第2章误差理论与测量不确定性精选文档.ppt
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1、第第2章误差理论与测章误差理论与测量不确定性量不确定性本讲稿第一页,共八十六页 2.1 误误 差差 一、误差 1真值A0 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。要想得到真值,必须利用理想的量具或测量仪器进行无误差的测量。由此可推断,物理量的真值实际上是无法测得的。2指定值As 由于绝对真值是不可知的,所以一般由国家设立各种尽可能维持不变的实物标准(或基准),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。本讲稿第二页,共八十六页 3实际值A 实际测量中,不可能都直接与国家基准相比对,所以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
2、较传递到日常工作仪器或量具上去。在每一级的比较中,都以上一级标准所体现的值当作准确无误的值,通常称为实际值,也叫作相对真值。本讲稿第三页,共八十六页 4.标称值 测量器具上标定的数值称为标称值。由于制造和测量精度不够以及环境等因素的影响,标称值并不一定等于 它的真值或实际值。5示值 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,它包括数值和单位。一般地说,示值与测量仪表的读数有区别,读数是仪器刻度盘上直接读到的数字。本讲稿第四页,共八十六页 6测量误差 在实际测量中,由于测量器具不准确,测量手段不完善,环境影响,测量操作不熟练及工作疏忽等因素,都会导致测量结果与破
3、测量真值不同。测量仪器仪表的测下导值与破测量真值之间的差异,称为测量误差。7单次测量和多次测量 单次(一次)测量是用测量仪器对待测量进行一次测量的过程。多次测量是用测量仪器对同一被测量进行多次重复测量的过程。依靠多次测量可以观察测量结果一致性的好坏即精密度。本讲稿第五页,共八十六页 8等精度测量和非等精度测量 在保持测量条件不变的情况下对同一被测量进行的多次测量过程称作等精度测量。这里所说的测量条件包括所有对测量结果产生影响的客观和主观因素如测量中使用的仪器、方法、测量环境,操作者的操作步骤和细心程度等。本讲稿第六页,共八十六页 二、误差的表示方法 1绝对误差 绝对误差定义为 (2.1-1)式
4、中x为绝对误差,x为测得值,A0为被测量真值。前面已提到,真值A0一般无法得到,所以用实际值A代替A0,因而绝对误差更有实际意义的定义是(2.1-2)本讲稿第七页,共八十六页 对于绝对误差,应注意下面几个特点:绝对误差是有单位的量,其单位与测得值和实际值相同。绝对误差是有符号的量,其符号表示出测量值与实际值的大小关系,若测得值较实际值大,则绝对误差为正值,反之为负值。测得值与被测量实际值间的偏离程度和方向通过绝对误差来体现。本讲稿第八页,共八十六页 对于信号源、稳压电源等供给量仪器,绝对误差定义为(2.1-3)式中A为实际值,x为供给量的指示值(标称值).如果没有特殊说明,本书涉及的绝对误差,
5、按式(2.12)定义计算。与绝对误差绝对值相等但符号相反的值称为修正值,一般用符号c表示(2.1-4)本讲稿第九页,共八十六页 测量仪器的修正值,可通过检定,由上一级标准给出,它可以是表格、曲线或函数表达式等形式。利用修正值和仪器示值,可得到被测量的实际值(2.1-5)本讲稿第十页,共八十六页 例如由某电流表测得的电流示值为0.83 mA,查该电流表检定证书,得知该电流表在0.8mA及其附近的修正值部为一0.02mA,那么被测电流的实际值为 智能仪器的优点之一就是可利用内部的微处理器,存贮和处理修正值,直接给出经过修正的实际值。本讲稿第十一页,共八十六页 2相对误差 相对误差用来说明测量精度的
6、高低,又可分为:(1)实际相对误差 实际相对误差定义为(2.1-6)(2)示值相对误差 示值相对误差也叫标称相对误差,定义为 (2.1-7)本讲稿第十二页,共八十六页 如果测量误差不大,可用示值相对误差 代替实际误差 ,但若 和 相差较大,两者 应加以区别。(3)满度相对误差 满度相对误差定义为仪器量程内最大绝对误差 与测量仪器满度值(量程上限值)的百分比值(2.1-8)本讲稿第十三页,共八十六页 满度相对误差也叫作满度误差和引用误差。由式(2,l8)可以看出,通过满度误差实际上给出了仪表各量程内绝对误差的最大值(2.1-9)本讲稿第十四页,共八十六页 例 某电压表s1.5,试算出它在0V10
7、0V量程中的最大绝对误差。解:在0Vl00V量程内上限值xm100V,由式(2,l9),得到本讲稿第十五页,共八十六页 一般讲,测量仪器在同量程不同示值处的绝对误差实际上未必处处相等,但对使用者来讲,在没有修正值可资利用的情况下,只能按最坏情况处理,即认为仪器在同一量程各处的绝对误差是个常数且等于xm,人们把这种处理叫作误差的整量化。由式(2.l7)和(2,19)可以看出,为了减小测量中的示值误差,在进行量程选择时应尽可能使示值能接近满度值,一般以示值不小于满度值的23为宜。本讲稿第十六页,共八十六页 (4)分贝误差 在电子测量中还常用到分贝误差。分贝误差是用对数形式表示的一种误差,单位为分贝
8、(dB).分贝误差广泛用于增益(衰减)量的测量中。下面以电压增益测量为例,引出分贝误差的表示形式。设双口网络(比如放大器,或衰减器)输入、输出电压的测得值分别为Ui和Uo,则电压增益Au,的测得值为(2.1-10)用对数表示为(2.1-11)Gx称为增益测得值的分贝值。本讲稿第十七页,共八十六页2.2 误差的分类误差的分类 一、系统误差 在多次等精度测量同一量值时,误差的绝对值和符号保持不变,或当条件改变时按某种规律变化的误差称为系统误差,简称系差。如果系差的大小、符号不变而保持恒定,则称为恒定系差,否则称为变值系差。变值系差又可分为累进性系差、周期性系差和按复杂规律变化的系差。本讲稿第十八页
9、,共八十六页 图22l描述了几种不同系差的变化规律:直线a表示恒定系差;直线b属变值系差中累进性系差,这里表示系差递增的情况,也有递减系差;曲线c表示周期性系差,在整个测量过程中,系差值成周期性变化;曲线d属于按复杂规律变化的系差。本讲稿第十九页,共八十六页 图2.21 系统误差的特征0本讲稿第二十页,共八十六页 归纳起来,产生系统误差的主要原因有:测量仪器设计原理及制作上的缺陷。例如刻度偏差,刻度盘或指针安装偏心,使用过程中零点漂移,安放位置不当等.测量时的环境条件如温度、湿度及电源电压等与仪器使用要求不一致等。采用近似的测量方法或近似的计算公式等。测量人员估计读数时习惯偏于某“方向等原因所
10、引起的误差。系统误差体现了测量的正确度,系统误差小,表明测量的正确度高。本讲稿第二十一页,共八十六页 二、随机误差 随机误差又称偶然误差,是指对同一量值进行多次等精度测量时,其绝对值和符号均以不可预定的方式无规则变化的误差。就单次测量而言,随机误差没有规律,其大小和方向完全不可预定,但当测量次数足够多时,其总体服从统计学规律,多数情况下接近正态分布(见24)。本讲稿第二十二页,共八十六页 随机误差的特点是,在多次测量中误差绝对值的波动有一定的界性,即具有有界性;当 测量次数足够多时,正负误差出现的机会几乎相同,即具有对称性;同时随机误差的算术十均值趋于零,即具有抵偿性。由于随机误差的上述特点,
11、可以通过对多次测量取平均值的办法,来减小随机误差对测量结果的影响,或者用其他数理统计的办法对随机误差加以处理。本讲稿第二十三页,共八十六页 表22l是对某电阻进行15次等精度测量的结果。表中Ri为第i次测得值,R为测得值的算术平均值,定义为残差,由于电阻的真值R无法测得,我们用R 代替R,用 ui表示随机误差的性质。为了更直观地考察测量值的分布规律,用图222表示测量结果的分布情况,图中小黑点代表各次测量值。本讲稿第二十四页,共八十六页表2.2l本讲稿第二十五页,共八十六页 由表2.2l和图2.22可以看出以下几点:正误差出现了7次,负误差出现了6次,两者基本相等,正负误差出现的概率基本相等,
12、反映了随机误差的对称性.误差的绝对值介于(0,01)、(01,02)、(02,03)、(03,04)、(04,05)区间,大于0,5的个数分别为63、2、1、2个和1个,反映了绝对值小的随机误差出现的概率大,绝对值大的随机误差出现的概率小.本讲稿第二十六页,共八十六页图2.22 电阻测量值的随机误差本讲稿第二十七页,共八十六页 3 ui0,正负误差之和为零,反映了随机误差的抵偿性。所有随机误差的绝对值都没有超过某一界限,反映了随机误差的有界性。这虽然仅是一个例子,但也基本反映出随机误差的一般特性。本讲稿第二十八页,共八十六页 产生随机误差的主要原因包括:测量仪器元器件产生噪声,零部件配合的不稳
13、定、摩擦、接触不良等。温度及电源电压的无规则波动,电磁干扰,地基振动等。测量人员感觉器官的无规则变化而造成的读数不稳定等。随机误差体现了多次测量的精密度,随机误差小,则精密度高。本讲稿第二十九页,共八十六页 三、粗大误差 在一定的测量条件下,测得值明显地偏离实际值所形成的误差称为粗大误差,也称为疏失误差,简称粗差。确认含有粗差的测得值称为坏值,应当剔除不用,因为坏值不能反映被测量的真实数值。产生粗差的主要原因包括:测量方法不当或错误。例如用普通万用表电压档直接测量高内阻电源的开路电压,用普通万用表交流电压档测量高频交流信号的幅值等.本讲稿第三十页,共八十六页 测量操作疏忽和失误。例如未按规程操
14、作,读错读数或单位,或记录及计算错误等.测量条件的突然变化。例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。这类变化虽然也带有随机性,但由于它造成的示值明显偏离实际值,因此将其列入粗差范畴。本讲稿第三十一页,共八十六页 需指出,除粗差较易判断和处理外,在任何一次测量中,系统误差和随机误差一般都是同时存在的,需根据各自对测量结果的影响程度,作不同的具体处理:系统误差远大于随机误差的影响,此时可基本上按纯粹系差处理,而忽略随机误差。系差极小或已得到修正,此时基本上可按纯粹随机误差处理.系差和随机误差相差不远,二者均不可忽略,此时应分别按不同的办法来处理,然后估计其最终
15、的综合影响.本讲稿第三十二页,共八十六页 2.3 随机误差分析随机误差分析 多次等精度测量时产生的随机误差及测量值服从统计学规律。本节从工程应用角度,利用概率统计的一些基本结论,研究随机误差的表征及对含有随机误差的测量数据的处理方法。本讲稿第三十三页,共八十六页 一、测量值的数学期望和标准差 1数学期望 设对被测量x进行n次等精度测量,得到n个测得值由于随机误差的存在,这些测得值也是随机变量。定义n个测得值(随机变量)的算术平均值为(2.3-1)本讲稿第三十四页,共八十六页 式中x也称作样本平均值。当测量次数 时,样本平均值;的极限定义为测得值的数学期望(2.3-2)式中x。也称作总体平均值。
16、本讲稿第三十五页,共八十六页 假设上面的测得值中不含系统误差和粗大误差,则第i次测量得到的测得值xi与真值义(前已叙述,由于真值Ao一般无法得知,通常即以实际值A代替)间的绝对误差就等于 随机误差(2.3-3)式中 分别表示绝对误差和随机误差。本讲稿第三十六页,共八十六页 随机误差的算术平均值:本讲稿第三十七页,共八十六页 当 时,上式中第-项即为测得值的数学期望Ex,所以 由于随机误差的抵偿性,当测量次数n趋于无限大时,趋于零:(2.35)(2.34)即随机误差的数学期望等于零。由式(23-4)和(23-5),得(2.36)即测得值的数学期望等于被测量真值A.本讲稿第三十八页,共八十六页 实
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