测量误差及数据处理方法--14

第14章检测技术基础利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研、生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法，赋予定性或定量结果的过程称为检测技术。检测技术就是利用传感器，将生产科研需要的电量和非电量信息转化成为易于测量、传输、显示和处理的电信号的过程。检测（Detection）定义：14.1例：曹冲称象方法：比较法；装置：船、石头、小秤；测量，从而得到：传感器技术是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是现代科技的开路先锋，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱之一。如果说计算机是人类大脑的扩展，那么传感器就是人类五官的延伸，当集成电路、计算机技术飞速发展时，人们才逐步认识信息摄取装置——传感器没有跟上信息技术的发展而惊呼“大脑发达、五官不灵”。传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，是感知、获取与检测信息的窗口。在一切科学实验和生产过程中，特别是在自动检测和自动控制系统中获取的信息，都要通过传感器转换为易于传输与处理的电信号。14.2测量的定义测量：将被测量与同种性质的标准量进行比较，从而确定被测量相对于标准量的倍数的过程。（1-1）式中，x为被测量；A为测量值；x0为标准量。0Axx测量是检测技术的重要组成部分，是以确定被测量值为目的的一系列操作。14.2测量方法的分类测量方法：指实现被测量与标准量比较得出比值的方法。按测量过程的特点直接测量法间接测量法组合测量法按测量仪表的特点接触测量法非接触测量法按测量对象的特点静态测量动态测量按测量方式分类有偏差式、零位式和微差式按测量系统是否向被测对象施加能量作用可分为主动式和被动式2020年1月30日星期四1.直接测量法电子卡尺2020年1月30日星期四2.间接测量法用直接测量法测得与被测量有确定函数关系的一些物理量，经过计算求得被测量（阿基米德测量皇冠的比重）。2020年1月30日星期四1.接触测量法2020年1月30日星期四2.非接触测量法例：雷达测速车载电子警察2020年1月30日星期四1.静态测量法2020年1月30日星期四2020/1/3013温度计对缓慢变化的对象进行测量亦属于静态测量。2020年1月30日星期四2.动态测量法地震测量振动波形2020年1月30日星期四示波器一、14.3测量系统1测量误差的基本概念从长度测量的实践中可知，当测量某一量值时，用一台仪器按同一测量方法由同一测量者进行若干次测量，所获得的结果是不同的。若用不同的仪器、不同的测量方法、由不同的测量者来测量同一量值，则这种差别将会更加明显，这是由于一系列不可控制的和不可避免的主观因素或客观因素造成的。所以，对于任何一次14.4测量数据处理方法测量，无论测量者多么仔细，所使用的仪器多么精密，采用的测量方法多么可靠，在测得结果中，都不可避免地会有一定的误差。也就是说，所得到的测量结果，仅仅是被测量的近似值。被测量的实际测得值与被测量的真值之间的差异，叫做测量误差。即δ=x－x0式中：δ——测量误差；x——被测量的实际测得值；x0——被测量的真值。测量误差分为绝对误差和相对误差。其中，上式所表示的测量误差叫做测量的绝对误差，用来判定相同被测几何量的测量精确度。由于X可能大于、等于或小于q，因此，δ可能是正值、零或负值。这样，上式可写为x0=x±δ上式说明：测量误差δ的大小决定了测量的精确度，δ越大，则精确度越低；δ越小，则精确度越高。另外，对于不同大小的同类几何量，要比较测量精确度的高低，一般采用相对误差的概念进行比较。相对误差是指绝对误差δ和被测量的真值x0的比值。常用被测量的实际测得值代替真值,即式中：f——相对误差。由上式可以看出，相对误差f是一个没有单位的数值，一般用百分数（%）来表示。0fxx例如：有两个被测量的实际测得值X1=100,X2=10，,则其相对误差为由上例可以看出两个不同大小的被测量，虽然具有相同大小的绝对误差，其相对误差是不同的，显然，＜，表示前者的精确度比后者高。0000002220000001111.01001001.010001.010010001.0100XX01.021122、误差来源§14测量与误差概念（1）仪器误差（2）环境误差（4）人员误差（3）测量方法误差(1)测量器具误差测量器具误差是指由于计量器具本身存在的误差而引起的测量误差。具体地说，是由于计量器具本身的设计、制造以及装配、调整不准确而引起的误差，一般表现在计量器具的示值误差和重复精度上。(2)环境误差环境误差是指由于环境因素与要求的标准状态不一致所引起的测量误差。影响测量结果的环境因素有温度、湿度、振动和灰尘等。其中温度影响最大，这是由于各种材料几乎对温度都非常敏感，都具有热胀冷缩的现象。因此，在长度计量中规定标准温度为20℃。(3)测量方法误差测量方法误差是指选择的测量方法和定位方法不完善所引起的误差。例如：测量方法选择不当、工件安装不合理、计算公式不精确、采用近似的测量方法或间接测量法等造成的误差。(4)人员读数误差指测量人员因生理差异和技术不熟练引起的误差。常表现为视差、观测误差、估读误差和读数误差等。3误差分类及其消除方法根据误差的特点与性质，以及误差出现的规律，可将测量误差分为系统误差、偶然误差和疏失误差三种基本类型。（1）系统误差a.定义：系统误差是指在同一被测量的多次测量过程中，保持恒定或以可预知方式变化的测量误差的分量。系统误差的特点是其确定性。b.产生原因：测量仪器、测量方法、环境因素c.减小系统误差的方法：.对测量结果引入修正值；.选择适当的测量方法，使系统误差能够抵消而不会带入测量值中。①已定系统误差：必须修正例如电表、螺旋测微计的零位误差；②未定系统误差：要估计出分布范围如：螺旋测微计制造时的螺纹公差等。§14测量与误差概念注意：多次测量求平均并不能消除系统误差。因为在测量条件不变时，其有确定的大小和符号。（2）偶然误差a.偶然误差是指在同一量的多次测量过程中，其大小与符号以不可预知方式变化的测量误差的分量。偶然误差的特征是随机性。b.产生原因：实验条件和环境因素无规则的起伏变化，引起测量值围绕真值发生涨落的变化。例如：实验时温度的随机波动、螺旋测微计测力在一定范围内随机变化、读数时的视差影响。c.消除方法：使用统计方法偶然误差的特点：大量的偶然误差服从正态分布。①单峰性：绝对值小的误差出现的概率比绝对值大的误差出现的概率大。②对称性：多次测量时分布对称，即绝对值相等的正负误差出现的概率相同。因此取多次测量的平均值有利于消减偶然误差。③有界性：在一定的测量条件下，误差的绝对值不超过一定的界限。σ小σ大δP0（3）疏失误差a.定义：明显超出规定条件下预期的误差。b.产生原因：错误读数、仪器有缺陷、环境干扰等。c.应避免出现粗大误差。如出现粗大误差，应分析粗大误差产生的原因。处理数据时，剔除异常数据。精密度、正确度与准确度（又称精确度）这三个名词分别用来反映偶然误差、系统误差和综合误差的大小。4测量结果表示（1）绝对误差：测量结果：(单位)（2）相对误差：真测NNN真值绝对误差相对误差NNN测%100真NNE§14测量结果误差估算及评定方法对测量结果评定的三种方法：（1）算术平均偏差（2）标准偏差（均方根偏差）（3）不确定度根据统计理论，我们将多次测量的算术平均值作为真值的最佳近似。在对测量结果进行评定时，我们约定系统误差和粗大误差已经消除、修正或可以忽略，只考虑偶然误差，其服从正态分布。N1算术平均偏差对某一物理量N进行K次测量，得N1，N2，…，Ni，……，Nk，则算术平均值为kiikiNKNNNNKN12111算术平均偏差为NNNNNNNNKki211KiiNNK11§14测量结果误差估算及评定方法2标准偏差（均方根差）标准偏差是一个描述测量结果离散程度的参量。用它来评定偶然误差有以下优点：1）稳定性，σ值随K(测量次数)变化较小。2）它以平方计值，与个别误差的符号无关，能反映数据的离散程度。3）与最小二乘法吻合。§14测量结果误差估算及评定方法（1）测量列的实验标准差112KNNNKii（2）平均值的标准偏差112KKNNKNNKii算术平均值的标准偏差反映了算术平均值在真值附近涨落的大小。§14测量结果误差估算及评定方法范围置信概率（真值落在确定范围内的概率）—68.3%—95.4%—99.7%NN2N2N3N3N通常将称为随机误差的极限误差。3§14测量结果误差估算及评定方法δP032233不确定度3.1定义：它是对测量结果可信赖程度的评定。它表示了被测量的真值以一定概率落在某个量值范围内（，）。NuNu§14测量结果误差估算及评定方法不确定度小，表示误差的可能值小，测量的可信赖程度就高；不确定度大，表示误差的可能值大，测量的可信赖程度降低。3.2不确定度的分类和估算不确定度分为两类。A类分量：用统计方法求出，即σ(N)或σ(N)。B类分量：用其他方法得出。物理实验中通常使用仪器的极限误差除以相应的置信系数K。Kuinsj注意：在我们的实验中一般取K≈1，即insju§14测量结果误差估算及评定方法22juNu22juNu不确定度的合成（方和根合成法）§14测量结果误差估算及评定方法请记住这一公式！3.3用不确定度表示测量结果相对不确定度测量结果100%uuuENN约定：在我们的实验中u取一位有效数字。10.00.5(I＝μA)注意：的末位和u对齐。N例：§14测量结果误差估算及评定方法NNu真（单位）§14直接测量结果误差估算及评定如果对某一物理量只测量一次，则常以测量仪器误差来评定测量结果的误差。例1：用直尺测桌子长度，L＝1200.00.5mm例2：用50分度游标卡尺测工件长度，L＝10.000.02mm例3：用量程为10μA，精度等级为0.5的电流表，单次测量某一电流3.10μA，则μj＝ΔI＝10μA×0.5％＝0.05μAAIμ＝05.010.31单次测量误差估算及评定§14直接测量结果误差估算及评定方法有以上例题可见，仪器误差一般用如下方法确定：1）仪器已经标明了误差，如千分尺。2）未标明时，可取仪器及表盘上最小刻度的一半作为单次测量的允许误差，如例1。3）电学仪器§14直接测量结果误差估算及评定方法%精度级别量程ins2多次测量结果的误差估算及评定处理步骤：1、求平均值。2、求σ和u。3、表示结果：（单位）§14直接测量结果误差估算及评定方法NuNN22insNu112KNNNKii§14间接测量结果误差的估算及评定zzfyyfxxfNzzfyyfxxfNNlnlnln1一般的误差传递公式若N=f(x,y,z)，则若对N=f(x,y,z)取对数，则可得到§14间接测量结果误差估算及评定2标准偏差的传递公式222222)()()(zyxNzfyfxf222222)ln()ln()ln(zyxNzfyfxfN§14间接测量结果误差估算及评定3不确定度的传递公式§14间接测量结果误差估算及评定222222)()()(zyxNuzfuyfuxfu222222)ln()ln()ln(zyxNuuzfuyfuxfNuE以上两公式应牢记，并注意应用技巧4间接测量结果和不确定度评定的基本步骤（1）计算各直接测量物理量的值和它们的不确定度；即N＝f(x,y,z)中的x,y,z和ux,uy,uz。（2）根据不确定度的传递公式计算间接测量量的不确定度。uN或uN/N，保留1位。（3）求出间接测量量N＝f(x,y,z)