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測量計(jì)量的大局觀
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史錦順
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(一)統(tǒng)觀測量計(jì)量的三大場合
測量計(jì)量有三大場合:測量儀器(含計(jì)量標(biāo)準(zhǔn),下同)的研制與生產(chǎn),簡稱“研制”;儀器的計(jì)量(簡稱計(jì)量);應(yīng)用測量(簡稱測量)。
測量計(jì)量的大局觀,就是無論探討理論、分析問題以及實(shí)踐操作,對這三個(gè)場合要綜合考慮、統(tǒng)籌安排。聯(lián)系,而不能孤立。
研制、計(jì)量、測量這三個(gè)不同的工作領(lǐng)域,是緊密相連、互為依托的。研制提供性能指標(biāo)明確,準(zhǔn)確、可靠的測量儀器;計(jì)量公證儀器合格;測量者根據(jù)測量任務(wù)的需要而選用測量儀器,根據(jù)測量儀器的性能指標(biāo),給出對特定量的測量結(jié)果。
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三種場合,具體任務(wù)不同,但卻是緊密相關(guān)的。各種指標(biāo)性能的概念,必須能貫通。
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(二)測得值函數(shù)
測量儀器研制的基礎(chǔ),是選用合適的物理機(jī)制。依靠的是特定物理機(jī)制的物理公式。物理公式中的量值都是真值。物理公式中的值,大部分可以測量得出,加腳標(biāo)m 表示,小部分用標(biāo)稱值(定義值,如時(shí)間單位的“秒”)加腳標(biāo)o表示。加了腳標(biāo)后的物理公式是計(jì)值公式。
計(jì)值公式與物理公式聯(lián)立,得測量方程。由測量方程,得到測得值函數(shù)。
測量儀器的研制者,必須給出全量程的測得值函數(shù),建立測得值與被測量真值的對應(yīng)關(guān)系。
測量儀器,通常不是只測量一個(gè)值,而是測量全量程內(nèi)的任何一個(gè)被測量量值。這就必須給出全量程或可用區(qū)域上的測得值函數(shù)。
研制的賦值過程,就是由一般量的真值Y而確定測得值Ym。
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命題1 測得值公式是測得值函數(shù)的簡化表達(dá)
在測量儀器的研制中,必須建立測量方程、求得測得值函數(shù)、進(jìn)行誤差分析、并給出誤差范圍指標(biāo)。
測得值函數(shù)為
Ym= f(X1m/o,X2m/o,……,XNm/o) - f(X1,X2,……X N) + Y (1)
誤差元函數(shù)為
Ym– Y = f(X1m/o,X2m/o,……,XNm/o) - f(X1,X2,……XN) (2)
誤差元的絕對值的最大可能值為
│Ym – Ymax= │f(X1m/o,X2m/o,……,XNm/o) - f(X1,X2,……XN)│max (3)
這個(gè)“誤差元絕對值的最大可能值”就是誤差范圍,記(3)式右端為R, 有
│Ym – Y│max= R (4)
著眼于全區(qū)間,去掉最大值符號,有
│Ym – Y│ ≤ R (5)
解絕對值關(guān)系式(5)
當(dāng)Ym>Y時(shí),有
Ym ≤ Y+R (6)
當(dāng)Ym<Y時(shí),有
Ym ≥ Y-R (7)
綜合(6)式、(7)式,有
Y-R ≤ Ym ≤ Y+R (8)
僅著眼于邊界點(diǎn),(8)式簡記為
Ym = Y±R (9)
(9)式由(1)式推得,(9)式與(1)式等效。因此,測得值公式(9)是測得值函數(shù)式的簡化表達(dá)。
測得值函數(shù)的理想情況是M/Z(即Ym/Y)等于1。對理想情況的偏差,就是誤差,而誤差的絕對值的最大值就是誤差范圍。因此誤差范圍就代表了測得值函數(shù),就表明了測量儀器的性能。
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(三) 測量中的真值函數(shù)
人們要知道被測量的值,就要用測量儀器去測量被測量。人們得到了測得值。但人們的目的是求得真值,為求真值,就要知道真值對測得值的函數(shù)關(guān)系。于是該用真值函數(shù)。由測量方程,可知真值函數(shù)的一般形式為:
Y = Ym–[f(X1m/o,X2m/o,……,XNm/o) - f(X1,X2,……XN) ] (10)
命題2 測量結(jié)果是真值函數(shù)的簡化表達(dá),測量結(jié)果包含真值
測量者通過測量得到測得值。由所用測量儀器的誤差范圍指標(biāo)值,得知此次測量的誤差范圍值。測得值加減誤差范圍是測量結(jié)果。測量者得到測量結(jié)果,測量結(jié)果包含真值,于是測量者就得到了關(guān)于被測量真值的完整信息。只要誤差范圍滿足要求,就達(dá)到了測量的目的。
測量結(jié)果包含真值,這是測量理論與實(shí)踐的真諦,說明如下。
1 測量儀器生產(chǎn)廠,給出的準(zhǔn)確度(誤差范圍)指標(biāo)為R儀,承諾是:
(1)可以測量量程內(nèi)的任何量。已建立測得值與被測量真值的對應(yīng)關(guān)系,即測得值函數(shù)。對真值Zi,給出測得值Mi.
(2)誤差元ri = Mi―Zi, 在i點(diǎn),Ri是ri的絕對值的最大可能值;在全量程上,R是諸Ri的最大可能值。廠家給出的誤差范圍指標(biāo)R儀,是保證:
R ≤ R儀 (11)
注:R儀也可以給出函數(shù)值,如數(shù)字電壓表。
2 計(jì)量檢定就是抽樣證明(11)式成立。
3 已知(11)成立,即有:
R ≤ R儀
而量程上諸點(diǎn)有:
Ri ≤ R
因此,不論在量程內(nèi)哪點(diǎn)上的那次測量,都有:
│ri│≤ R儀
也就是
│M―Z│≤ R儀 (12)
解絕對值關(guān)系式(12)。
當(dāng)M大于Z時(shí)
M―Z ≤ R儀
Z ≥ M―R儀 (13)
當(dāng)M小于Z時(shí)
Z―M ≤ R儀
Z ≤ M + R儀 (14)
綜合(13)、(14),有
M―R儀≤ Z ≤ M + R儀 (15)
(15)式表明,被測量的真值Z在以測得值M為中心的、以誤差范圍R儀為半寬的區(qū)間中。
只著眼于邊界點(diǎn),(15)式簡化表達(dá)為
Z = M±R儀 (16)
(16)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儀,被測量的真值可能小些,但不會小于M―R儀。
(四) 測量儀器是真值函數(shù)與測得值函數(shù)的體現(xiàn)
仔細(xì)想一想測量儀器的設(shè)計(jì)定標(biāo)過程,不難理解,測量儀器正是測得值函數(shù)的體現(xiàn),此時(shí),由真值而決定測得值。這是物理機(jī)制的作用。
仔細(xì)想一想測量時(shí)測量儀器的作用,測量儀器正是真值函數(shù)的體現(xiàn)。真值函數(shù)是測得值函數(shù)的反函數(shù)。測量知道測得值,而由測得值加減誤差范圍,得知了測量結(jié)果,測量結(jié)果包含著真值。
原來,測量儀器就是一個(gè)函數(shù)機(jī)。測量儀器根據(jù)測得值函數(shù)而設(shè)計(jì)制造,是由輸入量(真值)而決定輸出量(測得值)。應(yīng)用測量儀器進(jìn)行測量,儀器的物理機(jī)制把被測量的真值轉(zhuǎn)換為測得值,其作用就是實(shí)現(xiàn)測得值函數(shù);而測量結(jié)果是反過來,由測得值與誤差范圍而認(rèn)定真值,也就是依據(jù)真值函數(shù)而得知真值。
測量得到測得值。測得值的最大誤差的絕對值,由測量儀器的誤差范圍指標(biāo)值限定。用測量儀器的誤差范圍指標(biāo)值充當(dāng)該次測量的誤差范圍,是冗余代換,是合理的。這是正常使用儀器的情況,就是在儀器的正常使用條件下,正確操作。如果使用條件(如溫度條件、安放條件、反射系數(shù)),超出儀器正常使用條件,要加上附加誤差。注意,儀器的誤差范圍指標(biāo)值,包括了正常使用條件下的環(huán)境影響,如溫度引入的測量誤差。
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(五)誤差范圍貫通研制、計(jì)量、測量三大場合
在計(jì)量場合,考察對象是測量儀器的誤差范圍值,那就是儀器的示值與標(biāo)準(zhǔn)的真值之差。標(biāo)準(zhǔn)的真值是一般量的真值,它與測量場合被測量的特定量的真值,只要同值,就是可以相互代換的。認(rèn)識量值,是通過量值的作用來認(rèn)識。只要作用相等,就認(rèn)定他們是量值相等。這就是等量代換法則。
測量儀器的示值誤差范圍,依等量代換法則,就是測量儀器的測量結(jié)果中的誤差范圍,因而也就是測量的誤差范圍。
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(六)計(jì)量中的“示值誤差”與測量中的“測量誤差”的等效性
都成先生反復(fù)強(qiáng)調(diào)示值誤差與測量誤差的不同,這是把計(jì)量與應(yīng)用測量隔離開來的觀點(diǎn),忽略了一般量(計(jì)量標(biāo)準(zhǔn))真值與特定量(測量中的被測量)真值的等量代換性。否定等量代換性,就等于否定了儀器的測量原理,否定了計(jì)量的作用,就什么測量計(jì)量問題也認(rèn)識不成了。
測量計(jì)量的大局觀十分重要。測量計(jì)量兩步走,是法則,要區(qū)分二者,又要清楚二者的關(guān)系。如果計(jì)量中的“示值誤差”與測量中的“測量誤差”沒有關(guān)系,那就等于否定了計(jì)量的作用,也就否定了測量的依靠。
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研究問題要實(shí)事求是。最高的原則是客觀事實(shí),是客觀規(guī)律。
先生的一些觀念,似乎是千方百計(jì)地維護(hù)不確定度體系的說教。國際計(jì)量委員會的權(quán)威,八大國際權(quán)威組織的名望,的確不可小看;但能比得上真理的力量嗎?認(rèn)真研究國際規(guī)范的觀點(diǎn)是必要的,但更重要的是挺起中國人的脊梁,藐視不確定度體系的歪理邪說!
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補(bǔ)充內(nèi)容 (2017-9-9 15:06):
(3)式為 │Ym – Y│max= │f(X1m/o,X2m/o,……,XNm/o) - f(X1,X2,……XN)│max (3)
補(bǔ)充內(nèi)容 (2017-9-9 15:21):
測得值函數(shù)中,Y表示計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的真值,Ym表示測得值。而在測量結(jié)果的表達(dá)式中,M是測得值,Z是被測量的真值。Z與Y,同為真值,可以等量代換。 |