《史氏測量計量學說》征求意見稿（8）

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

                                                                                                                        史錦順        

第8章 研制入門

      測量依靠測量儀器，計量依靠計量標準。測量儀器與計量標準是測量計量的工具，是手段，是物質基礎。
       研制、計量、測量這三大環節，相互貫通，相互依賴，構成測量計量功能的完備性。計量體系實現著量值的準確、一致，體現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，研究、制造并建立各級計量標準，研制并進而生產測量儀器，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。當今不確定度論喧囂于世，似乎是當家理論，由于它無能處理研制問題，沒法介入；于是在研制場合，還是誤差理論當家管事。

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

1.1 研制要有計量標準
       研制測量儀器，必須有比測量儀器指標高一個檔次的計量標準。用來抽樣證實測得值函數的正確性。就是證實實測誤差絕對值都小于誤差范圍指標值。檢驗合格的產品才能出廠。檢驗測量儀器，必須有計量標準。
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1.2 指標要留有余地
       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，是生產的準備、是生產的樣板。生產的使命是滿足社會的需求。社會對準確程度的要求，有不同的層次。研制與生產首先該確立目標，即確定準確度指標，就是確定誤差范圍的指標值。
       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。因此當人們制定儀器的誤差范圍指標時，或說明測量的測量結果時，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，是人為的規定，是誤差性能的指標值。
       誤差范圍的指標值的確定，第一要根據社會的需求；第二要留有余地。生產廠給出的指標，是廠家對社會的承諾。在說明書規定的使用條件下，只要正確操作，測量儀器必須符合其性能指標。
       經常出現一種誤解，那就是有些人誤以為測量儀器的指標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值，這是必須的，但這還不夠，指標值必須有余量。最好留1/3以上。實測誤差值比指標值小得越多，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；當儀器的測得值函數，能確定地轉化為被測量的量值（真值）函數時，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，而在應用場合，必須仍然有效。這里的條件規定，稱為測量儀器的適用條件。適用條件，就是可以實現儀器性能的條件。例如，通用測量儀器的溫度條件，應該是-20℃到+40℃。
    在滿足適用條件與正確操作的條件下，測量儀器應保證其性能指標。
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1.4 測量儀器的主要指標
       （1）量程
       使用者要知道，量程內的不同段（或點），指標不同。儀器指標應標明。
       （2）分辨力
       數顯測量儀器，分辨力是尾數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，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準的標稱值為參考的。因此，誤差范圍的實測值，加上所用標準的誤差范圍，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值。

1.5 誤差范圍的構成

        隨機誤差范圍
        系統誤差范圍
        附加誤差
        穩定性
        復現性

1.6 誤差范圍指標的給出與確認
       （1）隨機誤差，按單值的σ；取3σ為隨機誤差范圍。
       （2）按對測得值函數的分析，已定系統誤差，代數合成，再取絕對值。未定系統誤差，絕對值合成。最后，系統誤差范圍與隨機誤差范圍相加，構成測量儀器的誤差范圍，并進位、取整，擴大，納入國家規范指標系列。新型儀器，超出原來系列時，指標的給法要按5、2、1、0.5 二分法躍進規則。如已有測量儀器的最高指標是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，必須由測得值函數在全量程上給出，并取其最大值。測得值函數不能有奇異點。可以用擬合法確定測得值函數，但采樣點必須足夠細，足夠多，以確保沒有奇異點。任何在量程內有奇異點的測量儀器，都是不合格的。
       （4）依據檢定規程，確認誤差范圍之各項指標。
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                        《史氏測量計量學說》征求意見稿（8續）

                                                                                                                         史錦順        

第8章 研制入門（續）

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，研制標準與基準的重大決策，是前提，是基礎，是研制成敗的關鍵。
    物理機制體現了基本工作模式，包括機內標準、數據采集，比較，輸出的方式等的方案，以及量程、分辨力、準確度等技術性能的考慮。
    選取物理機制要與誤差分析結合進行，經反復比較后確定。
    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 根據誤差分析提出分項要求；
    3.2 進行可靠性設計，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、調整；

    一切分析，一切計算，都要經過實測證實。經過檢驗（類似計量，參考下一章）合格，才能出廠。為確保可靠性，要經過例行實驗（主要是惡劣環境以及震動、運輸等的考驗）。

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機。研制儀器時給出的是測得值函數。此時真值是自變量，測得值是函數。計量是證實這個函數，而測量是利用這個函數的反函數，稱被測量的量值函數。被測量的量值就是真值，因此就是真值函數。真值函數的自變量是測得值，而真值是函數。測量就是由測得值而認定真值。
       測得值函數為
                 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）式導出，（8.1）與（5.1）式等效。因此，測得值公式（8.1）是測得值函數式的簡化表達。
       由（8.1）很容易推得（參見第5章）：
                 Y=Ym±R                                                                    （8.2）
       （8.2）式稱為測量結果。
       測量結果的物理意義：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；而（8.2）是真值函數。因為二式中都有±號，都不是單值函數。是一個已知量對應一個未知量區間。區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，特別是建立基準或國家標準，是基礎物理學工作，一定要物理概念明確。
       我大學畢業分配到國家計量院，一開始就被授命籌建微波阻抗國家標準。什么是微波阻抗？復習大學微波教科書，查國內外資料，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，再分析波導的特性，于是總結出“連續條件”這個要點，便產生了認識的飛躍。
       矩形波導是微波傳輸線主要形式。矩形波導的特性阻抗，是美國人謝昆諾夫于1944年提出的。載于國內外各種大學教科書、各種專著。由于囿于“電壓比電流為阻抗”的傳統習慣，忽視了波導中電磁場的分布特性，弄錯了連續條件，形成了概念性的錯誤。
      我根據連續條件，提出波導特性阻抗的新概念，為建立微波阻抗標準打下堅實的基礎。此事受到國家計量總局李樂山局長的重視。后經國防科委領導錢學森先生批轉討論，由此在我國人衛地面站的建造中，被成功應用。（《電子學報》1979.2）
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       5.3  消除系統誤差，提出“雙探針法”
       原蘇聯的微波標準方案，是滑動標準負載。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模值與反射角余弦的乘積。
       余弦角與反射波的行程有關。改變行程1/4波導波長，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。
       在標準波導段上，設置兩個探頭，相距1/4λg。在兩個探頭上測得兩個反射系數，取兩個反射系數的平均值，則消除了固有反射誤差。
       這就是定度標準負載的雙探針法。1966年初，在全國新產品展覽會上展出。其中滑動式標準負載由大華儀器廠生產。
       消除系統誤差的“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  選取光路減小系統誤差
       熱軋鋼板生產線上用的激光測厚儀，是幾個年輕人的研制項目。負責人陳為民請我審查方案。我提出兩點：1 誤差分析結果，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，由正切變為傾斜角余弦與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。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。此機后來正規生產，并有出口。
       這里還有一點，體現誤差分析的作用。美國人的方案，鑒于橫梁的溫度效應將引入測量誤差，于是用溫度系數小的石英制作橫梁。我的誤差分析結果是，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出來的。誤差公式應該經過實驗證明。
       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置誤差項的數值，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。
       在推導矢量網絡分析儀（核心是雙定向耦合器）的全解時，我發現：理論上信號源的反射不引入反射系數的測量誤差。而美國的矢量網絡分析儀有“信號源反射誤差”項，等于信號源反射與被測反射系數的乘積（這對單定向耦合器反射計是對的）。
       我的理論分析結論，是矢量網絡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。通常的信號源反射系數為小于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導體上，使產生0.3的反射并測準。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r(A)；將反射系數為0.3的接頭接在信號源出口處（等效信號源反射系數為0.3），再測那個滑動反射體，得反射系數r(B)。實驗結果是r(A)與r(B)相等，證明對矢量網絡分析儀（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1976.10）。
       建立基準，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，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，只剩“查說明書”一條；但儀器剛剛研制，哪有可查的說明書？工作的結果怎能當工作的根據？所以如此沒譜，那是不確定度論的炮制者，眼光死盯在“應用測量”的事上；根本沒想過不確定度論在研制中怎么用！
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走走看看 發表于 2015-9-9 17:37
5.3  消除系統誤差，提出“雙探針法”
       原蘇聯的微波標準方案，是滑動標準負載。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，當時不敢拗，也拗不過。滑動標準負載由大華無線電廠姜可正設計，穩定性十分好，在這項標準的建立上，起了重要作用。我只搞定標方法。1966年全國新產品展覽會后，每年都按計劃生產。但1970年我被調去搞大銫鐘，特別是1973年離開北京，又一直搞頻率方面的工作，這種標準負載的情況，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，美國人的定標方案與我的那個“雙探針法”無關。因為美國的NBS的Beatty早在1957年就發明了“調配反射計”技術。就是說同時代的美國人的“反射計方案”比蘇聯的“探針法”方案優越。因此，美國人不會采用探針的方式。我的那個“雙探針法”在消除系統誤差方面，有些啟發作用，但這改變不了技術路線優劣之比較。固定的雙探針僅僅適應一個頻率，而反射計可以對應任何頻率。我在1968年已經把雙探針升華為普通測量線探針的兩個位置，于是原設備被閑置，僅僅保留“變相位消除系統誤差”的技巧。
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　　在JJF1001-2011中定義的“測量設備”包括了“測量儀器、測量軟件、計量標準、標準物質、輔助設備或它們的組合”，因此我認為史老師在這一部分主要講的就是測量設備的研制。測量設備是“為實現測量過程所必需”，檢定/校準也是一種測量過程，所以計量標準也就包含在測量設備概念之中了。
　　測量設備既然是“為實現測量過程所必需”，那么測量設備的研制首當其沖的任務就是識別好確認其擬實現的測量過程的“計量要求”，而測量過程的計量要求必須從被測參數的要求中導出。離開了被測參數的測量要求，包括測量范圍和控制限（即評判被測參數合格與否的上下控制限之差）等的要求，測量設備的研制就失去了目標，研制也就失去了意義。
　　研制測量設備應確定所研制的測量設備“計量特性”指標，最重要的指標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計合理分配到所設計的測量設備各個構件上，實現測量設備的零部件設計。
　　從被測參數計量要求的識別、確認到測量設備計量要求確定，再到測量原理的合理選擇，測量設備零部件設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于誤差理論在測量設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備的設計。
　　不確定度是測量結果或測量過程的計量特性，不是測量設備的計量特性，不確定度不能也不應該作為測量設備的一項設計指標，但也不能因此而說不確定度評定在測量設備研制中“沒法用、不能用”。不確定度評定在測量設備研制的前期“計量要求”導出和后期測量設備的能力驗證方面有其不可缺少的重要作用。
　　在計量要求導出中，根據被測參數的控制限測量要求導出對測量過程（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Mcp（Mcp=T/(2U)≥1.5）確定測量方案的測量不確定度U，再根據這個U導出在采用的測量原理中擬設計的測量設備所占U的分量U1應該是多少，然后根據導出的U1推算擬設計的測量設備的計量特性允許值，即測量設備的誤差控制限T，然后運用誤差理論的誤差分配方法將控制限T合理分配到測量設備的各個零部件的計量要求中，從而完成測量設備的設計。
　　測量設備的制造過程與其他產品的制造過程控制并無差別。完成制造的測量設備還必須進行一個叫做“項目完工驗收”的工作，商品化的測量設備應該進行一個叫做“型式評價”的工作，在完工驗收或型式評價中除了提供檢定/校準證明樣品達到合格外，還應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”，質量是可以得到保證的，設計方案和制作工藝、質量控制是沒有問題的。