测量误差与数据处理课件.ppt
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- 测量误差 数据处理 课件
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1、第第2章章 测量误差与数据处理测量误差与数据处理 u误差的概念与表示方法;u随机误差、系统误差和粗大误差的特性 与处理方法;u测量数据的处理方法。本章要点本章要点2.1 测量误差的基本原理2.2 测量误差的分类2.3 随机误差2.4 粗大误差2.5 系统误差2.6 误差的合成与分配2.7 测量数据的处理 教学内容 测量就是通过实验来求出被测量的量值,因此测量过程就要涉及标准和误差这两个问题。测量过程中必须要有一个体现计值单位的量作为标准,而且要采用同一标准,测量结果才有意义。人们通过各种方法得到的测量值与真值之间总是有差别的,这个差别就是测量误差。2.1 测量误差的基本原理1.标准的定义 标准
2、是一个公认的机构制定和批准的文件,它对活动或活动的结果规定了规则、导则或特性值,供共同和反复使用,以实现在预定结果领域内最佳秩序的效益。2.标准的分类及其定义(1)国际标准 (4)行业标准(2)区域标准 (5)地方标准(3)国家标准 (6)企业标准2.1.1 2.1.1 测量标准测量标准2.1.2 2.1.2 测量误差测量误差研究测量理论的原因:(1)合理、正确地处理数据,得出被测量的最佳估计值 (2)根据数据处理的结果正确表示出测量不确定度。(3)正确地分析误差来源及规律,以便在测量中合理地选择仪器、方法及环境,消除不利因素,完善检测手段,提高测量准确度。(1)单次测量(2)多次测量:可以观
3、察测量结果一致性的好坏。(3)等精度测量(4)非等精度测量1.1.测量常用术语测量常用术语(5)真值A0:真实数值(理论上的、理想概念)(6)指定值As:约定真值,指定值(基准)(7)实际值A:相对真值,上一级标准所测量的值(8)标称值:测量器具上标定的数值(9)示值:测量值,测量器具指示的值,数值、单位 测量误差有绝对误差和相对误差两种表示方法。(1 1)绝对误差)绝对误差0AxxxxAx1.1.误差的表示方法误差的表示方法 修正值 与绝对误差的绝对值大小相等,但符号相反的量值,称为修正值:测量仪器的修正值可以通过上一级标准的检定给出,修正值可以是数值、表格、曲线或函数表达式等形式。被测量的
4、实际值:在自动测量仪器中,利用内部的微处理器,存储和处理修正值,直接给出经过修正的实际值。xAxCCxA2.2.相对误差相对误差 测量的准确程度,不仅与被测量的绝对误差大小有关,而且与被测量的大小有关。例 在相对误差相等的情况下,测量值越小,测量的准确程度越低,反之越高。相对误差:绝对误差与被测量的真值之比 只有大小和符号,没有单位。0100%xA 实际相对误差:用实际值A代替真值A0 示值相对误差:用测量值x代替实际值A100%AxA 100%xxx 分贝误差分贝误差是用对数形式表示的一种误差,单位为分贝(dB)。分贝误差广泛用于增益(衰减)量的测量中。20lgxuGA20lgGA20lg(
5、1)dBA20lg(1)dBxUAAAdBxGG用相对误差来表示:二、误差的表示方法(续)P24满度相对误差(满度误差、引用误差)仪器量程内最大绝对误差 与测量仪器满度值(上限值)的百分比值100%mmmxx 仪表各量程内绝对误差的最大值:mmmxxmxmx 适合用来表示电表或仪器的准确度电工仪表就是按引用误差 之值进行分级的。我国电工仪表共分七级:0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5及5.0。准确度等级在0.2级以上的电表属于精密仪表,适用于要求较高的工作环境及严格的操作步骤。例2-3在进行量程选择时应尽可能使示值接近满度值,一般以示值不小于满度值的2/3为宜。m 电子测量仪器的容
6、许误差电子测量仪器的容许误差容许误差:测量仪器在规定使用条件下可能产生的最大误差范围。测量仪器的容许误差可用工作误差、固有误差、影响误差、稳定误差等来描述。为了保证测量仪器示值的准确,仪器出厂前必须由检验部门对误差指标进行检验。在使用期间,必须定期进行校准检定,凡各项误差指标在容许误差范围之内,仪器视为合格。(1)工作误差 工作误差是在额定工作条件下仪器误差的极限值,即来自仪器外部的各种影响量和仪器内部的影响特性为任意可能的组合时,仪器误差的最大极限值。(2)固有误差:固有误差在规定的一组影响量的基准条件下给出的误差(3)影响误差 影响误差是用来表明一个影响量对仪器测量误差的影响。例如温度误差
7、、频率误差。它是当一个影响量在其额定使用范围内(或一个影响特性在其有效范围内)取任一值,而其它影响量和影响特性均处于基准条件时所测得的误差。(4)稳定误差 稳定误差是仪器的标称值在其他影响量和影响特性保持恒定的情况下,于规定时间内产生的误差极限。我国新的部颁标准采用上述误差表示方法。原来的标准把测量仪器的误差用基本误差和附加误差来表示。(1)仪器误差:由于测量仪器及其附件的设计、制造、检定等不完善,以及仪器使用过程中老化、磨损、疲劳等因素而使仪器带有的误差。(2)使用误差:由于在测量中对测量设备使用操作不当而引起的误差。(3)人身误差:由于测量者的分辨能力、视觉疲劳、固有习惯或缺乏责任心等因素
8、引起的误差称为人身误差。例如读错刻度、计算错误等均属人身误差。总之,人身误差是由于人为因素造成的。要减小人身误差必须加强责任心。(4)影响误差:由于各种环境因素(温度、湿度、振动、电源电压、电磁场等)与测量要求的条件不一致而引起的误差。2.2 2.2 测量误差的分类测量误差的分类 2.2.1 2.2.1 测量误差的来源测量误差的来源 (5)方法误差和理论误差:由于测量方法不合理造成的误差称为方法误差。例如用普通万用表测量高内阻回路的电压,由于万用表的输入电阻较低引起的误差。必须选择合适的测量方法。理论误差是用近似的公式或近似值计算测量结果而引起的误差。例如,用均值表测量非正态信号电压时,进行波
9、形换算,其定度系数是一个近似值造成的误差是理论误差。因为其依据的理论公式本身就是近似的。2.2.2 2.2.2 误差的分类误差的分类根据测量误差性质和特点的不同,测量误差可以分为三大类:随机误差、系统误差和粗大误差。1.随机误差 定义:在同一测量条件下(指在测量环境、测量人员、测量技术和测量仪器都相同的条件下),多次重复测量同一量值时(等精度测量),每次测量误差的绝对值和符号都以不可预知的方式变化的误差,称为随机误差或偶然误差,简称随差。随机误差主要由对测量值影响微小但却互不相关的大量因素共同造成。这些因素主要是噪声干扰、电磁场微变、零件的摩擦和配合间隙、热起伏、空气扰动、大地微震、测量人员感
10、官的无规律变化等。随机误差的特点:有界性:在多次测量中误差绝对值的波动有一定的界限;对称性:当测量次数足够多时,正负误差出现的机会几乎相同;抵偿性:随机误差的算术平均值趋于零。例:对一不变的电压在相同情况下,多次测量得到1.235V,1.237V,1.234V,1.236V,1.235V,1.237V。单次测量的随差没有规律,但多次测量的总体却服从统计规律可通过数理统计的方法来处理,即求算术平均值1211nniixxxxxnn 随机误差定义:测量结果与在重复性条件下,对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值之差:iixx()n2.系统误差定义:在同一测量条件下,多次测量重复同一量时,测量误
11、差的绝对值和符号都保持不变,或在测量条件改变时按一定规律变化的误差,称为系统误差。例如仪器的刻度误差和零位误差,或值随温度变化的误差。产生的主要原因是仪器的制造、安装或使用方法不正确,环境因素(温度、湿度、电源等)影响,测量原理中使用近似计算公式,测量人员不良的读数习惯等。系统误差表明了一个测量结果偏离真值或实际值的程度。系差越小,测量就越准确。系统误差的定量定义是:在重复性条件下,对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差。即0 xA3.粗大误差:粗大误差是一种显然与实际值不符的误差。产生粗差的原因有:测量操作疏忽和失误 如测错、读错、记错以及实验条件未达到预定的要求而匆
12、忙实验等。测量方法不当或错误 如用普通万用表电压档直接测高内阻电源的开路电压测量环境条件的突然变化 如电源电压突然增高或降低,雷电干扰、机械冲击等引起测量仪器示值的剧烈变化等。含有粗差的测量值称为坏值或异常值,在数据处理时,应剔除掉。4.系差和随差的表达式在剔除粗大误差后,只剩下系统误差和随机误差 各次测得值的绝对误差等于系统误差和随机误差的代数和。在任何一次测量中,系统误差和随机误差一般都是同时存在的。iiiixAxxxAx准确度表示系统误差的大小。系统误差越小,则准确度越高,即测量值与实际值符合的程度越高。精密度表示随机误差的影响。精密度越高,表示随机误差越小。随机因素使测量值呈现分散而不
13、确定,但总是分布在平均值附近。精确度用来反映系统误差和随机误差的综合影响。精确度越高,表示正确度和精密度都高,意味着系统误差和随机误差都小。射击误差示意图 2.3 2.3 随机误差随机误差在测量中,随机误差是不可避免的。随机误差是由大量微小的没有确定规律的因素引起的,比如外界条件(温度、湿度、气压、电源电压等)的微小波动,电磁场的干扰,大地轻微振动等。多次测量,测量值和随机误差服从概率统计规律。可用数理统计的方法,处理测量数据,从而减少随机误差对测量结果的影响。从理论上讨论,大多数测量值的可能取值范围是连续的,而实际上由于测量仪器的分辨率不可能无限小,得到的测量值往往是离散的。1.数学期望 数
14、学期望:反映其平均特性。其定义如下:X为离散型随机变量:X为连续型随机变量:n1iipixE(X)dxxxpXE)()(2.3.1 2.3.1 随机变量的数学期望和标准差随机变量的数学期望和标准差当 时,用事件发生的频度代替事件发生的概率则nnxpxxEimiimiii11)(令n个可相同的测试数据xi(i=1.2,n),次数都计为1,当 时,niiniixnnxxE1111)(被测量x的数学期望,就是当测量次数 时,各次测量值的算术平均值。nnn 当基本消除系统误差、又剔除粗大误差后,虽然仍有随机误差存在,但多次测得值的算术平均值很接近被测量的真值。因此可以把算术平均值作为最后的测量结果,并
15、称之为被测量的最佳估计值或最可信赖值。AxxiiiAxEx)((无限多次测量)niixnx112.剩余误差 当进行有限次测量时,各次测得值与算术平均值之差,定义为剩余误差或残差。xxii 3.方差与标准偏差 方差是用来描述随机变量与其数学期望的分散程度。设随机变量x的数学期望为E(x),则x的方差定义为:标准偏差定义为:v标准偏差同样描述随机变量与其数学期望的分散程度,并且与随机变量具有相同量纲。)()(xDx)()(2xExExDniinnx121lim)(测量中的随机误差通常是多种相互独立的因素造成的许多微小误差的总和。中心极限定理:假设被研究的随机变量可以表示为大量独立的随机变量的和,其
16、中每一个随机变量对于总和只起微小作用,则可认为这个随机变量服从正态分布。P.27为什么测量数据和随机误差大多接近正态分布?1.正态分布2.3.2 2.3.2 随机误差的分布随机误差的分布常见的非正态分布有均匀分布、三角分布、反正弦分布等。均匀分布:仪器中的刻度盘回差、最小分辨力引起的误差等;“四舍五入”的截尾误差;当只能估计误差在某一范围内,而不知其分布时,一般可假定均匀分布。a bP(x)概率密度:均值:当 时,标准偏差:当 时,01)(abxpbxaxbxa ,2ba ba 32ab 3b ba 0 求被测量的数字特征,理论上需无穷多次测量,但在实际测量中只能进行有限次测量,怎么办?2.3
17、.3 2.3.3 有限次测量下的计算方法有限次测量下的计算方法当n为有限值时,用残差来近似或代替真正的随机误差:xxiiniiniixxnnx1212)(1111)(标准偏差估计值(贝塞尔公式):测量值的算术平均值比测量值更接近真值(条件)能不能用算术平均值去代替每一次的测量值去表示标准差?算术平均值的标准偏差比总体或单次测量值的标准偏差小 倍。原因是随机误差的抵偿性。P.29nXx)()(n推导:*)()()(1)(1)1()(222122122122nniiniixxxnxnxnx )(1)(1222XnXnn n【例3.1】用温度计重复测量某个不变的温度,得11个测量值的序列(见下表)。
18、求测量值的平均值及其标准偏差。解:平均值 用公式 计算各测量值残差列于上表中标准偏差估计值:标准偏差:)(1.530)531530532530529533531527529531528(11111Cxnxonii xxii )(767.111)(12Cnxsonii )(53.011767.1)()(Cnxsxso x 置信概率与置信区间 置信区间 置信限:k置信系数(或置信因子)k kxEx )(置信概率是图中阴影部分面积2.3.4 2.3.4 测量结果的置信度测量结果的置信度2.4 2.4 粗大误差及其判断准则粗大误差及其判断准则 粗大误差出现的概率很小,列出可疑数据,分析是否是粗大误差,
19、若是,则应将对应的测量值剔除。粗大误差产生原因以及防止与消除的方法(1)粗大误差的产生原因 测量人员的主观原因:操作失误或错误记录;客观外界条件的原因:测量条件意外改变、受较大的电 磁干扰,或测量仪器偶然失效等。(2)防止和消除粗大误差的方法 针对其产生的原因,采取各种措施,防止产生粗大误差。粗大误差的判别准则:粗大误差的判别准则:统计学的方法的基本思想是:给定一置信概率,确定相应的置信区间,凡超过置信区间的误差就认为是粗大误差,并予以剔除。莱特检验法 格拉布斯检验法 3im axG式中,G值按重复测量次数n及置信概率Pc确定 3456789101195%1.151.461.671.821.9
20、42.032.112.182.2399%1.161.491.751.942.12.222.322.412.4812131415161718192095%2.292.332.372.412.442.472.52.532.5699%2.552.612.662.72.742.782.822.852.88cpncpn应注意的问题所有的检验法都是人为主观拟定的,至今无统一的规定。当偏离正态分布和测量次数少时检验不一定可靠。若有多个可疑数据同时超过检验所定置信区间,应逐个剔除,重新计算,再行判别。若有两个相同数据超出范围时,应逐个剔除。在一组测量数据中,可疑数据应很少。反之,说明系统工作不正常。解:计算得
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