第5章-系统误差0课件.ppt
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1、误差理论与数据处理 第五章系统误差5-1第5章 系统误差 主菜单结束误差理论与数据处理 第五章系统误差5-2测量过程中系统误差往往伴随着随机误差一起出现,但系统误差更具有隐蔽性。本章讨论系统误差的来源、分类以及对测量结果的影响,发现和检验系统误差的方法,以及消除系统误差的基本方法。教学目标主菜单结束误差理论与数据处理 第五章系统误差5-3v 系统误差产生的原因v 系统误差的特征v 系统误差的发现v 系统误差的统计检验v 系统误差减少和消除的方法教学重点和难点主菜单结束误差理论与数据处理 第五章系统误差5-4第一节第一节 系统误差概述系统误差概述本节主要介绍系统误差产生的原因以及系统误差的分类与
2、特征 主菜单结束误差理论与数据处理 第五章系统误差5-5一、系统误差产生的原因一、系统误差产生的原因 在测量过程中,影响测量偏离真值的所有误差因素中,只要是由确定性变化规律的因素造成的,都可以归结为是系统误差的原因 系统误差产生的原因从各种可能影响测量结果的要素中去寻找 系统误差是可以设法预测的 测量装置的因素测量方法的因素测量环境的因素测量人员的因素主菜单结束误差理论与数据处理 第五章系统误差5-6测量装置和测量人员的因素测量装置和测量人员的因素测量装置的因素测量装置的因素 计量校准后发现的偏差仪器设计原理的缺陷仪器制造和安装的不正确标准环规的直径偏差齿轮杠杆测微仪直线位移和转角不成比例的误
3、差标尺的刻度误差、刻度盘和指针的安装偏心、仪器导轨的误差测量人员的因素测量人员的因素 由于测量者固有的测量习性,如读出刻度上读数时,习惯于偏于某一个方向,记录动态测量数据时总有一个滞后的倾向等 主菜单结束误差理论与数据处理 第五章系统误差5-7测量环境的因素测量环境的因素测量方法的因素测量方法的因素1.11U测量环境和测量方法的因素测量时的实际温度对标准温度的偏差,对测量结果可以按确定规律修正的误差等等 采用近似的测量方法或近似的计算公式等所引起的误差 用均值电压表测量交流电压时,由于计算公式出现无理数 和 ,取近似公式 ,由此产生的误差 2在间接测量中常见此类误差 主菜单结束误差理论与数据处
4、理 第五章系统误差5-8激光数字波面干涉仪的系统误差来源激光数字波面干涉仪的系统误差来源v激光波长系统漂移v标准镜面局部缺陷的固定电噪声v干涉视场的系统噪声v波差多项式模型误差主菜单结束误差理论与数据处理 第五章系统误差5-9二、二、系统误差的分类与特征系统误差的分类与特征 1.1.分类分类 2.2.特征特征 (1)无补偿性:影响算术平均值的估计 (2)可变系统误差影响测量结果分散性的估计恒定(常量)(2)根据对系统误差的掌握程度分类(1)根据系统误差在测量过程中所具有的不同变化特性分类可变(线性、周期性、其他复杂规律)已定的未定的主菜单结束误差理论与数据处理 第五章系统误差5-10恒定系统误
5、差 在整个测量过程中,误差大小和符号均固定不变的系统误差 某量块的公称尺寸为10mm,实际尺寸为10.001mm,误差为0.001mm,若按公称尺寸使用,则始终会存在0.001mm的系统误差 某千分尺零位位置不指零,也会在使用过程中造成对每次测量量值读数的一个常量的零值误差 主菜单结束误差理论与数据处理 第五章系统误差5-11可变系统误差 在整个测量过程中,误差的大小和符号随着测量位置或时间的变化而发生有规律的变化 线性变化系统误差 周期性变化系统误差 复杂规律变化系统误差 主菜单结束误差理论与数据处理 第五章系统误差5-12线性变化系统误差 在整个测量过程中,随着测量位置或时间的变化,误差值
6、成比例地增大或减小,称该误差为线线性变化系统误差性变化系统误差 刻度值为1mm的标准刻尺,存在刻划误差 ,每一刻度间距实际为 ,若用它与另一长度比较,得到比值为 ,则被测长度的实际值为 由于测量值为 ,故产生的系统误差L(1/mm)mmL K(1/mm)mmLKLmmKKLL K 是随测量值 的大小而线性变化的 K主菜单结束误差理论与数据处理 第五章系统误差5-13线性变化系统误差举例某长度为1 金属刻尺的材料随温度变化的线膨胀系数为 ,则在使用其测长时在偏离标准温度(200C)50C的条件下引起的测长误差可视为随温度线性变化的系统误差有 3 mo(0.50.5/C)tmm在丝杠测量中,由于丝
7、杠轴心线安装偏斜所造成的螺距累积误差,是随牙数或螺距的测量长度而线性变化的系统误差 主菜单结束误差理论与数据处理 第五章系统误差5-14周期性变化系统误差 在整个测量过程中,随着测量位置或时间的变化,误差按周期性规律变化的,称其为周期性变化系统周期性变化系统误差误差 仪表指针的回转中心与刻度盘中心有一个偏离值,则指针在任一转角 处引起的读数误差为 。此误差变化规律符合正弦曲线规律,当指针在00和1800时误差为零,而在900和2700时误差绝对值达最大 esinLe某齿轮、光学分度头中分度盘等安装偏心引起的齿轮齿距误差、分度误差,都是属于正弦规律变化的系统误差 主菜单结束误差理论与数据处理 第
8、五章系统误差5-15复杂规律变化系统误差 在整个测量过程中,随着测量位置或时间的变化,误差按确定的更为复杂的规律变化,称其为复杂规律变化系统误差复杂规律变化系统误差 微安表的指针偏转角与偏转力矩不能保持线性关系,而表盘仍采用均匀刻度所产生的误差 复杂规律一般可建立诸如代数多项式、三角多项式或其他正交函数多项式等数学模型来描述 主菜单结束误差理论与数据处理 第五章系统误差5-16各类特征系统误差图示tttttabcde1234曲线a是恒定系统误差,曲线b是线性变化系统误差,曲线c是非线性变化系统误差,曲线d是周期性变化系统误差,曲线e是复杂规律变化系统误差。主菜单结束误差理论与数据处理 第五章系
9、统误差5-17已定系统误差和未定系统误差 指误差的大小和符号均已确切掌握了的,因此在处理和表征测量结果时,是属于可修正的系统误差。指这类系统误差的大小和符号不能完全确切掌握的,因此在处理和表征测量结果时,是属于不可修正的系统误差。已定系统误差已定系统误差未定系统误差未定系统误差主菜单结束误差理论与数据处理 第五章系统误差5-18三、系统误差对测量结果的影响主菜单结束误差理论与数据处理 第五章系统误差5-191 1影响测量最佳值的估计影响测量最佳值的估计 设有一组常量测量数据 中分别存在系统误差 和随机误差 ,真值记为 1,2,.,nx xx12,.,n 12,.,n 0 x则这组测量数据的算术
10、平均值 001111()iiiioixxxxnnnn表明系统误差一般不具有抵偿性,即 10in系统误差会影响对算术平均值的估计 主菜单结束误差理论与数据处理 第五章系统误差5-202.2.可变系统误差影响测量结果分散性的估计可变系统误差影响测量结果分散性的估计 测量数据的残余误差 0011()()iiiiiiiixxxxnn对于恒定系统误差,上式第二项 为零,说明恒定系统误差不会影响对残差的计算,因而不会对标准差的估计产生影响 1()iin对于可变系统误差的情形,上式第二项一般不为零,说明可变系统误差还会对标准偏差的估计产生影响 主菜单结束误差理论与数据处理 第五章系统误差5-21由于它在数据
11、处理中只影响算术平均值,而不影响残差及标准差,所以除了要设法找出该恒定系统误差的大小和符号,对其算术平均值加以修正外,不会影响其他数据处理的过程。由于它对算术平均值和残差均产生影响,所以应在处理测量数据的过程中,必须要同时设法找出该误差的变化规律,进而消除其对测量结果的影响。可变系统误差可变系统误差恒定系统误差恒定系统误差小结主菜单结束误差理论与数据处理 第五章系统误差5-22可变系统误差的随机误差分布 tttttttt12341234时刻时刻时刻时刻 对于测量过程中不同时刻情形,由于可变系统误差的存在,将随机误差的测量值分布展开后呈现如图所示 可变系统误差造成测量结果的算术均值变化、分散性也
12、变大的图形解释 主菜单结束误差理论与数据处理 第五章系统误差5-23第二节第二节 系统误差的发现系统误差的发现与统计检验与统计检验主菜单结束误差理论与数据处理 第五章系统误差5-24发现系统误差的常用方法用标准器具(物质)检定组内统计检验(残差统计法)组间系统误差检验 在测量过程中形成系统误差的因素是复杂的,通常人们难于查明所有的系统误差,即使经过修正系统误差,也不可能全部消除系统误差的影响。但是,人们在实际测量的工作过程中,经过不断的探索与总结,还是有一些发现系统误差的行之有效的方法 主菜单结束误差理论与数据处理 第五章系统误差5-25 一、用标准器具(物质)检定0 xx 在计量工作中,常用
13、标准器具标准器具或标准物质作为检定工具,来检定某测量器具的标称值或测量值中是否含有显著的系统误差。标准器具所提供的标准量值的准确度应该比被检定测量器具的要高出12个等级或至少高几倍以上。现对被检量重复测量 次,假设测量服从正态分布 n 在计量检定中,常设 (标准器具量值),现对均值 进行检定,判断其是否含有系统误差。主菜单结束误差理论与数据处理 第五章系统误差5-26用标准器具(物质)检定步骤(1)/xtt nsn0(1)/xxtt nsn2、构造统计量3、在给定显著水平下,查 分布表的临界值0()xx4、作出决策。若 ,判定被检量算术平均值与期望的标准值之间存在显著的差异,即被检量含有恒定的
14、系统误差。t2(1)tn2|(1)ttn5、加修正值。对测得值 加一个修正值 ,即x0()xx0()xxx1、计算均值 ,按贝塞尔公式计算标准差xs主菜单结束误差理论与数据处理 第五章系统误差5-272.973x 0.12s02.48/xxtsn0:H/22.48(14)2.145tt00.077xx 0.05【例【例5-15-1】【解】【解】计算假设0 x被检仪器有故仪器有显著系统误差 0.05修正值 用量值为3.05的标准器具检定某台仪器,重复测量15次,数据依次见下,试分析该仪器的系统误差。2.9,3.0,3.1,3.0,3.1,3.2,3.1,2.8,2.9,2.9,3.0,3.0,2
15、.9,2.9,2.8主菜单结束误差理论与数据处理 第五章系统误差5-28.ksjxjxx=0 xx=0 xx=0+_0 1jj测量值x检查时间序号 标定该仪器在不同时间段的测量值的变化,包括算术平均值和标准差,以核查该测量仪器在一个长的时期内的测量准确度,使之得到控制 某仪器测量过程控制图 主菜单结束误差理论与数据处理 第五章系统误差5-29二、多台仪器间的比对测试二、多台仪器间的比对测试 缺少标准器具的检定手段时,可以考虑选择几个实验室之间进行比对测试,在严格规定比对测试的规范基础上,可以通过对几个参加实验室的测试数据的汇总、统计分析,得出一些说明实验室之间测试结果是否有显著差异的结论。在检
16、查仪器的测量稳定性试验中,需要对仪器的某标准测量值进行不同时间段的多次重复测量,得到多组数据 组间t检验法 组间F检验法主菜单结束误差理论与数据处理 第五章系统误差5-30两组数据 112,.,nx xx212,.,ny yy统计量 12()11mxytsnn给定显著水平,若 ,则与有显著差别,即存在系统误差;反之则无根据怀疑两组间有系统误差。212(2)ttnnxy12222212111222211221211()()11(1)(1)2nniimsxxsyynnnsnssnn和1 1、组间组间 检验法检验法(组数,正态)m=2t主菜单结束误差理论与数据处理 第五章系统误差5-31【例【例5-
17、25-2】对某10电阻器进行次测量,其均值和标准差估计值分别为和,两周后又用对电阻器进行次测量,其均值和标准差估计值分别为和。试分析该两组测量结果是否有显著差异。(显著水平)【解】【解】根据题意查t分布临界值表有故可断定在下两组均值之间有显著差异。63.2 1010.00008562.8 100.05661210.000073,10.000085,3.2 10,2.8 10 xyss10.0000736123.082 10,7.108,213mstnn按公式计算0.05 2(13)2.162t由于27.1082.162tt0.05主菜单结束误差理论与数据处理 第五章系统误差5-32两组标准差之
18、间的方差检验1、检验22012:H2、计算检验统计量2122sFs3、给定显著水平 ,查F分布表 和212(1,1)Fnn1212(1,1)Fnn4、作出决策。若 ,接受原假设 ,即认为两组标准层之间没有显著差异,否则存在显著差异1212212(1,1)(1,1)FnnFFnn0H主菜单结束误差理论与数据处理 第五章系统误差5-33【例【例5-25-2】中的标准差的方差检验】中的标准差的方差检验计算21221.306sFs查F分布表2(10 1,5 1)6.4F由于2FF故接受 ,即认为两组数据的标准差之间没有显著差异0H主菜单结束误差理论与数据处理 第五章系统误差5-342 2、组间组间F
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