(精品)建筑环境测试技术 第2章 测量误差和数据处理 (2).ppt
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1、第第2章章 测量误差和数据处理测量误差和数据处理授课课时授课课时:3学时学时主主要要内内容容:测测量量误误差差、误误差差的的定定义义;误误差差的分析方法误差的类型,的分析方法误差的类型,误差的处理方法。误差的处理方法。重点和难点重点和难点:误差的定义、误差的分析方误差的定义、误差的分析方法、法、误差的类型,随机误差的处理及合误差的类型,随机误差的处理及合成,随成,随机误差分析、系统误差分析、测量机误差分析、系统误差分析、测量数据的数据的处理处理 主要章节主要章节2.1 2.1 测量误差测量误差2.2 2.2 测量误差的来源测量误差的来源2.3 2.3 误差的分类误差的分类2.4 2.4 随机误
2、差分析随机误差分析2.5 2.5 系统误差分析系统误差分析2.6 2.6 间接测量的误差传递与分配间接测量的误差传递与分配2.7 2.7 误差的合成误差的合成2.8 2.8 测量数据的处理测量数据的处理2.9 2.9 最小二乘法最小二乘法2.1 2.1 测量误差测量误差1.1.误差误差(术语、名词)术语、名词)1 1)真值)真值A A0 0 一个物理量在一定条件下所呈现的客观大小或真实数值称作它的真值一个物理量在一定条件下所呈现的客观大小或真实数值称作它的真值 。2 2)指定值)指定值AsAs 一般由国家设立各种尽可能维持不变的实物标准一般由国家设立各种尽可能维持不变的实物标准 (或基准或基准
3、),以法令的,以法令的形式指定其所体现的量值作为计量单位的指定值形式指定其所体现的量值作为计量单位的指定值。3 3)实际值)实际值A A 国家通过一系列的各级实物计量标准构成量值传递网,把国家基准所体国家通过一系列的各级实物计量标准构成量值传递网,把国家基准所体现的计量单位逐级比较传递到日常工作仪器或量具上去。在每一级的现的计量单位逐级比较传递到日常工作仪器或量具上去。在每一级的比比较中,都以上一级标准所体现的值当作准确无误的值,通常称为实际较中,都以上一级标准所体现的值当作准确无误的值,通常称为实际值,值,也叫作相对真值。也叫作相对真值。4 4)标称值)标称值 测量器具上标定的数值称为标称值
4、。测量器具上标定的数值称为标称值。5 5)示值)示值 由测量器具指示的被测量量值称为测量器具的示由测量器具指示的被测量量值称为测量器具的示值,也称测量器具的测得值或测量值,它包括数值,也称测量器具的测得值或测量值,它包括数值和单位。值和单位。6 6)测量误差)测量误差 测量仪器的测得值与被测量真值之间的差异,称测量仪器的测得值与被测量真值之间的差异,称为测量误差。为测量误差。7 7)单次测量和多次测量)单次测量和多次测量8 8)等精度测量和非等精度测量)等精度测量和非等精度测量等精度测量等精度测量:在保持测量条件不变的情况下对同一被测量进行在保持测量条件不变的情况下对同一被测量进行的多次测量过
5、程称作等精度测量。的多次测量过程称作等精度测量。非等精度测量非等精度测量:如果在同一被测量的多次重复测量中,不是所有如果在同一被测量的多次重复测量中,不是所有测量条件都维持不变测量条件都维持不变 (比如,改变了测量方法,比如,改变了测量方法,或更换了测量仪器,或改变了联接方式,或测量或更换了测量仪器,或改变了联接方式,或测量环境发生了变化,或前后不是一个操作者,或同环境发生了变化,或前后不是一个操作者,或同一操作者按不同的过程进行操作,或操作过程中一操作者按不同的过程进行操作,或操作过程中由于疲劳等原因而影响了细心专致程度等由于疲劳等原因而影响了细心专致程度等),这样,这样的测量称为非等精度测
6、量或不等精度测量。的测量称为非等精度测量或不等精度测量。2.2.误差的表示方法误差的表示方法1 1)绝对误差)绝对误差:绝对误差定义为绝对误差定义为 x=x-Ax=x-A0 0 式中式中 :x x为绝对误差,为绝对误差,x x为测得值,为测得值,A A0 0为被测量真值。为被测量真值。2 2)相对误差)相对误差实际相对误差实际相对误差示值相对误差示值相对误差满度(或引用)相对误差满度(或引用)相对误差:(通常用于表达精度)(通常用于表达精度)满度相对误差定义为仪器量程内最大绝对误差与满度相对误差定义为仪器量程内最大绝对误差与仪器满度值(量程上限值)的百分比值仪器满度值(量程上限值)的百分比值2
7、.2 测量误差的来源测量误差的来源1.仪器误差仪器误差 又称设备误差,是由于设计、制造、装配、检定等又称设备误差,是由于设计、制造、装配、检定等的不完善以及仪器使用过程中元器件老化、机械部件的不完善以及仪器使用过程中元器件老化、机械部件磨损、疲劳等因素而使测量仪器设备带有的误差。磨损、疲劳等因素而使测量仪器设备带有的误差。2 2人身误差人身误差 人身误差主要指由于测量者感官的分辨能力、视觉人身误差主要指由于测量者感官的分辨能力、视觉疲劳、固有习惯等而对测量实验中的现象与结果判断疲劳、固有习惯等而对测量实验中的现象与结果判断不准确而造成的误差不准确而造成的误差。3影响误差影响误差 影响误差是指各
8、种环境因素与要求条件不一致而影响误差是指各种环境因素与要求条件不一致而造成的误差。造成的误差。4方法误差方法误差 方法误差是所使用的测量方法不当,或对测量设方法误差是所使用的测量方法不当,或对测量设备操作使用不当,或测量所依据的理论不严格,或对备操作使用不当,或测量所依据的理论不严格,或对测量计算公式不适当简化等原因而造成的误差,方法测量计算公式不适当简化等原因而造成的误差,方法误差也称作理论误差。误差也称作理论误差。2.3 2.3 误差的分类误差的分类1.1.系统误差系统误差 在在多多次次等等精精度度测测量量同同一一恒恒定定量量值值时时,误误差差的的绝绝对对值值和和符符号号保保持持不不变变,
9、或或当当条条件件改改变变时时按按某某种种规规律律变变化化的的误误差差,称称为为系统误差,简称系差。系统误差,简称系差。2.2.随机误差:随机误差:随随机机误误差差又又称称偶偶然然误误差差,是是指指对对同同一一恒恒定定量量值值进进行行多多次次等等精度测量时,其绝对值和符号无规则变化的误差。精度测量时,其绝对值和符号无规则变化的误差。3.3.粗大误差:粗大误差:在在一一定定的的测测量量条条件件下下,测测得得值值明明显显地地偏偏离离实实际际值值所所形形成成的的误差称为粗大误差,也称为疏失误差,简称粗差。误差称为粗大误差,也称为疏失误差,简称粗差。N(t)AxN(t)AxN(t)AxN(t)Ax只有随
10、机误差累进系统误差恒定系统误差周期性系统误差 1.1.随机误差(偶然误差)的定义随机误差(偶然误差)的定义 是指在相同条件下,对同一恒定量值进行多次是指在相同条件下,对同一恒定量值进行多次等精度测量时,其绝对值和符号无规则变化的等精度测量时,其绝对值和符号无规则变化的误差。误差。就单次测量而言,随机误差没有规律,但当就单次测量而言,随机误差没有规律,但当测量次数足够多时,则服从正态分布规律,随测量次数足够多时,则服从正态分布规律,随机误差的特点为机误差的特点为对称性、有界对称性、有界性、单峰性、抵偿性。性、单峰性、抵偿性。f()2.4 2.4 随机误差分析随机误差分析问题问题 测量总是存在误差
11、,而且误差究竟等于多少测量总是存在误差,而且误差究竟等于多少难以确定,那么,从测量值如何得到真实值难以确定,那么,从测量值如何得到真实值呢?呢?例如:测量室温,例如:测量室温,6 6次测量结果分别为次测量结果分别为19.2,19.3,19.0,19.0,22.3,19.519.2,19.3,19.0,19.0,22.3,19.5,那么室温究竟是多少呢?那么室温究竟是多少呢?X X=A A,置信概率为置信概率为p p x x的真值落在的真值落在 A A-,A A+区间内的概区间内的概率率为为p p。A A和和 如何确定呢?如何确定呢?2.2.测量值的数学期望和标准差测量值的数学期望和标准差1 1
12、)数学期望)数学期望 对对被被测测量量x x进进行行等等精精度度n n次次测测量量,得得到到n n个个测测量量值值x x1 1,x x2 2,x x3 3,x xn n。则则n n个个测测得得值值的的算算术术平均值为:平均值为:当测量次数当测量次数 时,样本平均值的极时,样本平均值的极限定义为测得值的数学期望。限定义为测得值的数学期望。l当测量次数当测量次数 时,测量值时,测量值的数学期望等于被测量的真值。的数学期望等于被测量的真值。分分析:析:根据随机误差的抵偿特性,当根据随机误差的抵偿特性,当 时时 =0,即,即所以,当测量次数所以,当测量次数 时,测量时,测量值值的数学期望等于被测量的真
13、值。的数学期望等于被测量的真值。2)2)剩余误差(残差)剩余误差(残差)当进行有限次测量时,测得值与算术平均值之差。当进行有限次测量时,测得值与算术平均值之差。数学表达式:数学表达式:对上式两边求和得对上式两边求和得:所以可得剩余误差得代数和为所以可得剩余误差得代数和为0 0。4)4)标准差(标准误差,均方根误差)标准差(标准误差,均方根误差)反映了测量的精密度,反映了测量的精密度,小表示精密度高,测小表示精密度高,测得值集中,得值集中,大,表示精密度底,测得值分散。大,表示精密度底,测得值分散。3.)3.)方差方差f()3.3.随机误差的正态分布分析随机误差的正态分布分析正态分布正态分布 高
14、斯于高斯于18091809年推导出描述随机误差统计特性年推导出描述随机误差统计特性的解析方程式,称高斯分布规律。的解析方程式,称高斯分布规律。随机误差随机误差标准误差标准误差曲线下面的面积对应误差在不同区间出现的曲线下面的面积对应误差在不同区间出现的概率。概率。例如:例如:f()从正态分布曲线可看出:从正态分布曲线可看出:绝对值越小,绝对值越小,愈大,说明绝对值愈大,说明绝对值小的误差出现的概率大。小的误差出现的概率大。大大小小相相等等符符号号相相反反的的误误差差出出现现的的概概率率相相等。等。f()愈小,正态分布曲线愈尖锐,愈小,正态分布曲线愈尖锐,愈愈大,正态分布曲线愈平缓。说明大,正态分
15、布曲线愈平缓。说明反映反映了测量的精密度。了测量的精密度。=1=24.4.随机误差表达式随机误差表达式1 1)剩余误差的表达形式)剩余误差的表达形式2 2)最大绝对误差表达形式)最大绝对误差表达形式3 3)标准偏差的表达形式)标准偏差的表达形式 4 4)算术平均误差表达形式)算术平均误差表达形式5)5)或然误差表达形式或然误差表达形式6)6)极限误差极限误差 从从上上式式可可见见,随随机机误误差差绝绝对对值值大大于于33的的概概率率很很小小,只有只有0.3%0.3%,出现的可能性很小。因此定义:,出现的可能性很小。因此定义:随机误差的特点随机误差的特点单峰性单峰性 误差绝对值越小,出现密度越大
16、,误误差绝对值越小,出现密度越大,误差绝对值越大,出现密度越小差绝对值越大,出现密度越小对称性对称性 绝对值相同,符号相反的误差出现的绝对值相同,符号相反的误差出现的概率相等概率相等抵偿性抵偿性 当测量次数当测量次数n n时,误差总和为零时,误差总和为零有界性有界性 误差落误差落-3-3,3,3 的概率为的概率为0.9973 0.9973 3 3 也称为极限误差或者误差限也称为极限误差或者误差限5.标准偏差的计算标准偏差的计算贝塞尔公式贝塞尔公式l采用残差代替随机误差采用残差代替随机误差l有限次测量标准误差的最佳估计有限次测量标准误差的最佳估计值值 (近似标准误差)近似标准误差)标准差标准差(
17、标准误差,均方根误差):(标准误差,均方根误差):贝塞尔公式贝塞尔公式6.6.算术平均值的标准差和标准差的标准差算术平均值的标准差和标准差的标准差1 1)算术平均值的标准差)算术平均值的标准差2 2)平均值标准误差的最佳估计值(近似平均值标准)平均值标准误差的最佳估计值(近似平均值标准误差)误差)7.7.有限次测量下测量结果表达式有限次测量下测量结果表达式步骤:步骤:1)列出测量数据表;)列出测量数据表;2)计算算术平均值)计算算术平均值 、;3)计算)计算 和和 ;置信概率置信概率0.9973 4)给出最终测量结果表达式:)给出最终测量结果表达式:2.5 系统误差分析系统误差分析N(t)Ax
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- 精品建筑环境测试技术 第2章 测量误差和数据处理 2 精品 建筑 环境 测试 技术 测量误差 数据处理
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