实验测量与数据处理(cxh)-2.ppt
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1、2013.02.29测量不确定度与数据处理测量不确定度与数据处理主要内容主要内容1-1实验实验测量的基本知识测量的基本知识1-3有效数字及其运算有效数字及其运算1-2实验实验测量不确定度的评定测量不确定度的评定1-1测量的基本知识测量的基本知识注意:注意:大多数的测量结果不但有数值而且有大多数的测量结果不但有数值而且有单位单位。物理测量:运用各种物理仪器和物理方法物理测量:运用各种物理仪器和物理方法把待测未知量与已知标准单位同类量作比较,把待测未知量与已知标准单位同类量作比较,即待测量是该计量单位的多少倍即待测量是该计量单位的多少倍一一、物理测量的基本概念物理测量的基本概念一一直接测量与间接测
2、量直接测量与间接测量 1.直接测量直接测量:凡是可以直接用计量仪器和测量量进行比较,便可获得测量结果的,该测量属于直接测直接测量量。直接测量直接测量重复测量重复测量单次测量单次测量a、重复测量:在等精度的条件下对待测量进行重复测量:在等精度的条件下对待测量进行多次测量多次测量2.间接测量间接测量:凡是通过与被测量有函数关系的其他量,才得到被测量量值的测量,称为间接测量。b、单次测量:往往出现以下几种情况才采用单次测量:往往出现以下几种情况才采用(1)测量结果的准确度要求不高,允许可以粗略)测量结果的准确度要求不高,允许可以粗略地估计误差的大小地估计误差的大小(2)在安排实验时,早已作过分析,认
3、为测)在安排实验时,早已作过分析,认为测量误差仪器误差量误差仪器误差(3)受条件的限制(如在动态测量中,无法)受条件的限制(如在动态测量中,无法对待测量做重复测量)对待测量做重复测量)1、直接测量与间接测量是相对的。随着科学技、直接测量与间接测量是相对的。随着科学技术的发展,测量仪器的改进,原来只能间接测量术的发展,测量仪器的改进,原来只能间接测量的量,现在可以直接测量。的量,现在可以直接测量。2、间接测量是从直接测量通过公式计算来得到,、间接测量是从直接测量通过公式计算来得到,因此直接测量是测量的基础因此直接测量是测量的基础总结总结二二等精度测量和不等精度测量等精度测量和不等精度测量p 由同
4、一观察者用同一仪器、同一方法、同一环境测量n次,所得测量值为x1、x2.xn,则把这样在同一种条件下的重复测量称为等精度测量等精度测量。p 在不同条件(观察者、仪器、方法、环境)下的重复测量称为不等精度测量不等精度测量。三三测量的精密度、准确度、精确度测量的精密度、准确度、精确度u 精密度u 准确度u 精确度 测量数据的精确程度与所使用的仪器设备和实验方法测量数据的精确程度与所使用的仪器设备和实验方法息息相关。息息相关。1-2 实验测量不确定度的评定实验测量不确定度的评定一、不确定度一、不确定度概念的发展概念的发展 长期以来,人们一直使用误差和误差分析作为评价长期以来,人们一直使用误差和误差分
5、析作为评价检测结果质量的方法,但大多数检测结果的误差都具检测结果质量的方法,但大多数检测结果的误差都具有相对性,实际上一般检测结果的误差是未知的,因有相对性,实际上一般检测结果的误差是未知的,因此用误差来定量表示检测结果的质量存在许多争论。此用误差来定量表示检测结果的质量存在许多争论。由于测量误差的存在而对测量值不能肯定的程度,称由于测量误差的存在而对测量值不能肯定的程度,称为为不确定度不确定度不确定度不确定度,是与测量结果相联系的一个参数,是与测量结果相联系的一个参数。1、定义:、定义:从从2020世纪世纪7070年代开始,人们开始逐步引入测年代开始,人们开始逐步引入测量不确定度的概念来评定
6、检测结果。测量不确定量不确定度的概念来评定检测结果。测量不确定度的概念和体系是在数理统计和误差理论的基础度的概念和体系是在数理统计和误差理论的基础上建立和完善的,它避免了原经典误差理论中某上建立和完善的,它避免了原经典误差理论中某些概念可能产生混淆的现象,能更准确地用于表些概念可能产生混淆的现象,能更准确地用于表示检测结果的准确度,因而成为现代误差理论的示检测结果的准确度,因而成为现代误差理论的核心和最新发展。检测结果是否有用,在很大程核心和最新发展。检测结果是否有用,在很大程度上取决于其不确定度的大小。在置信水平一定度上取决于其不确定度的大小。在置信水平一定的情况下,不确定度越小,检测结果越
7、可靠。随的情况下,不确定度越小,检测结果越可靠。随着现代科技和社会的发展,用测量不确定度来表着现代科技和社会的发展,用测量不确定度来表示检测结果的可靠程度越来越被认可和接受。示检测结果的可靠程度越来越被认可和接受。随着社会的进步,国际贸易的不断扩大和科学技随着社会的进步,国际贸易的不断扩大和科学技术的发展,测量范围不断扩大,在国民经济的各个术的发展,测量范围不断扩大,在国民经济的各个领域中进行着大量的测量工作,要测量就会有不确领域中进行着大量的测量工作,要测量就会有不确定度,不确定度在世界各国的计量领域已经广泛使定度,不确定度在世界各国的计量领域已经广泛使用。相关规定指出,当检测结果处于产品质
8、量标准用。相关规定指出,当检测结果处于产品质量标准的临界值,有可能判定被检产品不合格时,应该给的临界值,有可能判定被检产品不合格时,应该给出出测量结果的不确定度测量结果的不确定度。因而当报告测量结果时因而当报告测量结果时,必须对其质量给出定量的必须对其质量给出定量的说明说明,以确定测量结果的可信程度。以确定测量结果的可信程度。测量不确定度测量不确定度就是就是对测量结果质量的定量表征,测量结果的可用性很大对测量结果质量的定量表征,测量结果的可用性很大程度上取决于其不确定度的大小。所以,测量结果必程度上取决于其不确定度的大小。所以,测量结果必须附有不确定度说明才是完整并有意义的。须附有不确定度说明
9、才是完整并有意义的。19631963年,美国国家标准局(年,美国国家标准局(NBSNBS)首先提出了定量表)首先提出了定量表示不确定度的建议示不确定度的建议。19771977年年5 5月,国际计量委员会(月,国际计量委员会(CIPMCIPM)下设的国际电)下设的国际电离辐射咨询委员会(离辐射咨询委员会(CCEMRICCEMRI)正式讨论了如何表达)正式讨论了如何表达不确定度的建议不确定度的建议。19771977年年7 7月,在国际电离辐射咨询委员会月,在国际电离辐射咨询委员会CCEMRICCEMRI会议会议上,美国上,美国NBSNBS正式提出了解决测量不确定度表示的国正式提出了解决测量不确定度
10、表示的国际统一性问题。际统一性问题。19781978年,国际计量委员会年,国际计量委员会(CIPM)(CIPM)要求国际计量局要求国际计量局(BIPM)(BIPM)协同各国解决这个问题。协同各国解决这个问题。BIPMBIPM就此制定了一份就此制定了一份详细的调查表,并分发到详细的调查表,并分发到3232个国际计量院及个国际计量院及5 5个国际个国际组织征求意见。组织征求意见。19801980年,国际计量局(年,国际计量局(BIPMBIPM)成立了不确定度表示)成立了不确定度表示工作组,并起草了一份建议书,即:工作组,并起草了一份建议书,即:INCINC1 1(19801980)。该建议书主要是
11、向各国推荐不确定度的)。该建议书主要是向各国推荐不确定度的表示原则,从而使测量不确定度的表示方法逐渐表示原则,从而使测量不确定度的表示方法逐渐趋趋于统一于统一。19811981年,国际计量委员会(年,国际计量委员会(CIPMCIPM)发布了)发布了CICI19811981建议书,即:建议书,即:“实验不确定度的表示实验不确定度的表示”,重申了不,重申了不确定度表示的确定度表示的统一方法统一方法。19861986年,国际计量委员会(年,国际计量委员会(CIPMCIPM)再次发布建议书)再次发布建议书即即CICI19861986,要求参加由,要求参加由CIPMCIPM及其咨询委员会主办及其咨询委员
12、会主办的国际比对或其他工作的成员国在给出测量结果时的国际比对或其他工作的成员国在给出测量结果时给出用标准偏差表示的给出用标准偏差表示的A A类和类和B B类类不确定度的合成不不确定度的合成不确定度。确定度。19931993年,由年,由ISOISO第四技术顾问组(第四技术顾问组(TAG4TAG4)的第三工作)的第三工作组(组(WG3WG3)负责起草)负责起草测量不确定度表示指南测量不确定度表示指南(缩(缩写为写为GUMGUM)。以)。以7 7个国际组织的名义正式由个国际组织的名义正式由ISOISO出版出版。1995年,ISO对GUM作了修订和重印,GUM是在INC1(1980)、CI1981和C
13、I1986的基础上编制而成的应用指南,在术语定义、概念、评定方法和报告的表达方式上都作出了更明确的统一规定。它代表了当前国际上表示测量结果及其不确定度的约定做法。测量值测量值测量不确定度测量不确定度用测量的算术平均值来表示用测量的算术平均值来表示二二、测量结果的表示及分类测量结果的表示及分类表示真值在量值表示真值在量值之中,显然,量之中,显然,量值范围越窄,值范围越窄,则测量不确定度越小,用测量值表则测量不确定度越小,用测量值表示真值的可靠性就越高示真值的可靠性就越高。1、测量结果的表示测量结果的表示2、分类、分类可用概率统计法计算的可用概率统计法计算的可用概率统计法计算的可用概率统计法计算的
14、A类评定类评定用其它非统计方法估算的用其它非统计方法估算的用其它非统计方法估算的用其它非统计方法估算的B类评定类评定3、物理意义、物理意义 测量不确定度是对测量结果质量的定量表征,测量不确定度是对测量结果质量的定量表征,测量结果附有不确定度才有意义。测量不确定度的测量结果附有不确定度才有意义。测量不确定度的大小在一定程度上表明了测量结果的可用性。大小在一定程度上表明了测量结果的可用性。1.测量结果分析的测量结果分析的几个几个基本概念基本概念(1)算术平均值与数学期望算术平均值与数学期望p算术平均值算术平均值 随随机变量的算术平均数,等于机变量的算术平均数,等于“试验结果的各个可能值与其相试验结
15、果的各个可能值与其相应的频率应的频率f(x=xi)乘积之和乘积之和”。由于频率。由于频率f(x=xi)要试验后才能确定,要试验后才能确定,因而算术平均数也必须到试验后才能求出,而且各次试验后,所因而算术平均数也必须到试验后才能求出,而且各次试验后,所得到算术平均数也不一定相同,具有随机性。得到算术平均数也不一定相同,具有随机性。三三、直接测量标准不确定度的、直接测量标准不确定度的A类评定类评定p 数学期望数学期望是连续的是连续的概率概率概率密度函数概率密度函数 在在大量试验下,频率大量试验下,频率f(x=xi)稳定于概率稳定于概率p(x=xi),而随机变量而随机变量x的算术平均值也一定稳定于的
16、算术平均值也一定稳定于“随机变量随机变量x的各个可能值与其相的各个可能值与其相应概率应概率p(x=xi)乘积的总和乘积的总和”,这个,这个“总和总和”是一个常数,它是是一个常数,它是算术平均值的稳定值,称为随机变量算术平均值的稳定值,称为随机变量x的的数学期望数学期望。p 算术平均值与数学期望算术平均值与数学期望 数数学期望学期望E(x)与算术平均值有紧密联系,都是反映随机变量与算术平均值有紧密联系,都是反映随机变量x的的“平均平均特征特征”这一统计特征,但它们又有质的差别,这一统计特征,但它们又有质的差别,E(x)是一个客观存在的理论是一个客观存在的理论值,而算术平均值是一个试验值,具有随机
17、性。值,而算术平均值是一个试验值,具有随机性。其中,其中,(2)测量列及测量列平均值的标准偏差测量列及测量列平均值的标准偏差1.测量列测量列的的标准偏差标准偏差 标准差是一组数值自平均值分散开来的程度的一种测量概念。标准差是一组数值自平均值分散开来的程度的一种测量概念。一个较大的标准差,表示大部分的数值和其平均值之间差异较一个较大的标准差,表示大部分的数值和其平均值之间差异较大,测量的精确度低;一个较小的标准差,表示这些数值比较大,测量的精确度低;一个较小的标准差,表示这些数值比较接近平均值,测量精确度高。标准差是反映一个数据集的离散接近平均值,测量精确度高。标准差是反映一个数据集的离散程度。
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