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1、测量是认识过程
1.1、事物与事物的性质
事物是有属性的事物;属性是事物的属性。
事物的特有属性,称为事物的性质。
人通过认识事物的性质,来认识事物。
以上是普通逻辑学的基本规律。凡是将事物与事物性质相分离的观点与作法都是错误的。
1.2、测量是人的认识过程
测量是将待测量与已知标准量相比较,以确定被测量与选定的测量单位的比值。这个比值与测量单位的乘积就是测量值。
低精密度的普通测量,可以测量一次。精密测量要进行重复测量,取N次测量(N取20,不得少于10)的平均值为测得值。
测量是人认识事物量值的手段,测量是认识过程。测量获得的关于量值的信息:测量值、测得值,以及量值的表征量,都是事物的性质,归属于事物本身。
1.3、测量表征量的归属
测量仪器是测量的手段,被测量是认识的对象。测量的测得值归属于被测量。
测量的表征量,既是测量的表征量,更是测量仪器或被测量的表征量。
通常,测量的表征量是由测量仪器、被测量、环境因素(如温度)等共同作用的结果。
外界影响,如环境温度的影响,必定通过“仪器”或“被测量”来起作用。外界影响能起到的作用的大小,表现仪器或被测量的抗影响的能力,要分别归入仪器或被测量的表征量中。
物理常数的测量,是用世界上准确的仪器测量宇宙间稳定的量值,限于测量当时的技术水平,不能区分表征量的归属,称为“不确定度”是恰当的。物理常数的“不确定度”,包括测量仪器的误差范围,也可能包括尚不能判别的量值本身的变化。
除物理常数测量以外的通常的测量,仪器的计量,都区分开测量表征量的归属。
一个测量表征量,如本文讨论的“测量重复性”,在测量中区分开是测量仪器的,还是被测量值的。
2、测量重复性的归属
测量重复性,是一个测量表征量。区分开是测量仪器的,还是被测量值的。
测量重复性由测量仪器引起的,称为“测量仪器的重复性”。测量仪器的重复性,是仪器本身的性质,其作用是引入测量的重复性。各种精密仪器的构成不同,产生随机误差的原因不同。其中一个重要原因是电子器件的噪音。这是内因。外界环境的随机影响,是随机误差产生的外因。这些内外原因导致的随机误差,就是仪器自身的“重复性”。误差理论所称之“随机误差”,简单直接而本质,不确定度体系从手段“测量”的角度,强调“重复性”,似乎只有测量才有“重复性”,而测量仪器没有“重复性”,这是错误的观点,错误的说法。其实,基础测量的“测量重复性”,就是测量仪器的随机误差。
随机变化的量值,称随机变量。测量计量遇到的主要量值是一个大的常量加一个小的随机变量,是“准随机变量”。这就不能当常量处理了,而进行分离。贝塞尔公式中的(Xi-X平),就是把大常量去掉,变成随机变量后,再处理。统计变量的随机变化,是“测量重复性”的另一个来源。
测量者判断测量重复性的归属。即明确测量重复性是仪器的重复性,还是被测量的重复性。
如果只知道测量的“重复性”,而不能区分“重复性”的归属,那就是无效测量。
GUM(4.4.3)有个测量温度的例子,实测数据变化范围(大小值之差)5.8℃,计算出的重复性σ=1.5℃,如此大变化量,是温度计的,还是温度源的,不知道,这就是无效测量。
3、重复性归属的判别方法
如果已知被测量是常量,如金块、钢锭的重量测量,被测量的重量不变,测量重复性由秤引起,测量重复性属于仪器,测量重复性就是仪器的重复性。
被测量是明显的随机变量,而仪器的随机误差可略,则测量重复性就是被测量的重复性。
如果不能一眼看出表征量的归属,那就要通过实测来判别。判别方法如下。
测量者应该知道所用测量仪器的误差范围R仪(准确度、准确度等级、极限误差、大允许误差值MPEV)。
重复测量几次,如测量值不变,或仅仅有尾数一个字的变化(按分辨力±1计入误差范围),不计重复性。如果有2个字以上的变化,就要进行“重复测量”,测量次数N取20(不得少于10),按贝塞尔公式计算标准偏差σ。
3.1、仪器重复性的判据
3σ<R仪(1)
可判断是基础测量,测量重复性属于测量仪器。3σ是仪器的“重复性”,即随机误差范围。在多次重复测量取平均值为测得值的条件下,仪器的重复性引入的测量误差范围是3σ平。σ平=3σ/√N。此项已包含在仪器误差范围R仪中,直接测量的误差范围按误差范围即MPEV计算,不叠加3σ平。
3.2、量值重复性的判据
R仪<σ(2)
可判断为是统计测量。条件(2)是仪器的误差范围R仪小于仪器随机变化范围(随机变化量的值的大可能值3σ)的1/3。此时仪器误差范围与随机变化范围的合成是“方和根”合成,仪器误差的影响可略。统计测量中,测量的重复性,就是被测量的随机变化范围。
注意,基础测量,被测量取平均值,多次测量的随机误差是σ平,但在统计测量中,被测量取平均值,而随机变量的分散性表征量是σ,而不是σ平,即在统计测量中,不允许将σ除以根号N。
一些书上说:量值取单值,用σ,量值取平均值用σ平。这话对基础测量是对的;但对统计测量是错误的。σ平随测量次数N的增大而减小,而趋于零,它不是随机变量的表征量。而单值的σ随着N的增大而趋于常数,是随机变量分散性的表征量。要准确理解高斯正态分布曲线的物理含义。只有取平均值为量值的表征量,3σ为半宽的区间,才能以99.73%的概率包括随机变量的值。
4、不确定度体系的误区
一个巴掌拍不响,测量必定包括两个方面:测量仪器和被测量。测量者通过测量认识到的“测量重复性”,可能是测量仪器引起的,可能是被测量引起的,也可能是测量仪器与被测量共同引起的。
测量者能认定是条件(1),那就是基础测量。被测量的变化可略,而测量的重复性就是测量仪器的重复性。
如果被测量的变化不能忽略,而是考察的对象,测量者就要通过选用测量仪器,实现条件(2)。这时,测量是统计测量。即仪器的随机误差可略,测量重复性是被测量的重复性。
以上作法,体现了物理学的重要方法“孤立法”或称“分割法”,哲学上,称主要矛盾。这是计量测量学的一个基本方法,一条重要的法则。
不确定度体系恰恰相反,仅仅着眼于“测量重复性”,而不区分是仪器的重复性还是被测量的重复性,导致混沌。说“测量仪器没有重复性”、“被测量没有重复性”,是不确定度体系“割裂事物与事物性质”错误的的表现。是极端错误的。
通过测量认识了仪器的重复性,即认识了随机误差,是改进仪器、提高仪器性能的基础。对统计测量,得知被测量的重复性,就是认识了统计变量的随机变化,达到认识被测量的分散性的目的。而不确定度体系的“测量重复性”,不区分二者,测量就成为无效测量。
手段与对象的混淆,是不确定度体系的本质性的弊病。重复性上的问题,是其一种具体表现。这是根本的方法论的问题,没法改进。

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