误差理论与数据处理基础.ppt

1第第1818章章测量误差与数据处理基础2318.1 18.1 测量误差概述测量误差概述任何测量的目的测量的目的是为了获得被测量的真实值（受测量环境、方法、仪器、人员等因素影响）量量是物体可以从数量上进行确定的一种属性。由一个数和合适的计量单位表示的量称为量值量值量值有真值和实际值真值和实际值或标称值与指示值标称值与指示值之分 4真值与实际值真值真值是指在一定时间和空间条件下，能够准确反映被测量真实状态的数值。分为理论真值和约定真值。理论真值理论真值是在理想情况下表征一个物理量真实状态或属性的值，它通常客观存在但不能实际测量得到，或者是根据一定的理论所定义的数值（如三角形三内角之和为180度）约定真值约定真值是为了达到某种目的按照约定的办法所确定的值（如光速为30万公里每秒），或以高精度等级仪器的测量值约定为低精度等级仪器测量值的真值实际值实际值是在满足规定准确度时用以代替真值使用的值 5标称值和指示值标称值和指示值 标称值标称值是计量或测量器具上标注的量值指示值指示值（即测量值）是测量仪表或量具给出或提供的量值由于受制造、测量或环境变化等的影响，标称值不一标称值不一定等于实际值定等于实际值，故一般在给出标称值的同时也给出其误差范围或精度等级。一定时间和空间条件下，能够准确反映被测量真实状态的数值是 填空1。满足规定准确度时用以代替真值使用的值是 填空2。计量或测量器具上标注的量值称为 填空3。测量仪表或量具给出或提供的量值为 填空4。作答正常使用填空题需3.0以上版本雨课堂填空题4分7误差与误差公理测量误差测量误差（Measuring Error)：测量结果与被测量真值之差误差公理误差公理：测量误差是不可避免的，一切测量都存在误差测量误差的大小反映测量质量的好坏测量误差的大小反映测量质量的好坏8误差的来源测量环境误差 测量仪器或装置误差 测量方法误差 测量人员误差 9误差的分类根据测量数据中误差的规律，有三类：系统误差系统误差测量系统本身性能不完善、测量方法不完善、测量者对仪器使用不当、环境条件的变化等所引起多次重复测量时，系统误差的大小或符号保持不变，或按一定规律出现（始终偏大、偏小或周期性变化）随机误差（偶然误差）随机误差（偶然误差）对同一被测量进行多次重复测量时，误差的绝对值和符号不可预知地随机变化，但总体满足一定的统计规律性是由测量过程中独立、微小、偶然的因素引起粗大误差粗大误差明显偏离测量结果的误差测量者粗心大意或环境突然急剧变化引起粗大误差必须避免10精精 度度 精度精度：反映测量结果与真值接近程度的量精度与误差相对应，误差越小，精度越高，反之亦然精度与误差相对应，误差越小，精度越高，反之亦然分类准确度准确度：反映测量结果中系统误差的影响程度（测量结果偏离真值的程度）精密度精密度：反映测量结果中随机误差的影响程度（测量结果的分散程度）精确度精确度：反映测量结果中系统误差和随机误差综合的影响程度（常用测量不确定度或极限误差表示）11精度图示精度图示 对于某个具体的测量：准确度高的精密度不一定高，精密度高的准确度不一定高；精确度高的，其准确度和精密度一定都高图中精密度高的是（）ABCD提交多选题1分13误差的表示绝对误差相对误差引用误差基本误差附加误差14误差的表示（续）绝对绝对误差：测量值与真实值间的差值 相对相对误差：绝对误差与真实值（或测量值）之比引用引用误差：绝对误差与仪表满量程之比15引用误差-仪表精度等级的确定依据引用误差，如0.5级表代表其引用误差最大为0.5%我国的仪表等级分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和5.0共七个等级16例例1 1：检定一台满量程：检定一台满量程AmAm5A5A，精度等级为，精度等级为1.51.5的电流表，测的电流表，测得在得在2.0A2.0A处其绝对误差处其绝对误差0.1A0.1A，请问该电流表是否合格？，请问该电流表是否合格？解：思路：引用误差的定义在没有修正值的情况下，通常认为在整个测量范围内在没有修正值的情况下，通常认为在整个测量范围内各处的最大各处的最大绝对误差是一个常数绝对误差是一个常数。因此，根据引用误差的定义可求得：由于2.0%1.5%，因此，该电流表已不合格，但可做精度为2.5级表使用。17误差的表示（续）基本误差基本误差：仪表在规定的标准条件（即标定条件）下所具有的引用误差（用于标识仪表精度等级）附加误差附加误差：当仪表的使用条件偏离标准条件时出现的误差（如温度、压力、频率、电源电压波动附加误差等）18对基本误差的进一步分析任何仪表都有一个正常的使用环境条件要求，即标准条件仪表在标准条件下工作，其所具有的引用误差为基本误差在标准条件下，仪表的最大绝对误差为：最大绝对误差与测量示值的百分比称为最大示值相对误差，即：结论结论：当精度等级一定时，越接近满刻度的测量示值，其最大示值相对误差越小、测量精度越高（故一般要求示值落在仪表满刻度的三分之二以上范围）19例：要测量一个约例：要测量一个约80V80V的电压量，现有两块电压表供选用，的电压量，现有两块电压表供选用，一块量程为一块量程为300V300V，精度等级，精度等级0.50.5；一块量程为；一块量程为100V100V，精度，精度等级等级1.01.0。请问选用哪一块电压表更好？。请问选用哪一块电压表更好？解：思路：最大示值相对误差。使用300V、0.5级表时：使用100V、1.0级表时：可见，选用100V、1.0级表测量该电压时具有更小的相对误差，精度更高由题目数据还可知，使用该表可保证测量示值落在仪表满刻度的三分之二以上。2021数字仪表的误差表示数字仪表的基本误差有两种表示方式（后者常用）a%x示值相对误差（对应读数误差，变，与读数有关）b%xm误差固定项（对应满度误差，不变，与量程有关，常用“几个字”表示）22例例3:3:有五位数字电压表一台，基本量程有五位数字电压表一台，基本量程5V5V档的基本误档的基本误差为差为 。求满度误差相当于几个字。求满度误差相当于几个字。解：由题意知，该表可显示5位数字，正好相当于末位正负2个字。即该表5V档的基本误差也可表示为：测量值与真值的差称为 填空1。测量值与真值的差，与真值的比值称为 填空2。测量值与真值的差，与仪表量程的比值称为 填空3；假设某仪表该值最大为0.13，则该仪表的精度等级为 填空4。测量值与真值的差的最大值与相应测量值的比值称为 填空5 数字仪表的误差表示通常为“读数误差满度误差”作答正常使用填空题需3.0以上版本雨课堂填空题5分2418.2测量误差的处理分为随机误差的处理系统误差的处理粗大误差的处理随随机机误误差差系系指指测测量量结结果果与与在在重重复复条条件件下下，对对同同一一被被测测量量进进行行无无限限多多次次测量所得结果的平均值之差。测量所得结果的平均值之差。随随机机误误差差等等于于误误差差减减去去系系统统误误差差。因因为为测测量量只只能能进进行行有有限限次次数数，故故可可能确定的只是能确定的只是随机误差的估计值随机误差的估计值。第一节随机误差概述第一节随机误差概述 随随机机误误差差是是由由人人们们不不能能掌掌握握，不不能能控控制制，不不能能调调节节，更更不不能能消消除除的的微微小小因因素素造造成成。这这些些因因素素中中，有有的的是是尚尚未未掌掌握握其其影影响响测测量量准准确确的的规规律律；有有的的是是在在测测量量过过程程中中对对其其难难以以完完全全控控制制的的微微小小变变化化，而而这这些些微微小小变化又给测量带来误差。变化又给测量带来误差。第一节随机误差概述第一节随机误差概述举 例测量测量1m1m长的钢杆制件，测量温度的允许范围为（长的钢杆制件，测量温度的允许范围为（202202）。为此，测量在恒温室内进行，恒温室温度控制能力达到（为此，测量在恒温室内进行，恒温室温度控制能力达到（200.5200.5），满，满足测量要求。足测量要求。但在测量时，恒温室的温度必然处在不断地变化中，但在测量时，恒温室的温度必然处在不断地变化中，围绕平均温度围绕平均温度2020有有微小的波动微小的波动，温度时高时低，变化速度时快时慢。，温度时高时低，变化速度时快时慢。温度的微小变化引起钢杆制件长度和测量仪器示值的微小变化，且它们受温度的微小变化引起钢杆制件长度和测量仪器示值的微小变化，且它们受温度的影响又不一致，有快慢之别，大小之分。这种影响又无法确定，因温度的影响又不一致，有快慢之别，大小之分。这种影响又无法确定，因此造成随机误差。此造成随机误差。随机误差性质上属随机误差性质上属随机变量随机变量，其处理方法的理论依据是其处理方法的理论依据是概率论概率论与与数理统计数理统计。具体参量可用随机变量的具体参量可用随机变量的数学期望数学期望（算术平均（算术平均值）、值）、方差方差（标准偏差）和（标准偏差）和置信概率置信概率等三个特等三个特征量来描述。征量来描述。服从正态分布随机误差的特征第二节 随机误差的正态分布 随机误差概率分布密度函数随机误差概率分布密度函数表达式为：表达式为：数学期望 E（）0方 差 D（）2标准偏差第三节 算术平均值原理在等权测量条件下，对某被测量进行多次重复测量，得到一系列测量值,常取算术平均值作为测量结果的最佳估计。一、算术平均值一、算术平均值算术平均值原理若测量次数无限增多，且无系统误差下，由概率论的大数定律知，算术平均值以概率为1趋近于真值因为根据随机误差的抵偿性，当n充分大时，有 最佳估计的意义最佳估计的意义 若测量次数有限，由参数估计知，算术平均值是该测量总体期望的一个最佳的估计量，即满足无偏性、有效性、一致性满足最小二乘原理：该所有测量值对其算术平均值之差的平方和达到最小在正态分布条件下，满足最大似然原理：该测量事件发生的概率最大 二、残余误差 由算术平均值原理可知，算术平均值是真值的最佳估计值，用算术平均值代替真值计算得到的误差称为残余误差残余误差。在规定测量条件下，同一被测量的测量列x1，x2，xn有算术平均值：则称为残余误差。残余误差可求，又称实用误差公式。残余误差具有两个重要特性。（一）残余误差具有抵偿性残余误差代数和等于零（二）残余误差平方和最小 二、残余误差一、单次测量的标准偏差(standard deviation)定理：同一被测量，在相同条件下，测量列xi（x1，2，n）中单次测量的标准偏差（也称单次测量的标准不确定度）是表征同一被测量值n次测量所得结果的分散性参数，并按下式计算：式中：n测量次数（充分大）；i测量结果xi的随机误差。38标准差反映了随机误差的分布范围。标准差反映了随机误差的分布范围。标准差越小，分布曲线越陡峭，随机变量的分散性小，接近真值，即精度高。标准差越大，分布曲线越平坦，随机变量的分散性越大，即精度低。二、标准偏差的基本估计贝塞尔公式 定理：对同一被测量，在相同测量条件下，进行有限次测量得测量列xi（i1，2，n），则单次测量标准偏差的估计值为：三、算术平均值标准偏差（standard error）如果在相同条件下对同一量值作多组重复的系列测量，每一系列测量都有一个算术平均值由于误差的存在，各个测量列的算术平均值也不相同，它们围绕着被测量的真值有一定的分散，此分散说明了算术平均值的不可靠性算术平均值的标准差算术平均值的标准差则是表征同一被测量的各个独立测量列算术平均值分散性的参数，可作为算术平均值不可靠性的评定标准。最佳测量次数确定当n10以后，已减少得非常缓慢。由于测量次数愈大，也愈难保证测量条件的恒定，从而带来新的误差，因此一般情况下取n10以内较为适宜。总之，要提高测量精度，应采用适当精度的仪器，选取适当的测量次数。3-42例 题已知测量的单次测量标准偏差s0.12（略去单位）。问在不改变测量条件的情况下，使被测量估计值的标准偏差达到0.04，需测量多少次？解：以算术平均值作为被测量的估计值，适当增加测量次数，以满足测量精密度的需要。可得：即测量次数：（次）即对被测量进行9次以上重复测量，它们的算术平均值的精密度便可达到要求。44例例:有一组（有一组（1010个）测量值为个）测量值为237.4237.4、237.2237.2、237.9237.9、237.1237.1、238.1238.1、237.5237.5、237.4237.4、237.6237.6、237.6237.6、237.4237.4，求测量结果。，求测量结果。因此，测量结果可表示为：因此，测量结果可表示为：45正态分布的概率计算正态分布的概率计算残余误差表示的正态分布密度函数：算术平均值算术平均值的标准偏差的标准偏差单次测量的单次测量的标准偏差标准偏差46测量结果的两种表示 47系统误差的判别与处理1、从误差根源上消除系统误差、从误差根源上消除系统误差系统误差：是由测量系统本身的缺陷或测量方法的不完善造成的，使得测量值中含有固定不变或按一定规律变化的误差特点：系统误差不具有抵偿性，也不能通过重复测量来消除，因此在处理方法上与随机误差完全不同处理原则：找出系统误差产生的根源，然后采取相应的措施尽量减小或消除系统误差分析系统误差的产生原因一般从以下5个方面着手：所用测量仪表或元件本身是否准确可靠测量方法是否完善传感器或仪表的安装、调整、放置等是否正确合理测量仪表的工作环境条件是否符合规定条件测量者的操作是否正确。如读数时的视差、视力疲劳等都会引起系统误差482 2、系统误差的发现与判别、系统误差的发现与判别实验对比法实验对比法通过改变产生系统误差的条件从而进行不同条件下的测量，以发现系统误差适用于：发现固定的系统误差残余误差观察法残余误差观察法是根据测量值的残余误差的大小和符号的变化规律来判断有无变化的系统误差准则检查法准则检查法马利科夫准则马利科夫准则：将残余误差的前后各一半分成两个组，如果前、后两组残余误差和的差值明显不同，则可能含有线性系统误差阿贝准则阿贝准则：是检查残余误差是否偏离正态分布，若偏离，则可能存在变化的系统误差。其做法是：将测量值的残余误差按测量顺序排列，并计算：然后判断，若 ，则可能存在变化的系统误差。49503 3、系统误差的消除、系统误差的消除要绝对地消除系统误差是不可能的（1）消除系统误差产生的根源）消除系统误差产生的根源测量前，仔细检查仪表，正确调整和安装；防止外界干扰的影响；选择好观测位置消除视差；选择环境条件较稳定时进行测量和读数。（2）在测量系统中采用补偿措施）在测量系统中采用补偿措施找出系统误差的规律，在测量过程中自动消除系统误差。（3）实时反馈修正）实时反馈修正当查明某种误差因素的变化对测量结果有明显的影响时，可尽量找出其影响测量结果的函数关系或近似函数关系，然后按照这种函数关系对测量结果进行实时的自动修正。（4）在测量结果中进行修正）在测量结果中进行修正对于已知的系统误差，可以用修正值对测量结果进行修正；对于变值系统误差，设法找出误差的变化规律，用修正公式或修正曲线对测量结果进行修正；对未知的系统误差，则归入随机误差一起处理。51粗大误差的处理准则1、拉依达（、拉依达（3 ）准则）准则通常把3 作为极限误差。如果一组测量数据中某个测量值的残余误差的绝对值 时，则可认为该值含有粗大误差，应舍弃。52532、肖维勒准则、肖维勒准则该准则以正态分布为前提，假设多次重复测量得到的N个测量值中，某个测量值的残余误差 ，则舍弃该测量值。值的选取与测量列的测量值个数有关，如表所示。543、格拉布斯准则、格拉布斯准则该准则对于某个测量值的残余误差的绝对值 ，则判断此值中含有粗大误差，应剔除。的确定与重复测量次数N和置信概率 有关，如表所示。5556测量误差的传递测量误差的传递 由于直接测量的结果有误差，由直接测量值经过计算得到的间接测量结果也会有误差，这就是误差的传递误差的传递（也称为误差的合成误差的合成）57系统误差的传递系统误差的传递-绝对误差的传递绝对误差的传递-相对误差的传递相对误差的传递 58随机误差的传递随机误差的传递 总的误差总的误差如果测量系统的系统误差与随机误差相互独立，则总的误差表示为 测量误差的合成测量误差的合成误差的合成误差的合成就是已知被测量与各个参数的函数关系以及各个参数测量值的分项误差，求被测量的总误差。对于已定系统误差，则误差的大小、符号和函数关系均为已知，可直接由前面的系统误差传递公式或随机误差传递公式进行合成。5960测量误差的分配测量误差的分配若总的误差已确定，要确定各环节的误差大小以保证总的误差不超过允许值，这一过程称为误差的分配误差的分配误差分配有助于在进行测量工作前，根据给定的允许测量总误差来选择测量方案，合理进行误差分配，确定各环节误差，以保证测量精度。误差分配应考虑测量过程中所有误差组成项的分配问题。误差的分配一般地说有无穷多个方案，因此往往在某误差的分配一般地说有无穷多个方案，因此往往在某些假设条件下进行分配些假设条件下进行分配。61误差分配原则（1）要从各元器件的实际情况出发，按各元器件的技术按各元器件的技术性能、可能达到的水平提出要求性能、可能达到的水平提出要求，不要提出与其不相适应的过高要求(可能性原则可能性原则)。（2）误差分配中还要考虑经济性还要考虑经济性，即既要保证误差要求，又要考虑经济性(经济性原则经济性原则)。（3）对于元器件的误差不能知道其确切值时，一般取最大允许误差(“最坏打算原则最坏打算原则”)。62误差分配步骤在进行误差分配时，先给误差容易确定的元器件分配，然后余下的按等作用原则分配，在进行误差分配时，先给误差容易确定的元器件分配，然后余下的按等作用原则分配，再根据可能性作适当调整再根据可能性作适当调整，具体处理步骤如下：按等作用原则分配误差按等作用原则分配误差等作用原则认为各个环节误差对系统总误差的影响相等。注意，当有的误差已经确定而不能改变时，应先从给定的允许总误差中扣除，再对其余误差项进行误差分配。按可能性调整误差按可能性调整误差按等作用原则计算可能存在不合理。因此，必须根据具体情况对按等作用原则分配的误差进行调整。对难以实现的误差项适当扩大，对容易实现的误差项尽可能缩小。验算调整后的总误差验算调整后的总误差误差分配后，应按误差合成公式计算实际总误差，若超出给定的允许误差范围，应 选择可能缩小的误差项再予缩小误差。若实际总误差较小，可适当扩大难以测量的误差项的误差。63两种常用的误差分配方法64656667 18.3 最小二乘法与回归分析由于误差的存在，为了求得一组最佳的解，通常的做法是使测量次数n大于所求未知量的个数m，然后采用最小二乘法进行计算。最小二乘法是一类用于拟合实验曲线、确定经验公式（一般近似于多元线性关系）的数学方法，在对测量结果的误差处理中得到了广泛应用最小二乘法在误差理论中的基本含义是最小二乘法在误差理论中的基本含义是：利用等精度多次测定值求最可靠测量结果时，该测量结果等于当各测定值的残余误差平方和最小各测定值的残余误差平方和最小时所求得的值。也就是说，如果把所有测定值都标在坐标图上，测定值与用最小二乘法拟合的直线上对应的点之间的残余误差平方和最小根据贝塞尔公式，残余误差的二次方和最小就能保证各测量值与其估计值（即算术平均值）的标准差最小，测量值的分散性最小、精度最高68作业P-383:18.1、18.4、18.5、18.7、