本帖最后由 史錦順 于 2014-7-3 16:30 編輯
混淆兩類測量
——不確定度理論的要害(1)
- 史錦順 - 劉智敏先生是國際不確定度工作組的中國成員,參與了1993年前后制定不確定度規(guī)范時的多次討論。我認(rèn)為,劉先生的闡述具有本源性與權(quán)威性。劉先生的著作《不確定度原理》,值得考究不確定度本來面目的研究者的重視。 - njlyx先生在帖中引述了劉書關(guān)于不確定度來源的論述。劉書“來源論”的最后一句是:“從不確定度來源可見,不確定度形成的機(jī)理是測量設(shè)備、測量環(huán)境、測量人員、測量方法和被測對象”。 - 所述五大來源要做分析。 1 研究測量,基礎(chǔ)是研究直接測量。直接測量的測量方法誤差應(yīng)包括在測量儀器的誤差范圍中。不必另計。 2 應(yīng)用儀器測量,在正常環(huán)境下,測量儀器應(yīng)保證其指標(biāo),也就是說,環(huán)境因素的影響,應(yīng)包含在測量儀器的誤差范圍指標(biāo)中。測量者不必另外考慮環(huán)境因素。 3 正常操作,測量人員不該引入測量誤差。數(shù)顯儀器,沒有人員誤差。 以上三項,不是討論測量理論的主要問題,或者說是可以忽略的問題。用正常的測量儀器進(jìn)行的正常測量,都可忽略此三項。 劉先生所指5項去掉3項,就剩下核心的兩項:測量設(shè)備和被測對象。區(qū)分這兩項的作用,是極為重要的。混淆兩類測量,混淆這兩項的作用,是不確定度理論的要害,由此而形成多種不確定度理論的錯誤與不確定度評定的弊病。不能不認(rèn)真清理,嚴(yán)肅討論,徹底擯棄! - 測量分為兩類。 第一類是基礎(chǔ)測量,即常量與慢變化量的測量。著眼點是測得值與被測量的差距。經(jīng)典誤差理論,僅限于處理這類問題。被測量是常量,有唯一真值。誤差理論只研究測量手段問題,不研究被測量本身的變化。 第二類是統(tǒng)計測量,即快變量的測量。研究的是被測量本身的變化。統(tǒng)計測量的條件是測量儀器的誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于被測量的變化,測量誤差可略。 - 近代測量的初期,人們面對的主要是常量測量。唯一真值的概念,測量誤差的概念,誤差范圍的表征方法,都是常量測量這個總框架下的產(chǎn)物。基礎(chǔ)測量不考慮被測量的變化。面對慢變化量(測量過程中量值變化可略),也當(dāng)常量測量處理。 現(xiàn)代測量,出現(xiàn)大量的快變化量的測量(一回測量中,每次測量的被測量本身不同)。要得知快變量的規(guī)律,必須選用誤差范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于被測量變化范圍的測量儀器,否則,誤差問題與量值本身的變化攪合在一起,就得不到量值本身的變化特性。 時頻測量計量界,區(qū)分兩類測量的問題十分突出,也解決得好。而不區(qū)分就沒法工作。1966年誕生而于1971年被推薦的阿侖方差,就是專門處理變量測量的理論。變量測量的問題,在電學(xué)、電子、溫度、放射性等領(lǐng)域,都很常見。幾何量的測量,在通常條件下,一般是常量測量。在激光技術(shù)引入測量計量的當(dāng)代,可以分辨到百分之一微米,一根看似長度不變的1米長的鋼棒,用激光測長儀測量,室溫條件(溫度有幾攝氏度的變化)下,鋼棒的長度就是個變量。 隨著測量儀器水平的極大的提高,越來越多的“常量測量”變成為“變量測量”。 - 出現(xiàn)于1993年的不確定度理論,竟然如劉先生所論述的,還把測量設(shè)備與被測對象相混淆,統(tǒng)統(tǒng)構(gòu)成不確定度,如此不確定度,能用嗎? - 不確定度的用途極為有限。 世界上有一種特殊的測量,就是物理常數(shù)的測量。由世界頂尖的科學(xué)家,用世界最高檔的測量儀器,進(jìn)行世界最高水平的測量。測量儀器的微小誤差以及可能存在的物理常數(shù)本身的變化(例如已發(fā)現(xiàn)萬有引力常數(shù)有變化),這二者無法區(qū)分,就可一起構(gòu)成“不確定度”。物理常數(shù)的不確定度,包含測量儀器的誤差與可能存在的量值本身的變化,這一說法是恰當(dāng)?shù)摹?/font> 基本量的基準(zhǔn),其指標(biāo),在計量體系中應(yīng)稱為準(zhǔn)確度,但它既包含確定誤差分量時的測量問題,也包含基準(zhǔn)量值對定義值的偏離,因此,基準(zhǔn)的指標(biāo)也可稱為“不確定度”。 物理常數(shù)測量、基準(zhǔn)的指標(biāo)這些極特殊的情況,可以容納手段(儀器誤差)與對象(量值本身的變化)這兩種特性,可以稱為“不確定度”。這些處于測量計量金字塔的塔尖,涉及的人員是數(shù)量極少的學(xué)者。但對廣大的計量領(lǐng)域,對更廣大的測量領(lǐng)域,必須區(qū)分對象與手段,即必須明確測量得到的性能,到底是測量儀器的,還是被測量本身的。 區(qū)分的辦法,就是分割,就是孤立。具體說,在通常的測量與精密測量中,必須使“儀器的誤差”與“量值的變化”,能忽略其中的一個。當(dāng)然,對具體要求來說,二者都可忽略,也可以。 能忽略其中的一方,測量結(jié)果表現(xiàn)的問題就歸屬于沒被忽略的另一方。 常量測量不存在此類問題,反正被測量不變,問題是測量儀器的。 變量測量,就必須選用夠格的測量儀器,使儀器的誤差范圍遠(yuǎn)小于被測量的變化范圍。由此,才能表現(xiàn)被測量的變化特性。 不進(jìn)行分割,像現(xiàn)在的不確定度論這樣,來源量既包括測量儀器的誤差,也包括被測量本身的變化,那就什么都說不清楚,形成混沌帳。更有甚者,是出現(xiàn)錯誤與弊病。現(xiàn)重點剖析兩條。 - (1)溫度測量評定的混沌帳 GUM上有個溫度測量的例子(GUM 4.4.3條)。用溫度計測量溫度源,20個點,測得值從96.90℃,到102.36℃,變化量高達(dá)5.46℃,這個變化是溫度計的變化,還是溫度源的變化,一筆混沌帳。因為事先既不知溫度源的變化量,也不知溫度計的準(zhǔn)確度,所以只能知道溫度源的變化與溫度計的誤差共同決定了這個變化量。這是一次無意義的測量,無效的測量。 可能1 所用溫度計是精密電子溫度計,誤差范圍0.1℃,這樣上述測量出現(xiàn)的溫度變化是溫箱引入的,可以給出結(jié)論:溫箱控制水平低。 可能2 被測溫度源是沸騰的水,在標(biāo)準(zhǔn)壓力下,水溫為100℃,偏差不超過0.1℃,溫度計是剛制成的電子溫度計。測量結(jié)果屬于溫度計,于是可以得出結(jié)論:此溫度計很差。 GUM的例子成了猜謎。不確定度論的混沌帳,無解。 - (2)除以根號N的錯誤 常量測量,取平均值,計算平均值的分散性,是西格瑪除以根號N;對統(tǒng)計測量,即使用平均值來表征被測量,西格瑪也不能除以根號N.必須用單值的西格瑪來表征被測量的分散性。不確定度A類評定,不分常量測量還是變量測量,一律除以根號N,這對變量測量來說,是錯誤的。 宇航測量的多普勒測速,信源的頻率穩(wěn)定度要求很高。必須用單值的西格瑪表征。規(guī)定測量100次,但西格瑪不能除以10(根號100)。如果按不確定度的A類評定處理,除以根號N,指標(biāo)就夸張10倍,也就是降低實際性能10 倍,這就構(gòu)成重大隱患。警惕呀,一時還相信不確定度論的人們! - |