本帖最后由 史錦順 于 2017-8-27 17:45 編輯
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《史法》的一次試用
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史錦順
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nilyx講得很清楚,很正確。本來,題目并不難,就是個(gè)復(fù)合函數(shù)的求導(dǎo)問題。如果不常用,“忘記了”也難免。我認(rèn)為,一個(gè)計(jì)量工作者,一定要有本“數(shù)學(xué)手冊(cè)”,查一查就知道了(現(xiàn)在上網(wǎng)查也可以)。在表達(dá)上,njlyx也表達(dá)得很好。“(dRt/dt)/Rt”分子分母就很清楚,而隨后劉耀煌的一次寫法是“dRt/dt/Rt”,這里讀者可以明白,換個(gè)地方,兩個(gè)分?jǐn)?shù)線號(hào)(除號(hào))連寫,就易于誤解,這是常見的表達(dá)不當(dāng)。本欄目已出現(xiàn)多次。后來的幾帖,劉耀煌表達(dá)得很好。學(xué)習(xí)了,改進(jìn)了,就是提高,就是進(jìn)步。
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規(guī)矩灣錦苑先生之“怪”之“拗”,不少人是知道的。自己知道的,盡管說;不知道的,亂說就惹人討厭了。意見已經(jīng)表達(dá)清楚就行了,何必一定要自己是最后一帖?規(guī)矩灣先生的引起眾怒,就是他一定要爭(zhēng)那個(gè)最后言權(quán),于是,有話無話就沒個(gè)完。我同他爭(zhēng)論幾百帖,可以查查,都是他最后講一通。當(dāng)然,對(duì)我來說,在乎的是學(xué)術(shù)本身。爭(zhēng)那個(gè)最后發(fā)言,真沒意思。況且,也沒人認(rèn)為最后一帖就是真理。
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函數(shù)的導(dǎo)數(shù)與反函數(shù)的導(dǎo)數(shù),互為倒數(shù) 。這是基本的微分學(xué)原理,怎么也反對(duì)?忘記了就查查書,不要那么武斷,那么自以為是。且看下面截圖,還有什么話說?
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2017-8-27 16:51 上傳
話回本題。
NTC熱敏電阻(負(fù)溫度系數(shù))的溫度靈敏度(dRT/dT,T為熱力學(xué)溫度,單位是K)是表征NTC熱敏電阻的重要特性,即阻值的溫度靈敏度,怎能說沒用?
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網(wǎng)上查得基本說明為:
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“電阻值和溫度變化的關(guān)系式為:
RT = RN exp B(1/T–1/TN)
RT:在溫度 T(K)時(shí)的 NTC 熱敏電阻阻值。
RN:在額定溫度TN(K)時(shí)的 NTC 熱敏電阻阻值。
T:規(guī)定溫度(K)。
B:NTC 熱敏電阻的材料常數(shù),又叫熱敏指數(shù)?!?
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NTC熱敏電阻有多種重要應(yīng)用,主要是溫度控制。
利用NTC熱敏電阻的高“溫度靈敏度”,制作高分辨力的溫度計(jì),是NTC熱敏電阻在測(cè)量計(jì)量中的重要應(yīng)用。
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本人于1958年夏秋,在北大等五校半導(dǎo)體戰(zhàn)斗團(tuán)中,燒制熱敏電阻三個(gè)月。對(duì)NTC熱敏電阻,頗有感情。那是填補(bǔ)中國空白的首批半導(dǎo)體產(chǎn)品。好幾位中央首長(zhǎng)視察;大躍進(jìn)的激情與晝夜奮戰(zhàn),歷歷在目。
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六十年過去了;不忘初心,老史在努力創(chuàng)立《史法測(cè)量計(jì)量學(xué)》。其中之一是提出“區(qū)分測(cè)得值法則”,由此建立“測(cè)量方程”,得出“測(cè)得值函數(shù)”,并依此而進(jìn)行誤差分析,于是使誤差分析有了嚴(yán)密的邏輯基礎(chǔ)。這是一個(gè)普適方法。就本樓的題目,試用一下“史法”。請(qǐng)看有沒有道理,方便不方便。
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測(cè)量計(jì)量學(xué)是一門基礎(chǔ)學(xué)科,應(yīng)用十分廣泛。許多項(xiàng)目,成績(jī)卓著,如原子頻標(biāo),已有數(shù)人獲得諾貝爾獎(jiǎng)。然而,作為測(cè)量學(xué)基礎(chǔ)的、又是最常用的測(cè)量方程,卻一直處于混淆狀態(tài)。現(xiàn)行分析方法的主要問題是:只著眼物理公式,忽視計(jì)值公式,未反映出測(cè)量與計(jì)量的特點(diǎn);未區(qū)分已知值與待測(cè)值;變量與常量混淆;進(jìn)行微分,物理意義不清,邏輯不順;分析結(jié)果可能差值錯(cuò)位,也可能差正負(fù)號(hào)。
筆者依據(jù)測(cè)量與計(jì)量的特點(diǎn),提出區(qū)分量值的方法。基于這個(gè)方法,提出測(cè)量方程的新概念。
以測(cè)量方程為基礎(chǔ),形成兩套分析誤差的規(guī)范化程序:
(1)微分法:根據(jù)物理公式,寫出計(jì)值公式,建立測(cè)量方程;在測(cè)得值函數(shù)中,分辨變量、常量;對(duì)變量求微分,求得偏差、相對(duì)差。
(2)差分法:依據(jù)物理公式,寫出計(jì)值公式,建立測(cè)量方程;寫出測(cè)得值函數(shù)的相對(duì)值形式,分辨變量、常量;將變量展成常量加小量,近似計(jì)算,求得偏差、相對(duì)差。
1 區(qū)分量值的方法
測(cè)量是人們定量認(rèn)識(shí)事物的手段。測(cè)量是將被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量相比較,以確定被測(cè)量與選定單位的比值。這個(gè)比值與所選單位結(jié)合起來,構(gòu)成測(cè)得值。
物理學(xué)研究物理量的規(guī)律,物理公式表達(dá)物理量間的關(guān)系。物理公式超脫測(cè)量誤差。
測(cè)量學(xué)的任務(wù)在于研究測(cè)得值。測(cè)量計(jì)量學(xué)的基礎(chǔ)是基礎(chǔ)測(cè)量(常量測(cè)量)。
對(duì)基礎(chǔ)測(cè)量,要研究如何取得測(cè)得值(測(cè)量方法),如何使測(cè)得值接近真值(精度設(shè)計(jì)),給出測(cè)得值與真值的偏差程度(誤差分析)。要研究測(cè)得值的規(guī)律,就必須將測(cè)得值同真值區(qū)分開。要使測(cè)量中所用量的實(shí)際值同標(biāo)稱值相區(qū)分;使認(rèn)定值同實(shí)際值相區(qū)分。
區(qū)分量值是史錦順提出的關(guān)于測(cè)量計(jì)量學(xué)新理論的一項(xiàng)基本方法,是一項(xiàng)法則。“區(qū)分量值”,就是區(qū)分測(cè)得值函數(shù)中的各量,并加標(biāo)記。
體現(xiàn)測(cè)量原理的物理公式,是測(cè)量的基本依據(jù)。但物理公式中的量都是真值,我們承認(rèn)它、依賴它,但不能直接應(yīng)用,而要設(shè)法代換。測(cè)量中用的測(cè)得量、標(biāo)準(zhǔn)量、已知量、標(biāo)稱量,要加腳標(biāo),以示區(qū)別。量加了腳標(biāo)的公式,稱計(jì)值公式,在測(cè)量中實(shí)際運(yùn)用。不加腳標(biāo)的公式是原物理公式,不加腳標(biāo)的量值是真值(實(shí)際值)。
物理公式代表的是物理規(guī)律,計(jì)值公式代表的是實(shí)際操作,測(cè)量中,二者共同作用。測(cè)量方程是物理公式與計(jì)值公式的聯(lián)立方程。測(cè)量方程必然反映出實(shí)踐與理論的差別,這樣就可給出測(cè)得值與真值的差,即給出誤差。
測(cè)量方程實(shí)現(xiàn)了用測(cè)得值、誤差值對(duì)真值的代換。
從測(cè)量方程出發(fā)進(jìn)行誤差分析,邏輯順暢。于是,對(duì)測(cè)量計(jì)量學(xué)十分重要的誤差分析,有了明晰的物理意義,有了嚴(yán)格的數(shù)理邏輯。
2 測(cè)量方程的一般形式
測(cè)量方程就是把物理公式與計(jì)值公式聯(lián)立起來,組成一個(gè)整體。
建立測(cè)量方程的核心思想是區(qū)分量值的概念。物理公式中的量都是客觀的量,準(zhǔn)確的量,物理公式本身是超脫測(cè)量誤差的,從物理公式本身難尋誤差的蹤跡。測(cè)量中用以計(jì)算的根據(jù)是物理公式,但所用的量,與物理公式中的量是有區(qū)別的,把這個(gè)區(qū)別標(biāo)示出來,便是計(jì)值公式。常用的區(qū)分標(biāo)志有兩種,一種表示測(cè)量得出的值,可用m標(biāo)示;另一種是認(rèn)定的標(biāo)準(zhǔn)值或標(biāo)稱值,用o來表示。這樣,量值分為三個(gè)檔次。三個(gè)檔次的量可以組成兩對(duì)。第一對(duì)是物理公式的量和測(cè)量得到的量。物理公式的量是實(shí)際量,測(cè)量得到的量是認(rèn)識(shí)量,實(shí)際量與認(rèn)識(shí)量相比,實(shí)際量是基本的,這第一對(duì)量,實(shí)際量是常量,認(rèn)識(shí)量是變量。第二對(duì)是物理公式中的量與計(jì)量中認(rèn)定的標(biāo)準(zhǔn)值或標(biāo)稱值。第二對(duì)量中,標(biāo)準(zhǔn)值或標(biāo)稱值是常量,而物理公式中的量是變量。因?yàn)槲锢砉街械牧渴强勺兊?,而?biāo)稱值是不變的。
把物理公式和計(jì)值公式聯(lián)立起來,就得出測(cè)量方程。
被測(cè)量Y由諸Xi決定,Y是Xi的函數(shù),諸Xi是構(gòu)成Y的來源量。
在測(cè)量方程中,各量成對(duì)。被測(cè)量的測(cè)得值Ym與被測(cè)量Y是一對(duì)。被測(cè)量Y是客觀存在,是常量,而被測(cè)量的測(cè)得值Ym是變量。決定Y的各來源量Xi,各有一個(gè)Xm或Xo與其對(duì)應(yīng)。如Xi與Xim對(duì)應(yīng),則Xi是常量,Xim是變量;若Xj與Xjo對(duì)應(yīng),則Xj是變量,而Xjo是常量。
設(shè)物理公式為:
Y = f(X1,X2,……XN) (1.1)
計(jì)值公式為:
Ym= f(X1m/o,X2m/o,……,XNm/o) (1.2)
式中斜杠“/”表示“或”。m表示測(cè)得值,o表示標(biāo)稱值。m/o表示或者是測(cè)得值m,或者是標(biāo)稱值o。例如X1m/o表示是X1m或者是X1o.
聯(lián)立(1.1)(1.2),二者相除,得:
Ym/Y = f(X1m/O,X2m/O,……,XNm/O)/ f(X1,X2,……XN) (1.3)
聯(lián)立(1.1)(1.2),二者相減,得:
Ym-Y = f(X1m/o,X2m/o,……,XNm/o)-f(X1,X2,……XN) (1.4)
(1.3)、(1.4)都是測(cè)量方程,依應(yīng)用方便而選用。
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負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻,是半導(dǎo)體陶瓷材料元件,它對(duì)溫度很敏感,其阻值隨溫度的提高而快速下降。利用此特性,制成高靈敏度的熱敏電阻溫度計(jì)。
1 物理機(jī)制
溫度決定熱敏電阻的阻值,反過來,可以通過確定熱敏電阻阻值來測(cè)定溫度。
2 物理公式
溫度T是自變量的原物理公式為
RT = RN exp[B(1/T–1/TN)] (1)
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測(cè)量是人對(duì)客觀量的認(rèn)識(shí)。人們利用電阻RT與溫度T的關(guān)系,先來測(cè)定RT再來認(rèn)識(shí)T,就是利用公式(1)的反函數(shù)。
對(duì)測(cè)量?jī)x器來說,被認(rèn)識(shí)的量T是函數(shù),而RT是自變量。測(cè)量?jī)x器所本的物理公式為:
T= 1/[(1/B)ln(RT/RN)+1/TN] (2)
測(cè)量?jī)x器的計(jì)值公式為:
TM= 1/[(1/BM)ln(RTM/RNM)+1/TN] (3)
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測(cè)量?jī)x器的測(cè)量方程為
TM/T =[(1/B)ln(RT/RN)+1/TN] / [(1/BM)ln(RTM/RNM)+1/TN] (4)
函數(shù)關(guān)系復(fù)雜,用“差分法”不便。用“微分法”進(jìn)行誤差分析。對(duì)計(jì)值公式(3)微分,求各種因素對(duì)溫度測(cè)得值的影響。
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1)NTC熱敏電阻值測(cè)量誤差引入的溫度測(cè)量誤差
dTM = (?TM/?RTM)dRTM
= {-1/[(1/BM)ln(RTM/RNM)+1/TN]2 }
×(1/BM)(RNM/RTM)(1/RNM)dRTM
= -TM2 (1/BM)(dRTM/RTM)
規(guī)整為:
dTM/TM = - (TM/BM)( dRTM/RTM)
δTM (1)= - (TM/BM) δRTM (5)
2)熱敏電阻阻值RN引入的誤差
dTM = (?TM/?RN)dRN
= {-1/[(1/BM)ln(RTM/RNM)+1/TN]2 }
×(1/BM)(RNM/RTM)(-1/RNM2)RTMdRNM
規(guī)整為
dTM/TM = (TM/BM)( dRNM/RNM)
δTM (2) = (TM/BM) δRNM (6)
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3)熱敏電阻的材料常數(shù),即熱敏指數(shù)B引入的誤差
dTM = (?TM/?RTM)dRTM
= - 1/ [(1/BM)ln(RTM/RNM)+1/TN]2
×ln(RTM/RNM)(-1/ BM2)dBM
= TM2 ln(RTM/RNM)(1/ BM2)dBM
整理為
dTM/TM = [ln(RTM/RNM)] / BM] TM (dBM/BM)
δTM(3) = [ln(RTM/RNM)] / BM] TM δBM (7)
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三項(xiàng)誤差都是系統(tǒng)誤差。合成取“絕對(duì)和”。
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實(shí)際設(shè)計(jì),要考慮的更仔細(xì)。這里僅示意《史法》如何區(qū)分測(cè)得值、建立測(cè)量方程,由測(cè)得值函數(shù)而進(jìn)行分析,如何求誤差元,以及合成為誤差范圍。
理論的任務(wù)是指導(dǎo)實(shí)際工作?!妒贩ā?,是切實(shí)的指導(dǎo)。不確定度體系行嗎?
那些相信不確定度體系的人們,請(qǐng)問;能用“不確定度”那一套設(shè)計(jì)熱敏電阻溫度計(jì)嗎?
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