則此項誤差變成弧度的平方?；《仁前俜种畮祝《绕椒绞侨f分之幾，這樣，該項誤差就可略了。此機后來正規(guī)生產(chǎn)，并有出口。
   這里還有一點，體現(xiàn)誤差分析的作用。美國人的方案，鑒于橫梁的溫度效應(yīng)將引入測量誤差，于是用溫度系數(shù)小的石英制作橫梁。我的誤差分析結(jié)果是，橫梁與立柱的誤差符號相反，用同樣的材料（鑄鐵）二者誤差有相互抵消作用。美國的方案，顧了橫梁而忘了立柱（因強度問題，立柱不能用石英材料），橫梁用石英材料，代價高、不結(jié)實，又破壞了誤差的抵消作用。
   我們的方案，誤差小、牢固而成本低。美國的報價是本機售價的5倍。

   5.5  驗證誤差公式的外推法
   誤差公式是靠誤差分析推導(dǎo)出來的。誤差公式應(yīng)該經(jīng)過實驗證明。
   由于誤差量通常很小，而測量儀器的分辨力有限，誤差公式通常不能直接測量證明。外推法的要點是故意設(shè)置誤差項的數(shù)值，達原值的幾十倍到幾百倍，就可用通常的較精密的儀器判別了。
   在推導(dǎo)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（核心是雙定向耦合器）的全解時，我發(fā)現(xiàn)：理論上信號源的反射不引入反射系數(shù)的測量誤差。而美國的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀有“信號源反射誤差”項，等于信號源反射與被測反射系數(shù)的乘積（這對單定向耦合器反射計是對的）。
   我的理論分析結(jié)論，是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的信號源反射不引入測量誤差。這與國際上的認識相反。誰對誰錯，必須用實驗來判別。
   做實驗的方法是夸張信號源的反射系數(shù)。通常的信號源反射系數(shù)為小于0.05，直接測量，鑒別力低。我用一段焊錫絲纏在一個同軸線接頭的內(nèi)導(dǎo)體上，使產(chǎn)生0.3的反射并測準(zhǔn)。先用正常信號源（反射小于0.02），測一滑動反射體，得反射系數(shù)r(A)；將反射系數(shù)為0.3的接頭接在信號源出口處（等效信號源反射系數(shù)為0.3），再測那個滑動反射體，得反射系數(shù)r(B)。實驗結(jié)果是r(A)與r(B)相等，證明對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（雙定向耦合器）來說，沒有“信號源反射”這項誤差。
   1967年，為編寫測量線檢定規(guī)程，我清理說明書、教科書上的微波測量線的誤差公式，證實了幾種，否定了幾種，用的都是外推法（《測量線檢定與誤差公式判別》無線電技術(shù)1976.10）。
   建立基準(zhǔn)，依靠誤差公式，外推法更顯得重要。
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   研制，無論理論與實踐，博大精深，日新月異，無窮無盡。故本章所論，點滴而已。
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   附言：本章講研制測量儀器時必須用的誤差理論。那么，當(dāng)前流行的不確定度論、不確定度評定，行不行呢？一言以蔽之：沒法用、不能用。不確定度的A類評定，對測量儀器的隨機誤差，有所反映；但除以根號N，是錯誤的。給儀器定指標(biāo)，隨機誤差范圍的表征量必須是單值的σ（取概率99%，要用3σ）。至于不確定度的B類評定，去掉那些沒用的條款外，只?！安檎f明書”一條；但儀器剛剛研制，哪有可查的說明書？工作的結(jié)果怎能當(dāng)工作的根據(jù)？所以如此沒譜，那是不確定度論的炮制者，眼光死盯在“應(yīng)用測量”的事上；根本沒想過不確定度論在研制中怎么用！
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作者: 走走看看 時間: 2015-9-9 17:37
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作者: 走走看看 時間: 2015-9-9 17:53
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作者: 史錦順 時間: 2015-9-9 18:44

走走看看發(fā)表于 2015-9-9 17:37
5.3 消除系統(tǒng)誤差，提出“雙探針法”
原蘇聯(lián)的微波標(biāo)準(zhǔn)方案，是滑動標(biāo)準(zhǔn)負載。主要誤差項是接頭等 ...

1964年，四清運動中，群眾討論課題的事。由于雙探針法，簡單、易行，就上馬了；其實我本人傾向于搞難一點的反射計方案，當(dāng)時不敢拗，也拗不過?；瑒訕?biāo)準(zhǔn)負載由大華無線電廠姜可正設(shè)計，穩(wěn)定性十分好，在這項標(biāo)準(zhǔn)的建立上，起了重要作用。我只搞定標(biāo)方法。1966年全國新產(chǎn)品展覽會后，每年都按計劃生產(chǎn)。但1970年我被調(diào)去搞大銫鐘，特別是1973年離開北京，又一直搞頻率方面的工作，這種標(biāo)準(zhǔn)負載的情況，我就全然不知了。
先生所說，美國人的滑動負載我不了解。但我可以肯定的說，美國人的定標(biāo)方案與我的那個“雙探針法”無關(guān)。因為美國的NBS的Beatty早在1957年就發(fā)明了“調(diào)配反射計”技術(shù)。就是說同時代的美國人的“反射計方案”比蘇聯(lián)的“探針法”方案優(yōu)越。因此，美國人不會采用探針的方式。我的那個“雙探針法”在消除系統(tǒng)誤差方面，有些啟發(fā)作用，但這改變不了技術(shù)路線優(yōu)劣之比較。固定的雙探針僅僅適應(yīng)一個頻率，而反射計可以對應(yīng)任何頻率。我在1968年已經(jīng)把雙探針升華為普通測量線探針的兩個位置，于是原設(shè)備被閑置，僅僅保留“變相位消除系統(tǒng)誤差”的技巧。
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作者: 走走看看 時間: 2015-9-9 19:09
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作者: 規(guī)矩灣錦苑 時間: 2015-9-10 13:43
　　在JJF1001-2011中定義的“測量設(shè)備”包括了“測量儀器、測量軟件、計量標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、輔助設(shè)備或它們的組合”，因此我認為史老師在這一部分主要講的就是測量設(shè)備的研制。測量設(shè)備是“為實現(xiàn)測量過程所必需”，檢定/校準(zhǔn)也是一種測量過程，所以計量標(biāo)準(zhǔn)也就包含在測量設(shè)備概念之中了。
　　測量設(shè)備既然是“為實現(xiàn)測量過程所必需”，那么測量設(shè)備的研制首當(dāng)其沖的任務(wù)就是識別好確認其擬實現(xiàn)的測量過程的“計量要求”，而測量過程的計量要求必須從被測參數(shù)的要求中導(dǎo)出。離開了被測參數(shù)的測量要求，包括測量范圍和控制限（即評判被測參數(shù)合格與否的上下控制限之差）等的要求，測量設(shè)備的研制就失去了目標(biāo)，研制也就失去了意義。
　　研制測量設(shè)備應(yīng)確定所研制的測量設(shè)備“計量特性”指標(biāo)，最重要的指標(biāo)是允許的最大測量誤差（以下簡稱最大允差）和測量范圍，然后將這個最大允差通過研究設(shè)計合理分配到所設(shè)計的測量設(shè)備各個構(gòu)件上，實現(xiàn)測量設(shè)備的零部件設(shè)計。
　　從被測參數(shù)計量要求的識別、確認到測量設(shè)備計量要求確定，再到測量原理的合理選擇，測量設(shè)備零部件設(shè)計時的誤差合理分配等，無一不用到誤差分析理論，因此我贊成史老師關(guān)于誤差理論在測量設(shè)備研制工作中的重要作用，離開了誤差理論的確也就無法完成測量設(shè)備的設(shè)計。
　　不確定度是測量結(jié)果或測量過程的計量特性，不是測量設(shè)備的計量特性，不確定度不能也不應(yīng)該作為測量設(shè)備的一項設(shè)計指標(biāo)，但也不能因此而說不確定度評定在測量設(shè)備研制中“沒法用、不能用”。不確定度評定在測量設(shè)備研制的前期“計量要求”導(dǎo)出和后期測量設(shè)備的能力驗證方面有其不可缺少的重要作用。
　　在計量要求導(dǎo)出中，根據(jù)被測參數(shù)的控制限測量要求導(dǎo)出對測量過程（測量方案）的計量要求時，首先考慮的就是測量方案的“可信性”（又稱可靠性），使用1/3原則（U/T≤1/3）或測量能力指數(shù)Mcp（Mcp=T/(2U)≥1.5）確定測量方案的測量不確定度U，再根據(jù)這個U導(dǎo)出在采用的測量原理中擬設(shè)計的測量設(shè)備所占U的分量U1應(yīng)該是多少，然后根據(jù)導(dǎo)出的U1推算擬設(shè)計的測量設(shè)備的計量特性允許值，即測量設(shè)備的誤差控制限T，然后運用誤差理論的誤差分配方法將控制限T合理分配到測量設(shè)備的各個零部件的計量要求中，從而完成測量設(shè)備的設(shè)計。
　　測量設(shè)備的制造過程與其他產(chǎn)品的制造過程控制并無差別。完成制造的測量設(shè)備還必須進行一個叫做“項目完工驗收”的工作，商品化的測量設(shè)備應(yīng)該進行一個叫做“型式評價”的工作，在完工驗收或型式評價中除了提供檢定/校準(zhǔn)證明樣品達到合格外，還應(yīng)該評價測量不確定度，證明這種合格是可信的、可靠的，而不是“瞎貓碰到死耗子”，質(zhì)量是可以得到保證的，設(shè)計方案和制作工藝、質(zhì)量控制是沒有問題的。

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