史氏測(cè)量計(jì)量學(xué)說(shuō)——第8章 研制點(diǎn)滴

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                                          史氏測(cè)量計(jì)量學(xué)說(shuō)            
                                                           ——第8章 研制點(diǎn)滴            
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                                                                                                                                        史錦順           
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       測(cè)量依靠測(cè)量?jī)x器，計(jì)量依靠計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)量?jī)x器與計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)是測(cè)量計(jì)量的工具，是手段，是物質(zhì)基礎(chǔ)。
       研制、計(jì)量、測(cè)量這三大環(huán)節(jié)，相互貫通，相互依賴(lài)，構(gòu)成測(cè)量計(jì)量功能的完備性。計(jì)量體系實(shí)現(xiàn)著量值的準(zhǔn)確、一致，體現(xiàn)了人類(lèi)社會(huì)的組織功能，是一項(xiàng)人類(lèi)文明。
       研制，即研究、制造并建立計(jì)量基準(zhǔn)，研究、制造并建立各級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，研制并進(jìn)而生產(chǎn)測(cè)量?jī)x器，這三類(lèi)研制的水平，代表整個(gè)測(cè)量計(jì)量界的水平。
       測(cè)量計(jì)量的理論，要解決一般性的問(wèn)題，但更重要的是處理研制中的問(wèn)題。研制必須靠誤差理論。不確定度論對(duì)研制毫無(wú)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(wú)能處理研制問(wèn)題，沒(méi)法介入；于是在研制場(chǎng)合，還是誤差理論當(dāng)家管事。
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       研制工作，既要有高的理論水平，又要有實(shí)現(xiàn)的技術(shù)能力。研制的最大特點(diǎn)是其先進(jìn)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(duì)國(guó)家，對(duì)社會(huì)的貢獻(xiàn)。新機(jī)制的基準(zhǔn)的發(fā)明，是諾貝爾獎(jiǎng)的項(xiàng)目。時(shí)頻基準(zhǔn)的研制，已有六位獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。發(fā)明新機(jī)制的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)明新原理新機(jī)制的測(cè)量?jī)x器，都是國(guó)家發(fā)明獎(jiǎng)項(xiàng)目。就是成功仿制國(guó)外的新機(jī)制的基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)量?jī)x器，只要是填補(bǔ)國(guó)家技術(shù)空白的，都是國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)項(xiàng)目。
       追求準(zhǔn)確，是研制的要點(diǎn)。準(zhǔn)確的程度，用誤差范圍來(lái)表征，誤差范圍稱(chēng)為準(zhǔn)確度。
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1 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(mǎn)足社會(huì)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(mǎn)足社會(huì)的需求。社會(huì)對(duì)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(cè)得值減真值；誤差范圍是誤差元的絕對(duì)值的一定概率（99%）意義下的最大可能值。誤差量的特點(diǎn)是誤差元絕對(duì)值的上限性。因此當(dāng)人們制定儀器的誤差范圍指標(biāo)時(shí)，或說(shuō)明測(cè)量的測(cè)量結(jié)果時(shí)，誤差范圍可以說(shuō)得大，而不能說(shuō)得小。就是說(shuō)要給出誤差范圍的上限值，這個(gè)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(huì)的需求；第二要留有余地。生產(chǎn)廠(chǎng)給出的指標(biāo)，是廠(chǎng)家對(duì)社會(huì)的承諾。在說(shuō)明書(shū)規(guī)定的使用條件下，只要正確操作，測(cè)量?jī)x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(cè)量?jī)x器的指標(biāo)值越接近測(cè)量的實(shí)際誤差值越合理。不，測(cè)量的實(shí)際誤差，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(shí)測(cè)誤差值比指標(biāo)值小得越多，用戶(hù)越信任，廠(chǎng)家聲譽(yù)就越高。
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2 研制要有標(biāo)準(zhǔn)      
       研制測(cè)量?jī)x器，必須有比測(cè)量?jī)x器指標(biāo)高一個(gè)檔次的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。用來(lái)抽樣證實(shí)測(cè)得值函數(shù)的正確性。就是證實(shí)實(shí)測(cè)的誤差范圍值都小于誤差范圍指標(biāo)值。檢驗(yàn)合格的產(chǎn)品才能出廠(chǎng)。檢驗(yàn)測(cè)量?jī)x器，必須有計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。
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3 理論工作         
       3.1 確定物理機(jī)制
       用哪種物理機(jī)制，是研制測(cè)量?jī)x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(jī)制體現(xiàn)了基本工作模式，包括機(jī)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(jī)制要與誤差分析結(jié)合進(jìn)行，經(jīng)反復(fù)比較后確定。
       3.2 建立測(cè)量方程（第3章）
       3.3 基于測(cè)得值函數(shù)進(jìn)行誤差分析（第3章）
       3.4 用“絕對(duì)和法”合成誤差范圍（第5章）
       注：第3章、第5章的內(nèi)容，是研制的理論基礎(chǔ)。誤差的分析與合成是研制的基本理論工作。
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4 制造         
       1 根據(jù)誤差分析提出分項(xiàng)要求；
       2 進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，零部件必須滿(mǎn)足可靠性要求
       3 選購(gòu)零部件、加工，分項(xiàng)檢驗(yàn)；
       4 裝配、調(diào)整；
       5 檢驗(yàn)
       一切分析，一切計(jì)算，都要經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)證實(shí)。經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)（類(lèi)似計(jì)量，參考下一章）合格，才能出廠(chǎng)。為確保可靠性，要經(jīng)過(guò)例行實(shí)驗(yàn)（主要是惡劣環(huán)境考驗(yàn)以及震動(dòng)、土路跑車(chē)等）。

5 幾點(diǎn)個(gè)人體會(huì)     
       5.1 測(cè)量?jī)x器的作用是一種函數(shù)變換      
       為得知量值的大小，要用測(cè)量?jī)x器進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量?jī)x器可以看成是一臺(tái)函數(shù)機(jī)。研制儀器時(shí)給出的是測(cè)得值函數(shù)。此時(shí)真值是自變量，測(cè)得值是函數(shù)。計(jì)量是證實(shí)這個(gè)函數(shù)，而測(cè)量是利用這個(gè)函數(shù)的反函數(shù)，稱(chēng)被測(cè)量的量值函數(shù)。被測(cè)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(cè)得值，而真值是函數(shù)。測(cè)量就是由測(cè)得值而認(rèn)定真值。
       測(cè)得值函數(shù)為
              Ym = f(X1m/o,X2m/o,……,XNm/o)-f(X1,X2,……XN) + Y                               (4.1)
       此式可以簡(jiǎn)化（參見(jiàn)第4章；又Ym是測(cè)得值M，Y是真值Z）為
              M =Z±R                                                                                                   （8.1）
       （8.1）式由（4.1）式導(dǎo)出，（8.1）與（4.1）式等效。因此，測(cè)得值公式（8.1）是測(cè)得值函數(shù)式的簡(jiǎn)化表達(dá)。
       由（8.1）很容易推得（參見(jiàn)第4章）：
              Z=M±R                                                                                                    （8.2）
       （8.2）式稱(chēng)為測(cè)量結(jié)果。
       測(cè)量結(jié)果的物理意義：被測(cè)量的真值的最佳表征值是測(cè)得值M。被測(cè)量的真值可能大些，但不會(huì)大于M+R，被測(cè)量的真值可能小些，但不會(huì)小于M―R。
       原來(lái)，（8.1）是測(cè)得值函數(shù)；而（8.2）是真值函數(shù)。因?yàn)槎街卸加小捞?hào)，都不是單值函數(shù)。是一個(gè)已知量對(duì)應(yīng)一個(gè)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(jì)量是公證誤差范圍R；測(cè)量是應(yīng)用誤差范圍R。
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       5.2 明確物理概念            
       測(cè)量計(jì)量，特別是建立基準(zhǔn)或國(guó)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(guó)家計(jì)量院，一開(kāi)始就被授命籌建微波阻抗國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。什么是微波阻抗？復(fù)習(xí)大學(xué)微波教科書(shū)，查國(guó)內(nèi)外資料，陷入概念的矛盾中。分析雙線(xiàn)、同軸線(xiàn)阻抗的個(gè)性，分析各種傳輸線(xiàn)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(gè)要點(diǎn)，便產(chǎn)生了認(rèn)識(shí)的飛躍。
       矩形波導(dǎo)是微波傳輸線(xiàn)主要形式。矩形波導(dǎo)的特性阻抗，是美國(guó)人謝昆諾夫于1944年提出的。載于國(guó)內(nèi)外各種大學(xué)教科書(shū)、各種專(zhuān)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(chǎng)的分布特性，弄錯(cuò)了連續(xù)條件，形成了概念性的錯(cuò)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。此事受到國(guó)家計(jì)量總局李樂(lè)山局長(zhǎng)的重視。后經(jīng)國(guó)防科委領(lǐng)導(dǎo)錢(qián)學(xué)森先生批轉(zhuǎn)討論，由此在我國(guó)人衛(wèi)地面站的建造中，被成功應(yīng)用。（《電子學(xué)報(bào)》1979.2）
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       5.3 消除系統(tǒng)誤差，提出“雙探針?lè)ā?/font>         
       原蘇聯(lián)的微波標(biāo)準(zhǔn)方案，是滑動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載。主要誤差項(xiàng)是接頭等的固有反射誤差。該誤差項(xiàng)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(zhǎng)，則反射角改變180度，則反射角余弦反號(hào)。
       在標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)段上，設(shè)置兩個(gè)探頭，相距1/4λg。在兩個(gè)探頭上測(cè)得兩個(gè)反射系數(shù)，取兩個(gè)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(fù)載的雙探針?lè)ā?966年初，在全國(guó)新產(chǎn)品展覽會(huì)上展出。其中滑動(dòng)式標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載由大華儀器廠(chǎng)生產(chǎn)。
       消除系統(tǒng)誤差的“正負(fù)抵消”法，后來(lái)被肖明耀寫(xiě)入誤差理論書(shū)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(xiàn)上用的激光測(cè)厚儀，是幾個(gè)年輕人的研制項(xiàng)目。負(fù)責(zé)人請(qǐng)我審查方案，我提出兩點(diǎn)：1 誤差分析結(jié)果，必須簡(jiǎn)化，要能提出對(duì)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(xiàng)誤差等于傾斜弧度，誤差過(guò)大。這第二點(diǎn)，使方案不能成立。
       經(jīng)過(guò)幾天的琢磨，我提出改進(jìn)辦法。倒換一下光路，將“斜入射、垂直檢測(cè)”改為“垂直入射、斜檢測(cè)”，于是，鋼板傾斜誤差，由正切變?yōu)橛嘞遗c1之差，而小角度的余弦等于1減弧度的平方，則此項(xiàng)誤差變成弧度的平方。弧度是百分之幾，弧度平方是萬(wàn)分之幾，這樣，該項(xiàng)誤差就可略了。此機(jī)后來(lái)正規(guī)生產(chǎn)，并有出口。
       這里還有一點(diǎn)，體現(xiàn)誤差分析的作用。美國(guó)人的方案，鑒于橫梁的溫度效應(yīng)將引入測(cè)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(hào)相反，用同樣的材料（鑄鐵）二者誤差有相互抵消作用。美國(guó)的方案，顧了橫梁而忘了立柱（因強(qiáng)度問(wèn)題，立柱不能用石英材料），橫梁用石英材料，代價(jià)高、不結(jié)實(shí)，又破壞了誤差的抵消作用。
       我們的方案，牢固、成本低、誤差小。美國(guó)的報(bào)價(jià)是本機(jī)售價(jià)的5倍。
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       5.5 驗(yàn)證誤差公式的外推法      
       誤差公式是靠誤差分析推導(dǎo)出來(lái)的。誤差公式應(yīng)該經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明。
       由于誤差量通常很小，而測(cè)量?jī)x器的分辨力有限，誤差公式通常不能直接測(cè)量證明。外推法的要點(diǎn)是故意設(shè)置誤差項(xiàng)的數(shù)值，達(dá)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(shí)，我發(fā)現(xiàn)：理論上信號(hào)源的反射不引入反射系數(shù)的測(cè)量誤差。而美國(guó)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀有“信號(hào)源反射誤差”項(xiàng)，等于信號(hào)源反射與被測(cè)反射系數(shù)的乘積（這對(duì)單定向耦合器反射計(jì)是對(duì)的）。
       我的理論分析結(jié)論，是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的信號(hào)源反射不引入測(cè)量誤差。這與國(guó)際上的認(rèn)識(shí)相反。誰(shuí)對(duì)誰(shuí)錯(cuò)，必須用實(shí)驗(yàn)來(lái)判別。
       做實(shí)驗(yàn)的方法是夸張信號(hào)源的反射系數(shù)。通常的信號(hào)源反射系數(shù)為小于0.05，直接測(cè)量，鑒別力低。我用一段銅絲纏在一個(gè)同軸線(xiàn)接頭上，使產(chǎn)生0.3的反射并測(cè)準(zhǔn)。先用正常信號(hào)源（反射小于0.02），測(cè)一滑動(dòng)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(hào)源出口處（等效信號(hào)源反射系數(shù)為0.3），再測(cè)那個(gè)滑動(dòng)反射體，得反射系數(shù)r(B)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是r(A)與r(B)相等，證明對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)說(shuō)，沒(méi)有“信號(hào)源反射”這項(xiàng)誤差。
       1967年，為編寫(xiě)測(cè)量線(xiàn)檢定規(guī)程，我清理說(shuō)明書(shū)、教科書(shū)上的微波測(cè)量線(xiàn)的誤差公式，證實(shí)了幾種，否定了幾種，用的都是外推法（“測(cè)量線(xiàn)檢定與誤差公式的實(shí)驗(yàn)判別”《無(wú)線(xiàn)電技術(shù)》1976.10）。
       建立基準(zhǔn)，完全依靠誤差公式，外推法更顯得重要。
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       研制，無(wú)論理論與實(shí)踐，博大精深，日新月異，無(wú)窮無(wú)盡。故本章所論，點(diǎn)滴而已。
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補(bǔ)充內(nèi)容 (2015-2-5 11:34):
“構(gòu)成測(cè)量計(jì)量功能的完備性”應(yīng)為“體現(xiàn)測(cè)量計(jì)量功能的完備性".