第2章测量误差理论精选PPT.ppt
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1、第2章 测量误差理论1第1页,此课件共49页哦 为了更好地掌握传感器为了更好地掌握传感器,需要对测量的基本概念需要对测量的基本概念;测量系统的特性测量系统的特性;测量误差及数据处理等方面的理论测量误差及数据处理等方面的理论及工程方法进行学习和研究及工程方法进行学习和研究,只有了解和掌握了这些只有了解和掌握了这些基本理论基本理论,才能更有效地完成检测任务。才能更有效地完成检测任务。在在工工程程实实践践和和科科学学实实验验中中提提出出的的检检测测任任务务是是正正确确及及时时地地掌掌握握各各种种信信息息,大大多多数数情情况况下下是是要要获获取取被被测测对对象象信信息息的的大大小小,即即被被测测量量的
2、的大大小小。这这样样,信信息息采采集集的的主主要要含含义义就就是是测测量量,取取得得测测量数据。量数据。2第2页,此课件共49页哦 人们在对自然界的各种现象进行测量和研究,由人们在对自然界的各种现象进行测量和研究,由 于受到认识能力、测量仪器的性能、实验方法的不于受到认识能力、测量仪器的性能、实验方法的不 完善等完善等因素的影响,测量的数据与因素的影响,测量的数据与被测量被测量的的真值真值之之 间存在着差异,这些差异在数值上即表现为误差。间存在着差异,这些差异在数值上即表现为误差。误差存在的必然性和普遍性已为大量实践所证明误差存在的必然性和普遍性已为大量实践所证明:v任何测量均有误差,为了认识
3、并任何测量均有误差,为了认识并减小误差,必须减小误差,必须v对测量过程和科学实验中的误差进行研究。对测量过程和科学实验中的误差进行研究。3第3页,此课件共49页哦测量误差理论包括测量误差理论包括:v基本误差理论、基本误差理论、v数据处理方法、数据处理方法、v不确定度评定规范三大部分内容。不确定度评定规范三大部分内容。v目前,误差理论与数据处理已经发展成为一门独目前,误差理论与数据处理已经发展成为一门独v立的学科,属于理论计量学范畴。立的学科,属于理论计量学范畴。v本章本章的有关内容均符合最新的相关国家计量技的有关内容均符合最新的相关国家计量技v术规范。术规范。4第4页,此课件共49页哦第一节第
4、一节测量与测量误差的基本概念测量与测量误差的基本概念5第5页,此课件共49页哦 测量是以确定量值为目的的一组操作。测量是以确定量值为目的的一组操作。测测量量也也就就是是将将被被测测量量与与同同种种性性质质的的标标准准量量进进行行比比较较,确确定被测量对标准量的倍数。定被测量对标准量的倍数。或或 式中:x被测量值;u标准量,即测量单位;n比值(纯数),含有测量误差。一、测量的定义和分类一、测量的定义和分类它可表示为它可表示为:6第6页,此课件共49页哦v测量是以确定测量是以确定被测对象量值被测对象量值为目的的全部操作。为目的的全部操作。测量的基本方法是测量的基本方法是比较比较。从本质上来讲,测量
5、就是将未知量与一个假定已从本质上来讲,测量就是将未知量与一个假定已知量比较的过程。后者称为知量比较的过程。后者称为“标准标准”。关于测量关于测量7第7页,此课件共49页哦v 由测量所获得的被测的量值叫测量结果。由测量所获得的被测的量值叫测量结果。v测量结果可用一定的数值表示测量结果可用一定的数值表示,也可以用一条曲线或某也可以用一条曲线或某种图形表示。种图形表示。v但无论其表现形式如何但无论其表现形式如何,测量结果应包括两部分:比测量结果应包括两部分:比值和测量单位。如:值和测量单位。如:v确切地讲确切地讲,测量结果还应包括误差部分。测量结果还应包括误差部分。8第8页,此课件共49页哦关于测量
6、方法关于测量方法根据获得测量值的方法可分为间接测量、直接测量根据获得测量值的方法可分为间接测量、直接测量;v在使用仪表或传感器进行测量时在使用仪表或传感器进行测量时,首先对与测量有确定函首先对与测量有确定函数关系的几个量进行测量数关系的几个量进行测量,将被测量代入函数关系式将被测量代入函数关系式,经经过计算得到所需要的结果过计算得到所需要的结果,这种测量称为间接测量。这种测量称为间接测量。v间接测量测量手续较多间接测量测量手续较多,花费时间较长花费时间较长,一般用在直接测一般用在直接测量不方便或者缺乏直接测量手段的场合。量不方便或者缺乏直接测量手段的场合。v间接测量法:间接测量法:9第9页,此
7、课件共49页哦通过直接测量的量值与被测量量值之间的已知函通过直接测量的量值与被测量量值之间的已知函数关系,确定被测量的值。数关系,确定被测量的值。例如:例如:10第10页,此课件共49页哦直接测量法:直接获取被测量值的测量方法。直接测量法:直接获取被测量值的测量方法。v 在使用仪表或传感器进行测量时在使用仪表或传感器进行测量时,对仪表读数不需对仪表读数不需要经过任何运算就能直接表示测量所需要的结果的要经过任何运算就能直接表示测量所需要的结果的测量方法称为直接测量。测量方法称为直接测量。v例如例如,用磁电式电流表测量电路的某一支路电流用磁电式电流表测量电路的某一支路电流,用用弹簧管压力表测量压力
8、等弹簧管压力表测量压力等,都属于直接测量。都属于直接测量。11第11页,此课件共49页哦被测物体的重量从度盘上读数,因为,弹簧秤度盘上的刻度是事先与标准量进行比较的结果。被测物体的重量等于标准砝码的重量直接测量直接测量12第12页,此课件共49页哦量与测量,就是信号与测量系统的关系。量与测量,就是信号与测量系统的关系。被测的物理量被测的物理量信号作用于一个测试系统,信号作用于一个测试系统,而该系统在输入信号的驱动下对它进行而该系统在输入信号的驱动下对它进行“加工加工”,并并将经将经“加工加工”后的信号进行输出。后的信号进行输出。输出信号的质量必定有误差于输入信号。输出信号的质量必定有误差于输入
9、信号。产生误差的原因:产生误差的原因:受测试系统的特性影响;受测试系统的特性影响;受信号传输过程中干扰的影响。受信号传输过程中干扰的影响。二、量与测量误差的基本概念二、量与测量误差的基本概念13第13页,此课件共49页哦14第14页,此课件共49页哦测试系统测试系统框图框图 希望输入与输出是完全一致的系,但是因为认识希望输入与输出是完全一致的系,但是因为认识能力、测量仪器的性能、实验方法的不完善等因素的能力、测量仪器的性能、实验方法的不完善等因素的存在,测量的数据与被测量的真值之间存在着误差。存在,测量的数据与被测量的真值之间存在着误差。误差误差,是测量值与真值的差。是测量值与真值的差。e e
10、误差值误差值x x测量值;测量值;x xtruetrue真值。真值。误差定义:误差定义:它可表示为它可表示为:15第15页,此课件共49页哦(一)(一)被测量:被测量:被测量是指测量对象的特定量。被测量是指测量对象的特定量。被测量本身所具有的真实大小,即被测量在测被测量本身所具有的真实大小,即被测量在测量观察时的客观实际值。量观察时的客观实际值。v被测量是被测量是“要测量的量要测量的量”,如质量、体积或浓度。,如质量、体积或浓度。16第16页,此课件共49页哦(二)(二)量的真值量的真值 1)1)定义定义:与给定的特定量定义一致的值。与给定的特定量定义一致的值。2)2)说明说明:通过测量得到的
11、值只能逼近真值。通过测量得到的值只能逼近真值。v真值的概念:当某量能被完善地确定并能排除真值的概念:当某量能被完善地确定并能排除 所有测量上的缺陷时,通过测量所得到的量值称为真值。所有测量上的缺陷时,通过测量所得到的量值称为真值。v真值的另一个定义:被测量本身所具有的客观真实的大真值的另一个定义:被测量本身所具有的客观真实的大小被称为真值。小被称为真值。v一个量的真值,是在被观测时本身所具有的真实大小,一个量的真值,是在被观测时本身所具有的真实大小,它是一个理想的概念。它是一个理想的概念。17第17页,此课件共49页哦(三)(三)量的约定真值量的约定真值1)定义定义:对于给定的目的、被赋予适当
12、不确定度的特定对于给定的目的、被赋予适当不确定度的特定量的值,该值常通常是约定采用的。量的值,该值常通常是约定采用的。2)说明说明:约定真值有时称为最佳估计值、指定值、约定约定真值有时称为最佳估计值、指定值、约定值、参考值值、参考值;在实际测量中约定真值是被测量的实际值、已修正过的算术平均值、计量标准的值等相对准确的值;约定真值可以是权威推荐值。约定真值可以是理论值,如:三角形内角和为18018第18页,此课件共49页哦v在测量中,由于对客观规律认识的局限性、计量器具不在测量中,由于对客观规律认识的局限性、计量器具不准确、测量手段不完善、测量条件发生变化及测量工作准确、测量手段不完善、测量条件
13、发生变化及测量工作中的疏忽或错误等原因,都会使测量结果与真值不同。中的疏忽或错误等原因,都会使测量结果与真值不同。(四)(四)测量误差测量误差1)定义定义:测量结果与被测量真值的差。测量结果与被测量真值的差。2)定义式:定义式:19第19页,此课件共49页哦 由于真值不能确定,通常所说的误差是测量误差由于真值不能确定,通常所说的误差是测量误差的估计值,是的估计值,是一个大小和符号确定的值。一个大小和符号确定的值。其表达式:其表达式:绝对误差绝对误差:测量误差测量误差=测量结果测量结果-被测量的约定真值被测量的约定真值20第20页,此课件共49页哦(五)(五)相对误差相对误差 1)定义定义:测量
14、误差与被测量真值的比值。测量误差与被测量真值的比值。由于真值不可知,所以用误差估算值表示。由于真值不可知,所以用误差估算值表示。相对误差:相对误差:对于单个测量结果,一般用绝对误差衡量测量的对于单个测量结果,一般用绝对误差衡量测量的准确性,但在比较不同被测对象测量结果的准确性准确性,但在比较不同被测对象测量结果的准确性时,用绝对误差就无法判别了。时,用绝对误差就无法判别了。2)定义式为:定义式为:21第21页,此课件共49页哦【例【例2-1】用一个】用一个4位多量程数字频率计,测量标准频率信号位多量程数字频率计,测量标准频率信号源输出源输出100kHz时的频率,时的频率,量程选择为量程选择为0
15、10MHz,频率,频率计测量值为计测量值为101kHz,求频率计在该点的绝对误差和相对,求频率计在该点的绝对误差和相对误差。误差。解:解:相对误差:相对误差:绝对误差:绝对误差:22第22页,此课件共49页哦【例【例2-2】用【例用【例2-1】中的频率计,测量标准频率信号源输出】中的频率计,测量标准频率信号源输出1000kHz时的频率,量程仍选择为时的频率,量程仍选择为0-10MHz,频率计测量值,频率计测量值为为1001kHz,求频率计在该点的绝对误差和相对误差。,求频率计在该点的绝对误差和相对误差。解:解:相对误差:相对误差:绝对误差:绝对误差:23第23页,此课件共49页哦【例【例2-3
16、】用【例用【例2-1】中的频率计,测量标准频率信号源输出】中的频率计,测量标准频率信号源输出100kHz时的频率,量程选择为时的频率,量程选择为0-1MHz,频率计测量值,频率计测量值为为100.1kHz,求频率计在该点的绝对误差和相对误差。,求频率计在该点的绝对误差和相对误差。解:解:相对误差:相对误差:绝对误差:绝对误差:24第24页,此课件共49页哦【例【例2-4】用【例用【例2-1】中的频率计,测量标准频率信号源输】中的频率计,测量标准频率信号源输出出990kHz时的频率,量程仍选择为时的频率,量程仍选择为0-1MHz,频率计,频率计测量值为测量值为990.1kHz,求频率计在该点的绝
17、对误差和相,求频率计在该点的绝对误差和相对误差。对误差。解:解:相对误差:相对误差:绝对误差:绝对误差:25第25页,此课件共49页哦从上面四个例子可以得到如下结论从上面四个例子可以得到如下结论:(1)使用同一量程,测量不同大小的被测量时,绝对使用同一量程,测量不同大小的被测量时,绝对误差相同,其相对误差不同误差相同,其相对误差不同;(2)使用不同量程,测量大小相同的被测量时,绝对使用不同量程,测量大小相同的被测量时,绝对误差不同,其相对误差不同误差不同,其相对误差不同;(3)使用不同量程,测量大小不同的被测量时,绝对使用不同量程,测量大小不同的被测量时,绝对误差不同,其相对误差可能相同。误差
18、不同,其相对误差可能相同。在测量工作中,要获得相对准确的测量结果,在测量工作中,要获得相对准确的测量结果,选择合适性能的仪表和量程非常重要,否则导致测量选择合适性能的仪表和量程非常重要,否则导致测量成本的提高或测量结果的不满意。成本的提高或测量结果的不满意。26第26页,此课件共49页哦绝对误差与相对误差是误差的基本概念,适用于绝对误差与相对误差是误差的基本概念,适用于所有的测量工作。但是还有针对仪器的误差指标。所有的测量工作。但是还有针对仪器的误差指标。三、仪器误差的有关概念三、仪器误差的有关概念一一)引用误差引用误差(1)定义定义:测量器具的绝对误差与其引用值的比值。测量器具的绝对误差与其
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