本帖最后由 史錦順 于 2017-1-2 09:55 編輯
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正視系統(tǒng)誤差的恒值性
—— 同njlyx先生辯論(2)
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史錦順
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【njlyx質(zhì)疑】
您的"臺域統(tǒng)計"之說好像是您強加于"不確定度"的?是您在認(rèn)定所謂"系統(tǒng)(測量)誤差"是"恒定不變的常量"的前提下,"推論"出: 只有如此"統(tǒng)計"才能支持"系統(tǒng)(測量)誤差也有"分布""的論調(diào)?!……但這只是您的"推論",并不是"不確定度"的觀點!
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【史辯】
不確定度理論的特點是只給出作法,而不講為什么這樣做,不做任何數(shù)學(xué)推導(dǎo)。
不確定度論的B類評定,把測量儀器的誤差范圍指標(biāo)值,除以一個系數(shù)k就當(dāng)成是標(biāo)準(zhǔn)不確定度。為論述方便,本文稱這個作法為“B類變換”。
不確定度就這樣評定,推行不確定度以來,都得這樣做,大家也就習(xí)以為常。但這樣做,意味什么,道理是什么,卻不見有人說。老史對此提出質(zhì)疑:B類變換成立嗎?
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B類變換意味著什么?
1)B類變換的前提是:儀器誤差范圍是隨機量構(gòu)成的。
2)B類變換否定系統(tǒng)誤差的恒值性。
3)B類變換認(rèn)為:系統(tǒng)誤差在被測量的量值區(qū)間中,是個有某種分布規(guī)律的隨機變量。
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筆者認(rèn)為:這三條都是不成立的。B類變換是不成立的。B類變換是錯誤操作。
讀者先生們:請問您做過B類變換嗎?如果您處理的儀器是頻標(biāo)比對器,是可以的;因為頻標(biāo)比對器的誤差僅僅有隨機誤差,而沒有系統(tǒng)誤差。這種沒有系統(tǒng)誤差的情況,太少了。況且,頻標(biāo)比對器僅僅是比較性儀器,沒有自身的標(biāo)準(zhǔn),不能進(jìn)行“認(rèn)知量值”的獨立的測量,實際上是一種輔助性儀器。我們講的測量儀器,必須有自身的標(biāo)準(zhǔn),能夠完成“認(rèn)知量值”的獨立的測量。
如果您曾對一般儀器評定過不確定度,那就是做過B類變換,那就錯了。為什么?且看老史的如下分析。
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測量儀器的誤差范圍指標(biāo)值(又稱MPEV),由兩類誤差構(gòu)成。
一類是隨機誤差。數(shù)值與符號都是隨機變化的,但有統(tǒng)計規(guī)律,存在有界性、對稱性、單峰性、抵消性等幾個性質(zhì),測量次數(shù)較多時,示值是正態(tài)分布。表征量是標(biāo)準(zhǔn)誤差(偏差)σ,誤差范圍是3σ(包含概率99.73%)。
一類是系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差有恒值的部分,下稱“恒值的系統(tǒng)誤差”;系統(tǒng)誤差中可能還有慢變化部分(指在一場重復(fù)測量中不能發(fā)現(xiàn)的變化,要認(rèn)識,就得進(jìn)行間隔時間一周或一個月的間斷測量),下稱“長期不穩(wěn)定度”(例如一年的慢變化的絕對值的最大可能值)。
測量儀器能夠應(yīng)用,其重要條件之一就是長期不穩(wěn)定度要足夠小。通常的考慮時間是一年,有些重要儀器如銫原子頻標(biāo),則著眼于整個壽命期。要求:長期不穩(wěn)定度要小于誤差范圍指標(biāo)的1/5。否則測量儀器不能定型生產(chǎn)。如果儀器的長期穩(wěn)定性很差,計量、檢驗就都沒有意義。這個道理對測量儀器的設(shè)計者是十分重要的。
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為嚴(yán)格地討論理論問題,也為了實際操作的方便,避免誤解,建議把誤差分類為:
第一類 系統(tǒng)誤差,指儀器誤差的恒值部分。系統(tǒng)誤差的恒值性,是儀器示值修正的依據(jù)。誤差的合成,也必須正視系統(tǒng)誤差的恒值性。
第二類 隨機誤差,指隨機變化的誤差。通過多次重復(fù)測量,可以減小,直到可以忽略。隨機誤差不能修正。
第三類 慢變化誤差,指長期(幾個月、一年或壽命期)的有規(guī)或無規(guī)的變化。變化量的絕對值的最大可能值稱為“長期不穩(wěn)定度”。長期不穩(wěn)定度不得大于儀器誤差范圍指標(biāo)值的1/5。
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將經(jīng)典的系統(tǒng)誤差定義分開,即把慢變化部分剝離出去,則系統(tǒng)誤差專指誤差量的恒值部分。這樣,系統(tǒng)誤差是恒定值的;或者說恒定值的誤差是系統(tǒng)誤差。這不是老史的新說法;以往所講的儀器示值的修正,“修正值等于系統(tǒng)誤差的負(fù)值”,其中的“系統(tǒng)誤差”,指的就是恒值的系統(tǒng)誤差。如果說系統(tǒng)誤差有變化部分,那就否定了修正的合理性。如果說變化部分很大,那就根本不能修正。恒值性是“修正”的基礎(chǔ)。不確定度理論既主張“修正”的普遍性,卻又說系統(tǒng)誤差是隨機的,是個邏輯謬誤。隨機的,就絕不能修正了。
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關(guān)于“臺域統(tǒng)計”之說,確實在不確定度的文件中沒有。但為什么能說:“系統(tǒng)誤差也是隨機的,也可當(dāng)隨機誤差處理”呢?沒法理解。當(dāng)我看到崔偉群先生關(guān)于“兩種測量情況”的論述,得知存在兩種情況:情況A 用一臺儀器對同一量多次重復(fù)測量;情況B 用同一型號的多臺儀器同時測量一個量。在情況A中,系統(tǒng)誤差是恒值;在情況B中,各臺的系統(tǒng)誤差有大有小,是隨機的。
njlyx先生說,這是老史強加在不確定度理論上的。這倒是有可能。如果“系統(tǒng)誤差隨機說”不是針對“臺域統(tǒng)計”說的,而就是針對“時域統(tǒng)計”說的,那就不是統(tǒng)計方法錯位的問題了;而是不顧事實地顛倒黑白了,就是胡說八道了。
單臺儀器的重復(fù)測量,系統(tǒng)誤差怎能是隨機的呢?大概有如下幾種說法,現(xiàn)逐條駁斥。
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【修正說】
說系統(tǒng)誤差修正了,要處理的誤差都是隨機的。
【反駁】
對測量儀器進(jìn)行修正,是指:人工加上修正值C,把儀器的示值M變成M修,改變了示值,這是“修正”;智能儀器進(jìn)行的任何處理,是給出示值前的儀器自身的功能,不是修正,因為儀器給出示值M,用戶就用這個M。不改變示值,因而不是修正。
測量儀器進(jìn)行修正的,不足1%;絕大多數(shù)測量儀器不修正。理論著眼大多數(shù)。大多數(shù)測量儀器不修正。況且不確定度理論的“B類變換”,就是針對不修正的情況。修正說不成立。
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【未知說】
儀器給出的是誤差范圍,不知道系統(tǒng)誤差到底有多大,要當(dāng)隨機量處理。
【反駁】
把誤差分成已知的與未知的,這是主觀主義的劃分法。誤差的系統(tǒng)性與隨機性,是系統(tǒng)誤差還是隨機誤差,是客觀存在的事物或事物的性質(zhì),是不以人的認(rèn)識為轉(zhuǎn)移的。儀器的誤差,是可認(rèn)識的。隨機誤差,進(jìn)行多次重復(fù)測量,即可得知。認(rèn)識系統(tǒng)誤差,要有夠格的計量標(biāo)準(zhǔn)。你沒有計量標(biāo)準(zhǔn),不能認(rèn)識系統(tǒng)誤差,別人有計量標(biāo)準(zhǔn),就可以認(rèn)識系統(tǒng)誤差。
有夠格的計量標(biāo)準(zhǔn),就可以認(rèn)識、確定系統(tǒng)誤差,可以確定儀器的誤差范圍。“長期不穩(wěn)定度”也可以認(rèn)識、測量,只是需要相應(yīng)的長時間。
有人說:未知來源、不知大小的誤差,要當(dāng)隨機誤差處理。這是錯誤的。第一,不是不可認(rèn)識,只是你的測量條件不夠或你的理論水平、認(rèn)識水平不夠。通用儀器的誤差,送到國家計量院去,都可以給你測出來。第二,在沒認(rèn)識之前,按誤差的“上限性”的特點,依據(jù)誤差處理的保險原則,要按影響最大的可能來估計。合成時,可以估計為系統(tǒng)誤差;可能保守些,但不會出錯;不確定度論把自己未知的誤差估計為隨機誤差,是往小估計,這是冒險的,可能出錯。如B類評定,把儀器的誤差范圍整體當(dāng)隨機誤差處理,忽略了必然存在的系統(tǒng)誤差,違反了誤差量“上限性”原則,是錯誤的。
由于誤差范圍通常以系統(tǒng)誤差為主,把儀器誤差范圍整體按系統(tǒng)誤差處理,保守些,但不出錯。這就是老史在誤差合成中主張把儀器的誤差范圍當(dāng)成系統(tǒng)誤差處理的基本思路。要知道,對儀器要求嚴(yán)一些,是必須的。代價與收獲比,可以忽略。按不確定度論的冒險主張,省點儀器費,可能造成工程的重大損失,那就因小失大了。孰輕孰重,請掂量。
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【njlyx質(zhì)疑】
由所謂的"系統(tǒng)(測量)誤差"的"定義"可知,它不止"恒定不變"的一種成分,那些"可變"成分【只要您不故意視而不見,比比皆是,且有時可能占了大頭!并不是您以為的只是極少數(shù)情況且只占極少數(shù)份額。】自然會貢獻(xiàn)"分布".
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【史辯】
哪本書有這樣的“系統(tǒng)誤差”的定義?
隨機變化的誤差是隨機誤差。在重復(fù)測量中不變的才是系統(tǒng)誤差。經(jīng)典定義的系統(tǒng)誤差包括恒值部分與長期變化部分,長期變化必須足夠小,儀器才能成立,才能生產(chǎn)。不是老史 “視而不見”,是世界上根本就沒有系統(tǒng)誤差亂變、大變的測量儀器。老史實測的頻率類、電子類儀器上千臺次,晶振長穩(wěn)測量,至少是七天,個別重要測量設(shè)備,間斷測量一個月,沒見過先生所述的情況。你自己為給不確定度論辯解而想象的情況,老史怎么“視”?怎么“見”?理論研究與學(xué)術(shù)討論,最根本的是兩條,一是事實,二是邏輯。先生所述,一不符合事實,二不符合邏輯。倘先生所述屬實,那就否定了校準(zhǔn),因為沒有系統(tǒng)誤差的恒值性,就沒有修正的可能性。還校準(zhǔn)什么?校準(zhǔn)你否定不了,你的高論也就不成立。
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【njlyx質(zhì)疑】
即使對于那個"恒定不變"的成分,在我們想法獲得它的一個"估計值"β0后,還會附加一個相應(yīng)的所謂"誤差范圍"R(β),這個所謂的"誤差范圍"R(β)也會貢獻(xiàn)"分布"!
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如果知道了“測量誤差”的一個“值已知”為β0的分量,還知道那些“值未知”(可能是由于它們本身“變幻莫測”而“未知”,也可能是因為認(rèn)識者的“能力所限”而“未知”)分量“糾合在一起”的可能“散布范圍(半寬)”為U,那么——
“大家”對此“測量誤差”的報告是:
此 “測量誤差”有9x.x%的可能性落在 [β0-U, β0+U] 的范圍內(nèi);
而您則“堅持”應(yīng)如此報告:
此 “測量誤差”有9x.x%的可能性落在 [-√(β0^2+U^2), √(β0^2+U^2)] 的范圍內(nèi)。
這才是您與“大家”背離的癥結(jié)! 與是否“修正”的關(guān)聯(lián)非常間接——若 β0被“修正”了,您與“大家”便似乎“一致”了?
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【史辯】
首先,要明確:你的意見就是你的意見。“大家”都是誰?況且,有理不在人多。全世界的計量界都在推行不確定度論,贊成者多矣。但不確定度論的錯誤,是客觀存在;理論的正確在于符合客觀規(guī)律,隨聲附和者多就一定正確嗎?不見得。哥白尼的時代,人們都相信“地心說”,但這改變不了地球繞太陽運行的客觀規(guī)律。哥白尼的觀點,當(dāng)時是個人見解;后來,逐漸成為全人類的共識。這個歷史事實告述我們:研究者最關(guān)注的是符合客觀規(guī)律。在理,人少可以逐漸多起來;歪理,終將被人們識破。
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很高興先生有這段詳細(xì)的論述。使我得知我同先生的一項重要分歧。
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論題:誤差范圍分辨
討論測量計量理論,無論是誤差理論還是不確定度理論,針對的對象都是測得值。誤差,是測得值的誤差,不確定度,是指測得值的不確定度。這里暫不談被測量本身的不確定度(被測量自身的變化)。必須把兩類不確定度區(qū)分開,這一點我們有共識。
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測量儀器的性能指標(biāo)值R儀/指標(biāo)即MPEV,實際誤差范圍值R儀,計量時的視在誤差范圍值|Δ|,都是示值的誤差范圍值。
舉個例子,以便于形象地說明和理解。
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設(shè)電壓表的指標(biāo)是1%,測量上限FS是100V。所謂誤差范圍,指的是誤差絕對值的范圍。例如誤差范圍指標(biāo)值1%,誤差的絕對值范圍是從0到1V,測量結(jié)果的合格性區(qū)間是[M-1.0V,M+1.0V]。 ]
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設(shè)一臺數(shù)字電壓表A的指標(biāo)與實測結(jié)果是:
指標(biāo):量程100V;MPEV 1%;分辨力0.01V.
計量標(biāo)準(zhǔn)的誤差范圍R標(biāo)= 0.01%
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實測:99V點,M平 = 98.20V,20次測量
σ = 0. 033V,3σ = 0.10V
σ平=σ/√20 =0.00738V, 3σ平= 0. 022V
βo=-0.80V
Rβ =√[(3σ平)2+ R標(biāo)2+分辨力誤差2]
=√(0.0222 + 0.0102+0.0102)
= 0.026V
系統(tǒng)誤差的測量結(jié)果:
β = - 0.80V±0.03V
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討論針對不修正的情況。理由是:
A 世界上的絕大多數(shù)儀器(99%以上)不修正;
B 學(xué)術(shù)討論的焦點是“B類評定得出的標(biāo)準(zhǔn)不確定度是否成立”這個不確定度理論的根本性的是非問題,而B類不確定度變換的對象,是從儀器說明書中查得的測量儀器的性能指標(biāo)值MPEV,MPEV是未經(jīng)修正的。
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儀器誤差元:
r = β ± 3σ + 分辨力誤差
儀器的誤差范圍:
R =√ [β2 + (3σ)2 + 分辨力誤差2]
=√ [0.802 + 0.102 + 0.012]
= 0.81V
用儀器進(jìn)行測量的測量結(jié)果
Z= 98.20V±0.81V
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【史論】
討論不修正的情況。B類不確定評定的變換,是針對不修正的情況。
有幾個區(qū)間,必須思辨清楚。
1 對系統(tǒng)誤差的表達(dá)。你的所謂“測量誤差”,就是系統(tǒng)誤差的測量誤差。
1.1 系統(tǒng)誤差測量結(jié)果
β = - 0.80V±0.026V (1)
1.2 系統(tǒng)誤差真值的存在區(qū)間
[-0.83V,-0.80V,-0.77V] (2)
式(2)簡記為
[-0.03V,+0.03V] (3)
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2 用儀器測量電壓的測量結(jié)果
2.1 被測量的測量結(jié)果
Z= 98.20V±0.81V (4)
2.2 被測量的量值區(qū)間為
[98.20V-0.81V,98.20V,98.20V+0.81V ] (5)
式(5)簡記為
[-0.81V,+0.81V] (6)
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電壓表的誤差范圍指標(biāo)值是:MPEV 1.0V,測量結(jié)果區(qū)間指標(biāo)值為[-1.0V,+1.0V]
經(jīng)計量測定誤差范圍的實際值是 R儀= 0.81V
儀器不修正。測量結(jié)果的實際區(qū)間是[-0.81V,+0.81V]
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不確定度評定,用的是儀器的MPEV,即區(qū)間指標(biāo)值[-1.0 V,+1.0 V],認(rèn)為是均勻分布,有標(biāo)準(zhǔn)不確定度:
uc指標(biāo)= 1.0/√3=0.58V
儀器的直接測量,在正常工作條件與正確操作的條件下,環(huán)境等的影響已經(jīng)包括在誤差范圍指標(biāo)內(nèi),求擴展不確定度,要乘以√3(沒有理由說改變分布)。于是,U等于MPEV.
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系統(tǒng)誤差在區(qū)間[-0.83V,-0.77V]中可設(shè)為均勻分布,這個區(qū)間的半寬是0.03V。
系統(tǒng)誤差在區(qū)間[-0.81V,+0.81V]中是什么分布呢?是脈沖分布(在區(qū)間[-1.0 V,+1.0 V]中更是脈沖分布),體現(xiàn)的是系統(tǒng)誤差的恒值性,而不是隨機性!
由于測量系統(tǒng)誤差時有測量誤差,系統(tǒng)誤差的測得值不是單一值,確實有分布,但這個分布的半寬,小于被測量量值區(qū)間半寬的27倍(0.81/0.03)。系統(tǒng)誤差存在的區(qū)間,在被測量量值區(qū)間中,圖形是很窄的脈沖。注意:研究的著眼點是被測量量值區(qū)間,所謂“分布”,必須是對被測量量值區(qū)間的分布。請看清,B類變換用的是MPEV/√3,所謂“分布”,是對以MPEV為半寬的被測量量值區(qū)間來講的。這里的區(qū)間比系統(tǒng)誤差測定時的那個區(qū)間,大23倍,不可馬虎!
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可愛的njlyx先生,在區(qū)間問題上,你混淆了,錯位了;兩個區(qū)間,區(qū)別大矣哉!
數(shù)九寒天,一個人光身裹在被窩里,是可以的;但光身在大院子里溜達(dá),是會被凍壞的。“區(qū)間”不同啊!
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注:被測量量值區(qū)間,就是以測得值為中心的被測量的真值存在的區(qū)間。被測量量值區(qū)間的半寬,與測得值區(qū)間(以真值為中心)的半寬相等,都等于測得值的誤差范圍。
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