传感和检测技术的理论基础.pptx
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1、1测量、误差测量、误差的基本概念的基本概念 误差的判定准则及其处理方法 测量概论测量概论测量数据的估计和处理测量数据的估计和处理误误 差差绝对误差、相对误差、引用误差 基本误差、附加误差、残余误差 随机误差、系统误差、粗大误差 计算方法计算方法残余误差均方根偏差(估计)算术平均值的均方根偏差知识要点知识要点第1页/共60页2带着思考来学习带着思考来学习怎样用数学表达式描述误差?测量值的表达式如何书写?如何判断粗大误差?测量误差第2页/共60页31.1 测量概论测 量 m e a s u r e n测量是以确定量值为目的的一系列操作。所以测量也就是将被测量与同种性质的标准量进行比较,确定被测量对
2、标准量的倍数。它可由下式表示:式中式中 :x x 被测量值被测量值;u u 标准量标准量,即测量单位即测量单位;n n 比值(纯数)比值(纯数),含有测量误差。含有测量误差。第3页/共60页4仪表指针仪表指针 测量方法 measuring method 实现被测量与标准量比较得出比值的方法,称为测量方法。通过测量方法、测量条件、测量仪表、被测量的变化进行分类。直接测量、间接测量与组合测量等精度测量与不等精度测量偏差式测量、零位式测量与微差式测量静态测量与动态测量直接测量直接测量的结果的结果测量条件测量条件被测量与时间的被测量与时间的关系关系第4页/共60页5测 量 误 差 measuring
3、error 测量的目的是希望通过测量获取被测量的真实值。但由于种种原因,例如,传感器本身性能不十分优良,测量方法不十分完善,外界干扰的影响等,都会造成被测参数的测量值与真实值不一致,两者不一致程度用测量误差表示。测量误差就是测量值与真实值之间的差值。第5页/共60页6 测量误差的表示方法 绝对误差:绝对误差可用下式定义绝对误差:绝对误差可用下式定义:=x-L 式中:式中:绝对误差绝对误差;x 测量值测量值;L 真实值。真实值。相对误差:相对误差的定义相对误差:相对误差的定义:=100%式中式中:相对误差,一般用百分数给出相对误差,一般用百分数给出 第6页/共60页7 引用误差:相对仪表满量程的
4、一种误差引用误差:相对仪表满量程的一种误差 基基本本误误差差:指指仪仪表表在在规规定定的的标标准准条条件件下下所所具具有有的的误误差差。如如传传感感器器在在(2205)v,(502)Hz,(252)条件下所具有的误差。条件下所具有的误差。附附加加误误差差:指指传传感感器器或或仪仪表表的的使使用用条条件件偏偏离离额额定定条条件件下下出出现现的的误误差差。引用误差引用误差=100%测量范围上限测量范围上限-测量范围下限测量范围下限绝对误差绝对误差第7页/共60页82.测量误差出现的规律误差分为三种误差分为三种:随机误差、系统误差、粗大误差随机误差、系统误差、粗大误差 随机误差:随机误差:对同一被测
5、量进行多次重复测对同一被测量进行多次重复测量时,量时,绝对值和符号绝对值和符号不可预知地随机不可预知地随机变化变化,但就误差的总体而言,具有一定的,但就误差的总体而言,具有一定的统计规律性的误差称为随机误差。统计规律性的误差称为随机误差。随机误差随机误差第8页/共60页9 系统误差:系统误差:对同一被测量进行多次重复测对同一被测量进行多次重复测量时,如果误差按照量时,如果误差按照一定的规律出现一定的规律出现,则把这种误差称为系统误差。则把这种误差称为系统误差。例如:标准量值的不准确及仪表刻度的例如:标准量值的不准确及仪表刻度的 不准确而引起的误差。不准确而引起的误差。系统误差系统误差 粗大误差
6、:粗大误差:超出在规定条件下预期的误差超出在规定条件下预期的误差为粗大误差(疏忽误差)。为粗大误差(疏忽误差)。测量者测量者疏忽大意疏忽大意或环境条件的或环境条件的突然突然变化变化会引起这类误差。对于粗大误差,应会引起这类误差。对于粗大误差,应设法判断是否存在,然后将其剔除。设法判断是否存在,然后将其剔除。第9页/共60页101.2 测量数据的估计和处理 estimation 测量数据中含有系统误差和随机误差,有时还会含有粗大误差。它们的性质不同,对测量结果的影响及处理方法也不同。对于不同情况的测量数据,首先要加以分析研究、判断情况、分别处理,再经综合整理以得出合乎科学性的结果。第10页/共6
7、0页11随机误差的统计和处理 s t a t i s t i c s判断:测量中,当系统误差已设法消除或减小到可以忽略的程度时,如果测量数据仍有不稳定的现象,说明存在随机误差。方法:用概率数理统计的方法来研究。任务:从随机数据中求出最接近真值的值,对数据精密度(可信赖的程度)进行评定。第11页/共60页12 实践表明,随机误差具有特征:实践表明,随机误差具有特征:单单峰峰性性:绝绝对对值值小小的的随随机机误误差差出出现现的的概概率率大大于绝对值大的随机误差出现的概率于绝对值大的随机误差出现的概率有有界界性性:随随机机误误差差的的绝绝对对值值不不会会超超出出一一定定界界限限对对称称性性:测测量量
8、次次数数n很很大大时时,绝绝对对值值相相等等、符符号相反的随机误差出现的概率相等。号相反的随机误差出现的概率相等。1.随机误差的正态分布曲线 random error 当测量次数足够多时当测量次数足够多时,测量过程中产生的误差服从测量过程中产生的误差服从正态分布规律。正态分布规律。正态分布规律。正态分布规律。第12页/共60页13 y y 概率密度概率密度;随机误差(随机变量)随机误差(随机变量)被测量的算术平均值被测量的算术平均值 均方根偏差(标准偏差)均方根偏差(标准偏差)正态正态总体总体总体总体的平均值的平均值随机误差算术平均值其中:正态分布曲线正态分布曲线正态分布曲线正态分布曲线 分布
9、密度函数第13页/共60页14均方根偏差 标准差2正态分布的随机误差的数学特征 算术平均值算术平均值算术平均值算术平均值是测量值中最可信赖的,可以作为等精度多次测量的结果,是测量值中最可信赖的,可以作为等精度多次测量的结果,反映随机误差的反映随机误差的分布中心分布中心分布中心分布中心。均方根偏差均方根偏差均方根偏差均方根偏差则反映随机误差的则反映随机误差的分散程度分散程度分散程度分散程度第14页/共60页15 实实际际测测量量时时,由由于于真真值值L是是无无法法确确切切知知道道的的,用用测测量量值值的的算算术术平平均均值值代代替替,各各测测量量值值与与算算术术平平均值差值称为残余误差,即均值差
10、值称为残余误差,即 用用残残余余误误差差计计算算的的均均方方根根偏偏差差称称为为均均方方根根偏偏差估计值。差估计值。残余误差均方根偏差估计值评定评定单次单次单次单次测量值所出现误差的指标,测量值所出现误差的指标,即样本标准差即样本标准差即样本标准差即样本标准差第15页/共60页无偏估计参数的样本估计值的期望值=参数的真实值 无偏估计:设A=g(x1,x2,.,xn)是未知参数A的一个点估计量,若A满足E(A)=A,则称A为A的无偏估计量,否则为有偏估计量。无偏估计就是系统误差为零系统误差为零系统误差为零系统误差为零的估计均方根偏差估计值s作为总体标准差的估计值,但不是的无偏估计,而样本方差s2
11、才是总体方差2的无偏估计。第16页/共60页17算术平均值算术平均值是反映随机误差的分布中心算术平均值是反映随机误差的分布中心算术平均值是反映随机误差的分布中心算术平均值是反映随机误差的分布中心均方根偏差则反映随机误差的分散程度均方根偏差则反映随机误差的分散程度均方根偏差则反映随机误差的分散程度均方根偏差则反映随机误差的分散程度均方根偏差 标准偏差第17页/共60页18算术平均值的均方根偏差n通常在有限次测量时,算术平均值不可能等于被测量的真值L,它也是随机变动的。n设对被测量进行m组的“多次测量”,各组所得的算术平均值也有一定的分散性,也是随机变量。n算术平均值的精度可由 算术平均值的均方根
12、偏 差来评定。n234567820 1.25 1.13 1.09 1.061.05 1.04 1.03 1.01 1.00 在有限次测量时在有限次测量时,的关系的关系 第18页/共60页随机误差在随机误差在(-,+)出现的概率出现的概率误差区间通常表示成误差区间通常表示成的倍数的倍数,如如tttt置信概率t置信系数;置信系数;t误差范围误差范围随机误差在任意区间随机误差在任意区间出现的概率出现的概率残余误差残余误差v的概率密度的概率密度第19页/共60页20几个典型的 t 值及其相应的概率t0.674511.9622.5834Pa0.50.68270.950.95450.990.99730.9
13、9994当当 t=1t=1时时,Pa=0.6827,即测量结果中随机误差出现在即测量结果中随机误差出现在-+范围内的概率为范围内的概率为68.27%68.27%。而出现在而出现在-3-3+3+3范围内的概率是范围内的概率是99.73%99.73%,因此可以认为绝对值大于因此可以认为绝对值大于33的误差是的误差是小概率事件。小概率事件。测量结果可表示为第20页/共60页21Pa与与关系关系 随机误差在 tt范围内出现的概率为P Pa a,超出的概率称为显著度。用表示。-t 0 +t=1-Pa显著度第21页/共60页22 基本概念、误差随机误差系统误差粗大误差 测量概论测量概论测量数据的估计和处理
14、测量数据的估计和处理计算方法计算方法算术平均值的均方根偏差测量结果的表示方法今日要点今日要点误差的计算方法第22页/共60页23例例 有有一一组组测测量量值值237.4、237.2、237.9、237.1、238.1、237.5、237.4、237.6、237.6、237.4,求求:测量结果:测量结果。解:解:序号序号测量值测量值xi1237.42237.23237.94237.15237.16237.57237.48237.69237.610237.4 标差估计值残余误差vi,第23页/共60页24序号序号测量值测量值xi残余误差残余误差vi1237.4-0.12 2237.2-0.32 3
15、237.90.38 4237.1-0.425237.10.586237.5-0.027237.4-0.128237.60.089237.60.0810237.4-0.12例例 有有一一组组测测量量值值237.4、237.2、237.9、237.1、238.1、237.5、237.4、237.6、237.6、237.4,求求:测量结果:测量结果。解:解:标差估计值残余误差vi,第24页/共60页25序号序号测量值测量值xi残余误差残余误差vi1237.4-0.12 0.0142237.2-0.32 0.103237.90.38 0.144237.1-0.420.185237.10.580.346
16、237.5-0.020.007237.4-0.120.0148237.60.080.00649237.60.080.006410237.4-0.120.014例例 有有一一组组测测量量值值237.4、237.2、237.9、237.1、238.1、237.5、237.4、237.6、237.6、237.4,求求:测量结果:测量结果。解:解:标差估计值残余误差vi,标准差估计值算术平均值标准差第25页/共60页26测量结果为:测量结果为:标准差估计值算术平均值标准差比较:比较:x=237.520.09 x (Pa=0.6827)x=237.520.27 3x (Pa=0.9973)第26页/共6
17、0页27系统误差的处理 systematic error1.从误差根源上消除系统误差从误差根源上消除系统误差 所所用用传传感感器器、测测量量仪仪表表或或组组成成元元件件是是否准确可靠;否准确可靠;测量方法测量方法是否完善。是否完善。传传感感器器或或仪仪表表安安装装、调调整整或或放放置置是是否否正确合理。正确合理。传传感感器器或或仪仪表表工工作作场场所所的的环环境境条条件件是是否符合规定条件。否符合规定条件。测量者的测量者的操作操作是否正确。是否正确。系统误差是在一定的测量条件下,测量值中系统误差是在一定的测量条件下,测量值中含有固定不变或按一定规律变化的误差。含有固定不变或按一定规律变化的误差
18、。注注意意第27页/共60页28发现系统误差一般比较困难,下面介绍几种发现系统误差一般比较困难,下面介绍几种发现系统误差的一般方法。发现系统误差的一般方法。2.系统误差的发现与判别系统误差的发现与判别(1)实验对比法:这种方法是通过改变产生系)实验对比法:这种方法是通过改变产生系统误差的条件从而进行不同条件的测量,统误差的条件从而进行不同条件的测量,以发现系统误差。以发现系统误差。(2)残余误差观察法:这种方法是根据测量值)残余误差观察法:这种方法是根据测量值的残余误差的大小和符号的变化规律,直的残余误差的大小和符号的变化规律,直接由误差数据或误差曲线图形判断有无变接由误差数据或误差曲线图形判
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- 传感 检测 技术 理论基础
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