本帖最后由 史锦顺 于 2017-2-12 11:14 编辑
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公式化的学问——同李博导论学术(1)
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史锦顺
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引言
很高兴看到nilyx先生的连珠炮式的质疑。
写出文章,有人质疑,为什么不恼火,反倒高兴?
第一,质疑者是学术界高人。njlyx是“南京李永新”的全拼字头。网上查得:先生乃南京理工大学教授、博士生导师。研究方向是动态测试计量技术、智能测控技术。
第二,问题专业、具体、水平高。
第三,高人的高水平问题,自当回答。回答就是一次说理的机会,一次宣讲、推广新学术观点的机会。
“人生能有几次搏”?好,抓紧机会,同教授网友切磋,讲道理、论学问;兼顾向不确定度论开战!
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李先生谦虚,曾告诫我,不要提网上查得的虚名。我这里庄重地写出实况,说明:这不是“虚名”,而是“实际身份”。我写这些的目的是:即使是博导,我也不仅能够答辩,甚至可以答疑,于是便可以表明我的自信:敢于创立独具特色的测量计量的新学说;向任何高水平的教授“解惑授业”。不行吗?请认真看看老史的文章,再来点评。
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1 系统误差的理论及系统误差在仪器误差体系中的位置
经典误差理论,主要是随机误差的理论,系统误差讲得少。不确定度论,一提系统误差,就说“已知系统误差修正掉了”,因而几乎没有系统误差的理论。
其实,系统误差是测量仪器误差范围的主要部分。系统误差大小,是测量仪器水平的主要标志。测量仪器与测量方法的创新,主要是减小系统误差。
讨论测量计量理论,必须以系统误差为重点。因为事实上,全世界的99%以上的测量仪器是不修正的。
测量仪器的误差范围指标值,以系统误差为主。仪器的指标值,是研制生产、计量、应用的核心概念,整个计量体系就是保证这个值的实用性、科学性、可靠性。必须重视系统误差,必须重视误差范围的指标值。
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1.1概念与定义
1) 误差元:示值减真值
r = M-Z (1.1)
2) 误差范围:误差元的绝对值的一定概率(99%以上)意义上的最大可能值
R = |r|max=|M-Z|max (1.2)
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3)随机误差元:示值与示值期望值之差
ξi = Mi- EM (1.3)
4)标准偏差:
s =√[1/N∑(Mi-EM)2] (1.4)
5)实验标准偏差。即贝塞尔公式计算的标准偏差(用平均值M平代换期望值EM)
σ = √[1/(N-1)∑(Mi-M平)2] (1.5)
6)随机误差范围(正态分布,包含概率99.73%)
R随 = 3σ (1.6)
7)示值平均值M平的标准偏差
σ平 = σ /√N (1.7)
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7)系统误差元:示值期望值与被测量真值之差
β = EM-Z (1.8)
8)系统误差范围:系统误差绝对值的最大可能值
R系 = |β|max = |β| (1.9)
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1.2 关于系统误差公式的推导
由误差的定义(1.1),插入示值M与真值Z的中间量,按以上的定义,就可得到系统误差的表达式、误差范围实测值的表达式、计量误差的表达式、测量系统误差之误差的表达式。
1.2.1 计量时的视在误差
视在误差元
r视 = M – B (1.10)
r视 = M–EM + EM -M平+M平–B
= (M平-B)+ (M–EM) – (M平-EM)
=系统误差视在值∪示值的随机误差∪示值平均值的随机误差
= β视±3σ±3σ平 (1.11)
视在误差范围(一项系统误差,两项随机误差合成取方和根)
R视 =√[β2+(3σ)2+(3σ平)2] (1.12)
在检定规范《JJF1094-2002》中,符号|Δ|,对低档简单仪器可用(1.10)表达的R视,对精密仪器就该是(1.12)表达的R视。
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1.2.2 计量的误差范围
计量就是认知被检仪器的误差。所求仪器误差元定义为
r = M-Z (1.1)
求得的视在误差元为
r视= M-B (1.10)
视在误差元与仪器定义误差元之差是计量误差元:
r计 = r视 - r
= M-B–(M-Z)
= Z-B
= r标 (1.13)
计量的误差范围(测量仪器误差时的误差范围)是
R计 = |r标|max
= R标 (1.14)
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1.2.3 合格性判别公式
计量是认知被检仪器的误差范围R仪。而测得的是R视。由(1.14),计量的误差范围是标准的误差范围。仪器误差量的测量结果是
R仪= R视±R标 (1.15)
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合格的条件是被检仪器误差范围的测得值小于指标值R仪/指标
R仪 ≤ R仪/指标 (1.16)
仪器误差范围的最大可能值是R仪= R视+R标 ,若此值满足要求,则仪器误差的其他可能值都满足要求,即仪器合格。因此仪器的合格条件是
R视+R标≤ R仪/指标
即
R视 ≤ R仪/指标 - R标 (1.17)
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仪器误差范围的最小可能值是R仪=R视-R标 ,若此值不满足要求,则仪器误差的其他可能值都不满足要求,即仪器不合格。因此仪器的不合格条件是
R视-R标 ≥ R仪/指标
即
R视 ≥ R仪/指标 + R标 (1.18)
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1.2.4 测定系统误差的误差
测定系统误差,是校准的必然操作。其实,对精密仪器的检定也要测定系统误差,以便精确地测定仪器的实际误差范围。
系统误差元的定义值是:示值期望值与被测量真值之差
β = EM - Z (1.8)
系统误差的测得值为
β测 = M平- B + 分辨力误差
= M平- EM +EM +Z - Z - B + 分辨力误差
= (EM – Z) + (M平- EM) +(Z – B) + 分辨力误差 (1.19)
系统误差的测定误差元
rβ = β测 – β = 3σ平 ± R标 ±分辨力误差
测定系统误差时的误差范围(仅R标一项系统误差取“方和根”)
Rβ =√[ (3σ平)2 + R标2 +分辨力误差2] (1.20)
系统误差的测量结果是
β = β测±Rβ (1.21)
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1.3 有关系统误差的操作
1.3.1 系统误差的测量
笔者在《史氏测量计量学说》(征求意见稿)与《测量计量的公式推导——兼论不确定度论的错误(1)》一文中,具体写出了系统误差β的测量方法。现重述如下
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求系统误差β的操作(检定与校准操作相同,表达误差有区别)
仪器示值为Mi,测量N次(N=20)。
1)求平均值M平。
2)按贝塞尔公式求单值的σ。
3)求平均值的σ平
σ平= σ /√N
4)求测量点的系统误差值
β测 = M平-B
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1.4 几项答辩
1.4.1 关于分辨力误差的有无
关于误差分析,校准与检定略有不同。
分辨力误差,凡有示值出现的地方,必有分辨能力的问题。数字仪器的加减尾数1个字的误差,即分辨力误差,是不可避免的。要不要计及分辨力误差,不是因为该项的存在与否,而是看其作用的比例。
检定是找“仪器示值误差绝对值的最大可能值”。仪器误差范围中包括随机误差范围3σ,系统误差β,确定系统误差的误差σ平,以及仪器分辨率力误差。分辨力误差同3σ与β的合成结果相比,是个小量,故检定中,可略去分辨力误差。
在校准中,目标是对系统误差进行修正。测定修正值(系统误差的反号)的误差范围包括被检仪器的σ平、被检仪器的分辨力误差以及计量标准的误差。σ平比σ小数倍;标准的误差比β小数倍。就是说,为搞修正而测定系统误差时,同分辨力相比的误差量小,因此分辨力的作用就不能忽略了。这就是校准中该有“分辨力误差”项的原因。
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1.4.2关于如何测量系统误差β
先生给出的方法是“纵横”N次测量。太多了,没必要。
N个数据一组,再取N组。10×10=100;20×20=400;而阿仑式要求一组100次,则为100×100=10000次,太多了,不可能推行,实际也没必要。
我提倡测20次,仅取这一组数据。这比检定规程上的或通常采用的1次/3次/6次/10次,就够多了。但对精密仪器,是必要的。
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对先生的方案,这里不客气地指出两点:
1 对误差理论的σ平=σ/√N的理解与是否相信的问题。
示值的平均,包括了对系统误差的平均。已知的知识要敢用,要相信。σ平=σ/√N是M平的误差,也是测量β的误差。推导、证明这个公式要用到N×N个数,而到了各种计量测量场合,要相信这个公式,应用这个公式。
2 对系统误差恒值性的理解和了解的问题。基本恒值的系统误差,是没有必要测量那么多次的。
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晶振的频率,有极高的稳定性。在现代计时、测频、测速、测距、电话程控等许多领域有重要应用。我自己测量晶振上千台,参与全国晶振评比三届,先后共一百二十多台,每台我都处理了数据;而画成图示,与会者只有我一人。我在职期间测量晶振的漂移率,时间累计超过一千天(测量日老化率,一次是七天或15天)。
测量晶振频率日漂移率的基础是测准每个取样时刻的频率偏差值。对以晶振为时基的仪器来说,这个频率偏差值,就是系统误差值。
在晶振的常稳测量中,每个采样时刻的测量,是多少次呢?3次足矣。因为系统误差值约为10-7,而10秒采样的σ为10-12;标准的变化率,比要测得的晶振变化率小一个量级到几个量级,即测量的各种误差,都可忽略,测三次足矣。而本所十余个装配晶振的工人,他们则每点只测一次(因为数据极稳定,基本不变,也没法让他们一定重复测量;这只是工人自己认定是否达到要求,不做为正式性能数据)。
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1.4.3 分辨力误差的实例
任何有示值的地方,都有分辨力误差。测频最明显。一般数字式频率计测频,是数闸门时间内的脉冲数。尾数1,秒采样一个数代表1Hz;而毫秒采样时,一个数代表1kHz.这样,尾数的一个字分辨力误差,就是1kHz.
加分辨力误差是正常现象。而不加分辨力误差,是因为与其他项相比,可以忽略。
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1.4.4 关于二量差的误差公式
【njlyx质疑】
譬如,用一把数显卡尺测量两根同型号工件的长度L1、L2,假定这把数显卡尺的所谓“误差范围”为R, 测得
L1=10.10 ± R; L2=10.05 ± R。
若按您的笼统一个“大框”、遵循所谓“误差取上限”的“方法”,将有
( L1+L2) = 20.15 ± 2R;
( L1-L2) = 0.05 ± 2R.
这符合实际经验吗?!
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【史辩】
先生的解法完全正确。
因为只知道数显卡尺的误差范围指标值,只能按最不利的情况,即系统误差等于误差范围来计算。这是误差量的特点“上限性”与误差分析计算的保险原则所确定的。必须如此。
至于二项差的误差范围,上限就是二误差范围之和。这就是测量理论中讲的——测量方案的选取,要尽量避开“测量二项之值再求差”的测量方案。懂不懂误差理论,这是分歧点之一。这个题目可以反过来用,就是测量取差值法,又叫微差法。测准差值,可以大大提高测量总体的准确度。频标比对器就是基于这个原理而设计的。
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1.4.5 关于交叉系数的认定
【njlyx质疑】
2.实用中,这【“多项和”平方展开式的交叉系数】从何处取得?
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【史答】
一项正确的理论,推导虽然难些或麻烦些,但使用中,条件明确,方法简单,这是好理论。因为理论归根结底是服务于实际应用的。笔者的“交叉系数决定合成法”的理论,恰恰是应用简单。两项系统误差的交叉系数是+1或-1。两项系统误差合成,交叉系数仅能是+1或-1.于是仅有“绝对和”与“绝对差”两种可能。根据误差量的“上限性”特点,只能从大计算,那就是取方和根。可能有人说:取+1取-1,概率各是50%,为什么取+1?老史回答:这是处理误差量,必须从大。绝对值相加与绝对值相减是两个值,那就必须取大者,就是绝对值相加……
其实,误差范围取误差元绝对值之大者,是惯例,不是老史的新主张。例如,仪器的随机误差,一个误差元的取值,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%,就是说,误差元取值恰好为3σ的概率不足0.3%.那为什么不顾及大多数,不理睬取值的权重,而要取随机误差的误差范围是3σ呢?就是在包含概率99.73%的意义上,取值3σ,是允许取值中的绝对值最大值!要平均吗?误差量讲究上限性,不能平均。可以加权平均吗?也不行,误差量的特点是一定概率意义上的上限性。不论小值有多少,只要99%概率意义上的最大值。
小误差值千千万,平安无事,不必过问。超差的大值一个,就可能使火车出轨,就可能卡死炮弹,就可能使卫星脱轨……
两项系统误差合成,取绝对和与绝对差,概率各占50%,选最大的、保险的“绝对和”是必要的是正确的。
各种交叉系数的认定选取,老史使出晚年的几乎全部心血,已经论证完毕(这里边包括一些崔伟群、李永新的研究成果),而要读懂它,高中毕业以上,费点脑筋即可。至于广大测量计量人员,就实际应用的方法来说,只有两句话:
1) 两三项大系统误差,取“绝对和”,此值以及其他各项随机误差、各项绝对误差,一律取“方和根”。
2) 间接测量时,各项直接测量的所用仪器的误差范围指标值,视为各项仪器的系统误差。处理同1)。
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实用中,按口诀1)操作。关于交叉系数决定合成法的全部理论已经包含了,交叉系数的作用已经体现了,现实操作,就不用再来确定交叉系数了。
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1.4.6 关于包含概率
【njlyx质疑】
3. 按您的“方法”, 所得“范围”R的包含概率具体是多少?——99.73%? 99.99?? 99.999? 99.9999?...... 在许多情况下,它们对应的“范围”R值可差得远了!!
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【史答】
包含概率的问题,宜粗不宜细。测量计量理论是实用理论,扣住3σ就可以了,方便实际操作。不确定度论,无故把通用的99%降低到95%都能蒙混许久(如此大幅降低包含概率是错误的,因为应用者根据的是“合格”还是“不合格”,应用者不可能取抠明白概率上的差别以及如何实际应用)。至于取3σ之后,再抠99.**%,那些0.**%的差别,就太难了,也无必要。要讲究,那就太学究气了。绝对理想的“正态分布”也许根本就不存在。已有的知识是可能有小比例的t分布情况,于是保守地称为:取3σ,而包含概率大于99%,是可以的。保险就可以了,难于弄明白的地方,不深究,也是一种明智。
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1.4.7 关于模型
【njlyx质疑】
“定量”评估“测量误差”(范围),必须运用适当的“数学模型”(这与是否采用“测量不确定度”无关!),虽然少不了一些合理的“假定”,但总好过随心所欲!
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【史辩】
复杂的工程问题,难于给出函数关系。设置模型,可以简化问题,便于处理。
测量计量相对比较简单。不必给出模型,直接给出函数关系,是可能的、必要的,也是最严格的。
测量仪器、计量标准的发明与设计,必须给出测得值函数。某型不能代替。
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分析计量的误差,分析测定系统误差的误差,用直接的建立函数关系、微分等手段,可以严格处理,不该用模型来取代。
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不确定度论的许多错误,与模型不当有关。
“假设不相关”,明明交叉系数绝对值是1,是强相关的;而VIM/JJF1001这些高等级的世界规范、国家规范,竟用三个条款规定,在误差合成中,凡有系统误差的地方都可忽略协方差。即规定相关系数为零。这就是“假设”、“模型”的严重教训。
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把老史基于函数关系的分析,影射成是“随心所欲”,是对事实的歪曲。评论要实事求是,粗看一下,还没弄明白,就做否定的结论,那才是“随心所欲”。
学术在研究中,新观点更需要检验。但老史“坚持真理修正错误”的态度是明确的,也是有目共睹的。
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关于“取方根”的根据,是否合理,这倒是个好问题、大问题。下次详细论述。
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