史氏測量計量學(xué)說——第8章 研制點滴

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                                          史氏測量計量學(xué)說            
                                                           ——第8章 研制點滴            
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                                                                                                                                        史錦順           
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       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(jìn)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。
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       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(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，都是對國家，對社會的貢獻(xiàn)。新機制的基準(zhǔn)的發(fā)明，是諾貝爾獎的項目。時頻基準(zhǔn)的研制，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(jìn)步獎項目。
       追求準(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。
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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%）意義下的最大可能值。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，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。
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2 研制要有標(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。就是證實實測的誤差范圍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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3 理論工作         
       3.1 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(jìn)行，經(jīng)反復(fù)比較后確定。
       3.2 建立測量方程（第3章）
       3.3 基于測得值函數(shù)進(jìn)行誤差分析（第3章）
       3.4 用“絕對和法”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)誤差分析提出分項要求；
       2 進(jìn)行可靠性設(shè)計，零部件必須滿足可靠性要求
       3 選購零部件、加工，分項檢驗；
       4 裝配、調(diào)整；
       5 檢驗
       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)境考驗以及震動、土路跑車等）。

5 幾點個人體會     
       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(jìn)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(rèn)定真值。
       測得值函數(shù)為
              Ym = f(X1m/o,X2m/o,……,XNm/o)-f(X1,X2,……XN) + Y                               (4.1)
       此式可以簡化（參見第4章；又Ym是測得值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，測得值公式（8.1）是測得值函數(shù)式的簡化表達(dá)。
       由（8.1）很容易推得（參見第4章）：
              Z=M±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M。被測量的真值可能大些，但不會大于M+R，被測量的真值可能小些，但不會小于M―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(rèn)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(fù)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，則反射角改變180度，則反射角余弦反號。
       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(fù)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(fù)載由大華儀器廠生產(chǎn)。
       消除系統(tǒng)誤差的“正負(fù)抵消”法，后來被肖明耀寫入誤差理論書中。
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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(fù)責(zé)人請我審查方案，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(jìn)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)橛嘞遗c1之差，而小角度的余弦等于1減弧度的平方，則此項誤差變成弧度的平方。弧度是百分之幾，弧度平方是萬分之幾，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，牢固、成本低、誤差小。美國的報價是本機售價的5倍。
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       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(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，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(rèn)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。我用一段銅絲纏在一個同軸線接頭上，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的實驗判別”《無線電技術(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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補充內(nèi)容 (2015-2-5 11:34):
“構(gòu)成測量計量功能的完備性”應(yīng)為“體現(xiàn)測量計量功能的完備性".

多謝專家的分享，謝謝