电子测量技术第二章讲课教案.ppt
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1、电子子测量技量技术第二章第二章 测量值被测量量值平均测量值误差分类偏移精密度误差和不确定度uu误差(测量误差)是测量值与被测量真值相减得到的结果uu不确定度是一个与测量结果有关的参数,它表征可合理归因于被测量量值的离散u被测量是服从于测量的特定量。22.1 2.1 测量误差的基本概念测量误差的基本概念测量误差u任何物理量不可能测量的绝对准确,必然存在着测定误差。u误差是测量结果与真值的接近程度。误差=测量值真值 u真值是未知的,随认识水平和科学技术水平的提高而逐步逼近于真值。u在测试过程中尽量减少误差,并在测量和处理数据中采用数理统计的方法。4研究误差的目的u正确认识误差的性质和来源,以减小测
2、量误差u正确处理测量数据,以得到接近真值的结果。u合理地制订测量方案,组织科学实验,正确地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u在设计仪器时,由于理论不完善,计算时采用近似公式,忽略了微小因素的作用,从而导致了仪器原理设计误差,它必然影响测量的准确性。u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。5误差的来源u仪器误差u影响误差u方法误差和理论误差u人身误差62.1.1 测量误差的定义uu绝对误差n绝对误差仅能说明差异的大小和方向 n有大小和符号,有量纲n相对误差可以说明测量的准确程度n有大小和符号,无量纲 n分为实际相对误
3、差、标称相对误差和引用误差uu相对误差实际相对误差789u例:被测电阻Rx,电压表的内阻为RV,电流表的内阻为RIu求绝对误差和相对误差I IV VRx(a)I IV VRx(b)对于图对于图(a)(a):对于图(对于图(a a)当电压表内阻)当电压表内阻R RV V很大时可选很大时可选a a方案。方案。对于图(对于图(b b)当电流表内阻)当电流表内阻R RI I很小时可用很小时可用b b方案。方案。对于图对于图(b)(b):10标称相对误差标称相对误差是指绝对误差与被测量的测量结果x之比。引用(满度)相对误差u引用相对误差u电工仪表将满度相对误差分为七个等级等级等级一一二二三三四四五五六六
4、七七S%S%0.10.10.20.20.50.51.01.01.51.52.52.55.05.011u例:检定量程为100A的2级电流表,在50A刻度上标准表读数为49A,问此电流表是否合格?u解:解:x0=49A x=50A xm=100A合格合格12u例:测量10V左右电压ua:使用150V,1.5级 绝对误差:|V|Vm|s|%1501.5%2.25Vub:使用15V,2.5级 绝对误差|V|Vm|s|%152.5%0.375V u测量值x靠近满量程值xm,相对误差小13分贝误差u相对误差也可用对数形式(分贝数)表示,主要用于功率、电压的增益(衰减)的测量中u功率等电参数用dB表示的相对
5、误差为 u电压、电流等参数用dB表示的相对误差为1415u例:某电流表测电流96A,标准表测出的电流值为100A,求相对误差和分贝误差?解:解:x0=100A x=96A2.1.22.1.2 测量误差的分类测量误差的分类uu随机误差n随机误差是由不确定原因引起的,不可避免和消除。uu系统误差n系统误差是由较确定的原因引起的,可校正和消除。uu粗大误差n粗大误差是指一种显然与事实不符的误差,必须避免和剔除。16测量结果的评定测量结果的评定u某次测值的测量误差(绝对误差)u测量值 xi与真值A0之差误差A0:真值,xi:测量值,i:随机误差,:系统误差17A0:真值,xi:测量值,Ex:xi的平均
6、值,xk:坏值i:随机误差,:系统误差,A0Exxixixkxkii三种误差同时存在的情况测量结果的评定u准确度n是指测量值与真值的接近程度。系统误差 小,准确度高。u精密度n测量值重复一致的程度。随机误差小,精密度高 u精确度n反映系统误差和随机误差综合的影响程度 准确度低精密度低精密度高,准确度低精确度高19真值单次测量平均准确度偏移精密度精密度和准确度指测量的稳定度 各次测量相对平均值的变化指测量值与真值的接近程度20随机误差uu随机误差的定义n在等精度重复条件下多次测量同一被测量时,误差的绝对值和符号都以不可预见的规律变化,但具有抵偿性的误差称为随机误差,也称偶然误差,简称随差u随机误
7、差产生的原因n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;n温度及电源电压的频繁波动,电磁场干扰,地基振动等;n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均可造成随机误差,使测量值产生上下起伏的变化。21随机误差u随机误差反映了测量的精密度,体现了各种客观主观因素的随机变化对测量结果的影响,具有:u对称性:绝对值相等的正误差与负误差出现的次数相等u单峰性:绝对值小的误差比绝对值大的误差出现次数多u有界性:绝对值很大的误差出现的机会极少.不会超出一定的界限;u抵偿性:当测量次数趋于无穷大.随机误差的平均值将趋于零。u随机误差满足统计规律,大多数情况下其概率密度函
8、数服从正态分布。22随机误差的有界性与对称性A023测量值测量值x xi i()相同测值出现次数相同测值出现次数mmi i相同测值相同测值出现的概率出现的概率P Pi i=m=mi i/n/n9.959.952 20.020.029.969.964 40.040.049.979.976 60.060.069.989.9814140.140.149.999.9918180.180.1810.0010.0022220.220.2210.0110.0116160.160.1610.0210.0210100.100.1010.0310.035 50.050.0510.0410.042 20.020.0
9、210.0510.051 10.010.01例:例:对一电阻进行对一电阻进行n=100次等精度测量次等精度测量2425大样本随机误差服从正态分布时被测量值的大样本随机误差服从正态分布时被测量值的概率密度函数概率密度函数标准差小,曲线尖锐,说明测量误差小的数据占优势大,即测量精度高。标准偏差标准偏差数学期望数学期望标准偏差标准偏差大样本随机误差服从正态分布时被测量值的大样本随机误差服从正态分布时被测量值的概率密度函数概率密度函数26uu数学期望u设对被测量x进行n次等精度测量,得到n个测量值 x1,x2,x3,.xn u其算术平均值为(最佳估计值)总体平均值随机误差的统计处理u当测量次数n时,样
10、本平均值 的极限称为测量值的数学期望u在统计学中,期望与均值是同一概念27随机误差的统计处理uu方差表征随机误差的离散程度28随机误差的统计处理uu剩余误差剩余误差(残差残差)uu标准偏差标准偏差u标准偏差是代表测量数据和测量误差分布离散程度的特征数。29随机误差的统计处理u标准偏差越小,则曲线形状越尖锐,说明数据越集中;标准偏差越大,则曲线形状越平坦,说明数据越分散。30有限次测量数据的标准偏差的估计值u当n为有限次时,可以导出这时的被测量的实验标准偏差实验标准偏差(标准偏差的估计值标准偏差的估计值),(贝塞尔公式)u算术平均值的实验标准偏差用于表征同一被测量的算术平均值的分散性。算术平均值
11、的实验标准偏差的估计值:31例例用温度计重复测量某个不变的温度,得11个测量值的序列(见下表)。求测量值的平均值及其标准偏差解:解:平均值平均值 用公式用公式 计算各测量值残差列于上表中计算各测量值残差列于上表中被测量的实验标准偏差被测量的实验标准偏差算数平均值的标准偏差算数平均值的标准偏差3233系统误差的定义 在相同条件下,对同一被测量进行无限多次测量所得的结果的平均值与被测量的的真值之差称为系统误差,简称系差。系统误差产生的原因u测量仪器设计原理及制作上的缺陷。n例如,刻度的偏差,刻度盘或指针安装偏心,使用时0点偏移,安放位置不当等。u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
12、的条件不一致等。u采用近似的测量方法或近似的计算公式等。u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34系统误差的特征u绝对误差由于随机误差的抵偿性,当n足够大时,i的算术平均值趋于0。各次测量误差的算术平均值体现了系统误差大小。测量结果的精确度不仅取决于随机误差,更重要的是受系统误差的影响。35系统误差的特征续uu恒值恒值系统误差直线a。n在整个测量过程中,误差的大小和符号固定不变u线性系统误差直线b。n在整个测量过程中,误差值逐渐增大(或减小)u周期性系统误差曲线cn误差值周期性变化 u复杂变化的系统误差dn误差的变化规律很复杂36系统误差的判断u系统误差不具备抵偿
13、性u系统误差的判断n理论分析法n试验比对法u校准和比对法u改变测量条件法n剩余误差观测法n公式判断法37减小恒值误差的技术措施u削弱或削除系统误差的典型测量技术 u零示法u替代法u补偿法u对照法u微差法u交叉读数法3839粗大误差的定义在规定条件下明显偏离语气检测结果的误差称为粗大误差,简称粗差。含有粗差的测量值称为异常值或坏值,在进行数据处理时,必须将异常值从测量数据中剔除。粗大误差产生原因u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而造成的。n例如测量者身体过于疲劳;缺乏经验,操作不当或工作责任心不强等原因造成读错刻度、记错读数或计算错误。这是产生疏失误差的主观原因。u由于
14、测量条件的突然变化,如电源电压、机械冲击等引起仪器示值的改变。n这是产生疏失误差的客观原因。40异常值的判断 u s s(x x)为测量值的实验标准偏差为测量值的实验标准偏差u 在实际测量中大于在实际测量中大于3 3s s(x x)的误差出现的可的误差出现的可能性很小能性很小u 如果某个测量值如果某个测量值x xi i的的剩余误差剩余误差(残差残差)的绝的绝对值对值 v vi i 3 3s s(x x)就认为就认为x xi i是含有过失误差的坏值是含有过失误差的坏值,须剔除。须剔除。莱特准则只限于对正态分布或近似正态分莱特准则只限于对正态分布或近似正态分布的测量数据的判断处理,适合于测量布的测
15、量数据的判断处理,适合于测量次数足够多(一般要求次数足够多(一般要求2020次次)的情况。的情况。莱特检验法4142不确定度与坏值剔除原则 u如果某个测量值如果某个测量值x xi i的的剩余误差剩余误差的绝对值的绝对值 v vi i G Gs s(x x),就认为,就认为x xi i是坏值是坏值,须剔除。须剔除。其中其中G G为给定置信概率为给定置信概率p p及重复测量次数及重复测量次数n n的格的格拉布斯系数,可以通过查表获得。拉布斯系数,可以通过查表获得。s s(x x)为测量值的实验标准偏差为测量值的实验标准偏差格拉布斯检验法【例例】对某电压进行多次重复测量,所得结果列于表2-6,试检查
16、测量数据中有无粗大误差(异常数据)。例所用数据例所用数据 解解:(1)计算得=20.404,s=0.033。各测量值的残差i=xi-填入表,从表中看出8=-0.104最大,则x8是一个可疑数据。(2)用莱特检验法计算:|8|=0.104,3s=30.033=0.099,|8|3s故可判断x8是粗大误差,应予以剔除。再对剔除后的数据计算得:=20.411,s=0.016,3s=0.048各测量值的残差填入表2-6,从表中可以看出,14个数据的|i|均小于3s,故14个数据都为正常数据。(3)用格拉布斯检验法计算:取置信概率Pc=0.99,以n=15查表2-5,得G=2.70。由于Gs=2.70.
17、033=0.093=1.3302,查表中第5个数据vi=1.353,应将此对应xi=206.65视为坏值加以剔除,现剩下15个数据。(5)重新计算剩余的15个数据的平均值:=205.21(6)重新计算各残差vi并列于表中。(5)重新计算剩余的15个数据的平均值:=205.21(6)重新计算各残差vi并列于表中。(7)重新计算测量值标准偏差:(8)按照=3再判断有无坏值,3=0.81,各|vi|均小于,则认为剩余的15个数据中不再含有坏值。(9)对vi作图,判断有无变值系差,见下页图。从图中可见无明显累进性或周期性系差。(10)计算算术平均值标准偏差(估计值):(11)写出测量结果表达式:x=3
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