现代测试技术第二章幻灯片.ppt
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1、现代测试技术第二章第1页,共64页,编辑于2022年,星期日测量误差的基本概念;测量误差的基本概念;系统误差的消除;系统误差的消除;随机误差的处理;随机误差的处理;粗大误差的剔除;粗大误差的剔除;测量结果的估计;测量结果的估计;测量结果的表示;测量结果的表示;微小误差准则与对比标准的选取微小误差准则与对比标准的选取本章主要内容第2页,共64页,编辑于2022年,星期日2.12.1测量误差基本概念测量误差基本概念2.1.1 2.1.1 测量误差的几个名词术测量误差的几个名词术语 1、真真值值:被测量本身客观存在的实际值。真值是客观存在,但是不可测量的。在实际计量和测量中,经常使用“约定真值”、“
2、理论真值”和“相对真值”。约定真值:按照国际公认的单位定义,利用科学技术发展的最高水平所复现的单位基准。以法律形式规定的。可以忽略的。理论真值:理论上推导分析出来的。相对真值(实际值):是在满足规定准确度时用来代替真值使用的值。(仪表校准)第3页,共64页,编辑于2022年,星期日2、标称值:计量或测量器具上标注的量值。3、示值:由测量仪器给出的量值,也称测量值。4、准确度:表示测量结果与真值的一致程度,是一个定性概念。与其相近的另一个概念是不确定度。5、重复性:在相同条件下,对同一被测量进行多次连续测量所得结果之间的一致性。6、误差公理:一切测量都具有误差,误差自始自终存在于一切科学实验之中
3、。第4页,共64页,编辑于2022年,星期日2.1.2 2.1.2 测量误差的表示测量误差的表示1 1 绝对误差:绝对误差:A=Ax-A0 绝对误差的负值称之为修正值修正值,也叫补值补值,一般用c表示,即c=-A=A0-Ax 仪器的修正值一般是计量部门检定给出。示值加上修正值可获得真值,即实际值。2 2 相对误差:相对误差:因真值A0是无法知道,往往用测量值代替,即 在实际测量中,相对误差常常用来评价测量结果的准确度,相对误差越小准确度愈高。绝对误差相对误差引用误差容许误差第5页,共64页,编辑于2022年,星期日第6页,共64页,编辑于2022年,星期日3 3 引引用用误误差差:绝对误差与测
4、量仪表量程之比,用百分数表示,即最大引用误差:最大引用误差:确定测量仪表的准确度等级应用最大引用误差。电测量仪表的准确度等级指数准确度等级指数a a分为:0.1、0.2、0.5、1.0 1.5、2.5、5.0等7级。最大引用误差不能超过仪表准确度等级指数a的百分数,即电测量仪表在使用时所产生的最大可能误差可由下式求出:第7页,共64页,编辑于2022年,星期日例 某1.0级电压表,量程为300V,当测量值分别为U1=300V,U2=200V,U3=100V时,试求出测量值的(最大)绝对误差和示值相对误差。解:解:U U1 1=U=U2 2=U=U3 3=3001.0%=3V=3001.0%=3
5、V U U1 1=(U=(U1 1U U1 1)100%=(3/300)100%=1.0%)100%=(3/300)100%=1.0%U U2 2=(U=(U2 2U U2 2)100%=(3/200)100%=1.5%)100%=(3/200)100%=1.5%U U3 3=(U=(U3 3U U3 3)100%=(3/100)100%=3.0%)100%=(3/100)100%=3.0%测量仪表产生的示值测量误差测量仪表产生的示值测量误差x x不仅与所选仪表等级指数不仅与所选仪表等级指数a a有关,有关,而与所选仪表的量程有关。一般不小于满度值的而与所选仪表的量程有关。一般不小于满度值的2
6、/32/3。第8页,共64页,编辑于2022年,星期日4 4 容许误差:容许误差:指测量仪器在使用条件下可能产生的最大误差范围,可用工作误差、固有误差、影响误差、稳定性误差来描述。容许误差通常用绝对误差表示:=(Ax%+Am%)模拟仪表使用,例:电位差计 可忽略 =(Ax%+n个字)数字式仪表 一般常用 式中式中 A Ax x 测量值或示值;测量值或示值;A Am m 量限或量程值;量限或量程值;误差的相对项系数;误差的相对项系数;固定项系数。固定项系数。当当5 5 项可忽略项可忽略 “n个字”所表示的误差值是数字仪表在给定量限下的分辨力的n倍,即末位一个字所代表的被测量量值的n倍。例如,某3
7、位数字电压表,当n为5,在1V量限时,“n个字”表示的电压误差是5mV,而在10V量限时,n个字”表示的电压误差是50mV。第9页,共64页,编辑于2022年,星期日例:某四位半数字电压表,量程为2V,工作误差为=0.025%UX 1个字,用该表测量时,读数分别为0.0012V和1.9888V,试求两种情况下的绝对误差和相对误差。解:四位半表 分辨率为0.0001V.9999第10页,共64页,编辑于2022年,星期日2.1.3 测量误差的分类1 1 系统误差系统误差 :大小、方向恒定不变或按一定规律变化,可预知、可修正。基本误差:测量设备不准确或准确度等级不高。附加误差:超过正常工作范围带来
8、的误差。理论误差(方法误差):测量方法、理论不完善所带来的误差 人员误差:试验人员疏忽大意、测量素质不高产生的人员误差。2 2 随机误差:随机误差:误差是随机的、可变的,不可预知、不可修正,但可用统计学方法处理。3 3 粗大误差:粗大误差:明显偏离真值(异常值、坏值),应剔除。系统误差系统误差随机误差随机误差粗大误差粗大误差第11页,共64页,编辑于2022年,星期日1.系统误差n定义:在同一测量条件下,多次重复测量同一量时,测量误差的绝对值和符号都保持不变,或在测量条件改变时按一定规律变化的误差,称为系统误差。例如仪器的刻度误差和零位误差,或值随温度变化的误差。n产生的主要原因是仪器的制造、
9、安装或使用方法不正确,环境因素(温度、湿度、电源等)影响,测量原理中使用近似计算公式,测量人员不良的读数习惯等。n系统误差表明了一个测量结果偏离真值或实际值的程度。系差越小,测量就越准确。n系统误差的定量定义是:在重复性条件下,对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差。即第12页,共64页,编辑于2022年,星期日2.随机误差定义:在同一测量条件下(指在测量环境、测量人员、测量技术和测量仪器都相同的条件下),多次重复测量同一量值时(等精度测量),每次测量误差的绝对值和符号都以不可预知的方式变化的误差,称为随机误差或偶然误差,简称随差。随机误差主要由对测量值影响微小但却互不
10、相关的大量因素共同造成。这些因素主要是噪声干扰、电磁场微变、零件的摩擦和配合间隙、热起伏、空气扰动、大地微震、测量人员感官的无规律变化等。第13页,共64页,编辑于2022年,星期日例:对一不变的电压在相同情况下,多次测量得到 1.235V,1.237V,1.234V,1.236V,1.235V,1.237V。单次测量的随差没有规律;但多次测量的总体却服从统计规律;可通过数理统计的方法来处理,即求算术平均值。u随机误差定义:测量结果与在重复性条件下,对同随机误差定义:测量结果与在重复性条件下,对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值之差一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值之差 第14页
11、,共64页,编辑于2022年,星期日3.3.粗大误差:粗大误差:n定义:粗大误差是一种显然与实际值不符的误差。n产生粗差的原因有:测量操作疏忽和失误 如测错、读错、记错以及实验条件未达到预定的要求而匆忙实验等。测量方法不当或错误 如用普通万用表电压档直接测高内阻电源的开路电压测量环境条件的突然变化 如电源电压突然增高或降低,雷电干扰、机械冲击等引起测量仪器示值的剧烈变化等。n含有粗差的测量值称为坏值或异常值,在数据处理时,应剔除掉。第15页,共64页,编辑于2022年,星期日2.1.4 2.1.4 有效数字有效数字1 1 数据的舍入规则数据的舍入规则小于5舍去;大于5进1;等于5则应用偶数法则
12、,末位是偶数,则末位不变;末位是奇数,则末位增加1。例如,将下列数据舍入到小数第二位。25.325 025.32 (0.005 0=0.005,末位为偶数舍去)17.695 517.70 (0.005 5=0.005,末位为奇数进1)123.105123.10 (0.005 0=0.005,末位为0,按偶数处理,舍去)2 2 有效数字有效数字 若截取得到的近似数,其截取或舍入误差的绝对值不超过近似数末位的半个单位,则该近似数从左边第一个非零数字到最末一位数字为止的全部数字,称之为有效数字。3 3 测量结果有效数字位数的确定测量结果有效数字位数的确定 第16页,共64页,编辑于2022年,星期日
13、 数据记录、运算的准确性要和测量数据记录、运算的准确性要和测量的准确性相适应!的准确性相适应!测量值的末位数与误差的末位数对齐测量值的末位数与误差的末位数对齐 有效数字有效数字:所有准确数字和一位欠准确数字所有准确数字和一位欠准确数字 第17页,共64页,编辑于2022年,星期日数学:物理测量:0 01 12 23 34 4(a)(a)分度值分度值1 1mm L=3.23cm 三位三位0 01 12 23 34 4(b)b)分度值分度值1 1cm L=3.2cm 二位二位有效数字位数越多,测量精度越高有效数字位数越多,测量精度越高第18页,共64页,编辑于2022年,星期日数字取舍规则数字取舍
14、规则运算结果运算结果(测量值测量值)的末位数应与误差的末位数对齐。的末位数应与误差的末位数对齐。p 小于5舍去;p 大于5进1;p 等于5则应用偶数法则,末位是偶数,则末位不变;末位是奇数,则末位增加1。25.325 025.3217.695 517.70第19页,共64页,编辑于2022年,星期日2.2 2.2 系统误差的消除系统误差的消除2.2.1 2.2.1 从产生系统误差的来源上消除从产生系统误差的来源上消除基本误差:选择准确度等级高的仪器设备;附加误差:使仪器设备工作在其规定的工作条件下,使用前正确调零、预热以消除仪器设备的;方法误差和理论误差:选择合理的测量方法,设计正确的测量步骤
15、;人员误差:提高测量人员的测量素质,改善测量条件(选用智能化、数字化仪器仪表等)。第20页,共64页,编辑于2022年,星期日2.2 2.2 系统误差的消除系统误差的消除2.2.2 2.2.2 利用修正的方法来消除利用修正的方法来消除 C称为修正值,由计量部门检定时给出 2.2.3 2.2.3 利用特殊的测量方法消除利用特殊的测量方法消除 替代法;差值法;正负误差补偿法;对称观测法;迭代自校法 第21页,共64页,编辑于2022年,星期日替代法替代法 在测量条件不变的情况下,用一已知的标准量去替代未知的被测量,通过调整标准量而保持替代前后仪器的示值不变,标准量的值等于被测量值。第22页,共64
16、页,编辑于2022年,星期日交换法交换法通过交换被测量和标准量的位置,从前后两次换位测量结果的处理中,削弱或消除系统误差。特别适用于平衡对称结构的测量装置中,并通过交换法可检查其对称性是否良好。第一次平衡第一次平衡 第二次平衡第二次平衡 上两式相乘、开方得:上两式相乘、开方得:第23页,共64页,编辑于2022年,星期日例:在电桥中采用交换法测电阻第24页,共64页,编辑于2022年,星期日2.3 2.3 随机误差的处理随机误差的处理2.3.1 2.3.1 随机误差的统计特性和概率分布随机误差的统计特性和概率分布1 1 测量误差的数学表达测量误差的数学表达根据误差理论,任何一次测量中,一般都含
17、有系统误差和随机误差,即 A=+=Ax-A0在在一一般般工工程程测测量量中中,系统误差远大于随机误差,即,相对来讲随机误差可以忽略不计,此时只需处理和估计系统误差即可。在在精精密密测测量量中中,系统误差已经消除或小得可以忽略不计时,即0。第25页,共64页,编辑于2022年,星期日对称性对称性单峰性单峰性 有界性有界性有界性有界性2 2 随机误差的统计特性随机误差的统计特性0 0抵偿性抵偿性即即第26页,共64页,编辑于2022年,星期日3 3 随机误差的概率分布随机误差的概率分布(1)正态分布的随机误差,其概率密度函数 式中 和2随机误差的标准差和方差 第27页,共64页,编辑于2022年,
18、星期日 (2)均匀分布均匀分布 特点特点:在某一区域内,随机误差出现的概率处处相等,而在该区域外随机误差出现的概率为零。均匀分布的概率密度函数()为式中 a随机误差的极限值。仪器度盘刻度差引起的误差;仪器度盘刻度差引起的误差;仪器最小分辨率限制引起的误差仪器最小分辨率限制引起的误差数字仪表的量化数字仪表的量化(1)(1)误差误差数字计算中的舍入误差数字计算中的舍入误差对于一些只知道误差出现的大致范对于一些只知道误差出现的大致范围,而不知其分布规律的误差,在处围,而不知其分布规律的误差,在处理时经常按均匀分布的误差对待。理时经常按均匀分布的误差对待。第28页,共64页,编辑于2022年,星期日
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