史氏測量計量學說——第8章 研制點滴

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                                          史氏測量計量學說            
                                                           ——第8章 研制點滴            
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                                                                                                                                        史錦順           
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       測量依靠測量儀器，計量依靠計量標準。測量儀器與計量標準是測量計量的工具，是手段，是物質基礎。
       研制、計量、測量這三大環節，相互貫通，相互依賴，構成測量計量功能的完備性。計量體系實現著量值的準確、一致，體現了人類社會的組織功能，是一項人類文明。
       研制，即研究、制造并建立計量基準，研究、制造并建立各級計量標準，研制并進而生產測量儀器，這三類研制的水平，代表整個測量計量界的水平。
       測量計量的理論，要解決一般性的問題，但更重要的是處理研制中的問題。研制必須靠誤差理論。不確定度論對研制毫無用處。當今不確定度論喧囂于世，似乎是當家理論，由于它無能處理研制問題，沒法介入；于是在研制場合，還是誤差理論當家管事。
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       研制工作，既要有高的理論水平，又要有實現的技術能力。研制的最大特點是其先進性與多樣性。研制是發明，研制是創造，大大小小的研制，都是對國家，對社會的貢獻。新機制的基準的發明，是諾貝爾獎的項目。時頻基準的研制，已有六位獲諾貝爾物理獎。發明新機制的計量標準，發明新原理新機制的測量儀器，都是國家發明獎項目。就是成功仿制國外的新機制的基準、標準、測量儀器，只要是填補國家技術空白的，都是國家科技進步獎項目。
       追求準確，是研制的要點。準確的程度，用誤差范圍來表征，誤差范圍稱為準確度。
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1 指標要留有余地     
       研制中的小部分是追求高水平；而大量的通常的研制，是滿足社會需求。
       通常的研制，是生產的準備、是生產的樣板。生產的使命是滿足社會的需求。社會對準確程度的要求，有不同的層次。研制與生產首先該確立目標，即確定準確度指標，就是確定誤差范圍的指標值。
       誤差元是測得值減真值；誤差范圍是誤差元的絕對值的一定概率（99%）意義下的最大可能值。誤差量的特點是誤差元絕對值的上限性。因此當人們制定儀器的誤差范圍指標時，或說明測量的測量結果時，誤差范圍可以說得大，而不能說得小。就是說要給出誤差范圍的上限值，這個誤差范圍放大后的上限，是人為的規定，是誤差性能的指標值。
       誤差范圍的指標值的確定，第一要根據社會的需求；第二要留有余地。生產廠給出的指標，是廠家對社會的承諾。在說明書規定的使用條件下，只要正確操作，測量儀器必須符合其性能指標。經常出現一種誤解，那就是有些人誤以為測量儀器的指標值越接近測量的實際誤差值越合理。不，測量的實際誤差，必須不大于誤差范圍指標值，這是必須的，但這還不夠，指標值必須有余量。最好留1/3以上。實測誤差值比指標值小得越多，用戶越信任，廠家聲譽就越高。
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2 研制要有標準      
       研制測量儀器，必須有比測量儀器指標高一個檔次的計量標準。用來抽樣證實測得值函數的正確性。就是證實實測的誤差范圍值都小于誤差范圍指標值。檢驗合格的產品才能出廠。檢驗測量儀器，必須有計量標準。
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3 理論工作         
       3.1 確定物理機制
       用哪種物理機制，是研制測量儀器，研制標準與基準的重大決策，是前提，是基礎，是研制成敗的關鍵。
       物理機制體現了基本工作模式，包括機內標準、數據采集，比較，輸出的方式等的方案，以及量程、分辨力、準確度等技術性能的考慮。
       選取物理機制要與誤差分析結合進行，經反復比較后確定。
       3.2 建立測量方程（第3章）
       3.3 基于測得值函數進行誤差分析（第3章）
       3.4 用“絕對和法”合成誤差范圍（第5章）
       注：第3章、第5章的內容，是研制的理論基礎。誤差的分析與合成是研制的基本理論工作。
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4 制造         
       1 根據誤差分析提出分項要求；
       2 進行可靠性設計，零部件必須滿足可靠性要求
       3 選購零部件、加工，分項檢驗；
       4 裝配、調整；
       5 檢驗
       一切分析，一切計算，都要經過實測證實。經過檢驗（類似計量，參考下一章）合格，才能出廠。為確保可靠性，要經過例行實驗（主要是惡劣環境考驗以及震動、土路跑車等）。

5 幾點個人體會     
       5.1 測量儀器的作用是一種函數變換      
       為得知量值的大小，要用測量儀器進行測量。測量儀器可以看成是一臺函數機。研制儀器時給出的是測得值函數。此時真值是自變量，測得值是函數。計量是證實這個函數，而測量是利用這個函數的反函數，稱被測量的量值函數。被測量的量值就是真值，因此就是真值函數。真值函數的自變量是測得值，而真值是函數。測量就是由測得值而認定真值。
       測得值函數為
              Ym = f(X1m/o,X2m/o,……,XNm/o)-f(X1,X2,……XN) + Y                               (4.1)
       此式可以簡化（參見第4章；又Ym是測得值M，Y是真值Z）為
              M =Z±R                                                                                                   （8.1）
       （8.1）式由（4.1）式導出，（8.1）與（4.1）式等效。因此，測得值公式（8.1）是測得值函數式的簡化表達。
       由（8.1）很容易推得（參見第4章）：
              Z=M±R                                                                                                    （8.2）
       （8.2）式稱為測量結果。
       測量結果的物理意義：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，被測量的真值可能小些，但不會小于M―R。
       原來，（8.1）是測得值函數；而（8.2）是真值函數。因為二式中都有±號，都不是單值函數。是一個已知量對應一個未知量區間。區間的半寬是誤差范圍R。研制是確定誤差范圍R；計量是公證誤差范圍R；測量是應用誤差范圍R。
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       5.2 明確物理概念            
       測量計量，特別是建立基準或國家標準，是基礎物理學工作，一定要物理概念明確。
       我大學畢業分配到國家計量院，一開始就被授命籌建微波阻抗國家標準。什么是微波阻抗？復習大學微波教科書，查國內外資料，陷入概念的矛盾中。分析雙線、同軸線阻抗的個性，分析各種傳輸線的共性，再分析波導的特性，于是總結出“連續條件”這個要點，便產生了認識的飛躍。
       矩形波導是微波傳輸線主要形式。矩形波導的特性阻抗，是美國人謝昆諾夫于1944年提出的。載于國內外各種大學教科書、各種專著。由于囿于“電壓比電流為阻抗”的傳統習慣，忽視了波導中電磁場的分布特性，弄錯了連續條件，形成了概念性的錯誤。
       我根據連續條件，提出波導特性阻抗的新概念，為建立微波阻抗標準打下堅實的基礎。此事受到國家計量總局李樂山局長的重視。后經國防科委領導錢學森先生批轉討論，由此在我國人衛地面站的建造中，被成功應用。（《電子學報》1979.2）
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       5.3 消除系統誤差，提出“雙探針法”         
       原蘇聯的微波標準方案，是滑動標準負載。主要誤差項是接頭等的固有反射誤差。該誤差項等于反射系數模值與反射角余弦的乘積。余弦角與反射波的行程有關。改變行程1/4波導波長，則反射角改變180度，則反射角余弦反號。
       在標準波導段上，設置兩個探頭，相距1/4λg。在兩個探頭上測得兩個反射系數，取兩個反射系數的平均值，則消除了固有反射誤差。
       這就是定度標準負載的雙探針法。1966年初，在全國新產品展覽會上展出。其中滑動式標準負載由大華儀器廠生產。
       消除系統誤差的“正負抵消”法，后來被肖明耀寫入誤差理論書中。
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       5.4 選取光路減小系統誤差         
       熱軋鋼板生產線上用的激光測厚儀，是幾個年輕人的研制項目。負責人請我審查方案，我提出兩點：1 誤差分析結果，必須簡化，要能提出對加工的具體要求；2 鋼板傾斜誤差是正切關系，小角度正切近似等于弧度，此項誤差等于傾斜弧度，誤差過大。這第二點，使方案不能成立。
       經過幾天的琢磨，我提出改進辦法。倒換一下光路，將“斜入射、垂直檢測”改為“垂直入射、斜檢測”，于是，鋼板傾斜誤差，由正切變為余弦與1之差，而小角度的余弦等于1減弧度的平方，則此項誤差變成弧度的平方。弧度是百分之幾，弧度平方是萬分之幾，這樣，該項誤差就可略了。此機后來正規生產，并有出口。
       這里還有一點，體現誤差分析的作用。美國人的方案，鑒于橫梁的溫度效應將引入測量誤差，于是用溫度系數小的石英制作橫梁。我的誤差分析結果是，橫梁與立柱的誤差符號相反，用同樣的材料（鑄鐵）二者誤差有相互抵消作用。美國的方案，顧了橫梁而忘了立柱（因強度問題，立柱不能用石英材料），橫梁用石英材料，代價高、不結實，又破壞了誤差的抵消作用。
       我們的方案，牢固、成本低、誤差小。美國的報價是本機售價的5倍。
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       5.5 驗證誤差公式的外推法      
       誤差公式是靠誤差分析推導出來的。誤差公式應該經過實驗證明。
       由于誤差量通常很小，而測量儀器的分辨力有限，誤差公式通常不能直接測量證明。外推法的要點是故意設置誤差項的數值，達原值的幾十倍到幾百倍，就可用通常的較精密的儀器判別了。
       在推導矢量網絡分析儀（核心是雙定向耦合器）的全解時，我發現：理論上信號源的反射不引入反射系數的測量誤差。而美國的矢量網絡分析儀有“信號源反射誤差”項，等于信號源反射與被測反射系數的乘積（這對單定向耦合器反射計是對的）。
       我的理論分析結論，是矢量網絡分析儀的信號源反射不引入測量誤差。這與國際上的認識相反。誰對誰錯，必須用實驗來判別。
       做實驗的方法是夸張信號源的反射系數。通常的信號源反射系數為小于0.05，直接測量，鑒別力低。我用一段銅絲纏在一個同軸線接頭上，使產生0.3的反射并測準。先用正常信號源（反射小于0.02），測一滑動反射體，得反射系數r(A)；將反射系數為0.3的接頭接在信號源出口處（等效信號源反射系數為0.3），再測那個滑動反射體，得反射系數r(B)。實驗結果是r(A)與r(B)相等，證明對矢量網絡分析儀來說，沒有“信號源反射”這項誤差。
       1967年，為編寫測量線檢定規程，我清理說明書、教科書上的微波測量線的誤差公式，證實了幾種，否定了幾種，用的都是外推法（“測量線檢定與誤差公式的實驗判別”《無線電技術》1976.10）。
       建立基準，完全依靠誤差公式，外推法更顯得重要。
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       研制，無論理論與實踐，博大精深，日新月異，無窮無盡。故本章所論，點滴而已。
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補充內容 (2015-2-5 11:34):
“構成測量計量功能的完備性”應為“體現測量計量功能的完備性".

多謝專家的分享，謝謝