2022年实验数据误差分析和数据处理..docx
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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 精品文档其次章 试验数据误差分析和数据处理第一节 试验数据的误差分析由于试验方法和试验设备的不完善,四周环境的影响,以及人的观看力,测量程序等限 制,试验观测值和真值之间,总是存在肯定的差异;人们常用肯定误差、相对误差或有效数字 来说明一个近似值的精确程度;为了评定试验数据的精确性或误差,认清误差的来源及其影 响,需要对试验的误差进行分析和争论;由此可以判定哪些因素是影响试验精确度的主要方 面,从而在以后试验中,进一步改进试验方案,缩小试验观测值和真值之间的差值,提高试验 的精确性;一、误差的基本概念 测量是人类熟悉事物本质所不行缺少的手段;通
2、过测量和试验能使人们对事物获得定量的 概念和发觉事物的规律性;科学上很多新的发觉和突破都是以试验测量为基础的;测量就是用 试验的方法,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,也称理论值或定义值;通常真值是无法测得的;如 在试验中,测量的次数无限多时,依据误差的分布定律,正负误差的显现几率相等;再经过细 致地排除系统误差,将测量值加以平均,可以获得特别接近于真值的数值;但是实际上试验测 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,常用的平均值有以下几种 : 1 算术平均值 算术平均值是最常见的一种平均值
3、;设 1x 、x 、 、x 为各次测量值, n 代表测量次数,就算术平均值为 n1 2 几何平均值几xx 1x 2nx nixi 2-1n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xnx 1x 2xn 2-2 (3)均方根平均值x 均4 对数平均值2 x 1x2n2 x ni n2 x i 2-3 2i 1n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,在这种情形下表征平均值常用对数平均值;设两个量1x 、x ,其对数平均值精品文档名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 精品文档x 对
4、ln x x 11 ln x 2 x 2 xln 1 x x1 2 2-4 x 2应指出,变量的对数平均值总小于算术平均值;当 1x / x 2 时,可以用算术平均值代替对 数平均值;当 1x / 2x =2,x 对 =1.443, x 1.50, x 对- x x 对 =4.2%, 即 1x / x 2,引起的误差 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;在化工试验和科 学争论中,数据的分布较多属于正态分布,所以通常采纳算术平均值;2. 误差的分类 依据误差的性质和产生的缘由,一般分为三类:(1)系统误差 系统误差是指在测量和试验中未发觉或未确认的因
5、素所引起的误差,而这 些因素影响结果永久朝一个方向偏移,其大小及符号在同一组试验测定中完全相同,当试验条 件一经确定,系统误差就获得一个客观上的恒定值;当转变试验条件时,就能发觉系统误差的变化规律;系统误差产生的缘由:测量仪器不良,如刻度不准,外表零点未校正或标准表本身存在偏 差等;四周环境的转变,如温度、压力、湿度等偏离校准值;试验人员的习惯和偏向,如读数 偏高或偏低等引起的误差;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 在已排除系统误差的一切量值的观测中,所测数据仍在末一位或末两位数 字上有差别,而且它们的肯定值和符号的变
6、化,时而大时而小,时正时负,没有确定的规律,这类误差称为偶然误差或随机误差;偶然误差产生的缘由不明,因而无法掌握和补偿;但是,假如对某一量值作足够多次的等精度测量后,就会发觉偶然误差完全听从统计规律,误差的大 小或正负的显现完全由概率打算;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 过失误差是一种明显与事实不符的误差,它往往是由于试验人员马虎大 意、过度疲惫和操作不正确等缘由引起的;此类误差无规章可寻,只要加强责任感、多方警 惕、细心操作,过失误差是可以防止的;3、精密度、精确度和精确度 反映测量结果与真实值接近程度的量
7、,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” 应包括精密度和精确度两层含义;(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)精确度 测量值与真值的偏移程度,称为精确度;它反映系统误差的影响精度,精确 度高就表示系统误差小;(3)精确度(精度)它反映测量中全部系统误差和偶然误差综合的影响程度;在一组测量中,精密度高的精确度不肯定高,精确度高的精密度也不肯定高,但精确度 高,就精密度和精确度都高;为了说明精密度与精确度的区分,可用下述打靶子例子来说明;如图 2-1 所示;精品文档名师归
8、纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 精品文档图 2-1a 中表示精密度和精确度都很好,就精确度高;图2-1b 表示精密度很好,但准确度却不高;图 2-1c 表示精密度与精确度都不好;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;同学在试验过程中,往往满意于试验数据的重现性,而忽视了数据测量值的精确程度;绝对真值是不行知的,人们只能订出一些国际标准作为测量外表精确性的参考标准;随着人类认识运动的推移和进展,可以逐步靠近肯定真值;(a)(b)(c)图 2-1 精密度和精确度的关系4、误差的表示方法利用任何
9、量具或仪器进行测量时,总存在误差,测量结果总不行能精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,依据测量误差的大小来估量测量的精确度;测量结果的误差愈小,就认为测量就愈精确;(1)肯定误差 测量值 X 和真值 A之差为肯定误差,通常称为误差;记为:D X A 0 2-5由于真值 0A 一般无法求得,因而上式只有理论意义;常用高一级标准仪器的示值作为实际值 A 以代替真值 A;由于高一级标准仪器存在较小的误差,因而 A不等于 A,但总比 X 更接近于 0A ; X 与 A 之差称为仪器的示值肯定误差;记为d X A 2-6与 d 相反的数称为修正值,记为C d A
10、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 器的实际值 A ;即C ;利用修正值便可以求出该仪AXC2-8 d(2)相对误差衡量某一测量值的精确程度,一般用相对误差来表示;示值肯定误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Ad100% 2-9A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Xd100 % 2-10 X一般来说,除了某些理论分析外,用示值相对误差较为相宜;(3)引用误差 为了运算和划分外表精确度等级,提出引用误差概念;其定义为外表示值的肯定误差与量程范畴之比;精品文档名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 13
11、 页精选学习资料 - - - - - - - - - 精品文档A示值肯定误差100 %dn100 % 2-11 量程范畴Xd - 示值肯定误差;X - 标尺上限值 -标尺下限值;(4)算术平均误差算术平均误差是各个测量点的误差的平均值;2-12平 d i i 1 , 2nn测量次数;id 为第 i 次测量的误差;,n(5)标准误差标准误差亦称为均方根误差;其定义为di2 2-13 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,就改用下式2 di 2-14 n 1标准误差不是一个详细的误差,的大小只说明在肯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,假如 的
12、值愈小就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;在化工原理试验中最常用的U 形管压差计、转子流量计、秒表、量筒、电压等外表原就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肯定误差运算值;5、测量外表精确度 测量外表的精确等级是用最大引用误差(又称答应误差)来标明的;它等于外表示值中的最大肯定误差与外表的量程范畴之比的百分数;nmax最大示值肯定误差100 %dmax100% 2-15 量程范畴Xn式中:max外表的最大测量引用误差; dmax外表示值的最大肯定误差;n标尺上限值标尺下限值; X通常情形下是用标准外表校验较低级的外表;所以,最大示值肯定
13、误差就是被校表与标准 表之间的最大肯定误差;测量外表的精度等级是国家统一规定的,把答应误差中的百分号去掉,剩下的数字就称为 外表的精度等级;外表的精度等级常以圆圈内的数字标明在外表的面板上;例如某台压力计的答应误差为 1.5%,这台压力计电工外表的精度等级就是1.5 ,通常简称 1.5 级外表;外表的精度等级为a,它说明外表在正常工作条件下,其最大引用误差的肯定值max不能超过的界限,即nmaxdmax100%a% 2-16 Xn由式 2-16 可知,在应用外表进行测量时所能产生的最大肯定误差(简称误差限)为dmaxa%Xn 2-17 而用外表测量的最大值相对误差为精品文档名师归纳总结 - -
14、 - - - - -第 4 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 精品文档nmaxdmaxa%Xn 2-18 XnX由上式可以看出,用只是外表测量某一被测量所能产生的最大示值相对误差,不会超过仪表答应误差a% 乘以外表测量上限Xn 与测量值 X 的比;在实际测量中为牢靠起见,可用下式对外表的测量误差进行估量,即ma%Xn 2-19 I 1 =5A,I 2 =2.5A, 试X 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,求测量 I1 和 I2的相对误差为多少?m 1a%IIn0.05%505.%1I5m2a%n. 5%51.0 %I2. 5
15、2由此可见,当外表的精度等级选定时,所选外表的测量上限越接近被测量的值,就测量的误差的肯定值越小; 例 2-2 欲测量约 90V 的电压,试验室现有 选用哪一种电压表进行测量为好?0.5 级 0-300V 和 1.0 级 0-100V 的电压表;问用 0.5 级 0-300V 的电压表测量 90V的相对误差为m 0 . 5 a 1 % U n 0 . 5 % 3001 7. %U 90用 1.0 级 0-100V 的电压表测量 90V的相对误差为m 1. 0a2%Un.10 %1001 1. %U90上例说明,假如挑选得当,用量程范畴适当的1.0 级外表进行测量,能得到比用量程范畴大的 0.5
16、 级外表更精确的结果;因此,在选用外表时,应依据被测量值的大小,在满意被测量数值范畴的前提下,尽可能挑选量程小的外表,并使测量值大于所选外表满刻度的三分之二,即 X2Xn/3 ;这样就可以达到满意测量误差要求,又可以挑选精度等级较低的测量外表,从而降低外表的成本;二、有效数字及其运算规章在科学与工程中,该用几位有效数字来表示测量或运算结果,总是以肯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精确;试验中从测量外表上所读数值的位数是有限的,而取决于测量外表的精度,其最终一位数字往往是外表精度所打算的估量数字;即一般应读到测量外表最小刻度的特别之一位;数值精确度大小由有效数字位数来打算
17、;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 只有两位有效数字,而 370.0 就有四位有效数字;一般要求测试数据有效数字为 4 位;要留意有效数字不肯定都是牢靠数字;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 342.4mmHg;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15.16 ;此时有效数字为 4 位,而牢靠数字只有三位,最终一位是不行靠的,称为可疑数字;记录测量数值时只保留一位可疑数字;精品文档名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 13 页精选学习资
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