实验数据误差分析和数据处理(2).docx

实验数据误差分析和数据处理一、误差的基本概念测量是人类认识事物本质所不可缺少的手段。通过测量和实验能使人们对事物获得定量的 概念和发现事物的规律性。科学上不少新的发现和突破都是以实验测量为基础的。测量就是用 实验的方法，将被测物理量与所选用作为标准的同类量进行比较，从而确定它的大小。1 .真值与平均值真值是待测物理量客观存在的确定值，也称理论值或者定义值。通常真值是无法测得的。 若在实验中，测量的次数无限多时，根据误差的分布定律，正负误差的浮现几率相等。再经 过细致地消除系统误差，将测量值加以平均，可以获得非常接近于真值的数值。但是实际上 实验测 量的次数总是有限的。用有限测量值求得的平均值只能是近似真值，常用的平均值有 下列：几种(1)算术平均值算术平均值是最常见的一种平均值。设X、X、，,、 x为各次测量值，n代表测量次数，则算术平均值为1 2n-Inxnn(2)几何平均值几何平均值是将一组n个测量值连乘并开n次方求得的平均值。即(2-2)(2-3)X = "XXX几 12 n(3)均方根平均值区 X2X2+X2+.+X2| ix - 1 2 n= 均、n n(4)对数平均值 在化学反应、热量和质量传递中，其分布曲线多具有对数的特性，在这 种情况下表征平均值常用对数平均值。设两个量X2,其对数平均值(2.4)_ X - X X -X X =12=12对 In x -In x . x12 In 1x2应指出，变量的对数平均值总小于算术平均值。X当/XW2时，可以用算术平均值代替对12数平均值。当X/X=2,=L 443, i. 50, (X? - ) /X =4.2%,即X/X W2,引起的误差12对对对12不超过4.2%。以上介绍各平均值的目的是要从一组测定值中找出最接近真值的那个值。在化工实验和科 学研究中，数据的分布较多属于正态分布，所以通常采用算术平均值。2.误差的分类根据误差的性质和产生的原因，普通分为三类：(1)系统误差 系统误差是指在测量和实验中未发觉或者未确认的因素所引起的误差，而 这些因素影响结果永远朝一个方向偏移，其大小及符号在同一组实验测定中彻底相同，当实 验条件一经确定，系统误差就获得一个客观上的恒定值。当改变实验条件时，就能发现系统误差的变化规律。系统误差产生的原因：测量仪器不良，如刻度不许，仪表零点未校正或者标准表本身存在 偏 差等；周围环境的改变，如温度、压力、湿度等偏离校准值；实验人员的习惯和偏向，如 读数 偏高或者偏低等引起的误差。针对仪器的缺点、外界条件变化影响的大小、个人的偏向, 待分别加以校正后，系统误差是可以清除的。(2)偶然误差在已消除系统误差的一切量值的观测中，所测数据仍在末一位或者末两位 数字上有差别，而且它们的绝对值和符号的变化，时而大时而小，时正时负，没有确定的规 律，这种误差称为偶然误差或者随机误差。偶然误差产生的原因不明，于是无法控制和补偿。 但是，倘若对某一量值作足够多次的等精度测量后，就会发现偶然误差彻底服从统计规律， 误差的大小或者正负的浮现彻底由概率决定。因此，随着测量次数的增加，随机误差的算术 平均值趋近于零，所以多次测量结果的算数平均值将更接近于真值。(3)过失误差过失误差是一种显然与事实不符的误差，它往往是由于实验人员粗心大 意、过度疲劳和操作不正确等原因引起的。此类误差无规则可寻，只要加强责任感、多方警 惕、细心操作，过失误差是可以避免的。3、精密度、准确度和精确度反映测量结果与真实值接近程度的量，称为精度(亦称精确度)。它与误差大小相对应， 测量的精度越高，其测量误差就越小。“精度”应包括精密度和准确度两层含义。(1)精密度：测量中所测得数值重现性的程度，称为精密度。它反映偶然误差的影响程 度，精密度高就表示偶然误差小。(2)准确度测量值与真值的偏移程度，称为准确度。它反映系统误差的影响精度，准确 度高就表示系统误差小。(3)精确度(精度)它反映测量中所有系统误差和偶然误差综合的影响程度。在一组测量中，精密度高的准确度不一定高，准确度高的精密度也不一定高，但精确度 高，则精密度和准确度都高。为了说明精密度与准确度的区别，可用下述打靶子例子来说明。如2-图1所示。图27(a)中表示精密度和准确度都很好，则精确度高；图-1(b)表示精密度很好，但准 确度却不高；图2T(c)表示精密度与准确度都不好。在实际测量中没有像靶心那样明确的真 值，而是设法去测定这个未知的真值。学生在实验过程中，往往满足于实验数据的重现性，而忽略了数据测量值的准确程度。绝 对真值是不可知的，人们只能订出一些国际标准作为测量仪表准确性的参考标准。随着人类认 识运动的推移和发展，可以逐步逼近绝对真值。图2-1精密度和准确度的关系4、误差的表示方法利用任何量具或者仪器进行测量时，总存在误差，测量结果总不可能准确地等于被测量的 真值，而只是它的近似值。测量的质量高低以测量精确度作指标，根据测量误差的大小来估 计测量的精确度。测量结果的误差愈小，则认为测量就愈精确。(1)绝对误差 测量值X和真值A之差为绝对误差，通常称为误差。记为： 0D = X-A(2-5)0由于真值A普通无法求得，于是上式惟独理论意义。常用高一级标准仪器的示值作为实际 值A以代替真值%。由于高一级标准仪器存在较小的误差，因的不等于A,但总比X更接近 于A。X与A之套称为仪器的示值绝对误差。记为°0d = X-A(2-6)与d相反的数称为修正值，记为C = d = A _ X(2-7)通过检定，可以由高一级标准仪器给出被检仪器的修正值利用修正值便可以求出该仪 器的实际值A。即A = X + C(2-8)(2)相对误差衡量某一测量值的准确程度，普通用相对误差来表示。示值绝对误d差 与被测量的实际值A的百分比值称为实际相对误差。记为6 = d>100%(2-9)A A以仪器的示值X代替实际值A的相对误差称为示值相对误差。记为6 = d>100%(2T0)X X普通来说，除了某些理论分析外，用示值相对误差较为适宜。(3)引用误差 为了计算和划分仪表精确度等级，提出引用误差概念。其定义为仪表示 值的绝对误差与量程范围之比。 (2-11)a示值绝对误差“c。/ d6 =x100% =x100%A量程范围Xn d -示值绝对误差； X -标尺上限值-标尺下限值。(4)£术他速差算术平均误差是各个测量点的误差的平均值。(2-12)6 =' q i = 1, 2, n平 nn测量次数；d为第i次测量的误差。 *(2-13)(5)标准误差标准误差亦称为均方根误差。其定义为G = | n上式使用于无限测量的场合。实际测量工作中，测量次数是有限的，则改用下式 。1小 2d2标准误差不是一个具体的误差，C的大小只说明在一定条件下等精度测量集合所属的每一 个观测值对其算术平均值的分散程度，如果的值愈小则说明每一次测量值对其算术平均值分 散度就小，测量的精度就高，反之精度就低。在化工原理实验中最常用的U形管压差计、转子流量计、秒表、量筒、电压等仪表原则上 均取其最小刻度值为最大误差，而取其最小刻度值的一半作为绝对误差计算值。5、测量仪表精确度测量仪表的精确等级是用最大引用误差（又称允许误差）来标明的。它等于仪表示值中的最大绝对误差与仪表的量程范围之比的百分数。A 最大示值绝对误差lnno/ _d inno/（2T5）6X| 00 /o max X I 00 /onmax量程范围X式中：5 仪表的最大测量引用误差； maxd 仪表示值的最大绝对误差； maxX标尺上限值一标尺下限值。通常情宦下是用标准仪表校验较低级的仪表。所以，最大示值绝对误差就是被校表与标准 表之间的最大绝对误差。测量仪表的精度等级是国家统一规定的，把允许误差中的百分号去掉，剩下的数字就称为 仪表的精度等级。仪表的精度等级常以圆圈内的数字标明在仪表的面板上。例如某台压力计的 允许误差为1.5队 这台压力计电工仪表的精度等级就是1.5,通常简称L 5级仪表。仪表的精度等级为a,它表明仪表在正常工作条件下，其最大引用误差的绝0值 不能超 max 过的界限，即6= dmax x100% a%（2T6）n max X由式（2-16）前知，在应用仪表进行测量时所能产生的最大绝对误差（简称误差限）为d Ma%.X（2-17）maxn而用仪表测量的最大值相对误差为6（2T8）n max XXn由上式可以看出，用只是仪表测量某一被测量所能产生的最大示值相对误差，不会超过仪 表允许误差a%乘以仪表测量上限X与测量值X的比。在实际测量中为可靠起见，可用下式对 仪表的测量误差进行估计，即 “6 =a%,Xn（2T9）mX例2-1用量限为5A,精度为0.5级的电流表，分别测量两个电流，I =5A, I =2.5A,试12求测量I和I的相对误差为多少？12I56 =a%x、0.5%/ = 0.5%mlI516 = a% x I = 0.5% x= 1.0%m2|2.52由此可见，当仪表的精度等级选定时，所选仪表的测量上限越接近被测量的值，则测量的 误差的绝对值越小。例2-2欲测量约90V的电压，实验室现有0.5级0-300V和L0级0-100V的电压表。问 选用哪一种电压表进行测量为好？用0.5级0-300V的电压表测量90V的相对误差为6 = a % x Q = 0.5% x - = 1.7%m0.51 U90用1.0级0-100V的电压表测量90V的相对误差为6 =a%x %1.0%x1%m1.02 U90上例说明，如果选择得当，用量程范围适当的1.0级仪表进行测量，能得到比用量程范围 大的0.5级仪表更准确的结果。因此，在选用仪表时，应根据被测量值的大小，在满足被测量 数值范围的前提下，尽可能选择量程小的仪表，并使测量值大于所选仪表满刻度的三分之二， 即X>2X /3 o这样就可以达到满足测量误差要求，又可以选择精度等级较低的测量仪表，从而 n降低仪表的成本。二、有麒字及其运算规则在科学与工程中，该用几位有效数字来表示测量或者计算结果，总是以一定位数的数字来 表示。不是说一个数值中小数点后面位数越多越准确。实验中从测量仪表上所读数值的位数 是有限的，而取决于测量仪表的精度，其最后一位数字往往是仪表精度所决定的估计数字。 即普通应读到测量仪表最小刻度的十分之一位。数值准确度大小由有效数字位数来决定。1、有效数字一个数据，其中除了起定位作用的0 外，其他数都是有效数字。如0.0037惟独两位有 效数字，而370.0则有四位有效数字。普通要求测试数据有效数字为位。要注意有效数字不 一定都是可靠数字。如测流体阻力所用的U形管压差计，最小刻度是1mm,但我们可以读到 0. 1mm,如342. 4mmHgo又如二等标准温度计最小刻度为0. 1,我们可以读到0.01,如 15. 16o此时有效数字为4位，而可靠数字惟独三位，最后一位是不可靠的，称为可疑数字。 记录测量数值时只保留一位可疑数字。为了清晰地表示数值的精度，明确读出有效数字位数，常用指数的形式表示，即写成一个 小数与相应10的整数幕的乘积。这种以10的整数幕来记数的方法称为科学记数法。如 75200 有效数字为4位时，记为7. 520*105有效数字为3位时，记为7. 52*105有效数字为2位时，记为7. 5*1050. 00478 有效数字为4位时，记为4. 780*1 S 有效数字为3位时，记为4. 78*10-3 有效数字为2位时，记为4. 7*10-3 2、有效数字运算规则(1)记录测量数值时，只保留一位可疑数字。(2)当有效数字位数确定后，其余数字一律舍弃。舍弃办法是四舍六入，即末位有效数字 后边第一位小于5,则舍弃不计；大于5则在前一位数上增1；等于5时，前一位为奇数，则进1为偶数，前一位为偶数，则舍弃不计。这种舍入原则可简述为：“小则舍，大则入，正好等于 奇变偶”。如：保留4位有效数字3. 71729-3. 717;5.142& 55.1437. 623867. 6249. 376+69. 376(3)在加减计算中，各数所保留的位数，应与各数中小数点后位数至少的相同。例如将24. 65 0. 0082 1. 632三个数字相加时,应写为24. 65 + 0. 01 + 1.63 = 26.2。9(4)在乘除运算中，各数所保留的位数，以各数中有效数字位数至少的那个数为准；其结果的有效数字位数亦应与原来各数中有效数字至少的那个数相同。例如：0.0121X25. 64X1.05782应写成0.0121X25. 64X1.06=0. 328O上例说明，虽然这三个数的乘 积为0.3281823,但只应取其积为0.328。(5)在对数计算中，所取对数位数应与真数有效数字位数相同。表2-2某些函数的误差传递公式误差传递公式函数式最大绝对误差Ay最大相对误差6y = X 4-X 4-X1aay = x + x 12Ay=±(| AX I + I AX I + I AX I)123y = ±(|Ax | + |x |)I2Ay = ±(|XAX I + I X .AX I)1221Ay = 士(| x x Ax | + | x x Ax | + | x x Ax |)1 2 31 3 22 3 166 J Ay / yLv/V Iy = xnAy = zt(nxn-iAx)AX、 3 )-X-3y = NXy = ex4-Ay =Ax Axr X X 2, AX6 =士(+ 2 )y = lgxy = ln xAy = ± 0.4343 以x_xAy = ±6=士()r X61= Ay/y各变量的绝对误差为AM = 0.2g A9 = R |+m | = 0.01+0.01 = 0.02 020Am = 0.02g A9 = At | + 凶=0.04 + 0.01 = 0.05 021各变量的误差传递系数为?C 9 cp- =° P 七0?M?Cp?mm91M9 C0 I m 294.27x41873.52 x10-3pH2。4.27x4. 187=1.41 x10-2?C MC 250x4. 187p =ph2o = 0.206?9 m9 62.31x81.53 01?C M9 C 250x4.27x4. 187p = Q冲20 = -1.08 x10.2?9m9 211函数的绝对误差?C ?CAC = p M + p m+ p ?M ?m?C p 9 +?9 oo?Cp a9?911=3.52x10-3x0.21.41 x 10-2 x0.02+0.206x0.02 1.08x 10-2 x0.05 =0.704x 10-30.282x10-3+4.12x10-3-0.54x 10-3=4.00x10-3 J/(g K)C 250 X 427 x4.187 = 0.880 如 , 2 =p故真值 Cp=0.8798 ± 0.0003 J/(g K)由有效数字位数考虑以上的测量结果清度已满足要求。若不仅考虑有效数字位数，尚需从 比较各变量的测量精度，确定是否有可能提高测量精度。则本例可从分析比较各变量的相对误 差着手。各变量的相对误差分别为E =AM= 0,2 = 8x10-4 = 0.08% MM 250E =3.21x10-4 = 0.032%mm 62.31aQ n noE9Cp 94.68 x10-3 = 0.468%0 9 0.05E9r 9 = 81 55 6. 13x10.4 = 0.0613% 1其中以%的相对误差为0.468%,误差最大，是M的5.85倍，是m的14.63倍。为了提高Cp的测量精度，可改汨0的测量仪表的精度，即提高测量水温的温度计精度，如采用贝克曼温 度计，分度值可达0.002,精度为0.001。则其相对误差为L 0.002 -cC C E = = 4.68 x1 0-4 = 0.0468 /90 4.27。由此可见，变量的精度基本相当。提e高精度后C的绝对误差为-0P C =3.52x10-3 xO,2 1.41 x10-2 x0.02+0.206x0.002 1.08x10-2 x0.05 p=2.94x10-4J/(g K) 系统提高精度后，q的真值为 Cp=0.8798 ± 0.0003 J/(g K)