本帖最后由 史錦順 于 2017-2-12 11:14 編輯
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公式化的學問——同李博導論學術(1)
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史錦順
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引言
很高興看到nilyx先生的連珠炮式的質疑。
寫出文章,有人質疑,為什么不惱火,反倒高興?
第一,質疑者是學術界高人。njlyx是“南京李永新”的全拼字頭。網上查得:先生乃南京理工大學教授、博士生導師。研究方向是動態測試計量技術、智能測控技術。
第二,問題專業、具體、水平高。
第三,高人的高水平問題,自當回答。回答就是一次說理的機會,一次宣講、推廣新學術觀點的機會。
“人生能有幾次搏”?好,抓緊機會,同教授網友切磋,講道理、論學問;兼顧向不確定度論開戰!
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李先生謙虛,曾告誡我,不要提網上查得的虛名。我這里莊重地寫出實況,說明:這不是“虛名”,而是“實際身份”。我寫這些的目的是:即使是博導,我也不僅能夠答辯,甚至可以答疑,于是便可以表明我的自信:敢于創立獨具特色的測量計量的新學說;向任何高水平的教授“解惑授業”。不行嗎?請認真看看老史的文章,再來點評。
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1 系統誤差的理論及系統誤差在儀器誤差體系中的位置
經典誤差理論,主要是隨機誤差的理論,系統誤差講得少。不確定度論,一提系統誤差,就說“已知系統誤差修正掉了”,因而幾乎沒有系統誤差的理論。
其實,系統誤差是測量儀器誤差范圍的主要部分。系統誤差大小,是測量儀器水平的主要標志。測量儀器與測量方法的創新,主要是減小系統誤差。
討論測量計量理論,必須以系統誤差為重點。因為事實上,全世界的99%以上的測量儀器是不修正的。
測量儀器的誤差范圍指標值,以系統誤差為主。儀器的指標值,是研制生產、計量、應用的核心概念,整個計量體系就是保證這個值的實用性、科學性、可靠性。必須重視系統誤差,必須重視誤差范圍的指標值。
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1.1概念與定義
1) 誤差元:示值減真值
r = M-Z (1.1)
2) 誤差范圍:誤差元的絕對值的一定概率(99%以上)意義上的最大可能值
R = |r|max=|M-Z|max (1.2)
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3)隨機誤差元:示值與示值期望值之差
ξi = Mi- EM (1.3)
4)標準偏差:
s =√[1/N∑(Mi-EM)2] (1.4)
5)實驗標準偏差。即貝塞爾公式計算的標準偏差(用平均值M平代換期望值EM)
σ = √[1/(N-1)∑(Mi-M平)2] (1.5)
6)隨機誤差范圍(正態分布,包含概率99.73%)
R隨 = 3σ (1.6)
7)示值平均值M平的標準偏差
σ平 = σ /√N (1.7)
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7)系統誤差元:示值期望值與被測量真值之差
β = EM-Z (1.8)
8)系統誤差范圍:系統誤差絕對值的最大可能值
R系 = |β|max = |β| (1.9)
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1.2 關于系統誤差公式的推導
由誤差的定義(1.1),插入示值M與真值Z的中間量,按以上的定義,就可得到系統誤差的表達式、誤差范圍實測值的表達式、計量誤差的表達式、測量系統誤差之誤差的表達式。
1.2.1 計量時的視在誤差
視在誤差元
r視 = M – B (1.10)
r視 = M–EM + EM -M平+M平–B
= (M平-B)+ (M–EM) – (M平-EM)
=系統誤差視在值∪示值的隨機誤差∪示值平均值的隨機誤差
= β視±3σ±3σ平 (1.11)
視在誤差范圍(一項系統誤差,兩項隨機誤差合成取方和根)
R視 =√[β2+(3σ)2+(3σ平)2] (1.12)
在檢定規范《JJF1094-2002》中,符號|Δ|,對低檔簡單儀器可用(1.10)表達的R視,對精密儀器就該是(1.12)表達的R視。
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1.2.2 計量的誤差范圍
計量就是認知被檢儀器的誤差。所求儀器誤差元定義為
r = M-Z (1.1)
求得的視在誤差元為
r視= M-B (1.10)
視在誤差元與儀器定義誤差元之差是計量誤差元:
r計 = r視 - r
= M-B–(M-Z)
= Z-B
= r標 (1.13)
計量的誤差范圍(測量儀器誤差時的誤差范圍)是
R計 = |r標|max
= R標 (1.14)
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1.2.3 合格性判別公式
計量是認知被檢儀器的誤差范圍R儀。而測得的是R視。由(1.14),計量的誤差范圍是標準的誤差范圍。儀器誤差量的測量結果是
R儀= R視±R標 (1.15)
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合格的條件是被檢儀器誤差范圍的測得值小于指標值R儀/指標
R儀 ≤ R儀/指標 (1.16)
儀器誤差范圍的最大可能值是R儀= R視+R標 ,若此值滿足要求,則儀器誤差的其他可能值都滿足要求,即儀器合格。因此儀器的合格條件是
R視+R標≤ R儀/指標
即
R視 ≤ R儀/指標 - R標 (1.17)
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儀器誤差范圍的最小可能值是R儀=R視-R標 ,若此值不滿足要求,則儀器誤差的其他可能值都不滿足要求,即儀器不合格。因此儀器的不合格條件是
R視-R標 ≥ R儀/指標
即
R視 ≥ R儀/指標 + R標 (1.18)
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1.2.4 測定系統誤差的誤差
測定系統誤差,是校準的必然操作。其實,對精密儀器的檢定也要測定系統誤差,以便精確地測定儀器的實際誤差范圍。
系統誤差元的定義值是:示值期望值與被測量真值之差
β = EM - Z (1.8)
系統誤差的測得值為
β測 = M平- B + 分辨力誤差
= M平- EM +EM +Z - Z - B + 分辨力誤差
= (EM – Z) + (M平- EM) +(Z – B) + 分辨力誤差 (1.19)
系統誤差的測定誤差元
rβ = β測 – β = 3σ平 ± R標 ±分辨力誤差
測定系統誤差時的誤差范圍(僅R標一項系統誤差取“方和根”)
Rβ =√[ (3σ平)2 + R標2 +分辨力誤差2] (1.20)
系統誤差的測量結果是
β = β測±Rβ (1.21)
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1.3 有關系統誤差的操作
1.3.1 系統誤差的測量
筆者在《史氏測量計量學說》(征求意見稿)與《測量計量的公式推導——兼論不確定度論的錯誤(1)》一文中,具體寫出了系統誤差β的測量方法。現重述如下
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求系統誤差β的操作(檢定與校準操作相同,表達誤差有區別)
儀器示值為Mi,測量N次(N=20)。
1)求平均值M平。
2)按貝塞爾公式求單值的σ。
3)求平均值的σ平
σ平= σ /√N
4)求測量點的系統誤差值
β測 = M平-B
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1.4 幾項答辯
1.4.1 關于分辨力誤差的有無
關于誤差分析,校準與檢定略有不同。
分辨力誤差,凡有示值出現的地方,必有分辨能力的問題。數字儀器的加減尾數1個字的誤差,即分辨力誤差,是不可避免的。要不要計及分辨力誤差,不是因為該項的存在與否,而是看其作用的比例。
檢定是找“儀器示值誤差絕對值的最大可能值”。儀器誤差范圍中包括隨機誤差范圍3σ,系統誤差β,確定系統誤差的誤差σ平,以及儀器分辨率力誤差。分辨力誤差同3σ與β的合成結果相比,是個小量,故檢定中,可略去分辨力誤差。
在校準中,目標是對系統誤差進行修正。測定修正值(系統誤差的反號)的誤差范圍包括被檢儀器的σ平、被檢儀器的分辨力誤差以及計量標準的誤差。σ平比σ小數倍;標準的誤差比β小數倍。就是說,為搞修正而測定系統誤差時,同分辨力相比的誤差量小,因此分辨力的作用就不能忽略了。這就是校準中該有“分辨力誤差”項的原因。
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1.4.2關于如何測量系統誤差β
先生給出的方法是“縱橫”N次測量。太多了,沒必要。
N個數據一組,再取N組。10×10=100;20×20=400;而阿侖式要求一組100次,則為100×100=10000次,太多了,不可能推行,實際也沒必要。
我提倡測20次,僅取這一組數據。這比檢定規程上的或通常采用的1次/3次/6次/10次,就夠多了。但對精密儀器,是必要的。
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對先生的方案,這里不客氣地指出兩點:
1 對誤差理論的σ平=σ/√N的理解與是否相信的問題。
示值的平均,包括了對系統誤差的平均。已知的知識要敢用,要相信。σ平=σ/√N是M平的誤差,也是測量β的誤差。推導、證明這個公式要用到N×N個數,而到了各種計量測量場合,要相信這個公式,應用這個公式。
2 對系統誤差恒值性的理解和了解的問題。基本恒值的系統誤差,是沒有必要測量那么多次的。
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晶振的頻率,有極高的穩定性。在現代計時、測頻、測速、測距、電話程控等許多領域有重要應用。我自己測量晶振上千臺,參與全國晶振評比三屆,先后共一百二十多臺,每臺我都處理了數據;而畫成圖示,與會者只有我一人。我在職期間測量晶振的漂移率,時間累計超過一千天(測量日老化率,一次是七天或15天)。
測量晶振頻率日漂移率的基礎是測準每個取樣時刻的頻率偏差值。對以晶振為時基的儀器來說,這個頻率偏差值,就是系統誤差值。
在晶振的常穩測量中,每個采樣時刻的測量,是多少次呢?3次足矣。因為系統誤差值約為10-7,而10秒采樣的σ為10-12;標準的變化率,比要測得的晶振變化率小一個量級到幾個量級,即測量的各種誤差,都可忽略,測三次足矣。而本所十余個裝配晶振的工人,他們則每點只測一次(因為數據極穩定,基本不變,也沒法讓他們一定重復測量;這只是工人自己認定是否達到要求,不做為正式性能數據)。
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1.4.3 分辨力誤差的實例
任何有示值的地方,都有分辨力誤差。測頻最明顯。一般數字式頻率計測頻,是數閘門時間內的脈沖數。尾數1,秒采樣一個數代表1Hz;而毫秒采樣時,一個數代表1kHz.這樣,尾數的一個字分辨力誤差,就是1kHz.
加分辨力誤差是正常現象。而不加分辨力誤差,是因為與其他項相比,可以忽略。
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1.4.4 關于二量差的誤差公式
【njlyx質疑】
譬如,用一把數顯卡尺測量兩根同型號工件的長度L1、L2,假定這把數顯卡尺的所謂“誤差范圍”為R, 測得
L1=10.10 ± R; L2=10.05 ± R。
若按您的籠統一個“大框”、遵循所謂“誤差取上限”的“方法”,將有
( L1+L2) = 20.15 ± 2R;
( L1-L2) = 0.05 ± 2R.
這符合實際經驗嗎?!
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【史辯】
先生的解法完全正確。
因為只知道數顯卡尺的誤差范圍指標值,只能按最不利的情況,即系統誤差等于誤差范圍來計算。這是誤差量的特點“上限性”與誤差分析計算的保險原則所確定的。必須如此。
至于二項差的誤差范圍,上限就是二誤差范圍之和。這就是測量理論中講的——測量方案的選取,要盡量避開“測量二項之值再求差”的測量方案。懂不懂誤差理論,這是分歧點之一。這個題目可以反過來用,就是測量取差值法,又叫微差法。測準差值,可以大大提高測量總體的準確度。頻標比對器就是基于這個原理而設計的。
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1.4.5 關于交叉系數的認定
【njlyx質疑】
2.實用中,這【“多項和”平方展開式的交叉系數】從何處取得?
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【史答】
一項正確的理論,推導雖然難些或麻煩些,但使用中,條件明確,方法簡單,這是好理論。因為理論歸根結底是服務于實際應用的。筆者的“交叉系數決定合成法”的理論,恰恰是應用簡單。兩項系統誤差的交叉系數是+1或-1。兩項系統誤差合成,交叉系數僅能是+1或-1.于是僅有“絕對和”與“絕對差”兩種可能。根據誤差量的“上限性”特點,只能從大計算,那就是取方和根。可能有人說:取+1取-1,概率各是50%,為什么取+1?老史回答:這是處理誤差量,必須從大。絕對值相加與絕對值相減是兩個值,那就必須取大者,就是絕對值相加……
其實,誤差范圍取誤差元絕對值之大者,是慣例,不是老史的新主張。例如,儀器的隨機誤差,一個誤差元的取值,可以是0.1σ/0.2σ/0.5σ/1σ/2σ/3σ,等等。取1σ以下各值的概率是68.26%;取值2σ以下各值,概率是95.44%,而取值3σ以上的概率是1-99.97%=0.27%,就是說,誤差元取值恰好為3σ的概率不足0.3%.那為什么不顧及大多數,不理睬取值的權重,而要取隨機誤差的誤差范圍是3σ呢?就是在包含概率99.73%的意義上,取值3σ,是允許取值中的絕對值最大值!要平均嗎?誤差量講究上限性,不能平均。可以加權平均嗎?也不行,誤差量的特點是一定概率意義上的上限性。不論小值有多少,只要99%概率意義上的最大值。
小誤差值千千萬,平安無事,不必過問。超差的大值一個,就可能使火車出軌,就可能卡死炮彈,就可能使衛星脫軌……
兩項系統誤差合成,取絕對和與絕對差,概率各占50%,選最大的、保險的“絕對和”是必要的是正確的。
各種交叉系數的認定選取,老史使出晚年的幾乎全部心血,已經論證完畢(這里邊包括一些崔偉群、李永新的研究成果),而要讀懂它,高中畢業以上,費點腦筋即可。至于廣大測量計量人員,就實際應用的方法來說,只有兩句話:
1) 兩三項大系統誤差,取“絕對和”,此值以及其他各項隨機誤差、各項絕對誤差,一律取“方和根”。
2) 間接測量時,各項直接測量的所用儀器的誤差范圍指標值,視為各項儀器的系統誤差。處理同1)。
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實用中,按口訣1)操作。關于交叉系數決定合成法的全部理論已經包含了,交叉系數的作用已經體現了,現實操作,就不用再來確定交叉系數了。
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1.4.6 關于包含概率
【njlyx質疑】
3. 按您的“方法”, 所得“范圍”R的包含概率具體是多少?——99.73%? 99.99?? 99.999? 99.9999?...... 在許多情況下,它們對應的“范圍”R值可差得遠了!!
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【史答】
包含概率的問題,宜粗不宜細。測量計量理論是實用理論,扣住3σ就可以了,方便實際操作。不確定度論,無故把通用的99%降低到95%都能蒙混許久(如此大幅降低包含概率是錯誤的,因為應用者根據的是“合格”還是“不合格”,應用者不可能取摳明白概率上的差別以及如何實際應用)。至于取3σ之后,再摳99.**%,那些0.**%的差別,就太難了,也無必要。要講究,那就太學究氣了。絕對理想的“正態分布”也許根本就不存在。已有的知識是可能有小比例的t分布情況,于是保守地稱為:取3σ,而包含概率大于99%,是可以的。保險就可以了,難于弄明白的地方,不深究,也是一種明智。
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1.4.7 關于模型
【njlyx質疑】
“定量”評估“測量誤差”(范圍),必須運用適當的“數學模型”(這與是否采用“測量不確定度”無關!),雖然少不了一些合理的“假定”,但總好過隨心所欲!
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【史辯】
復雜的工程問題,難于給出函數關系。設置模型,可以簡化問題,便于處理。
測量計量相對比較簡單。不必給出模型,直接給出函數關系,是可能的、必要的,也是最嚴格的。
測量儀器、計量標準的發明與設計,必須給出測得值函數。某型不能代替。
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分析計量的誤差,分析測定系統誤差的誤差,用直接的建立函數關系、微分等手段,可以嚴格處理,不該用模型來取代。
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不確定度論的許多錯誤,與模型不當有關。
“假設不相關”,明明交叉系數絕對值是1,是強相關的;而VIM/JJF1001這些高等級的世界規范、國家規范,竟用三個條款規定,在誤差合成中,凡有系統誤差的地方都可忽略協方差。即規定相關系數為零。這就是“假設”、“模型”的嚴重教訓。
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把老史基于函數關系的分析,影射成是“隨心所欲”,是對事實的歪曲。評論要實事求是,粗看一下,還沒弄明白,就做否定的結論,那才是“隨心所欲”。
學術在研究中,新觀點更需要檢驗。但老史“堅持真理修正錯誤”的態度是明確的,也是有目共睹的。
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關于“取方根”的根據,是否合理,這倒是個好問題、大問題。下次詳細論述。
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