本帖最后由 史錦順 于 2014-11-8 10:37 編輯
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論“計量是統(tǒng)計測量”
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史錦順
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(一)兩類測量區(qū)分的標(biāo)準(zhǔn)
在測量計量領(lǐng)域中,無論是理論研究還是實(shí)際操作,都必須區(qū)分兩類測量。其核心思想是對象與手段的區(qū)分。
兩類測量區(qū)分的意義是明確如下諸點(diǎn):該用哪個σ,即該不該除以根號N;能不能剔除異常數(shù)據(jù);怎樣選取測量儀器;測得值表征量屬于對象還是手段。
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若著眼點(diǎn)是對象的問題,表征量歸屬于對象,稱為統(tǒng)計測量。統(tǒng)計測量的條件是:
Δ(手段) << Δ(對象) (1)
若著眼點(diǎn)是手段的問題,表征量歸屬于手段,稱為基礎(chǔ)測量。基礎(chǔ)測量的條件是:
Δ(對象) << Δ(手段) (2)
Δ指變化量或誤差范圍的指標(biāo)值(二者中取大者)。
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(1)(2)是測量計量劃分兩類測量的一般標(biāo)準(zhǔn)、通用標(biāo)準(zhǔn)。
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測量,以認(rèn)識量值為目的。在測量中,對象是被測量,測量儀器是手段。Δ(對象)是被測量的變化,記為Δ(物);Δ(手段)是測量儀器的誤差,記為Δ(儀)。
測量中的基礎(chǔ)測量條件具體化為:
Δ(物) << Δ(儀) (3)
測量中的統(tǒng)計測量條件具體化為:
Δ(儀) << Δ(物) (4)
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(二)計量是統(tǒng)計測量
計量的對象是測量儀器。考察的是儀器的誤差值。由于計量中所用的標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)稱值是已知的,標(biāo)準(zhǔn)的誤差范圍是可略的,于是可以用標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)稱值來代表標(biāo)準(zhǔn)的真值。
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儀器的誤差元等于儀器示值減真值。計量場合真值已知,研究誤差,就是研究儀器的示值。
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儀器誤差是示值與真值之差,即“真誤差”;人們得到的是示值與標(biāo)稱值之差,稱“視在誤差”,視在誤差與真誤差之差,是計量誤差。計量誤差范圍等于所用標(biāo)準(zhǔn)的誤差范圍R(標(biāo))。計量的必要條件是R(標(biāo))可略。設(shè)被檢儀器的誤差范圍指標(biāo)值為R(儀),層次比q=R(標(biāo))/R(儀),q越小越好,通常要求q≤1/4,時頻計量要求q≤1/10.
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由于標(biāo)準(zhǔn)的誤差范圍可略,于是可用標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)稱值來代表真值。就是用視在誤差來代表誤差(真誤差)。
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誤差有兩部分,一部分在重復(fù)測量中不變,這是系統(tǒng)誤差;一部分在重復(fù)測量中變化,這是隨機(jī)誤差。測量儀器的隨機(jī)誤差,表現(xiàn)為儀器示值有隨機(jī)變化。
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儀器的示值,在重復(fù)測量中變化,是隨機(jī)變量。通常,將示值代入貝塞爾公式計算,求σ,求σ(平),這都是把儀器示值當(dāng)隨機(jī)變量來處理。
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被檢儀器的示值是準(zhǔn)隨機(jī)變量(大的常值上有小的隨機(jī)變量),對準(zhǔn)隨機(jī)變量的測量定義為“統(tǒng)計測量”。因此說:“計量是統(tǒng)計測量”。
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在計量場合,對象是被檢測量儀器,而手段是計量標(biāo)準(zhǔn)。計量標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)必須遠(yuǎn)小于被檢儀器的指標(biāo),符合條件(1),因此,計量是統(tǒng)計測量。計量與測量的對象與手段有原則性不同,判別計量是哪類測量,不能用測量場合的特定條件(3)與(4),而必須用通用條件(1)與(2)。
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(三)計量的數(shù)據(jù)處理方式
1 計量中的嚴(yán)格的定量計算
設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的真值為Z,標(biāo)稱值為B,儀器示值為Mi,測量次數(shù)為N。
1.1 求平均值M(平)
M(平) = (∑Mi)/√N(yùn) (5)
1.2 按貝塞爾公式計算實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差σ。σ是統(tǒng)計變量的單值分散性的表征量,記為σ(單)。
1.3 求平均值的σ(平)
σ(平) = σ/√N(yùn) (6)
1.4 求測量點(diǎn)的系統(tǒng)誤差
R(系)=│M(平)-B│ (7)
1.5 平均值的隨機(jī)誤差是3σ(平)
1.6 被檢測量儀器示值的隨機(jī)偏差是3σ
1.7 被檢測量儀器的誤差范圍由系統(tǒng)誤差R(系)、確定系統(tǒng)誤差時的測量誤差3σ(平)與示值的隨機(jī)誤差3σ合成。因有第3項(xiàng),第二項(xiàng)可略。因系以標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)稱值為參考得出,稱其為誤差范圍實(shí)驗(yàn)值,記為
R(實(shí)驗(yàn))= R(系) + 3σ (8)
1.8 被檢測量儀器的誤差范圍(以真值為參考的真誤差范圍)
R = R(實(shí)驗(yàn)) + R(B)
= R(系) + 3σ+R(B) (9)
R(B)是所用標(biāo)準(zhǔn)的誤差范圍。因?yàn)檎`差范圍定義為誤差元的最大可能值,故(8)(9)式都取加號。
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2 計量中嚴(yán)格的合格性判別
被檢測量儀器的誤差范圍R不大于儀器的指標(biāo)值,合格。
R ≤ R(儀)
R(實(shí)驗(yàn)) + R(B) ≤ R(儀)
R(實(shí)驗(yàn)) ≤ R(儀) – R(B) (10)
R(系) + 3σ ≤ R(儀) – R(B) (11)
│M(平)– B│ +3σ ≤ R(儀) – R(B) (12)
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誤差范圍是誤差元絕對值的最大可能值,因此計量時要找誤差元的最大可能值。(10)中R(實(shí)驗(yàn))是一個測量點(diǎn)上的誤差最大可能值(統(tǒng)計方法用3σ)。注意,測量儀器的誤差范圍指標(biāo)是就量程的各個點(diǎn)而言的,因此要找各點(diǎn)的誤差范圍值的最大值。
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3 計量中的簡化處理
在檢定工作中,為簡化計算,可采用如下計算與判別方式:設(shè)Δ是儀器測得值與標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)稱值之差,若
│Δ│max ≤ R(標(biāo)稱) – R(B) (13)
則儀器合格。
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為充分顯現(xiàn)誤差元的最大可能值,要根據(jù)測量儀器的特點(diǎn),合理的設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)稱值。標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)稱值要有足夠的細(xì)度、足夠的量值范圍,合理的分布。檢定中,要有足夠的采樣點(diǎn),有足夠的測量次數(shù)。要重點(diǎn)針對測量儀器的薄弱點(diǎn)。總的原則是要找到測量儀器誤差的最大可能值。
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在上述關(guān)于計量的討論中,核心概念是誤差范圍。因?yàn)橛嬃繄龊嫌杏嬃繕?biāo)準(zhǔn),誤差元是可以求的,但求誤差元是過渡,最后都要落實(shí)到誤差范圍上。
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(四)JJF1094-2002《測量儀器特性評定》補(bǔ)充與置疑
JJF1094-2002的合格性判別式為
│Δ│ ≤ R(標(biāo)稱) – U95 (14)
1 補(bǔ)充
│Δ│是被檢儀器的示值與標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)稱值之差。測量中,可能只測量一個值,是隨機(jī)選取的,因此它體現(xiàn)了單值的分散性;也可能是多個取值,而要取其中的最大值。各測量點(diǎn)的值不同,要取最大者。│Δ│不能取平均值,因?yàn)槿∑骄档扔谀⒈粰z儀器的隨機(jī)誤差。因此,應(yīng)加最大值符號max,記為│Δ│max。
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2 置疑
比較判別式(14)與(13)可知,右側(cè)的R(標(biāo))換成了U95,是錯誤的。U95包含了被檢儀器的性能,是不應(yīng)該的。
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(五)A類不確定度評定的三個弊病
1 對統(tǒng)計測量,本應(yīng)是σ(單)而錯誤的用σ(平)。除以根號N是錯誤的。除以根號N的作用,是抹殺隨機(jī)變量的變化特性。
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在統(tǒng)計測量中,隨機(jī)變量的偏差這個隨機(jī)變量,本來是一個常值加一個可正可負(fù)、可大可小的隨機(jī)值,偏差元d與偏差范圍D應(yīng)為
d = r(平) ± 3σ
D = D(系) + 3σ
其中
D(系)=│M(平)– L(標(biāo))│+3σ(平)
有
D=│M(平)– L(標(biāo))│+3σ(平) + 3σ
D(系)是測量儀器示值的平均值與標(biāo)稱值之差的絕對值,稱系統(tǒng)偏差范圍。
不確定度的A類評定,把3σ丟掉,實(shí)際是將D代換成D(系),這是不對的。這大大降低了被測量客觀存在的分散性。
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2 對基礎(chǔ)測量,隨機(jī)誤差由測量儀器引起。測量儀器的誤差范圍為
R(儀)= R(系)+3σ
R(系)只在有計量標(biāo)準(zhǔn)的場合,即計量場合才能確定。因此在測量場合,A類評定不能完成獨(dú)立的評定。由此,不確定評定,不能沒有B類評定,而B類評定中的“說明書
規(guī)格”中,已包含儀器的隨機(jī)誤差范圍。A類評定,重計了。也就是說,對基礎(chǔ)測量來說,A類評定是多余的。
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3 評定檢定的誤差與檢定裝置的檢定能力,錯誤地加進(jìn)被檢儀器的性能。居然出現(xiàn)用銫標(biāo)準(zhǔn)檢定不了通用頻率計的怪事。錯誤理論,危害大矣!
不確定度論的錯誤,產(chǎn)生的根源之一是不能區(qū)分兩類測量,沒有認(rèn)識到計量是統(tǒng)計測量。
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(六) 明確“計量是統(tǒng)計測量”的意義
1 計量中不能剔除異常數(shù)據(jù)。有異常數(shù)據(jù),要找到原因,是被檢儀器的問題,就判定儀器不合格。是檢定裝置或環(huán)境條件的原因要改進(jìn)。在沒有異常數(shù)據(jù)的條件下,才能給出檢定結(jié)果。
2 要找被檢儀器示值變化的最大可能值。因?yàn)闇y量儀器的隨機(jī)誤差的表征量是σ(單),而不是σ(平)。
3 計量標(biāo)準(zhǔn)在檢定中是手段,手段的因素必須可以忽略。檢定必須用夠格的計量標(biāo)準(zhǔn)。
4 必須區(qū)分手段與對象,不能把對象的問題錯賴在手段上。要抵制不確定度評定的錯誤作法。評定檢定裝置的檢定能力,不能把被檢儀器的性能計入。合格判別的U95的評定,包含有被檢儀器的因素,不對;要把U95換成標(biāo)準(zhǔn)的誤差范圍R(標(biāo))。
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筆者提出“計量是統(tǒng)計測量”,反對者甚多。確實(shí),理解這個問題有一定難度。但老史確信:贊成者會越來越多。是金子,總會發(fā)光。是真理,就不怕被人反對。希望一時還反對這個論點(diǎn)的網(wǎng)友,仔細(xì)思考一下,不要輕率地排斥新學(xué)說。需知,真知灼見是抹殺不了的,真理是壓制不住的!
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