电子测量技术 第二章 测量误差分析与数据处理

第二章测量误差分析与数据处理田宝凤仪器科学与电气工程学院主要内容•2.1测量误差的基本原理•2.2测量误差的分类•2.3随机误差的统计特性及估算方法•2.4系统误差的特征及判断方法•2.5疏失误差及其判断准则•2.6测量数据的处理•2.7误差的合成与分配2.1测量误差的基本原理•测量的目的：获得被测量的真值。•真值:在一定的时间和空间环境条件下，被测量本身所具有的真实数值。•任何测量仪器的测得值都不可能完全准确的等于被测量的真值。•测量误差：在实际测量过程中，人们对于客观认识的局限性，测量工具不准确，测量手段不完善，受环境影响或测量工作中的疏忽等原因，都会使测量结果与被测量的真值在数量上存在差异。2.1.1研究误差的目的研究误差的目的：(1)正确认识误差的性质和来源，以减小测量误差。(2)正确处理测量数据，以得到接近真值的结果。(3)合理地制定测量方案，组织科学实验，正确选择测量方法和测量仪器，以便在条件允许的情况下得到理想的测量结果。(4)设计中需要用误差理论进行分析并适当控制这些误差因素，使仪器的测量准确程度达到设计要求。2.1.2测量误差的表示方法测量误差有绝对误差和相对误差两种表示方法。1.绝对误差（1）定义：由测量所得到的被测量值与其真值之差，称为绝对误差。实际应用中常用实际值A（高一级以上的测量仪器或计量器具测量所得之值）来代替真值。0Axx绝对误差：xxA有大小，又有符号和量纲2.1.2测量误差的表示方法（2）修正值（校正值）•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。•被测量的实际值：xAxCCxA2.1.2测量误差的表示方法2.相对误差一个量的准确程度，不仅与它的绝对误差的大小有关，而且与这个量本身的大小有关。例：测量足球场的长度和长春市到吉林市的距离，若绝对误差都为1米，测量的准确程度是否相同？（1）定义：绝对误差与被测量的真值之比。0100%xA相对误差是两个有相同量纲的量的比值，只有大小和符号，没有单位。2.1.2测量误差的表示方法实际相对误差：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2.1.2测量误差的表示方法例子：2.1.2测量误差的表示方法（2）分贝误差——相对误差的对数表示分贝误差是用对数形式（分贝数）表示的一种相对误差，单位为分贝（dB）。uxAA电压增益的测得值为误差为用对数表示为增益测得值的分贝值分贝误差iouUUAAAAudBAGuxlg20)1lg(20)1lg(20xAdBAAA2.1.2测量误差的表示方法•例子：2.1.2测量误差的表示方法（3）满度相对误差用测量仪器在一个量程范围内出现的最大绝对误差与该量程值（上限值－下限值）之比来表示的相对误差，称为满度相对误差（或称引用相对误差）。•电工仪表就是按引用误差之值进行分级的。是仪表在工作条件下不应超过的最大引用相对误差。•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。如果仪表为S级，则说明该仪表的最大引用误差不超过S%。%100mmmxxm2.1.3电子测量仪器误差的表示方法•工作误差是在额定工作条件下测定的仪器误差极限。可以利用工作误差直接估计测量结果误差的最大范围。50Hz-1MHz,10mV-1V量程为：•固有误差是当仪器的各种影响量与影响特性处于基准条件时，仪器所具有的误差。1kHz,1V时为：%5.0%5.1满量程的读数个字读数的1%4.02.1.3电子测量仪器误差的表示方法•影响误差只有当某一影响量在工作误差中起重要作用时才给出，它是一种误差极限。温度影响误差：1kHz，1V时温度系数为：•稳定误差是仪器的标称值在其它影响量及影响特性保持恒定的情况下，于规定时间内所产生的误差极限。在温度,相对湿度80%以下，大气压力86~106kPa的环境内，连续工作7小时。C/104-10~+40C2.1.4一次直接测量时最大误差估计•仪器仪表的最大绝对误差为•最大的示值相对误差mmx%Sxxx%S%100xxmmxm在使用这类仪表测量时，应选择适当的量程，使示值尽可能接近于满度值，指针最好能偏转在不小于满度值2/3以上的区域。2.1.4一次直接测量时最大误差估计•例子：•某待测电流约为100mA，现有0.5级量程为0-400mA和1.5级量程为0-100mA的两个电流表，问用哪一个电流表测量较好？1400%0.5%2%100mxxsx解：用0.5级量程为0-400mA电流表测100mA时，最大相对误差为用1.5级量程为0-100mA电流表测量100mA时，最大相对误差为2100%1.5%1.5%100mxxSx2.2测量误差的分类•2.2.1按照误差的来源分类•2.2.2按照误差的性质分类•2.2.3测量结果的评定2.2.1按照误差的来源分类•1.仪器误差：仪器本身及其附件引入•2.影响误差：各种环境因素与要求不一致•3.方法误差和理论误差测量方法不合理所造成，采用近似公式计算•4.人身误差测量者本身分辨能力、视觉疲劳、固有习惯等2.2.2按照误差的性质分类•1.系统误差定义：在同一测量条件下，多次重复测量同一量时，测量误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。产生的原因：（1）测量仪器设计原理及制作上的缺陷。（2）测量时的实际温度、湿度及电源电压等环境条件与仪器要求条件不一致等。（3）采用近似的测量方法或近似的计算公式等。（4）测量人员估计读数时，习惯偏于某一方向或有滞后倾向等原因所引起的误差。2.2.2按照误差的性质分类•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：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。0AEx2.2.2按照误差的性质分类•2.随机误差•定义:在同一测量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。•产生的原因：（1）测量仪器中零部件配合的不稳定或有摩擦，仪器内部器件产生噪声等；（2）温度及电源电压的频繁波动，电磁场干扰，地基振动等；（3）测量人员感觉器官的无规则变化，读数不稳定等原因所引起的误差。2.2.2按照误差的性质分类•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。•随机误差的定量定义：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。•随机误差的特点：（1）有界性：多次测量中误差绝对值的波动有一定的界限（2）对称性：正负误差出现的机会相同（3）抵偿性：测量次数足够多时随机误差的算术平均值趋近于零。xiiEx2.2.2按照误差的性质分类•3.疏失误差（粗大误差）•定义：在一定的测量条件下，测量值明显地偏离实际值所形成的误差称为疏失误差。•产生的原因：（1）一般情况下，它不是仪器本身固有的，主要是测量过程中由于疏忽造成的。（2）由于测量条件的突然变化，例如电源电压、机械冲击等引起仪器示值的改变。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。坏值2.2.2按照误差的性质分类•三种误差同时存在的示意图图中：系统误差相同，(b)的xi比(a)的分散程度严重，图(a)数据比较集中，说明随机误差较小。2.2.3测量结果的评定•准确度表示系统误差的大小。系统误差越小，则准确度越高，即测量值与真值(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，表示准确度和精密度都高，意味着系统误差和随机误差都小。射击误差示意图2.3随机误差的统计特性及估算方法2.3.1测量值的数学期望与标准差1.数学期望对某一被测量x进行次数为n的等精密度测量，得到测量值为xi,则算术平均值为：当测量次数n→∞时，样本平均值的极限称为测量值的数学期望。n1iixn1xn1iinxxn1limE2.3.1测量值的数学期望与标准差•随机误差•系统误差xiiEx0AEx00AxAEExixxiiiix•随机误差与系统误差之和，即绝对误差。绝对误差等于随机误差和系统误差的代数和。2.3.1测量值的数学期望与标准差2.算术平均值原理（1）算术平均值的意义当且无坏值时，由随机误差的抵偿性，当测量次数n足够多时，可以近似认为：所以：通常把多次等精密度测量的算术平均值称为真值的最佳估计值，写为：实际测量中，在消除系差和剔除坏值后，用多次测量的算术平均值作为最后测量结果。00n1n1iixAˆ00AExxEX2.3.1测量值的数学期望与标准差（2）剩余误差各次测量值与其算术平均值之差，称为剩余误差（又称残差）。xxuiiniiu10剩余误差的代数和为0。2.3.1测量值的数学期望与标准差3.方差与标准差方差：n∞时，因为：所以，方差可以表示为标准差:n1i2xi2Exn1n1i2i2n1xiiExn1ii2n1测量值的方差反映了测量值的离散程度，也就是随机误差对测量值的影响。2.3.2贝塞尔公式及其应用1.随机误差的正态分布为什么随机误差和测量数据大多接近正态分布？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。测量中的随机误差通常是由多种相互独立的因素造成的许多微小误差的总和。2.3.2贝塞尔公式及其应用•随机误差的概率密度函数为：•测量数据x的概率密度函数为：)2)(exp(2122xExxp)2exp(2122pxE2.3.2贝塞尔公式及其应用•标准差是代表测量数据及测量误差分布离散程度的特征数。•标准差越小，则曲线形状越尖锐，说明数据越集中；标准差越大，则曲线形状越平坦，说明数据越分散。0)(p1232.3.2贝塞尔公式及其应用2.贝塞尔公式：当n为有限次测量时，用剩余误差表示标准差，标准差的估计值，就是贝塞尔公式。•贝塞尔公式的另一种表达形式：niiniixxnun1212)(1111ˆ1ˆ122nxnxnii2.3.2贝塞尔公式及其应用3.算术平均值的标准差在有限次等精密度测量中，以算术平均值作为测量结果。由于随机误差的存在，使算术平均值围绕真值有一定的分散性，说明算术平均值还存在误差。算术平均值的标准差：nnnxxxnxnxnnniiniix2222221221221221))()()((1)(1)1(nxnˆˆxn为有限次测量时，2.4系统误差的特征及判断方法2.4.1系统误差的特征绝对误差等于系统误差与随机误差之和:当测量次数n足够大时，考虑系差不变的情况，的算术平均值：则：iixixniniiinxn1111011Axxnnii在n足够大时，各次测量绝对误差的算术平均值就等于系统误差。02.4.1系统误差的特征系统误差一般分下列几种情况：•(1)恒值系统误差。•(2)线性系统误差。•(3)周期性系统误差。•(4)复杂变化的系统误差。•上述第⑵，⑶，⑷种，统称为变值系统误差。2.4.2判断系统误差的方法1.实验对比法这种方法是改变测量条件及测量仪器或测量方法。只适用于发现恒值系统误差。2.剩余误差观察方法根据测量数据的各个剩余误差大小和符号的变化规律，制成表