第02章測量誤差分析與處理含第1次作業(yè)ppt課件

1、第二章第二章 測量誤差分析與處理測量誤差分析與處理2.1 測量誤差與測量精度測量誤差與測量精度2.2 直接測量的誤差分析直接測量的誤差分析2.3 間接測量的誤差分析間接測量的誤差分析2.4 組合測量的誤差分析組合測量的誤差分析2.5 粗大誤差的處理粗大誤差的處理2.6 系統(tǒng)誤差介紹系統(tǒng)誤差介紹2.7 誤差的綜合誤差的綜合2.1 測量誤差與測量精度測量誤差與測量精度n 誤差的概念誤差的概念n 誤差的基本表示方法誤差的基本表示方法n 誤差的分類誤差的分類n 精密度、準(zhǔn)確度和精確度精密度、準(zhǔn)確度和精確度n 不確定度不確定度2.1.1 測量誤差的概念n測量誤差的定義測量誤差的定義0 xX被測量的真值被

2、測量的真值測定值測量結(jié)果）測定值測量結(jié)果）測量誤差測量誤差測量誤差的概念測定值(測量結(jié)果)n測定值測量結(jié)果）測定值測量結(jié)果）n測定值測定值 x 是由測量所得到的賦予被測量的是由測量所得到的賦予被測量的值。是我們研究的對象。值。是我們研究的對象。n廣義上，可以把測量值、檢測值、實(shí)驗(yàn)值、廣義上，可以把測量值、檢測值、實(shí)驗(yàn)值、示值、名義值、標(biāo)稱值等均看作是測量結(jié)示值、名義值、標(biāo)稱值等均看作是測量結(jié)果。果。測量誤差的概念測量誤差的概念真值真值真值：與給定的特定量一致的值。真值：與給定的特定量一致的值。 1、理論真值：、理論真值：如化合物的理論組成如化合物的理論組成2、計(jì)量學(xué)約定真值：、計(jì)量學(xué)約定真值：

3、如國際計(jì)量大會(huì)確定的長度、質(zhì)量、物質(zhì)的如國際計(jì)量大會(huì)確定的長度、質(zhì)量、物質(zhì)的量等單位量等單位3、相對真值：、相對真值：如高一級精度的測量值相對于低一級精度的測如高一級精度的測量值相對于低一級精度的測量值量值質(zhì)量基準(zhǔn)和長度基準(zhǔn)質(zhì)量基準(zhǔn)和長度基準(zhǔn)質(zhì)量的基準(zhǔn)質(zhì)量的基準(zhǔn)n質(zhì)量基準(zhǔn)質(zhì)量基準(zhǔn)千克原器千克原器n現(xiàn)存現(xiàn)存7個(gè)基本量中唯一的實(shí)物基準(zhǔn)個(gè)基本量中唯一的實(shí)物基準(zhǔn).n制造材料是鉑制造材料是鉑(90%)銥銥(10%)合金，英國合金，英國1878年生產(chǎn)。年生產(chǎn)。n千克原器具有較好的性能穩(wěn)定性，復(fù)現(xiàn)量值的相對千克原器具有較好的性能穩(wěn)定性，復(fù)現(xiàn)量值的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)不確定度達(dá)到了10-9數(shù)量級。數(shù)量級

4、。n實(shí)物基準(zhǔn)的影響因素：實(shí)物基準(zhǔn)的影響因素：n污染物、灰塵、水分、材料老化等。污染物、灰塵、水分、材料老化等。n1889年，年，1946年，年，1989年進(jìn)行的國際比對顯示千克年進(jìn)行的國際比對顯示千克原器不確定度每次都有原器不確定度每次都有10-8量級的變化。量級的變化。 n未來的研究方向未來的研究方向質(zhì)量自然基準(zhǔn)質(zhì)量自然基準(zhǔn)n質(zhì)量實(shí)物基準(zhǔn)必將被質(zhì)量自然基準(zhǔn)所代替。質(zhì)量實(shí)物基準(zhǔn)必將被質(zhì)量自然基準(zhǔn)所代替。 n不隨時(shí)間變化的恒量，目前期望的不確定度為不隨時(shí)間變化的恒量，目前期望的不確定度為110-8。長度的基準(zhǔn)最高基準(zhǔn)的測量傳遞手段測量儀器最高基準(zhǔn)的測量傳遞手段測量儀器/測量方法）測量方法） 不絕

5、對準(zhǔn)確不絕對準(zhǔn)確 “米制建議米制建議18世紀(jì)末法國科學(xué)院）世紀(jì)末法國科學(xué)院） “米米” 定義定義 （1791年法國國年法國國會(huì)）會(huì)） 通過巴黎的地球子午線長度的四千萬分之一通過巴黎的地球子午線長度的四千萬分之一 鉑桿鉑桿“檔案尺檔案尺” （1799年）年） 兩端之間的距離兩端之間的距離 第一個(gè)實(shí)物基準(zhǔn)第一個(gè)實(shí)物基準(zhǔn) “檔案尺變形檔案尺變形 較大誤差較大誤差 廢棄廢棄1872年米制國際會(huì)議）年米制國際會(huì)議） 鉑銥合金的鉑銥合金的X形尺形尺 米原器米原器1889年國際計(jì)量大會(huì)）年國際計(jì)量大會(huì)） 中性面上兩端的中性面上兩端的二條刻線在二條刻線在0C時(shí)的長度時(shí)的長度 （復(fù)現(xiàn)精度：（復(fù)現(xiàn)精度：（12）1

6、0-7 ） 自然基準(zhǔn)自然基準(zhǔn)1960年國際計(jì)量大會(huì)）年國際計(jì)量大會(huì)） (氪氪) Kr-86的的2p10-5d5能級間躍遷能級間躍遷在真空中的輻射波長的在真空中的輻射波長的1650763.73倍。倍。(復(fù)現(xiàn)精度復(fù)現(xiàn)精度:(0.51)10-8) “米的最新定義米的最新定義1983年第十七屆國際計(jì)量大會(huì)）年第十七屆國際計(jì)量大會(huì)） 光在真空中光在真空中1s時(shí)時(shí)間內(nèi)傳播距離的間內(nèi)傳播距離的1/299792485 （復(fù)現(xiàn)精度：（復(fù)現(xiàn)精度：1.310-10 ）測量精度測量精度 測量技術(shù)水平的主要標(biāo)志之一測量技術(shù)水平的主要標(biāo)志之一精度提高受到認(rèn)知程度的限制精度提高受到認(rèn)知程度的限制 影響測量誤差的評定影響測量

7、誤差的評定2.1.2 誤差的基本表示方法n 絕對誤差絕對誤差n 相對誤差相對誤差n 引用誤差引用誤差絕對誤差absolute error ）0 xX被測量的真值被測量的真值測定值測定值絕對誤差：絕對誤差：是一個(gè)具有確定的是一個(gè)具有確定的大小、符號及單位大小、符號及單位的量。單位給出了的量。單位給出了被測量的量綱，其被測量的量綱，其單位與測得值相同。單位與測得值相同。 相對誤差relative error）定義： 式中m為約定值。一般有以下幾種取法：m 取測量的實(shí)際值約定真值），稱為實(shí)際相對誤差；m 取測量儀表的指示值，稱為標(biāo)稱相對誤差；m 取儀表的滿刻度值，為引用相對誤差。m相對誤差的特點(diǎn)n相

8、對誤差只有大小和符號，無量綱，一般相對誤差只有大小和符號，無量綱，一般用百分?jǐn)?shù)表示，數(shù)值較小的時(shí)候用用百分?jǐn)?shù)表示，數(shù)值較小的時(shí)候用ppm； n相對誤差用來衡量測量的相對準(zhǔn)確程度。相對誤差用來衡量測量的相對準(zhǔn)確程度。n被測量的大小不同被測量的大小不同 允許的測量絕對誤差允許的測量絕對誤差不同；不同；n相對誤差相同時(shí)，被測量的量值小相對誤差相同時(shí)，被測量的量值小允許允許的測量絕對誤差也越小。的測量絕對誤差也越小。例：壓力例：壓力P1=50 kPa，誤差，誤差1 = 2 kPa；壓力；壓力P2=2 MPa，誤差，誤差2 = 50 kPa 1= 100% = 100% = 4% 1G1G1的相對誤差的

9、相對誤差為為250 2= 100% = 100% = 2.5% G2G2的相對誤差的相對誤差為為502000 2- G2的測量效果較好的測量效果較好例題例題1：引用誤差引用誤差n我國電工儀表、壓力表的準(zhǔn)確度等級我國電工儀表、壓力表的準(zhǔn)確度等級accuracy accuracy classclass按照引用誤差進(jìn)行分級。按照引用誤差進(jìn)行分級。 n 當(dāng)一個(gè)儀表的等級當(dāng)一個(gè)儀表的等級 s s 選定后，用此表測量某選定后，用此表測量某一被測量時(shí)，所產(chǎn)生的最大絕對誤差為一被測量時(shí)，所產(chǎn)生的最大絕對誤差為n 絕對誤差的最大值與該儀表的標(biāo)稱范圍或絕對誤差的最大值與該儀表的標(biāo)稱范圍或量程上限成正比。量程上限成

10、正比。n如何使用這類儀表？如何使用這類儀表？mm%ms例題例題2：用有一塊測量范圍為用有一塊測量范圍為-0.1 0.1 MPa，2.5級的壓力真級的壓力真空表，在進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)時(shí)，各示值點(diǎn)上最大允許誤空表，在進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)時(shí)，各示值點(diǎn)上最大允許誤差是多少？差是多少？2.1.3 測量誤差的分類測量誤差的分類n系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差n粗大誤差粗大誤差n隨機(jī)誤差隨機(jī)誤差1、系統(tǒng)誤差systematic error）n定義：定義：n在重復(fù)性條件下，對同一被測量進(jìn)行無限多在重復(fù)性條件下，對同一被測量進(jìn)行無限多次測量所得結(jié)果的平均值與被測量的真值之次測量所得結(jié)果的平均值與被測量的真值之差。差。n特征：特征：n在相同

11、條件下，多次測量同一量值時(shí)，該誤在相同條件下，多次測量同一量值時(shí)，該誤差的絕對值和符號保持不變，或者在條件改差的絕對值和符號保持不變，或者在條件改變時(shí)，按某一確定規(guī)律變化的誤差。變時(shí)，按某一確定規(guī)律變化的誤差。例：系統(tǒng)誤差(systematic bias)n天平：砝碼的質(zhì)量偏差天平：砝碼的質(zhì)量偏差n千分表：表盤安裝偏心引起的示值誤差千分表：表盤安裝偏心引起的示值誤差n刻線直尺：溫度變化引起的示值誤差刻線直尺：溫度變化引起的示值誤差n實(shí)際估計(jì)測量器具示值的系統(tǒng)誤差時(shí)，常用適當(dāng)次數(shù)的重復(fù)實(shí)際估計(jì)測量器具示值的系統(tǒng)誤差時(shí)，常用適當(dāng)次數(shù)的重復(fù)測量的算術(shù)平均值減去約定真值，又稱其為測量器具的偏移測量的算

12、術(shù)平均值減去約定真值，又稱其為測量器具的偏移或偏畸或偏畸bias）。）。n系統(tǒng)誤差具有一定的規(guī)律性，可根據(jù)其產(chǎn)生原因，采取一定系統(tǒng)誤差具有一定的規(guī)律性，可根據(jù)其產(chǎn)生原因，采取一定的技術(shù)措施，設(shè)法消除或減?。灰部梢栽谙嗤瑮l件下對已知的技術(shù)措施，設(shè)法消除或減??；也可以在相同條件下對已知約定真值的標(biāo)準(zhǔn)器具進(jìn)行多次重復(fù)測量的辦法，或者通過多約定真值的標(biāo)準(zhǔn)器具進(jìn)行多次重復(fù)測量的辦法，或者通過多次變化條件下的重復(fù)測量的辦法，設(shè)法找出其系統(tǒng)誤差的規(guī)次變化條件下的重復(fù)測量的辦法，設(shè)法找出其系統(tǒng)誤差的規(guī)律后，對測量結(jié)果進(jìn)行修正。律后，對測量結(jié)果進(jìn)行修正。2、隨機(jī)誤差、隨機(jī)誤差random error,noise

13、）n定義定義n測得值與在重復(fù)性條件下對同一被測量進(jìn)行測得值與在重復(fù)性條件下對同一被測量進(jìn)行無限多次測量結(jié)果的平均值之差。又稱為偶無限多次測量結(jié)果的平均值之差。又稱為偶然誤差。然誤差。 n特點(diǎn)特點(diǎn) n最主要特征是具有隨機(jī)性，沒有確定的規(guī)律。最主要特征是具有隨機(jī)性，沒有確定的規(guī)律。n在相同測量條件下，多次測量同一量值時(shí)，在相同測量條件下，多次測量同一量值時(shí)，絕對值和符號以不可預(yù)定方式變化的誤差。絕對值和符號以不可預(yù)定方式變化的誤差。對無限次測量來說，隨機(jī)誤差服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律。對無限次測量來說，隨機(jī)誤差服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律。隨機(jī)誤差的產(chǎn)生原因n隨機(jī)誤差是由人們不能掌握、不能控制、不隨機(jī)誤差是由人們不能掌握、不能

14、控制、不能調(diào)節(jié)、不能消除的微小因素造成。這些因能調(diào)節(jié)、不能消除的微小因素造成。這些因素包括素包括: :n尚未掌握其影響測量準(zhǔn)確的規(guī)律；尚未掌握其影響測量準(zhǔn)確的規(guī)律；n在測量過程中對其難以完全控制的微小變化，在測量過程中對其難以完全控制的微小變化，如溫度波動(dòng)、噪聲干擾、電磁場微變、電源如溫度波動(dòng)、噪聲干擾、電磁場微變、電源電壓的隨機(jī)起伏、地面振動(dòng)等。電壓的隨機(jī)起伏、地面振動(dòng)等。系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差的比較系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差的比較項(xiàng)目項(xiàng)目系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差隨機(jī)誤差隨機(jī)誤差產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因固定的因素固定的因素不定的因素不定的因素分類分類方法誤差、儀器與試劑方法誤差、儀器與試劑誤差、主觀誤差誤差、主觀誤差性

15、質(zhì)性質(zhì)重現(xiàn)性、單向性（或周重現(xiàn)性、單向性（或周期性）、可測性期性）、可測性服從概率統(tǒng)計(jì)規(guī)律、服從概率統(tǒng)計(jì)規(guī)律、不可測性不可測性影響影響準(zhǔn)確度準(zhǔn)確度精密度精密度消除或減消除或減小的方法小的方法校正校正增加測定的次數(shù)增加測定的次數(shù)例:激光干涉法測量表面張力的隨機(jī)誤差主要來源n測量裝置方面的因素測量裝置方面的因素n氦氖激光源輻射激光束的頻率不夠穩(wěn)定，波長氦氖激光源輻射激光束的頻率不夠穩(wěn)定，波長漂移；漂移；nCCDCCD及其處理電路，造成干涉圖像信號的隨機(jī)及其處理電路，造成干涉圖像信號的隨機(jī)噪聲；噪聲；n離散化采樣誤差離散化采樣誤差; ;n各次裝夾定位不一致。各次裝夾定位不一致。n測量環(huán)境方面的因素測

16、量環(huán)境方面的因素 n隔震臺不能很好消除外界的低頻振動(dòng)；隔震臺不能很好消除外界的低頻振動(dòng)；n實(shí)驗(yàn)室氣流和溫度的波動(dòng)實(shí)驗(yàn)室氣流和溫度的波動(dòng), ,空氣塵埃的漂浮空氣塵埃的漂浮; ;n穩(wěn)壓電源供電電壓的微小波動(dòng)。穩(wěn)壓電源供電電壓的微小波動(dòng)。n操作人員方面的因素操作人員方面的因素 n操作人員的裝夾調(diào)整不當(dāng)，引起測量干涉圖像操作人員的裝夾調(diào)整不當(dāng)，引起測量干涉圖像質(zhì)量低、條紋疏密不當(dāng)；質(zhì)量低、條紋疏密不當(dāng)；n采集干涉圖像的攝像頭變焦倍數(shù)過小，造成較采集干涉圖像的攝像頭變焦倍數(shù)過小，造成較大的離散化采樣誤差。大的離散化采樣誤差。減小激光干涉法測量表面張力隨機(jī)誤差的減小激光干涉法測量表面張力隨機(jī)誤差的技術(shù)途徑

17、技術(shù)途徑 n測量前，找出并消除或減小其隨機(jī)誤差的物理源測量前，找出并消除或減小其隨機(jī)誤差的物理源; ;n防震臺充氣減震；關(guān)閉空調(diào)，減少氣流；開機(jī)對激光器預(yù)防震臺充氣減震；關(guān)閉空調(diào)，減少氣流；開機(jī)對激光器預(yù)熱。熱。n測量中，采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施，抑制和減小隨機(jī)誤差測量中，采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施，抑制和減小隨機(jī)誤差; ;n戴工作手套裝夾工件，調(diào)整光路要盡量減少離焦、傾斜，戴工作手套裝夾工件，調(diào)整光路要盡量減少離焦、傾斜，并使干涉條紋疏密適當(dāng)，實(shí)驗(yàn)人員盡量遠(yuǎn)離測量光路；適并使干涉條紋疏密適當(dāng)，實(shí)驗(yàn)人員盡量遠(yuǎn)離測量光路；適當(dāng)增加重復(fù)測量次數(shù)取算術(shù)平均值等當(dāng)增加重復(fù)測量次數(shù)取算術(shù)平均值等n測量后，對采集的測量

18、數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)處理，抑制和減小隨測量后，對采集的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)處理，抑制和減小隨機(jī)誤差。機(jī)誤差。n對采集的測量干涉圖進(jìn)行預(yù)處理，如低通濾波、平滑濾波對采集的測量干涉圖進(jìn)行預(yù)處理，如低通濾波、平滑濾波等方法來消除中高頻隨機(jī)噪聲，用高通濾波法則可以有效等方法來消除中高頻隨機(jī)噪聲，用高通濾波法則可以有效消除低頻隨機(jī)噪聲。消除低頻隨機(jī)噪聲。 系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差相互轉(zhuǎn)化系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差相互轉(zhuǎn)化n如：現(xiàn)有一支一等水銀溫度計(jì)，它的刻度誤差在制如：現(xiàn)有一支一等水銀溫度計(jì)，它的刻度誤差在制造時(shí)可能是隨機(jī)的，但用此溫度計(jì)來校準(zhǔn)一批二等造時(shí)可能是隨機(jī)的，但用此溫度計(jì)來校準(zhǔn)一批二等溫度計(jì)時(shí)，該溫度計(jì)的刻度誤差就會(huì)造

19、成被校準(zhǔn)的溫度計(jì)時(shí)，該溫度計(jì)的刻度誤差就會(huì)造成被校準(zhǔn)的這一批溫度計(jì)的系統(tǒng)誤差。這一批溫度計(jì)的系統(tǒng)誤差。n又如，由于溫度計(jì)刻度不準(zhǔn)，用它來測量某恒溫槽又如，由于溫度計(jì)刻度不準(zhǔn)，用它來測量某恒溫槽thermostatic bath的溫度時(shí)必帶來系統(tǒng)誤差，但的溫度時(shí)必帶來系統(tǒng)誤差，但如果采用多個(gè)溫度計(jì)測此溫度，由于每支溫度計(jì)的如果采用多個(gè)溫度計(jì)測此溫度，由于每支溫度計(jì)的刻度誤差有大有小，有正有負(fù)，就使得這些測量誤刻度誤差有大有小，有正有負(fù)，就使得這些測量誤差具有隨機(jī)性。差具有隨機(jī)性。3 3、粗大誤差、粗大誤差gross errorgross error）n定義：定義：n明顯超出統(tǒng)計(jì)規(guī)律預(yù)期值的誤差。

20、又稱疏忽誤差、明顯超出統(tǒng)計(jì)規(guī)律預(yù)期值的誤差。又稱疏忽誤差、過失誤差或粗差。過失誤差或粗差。n產(chǎn)生原因：某些偶爾突發(fā)性的異常因素或疏忽所致。產(chǎn)生原因：某些偶爾突發(fā)性的異常因素或疏忽所致。n測量方法：不當(dāng)或錯(cuò)誤；測量方法：不當(dāng)或錯(cuò)誤；n測量操作：疏忽和失誤如未按規(guī)程操作、讀錯(cuò)讀測量操作：疏忽和失誤如未按規(guī)程操作、讀錯(cuò)讀數(shù)或單位、記錄錯(cuò)誤、計(jì)算錯(cuò)誤）；數(shù)或單位、記錄錯(cuò)誤、計(jì)算錯(cuò)誤）； n測量條件：突然變化如電源電壓突然增高或降低、測量條件：突然變化如電源電壓突然增高或降低、雷電干擾、機(jī)械沖擊和振動(dòng)）。雷電干擾、機(jī)械沖擊和振動(dòng)）。n結(jié)論：結(jié)論：n粗差明顯歪曲了測量結(jié)果。應(yīng)按照一定的準(zhǔn)則進(jìn)行粗差明顯歪曲

21、了測量結(jié)果。應(yīng)按照一定的準(zhǔn)則進(jìn)行判別，將含有粗大誤差的測量數(shù)據(jù)壞值予以剔判別，將含有粗大誤差的測量數(shù)據(jù)壞值予以剔除。除。2.1.4 測量的精密度、準(zhǔn)確度和精確度測量的精密度、準(zhǔn)確度和精確度n精密度精密度(precision)：n對同一被測量進(jìn)行多次測量所得的測定值重復(fù)一致的程度，對同一被測量進(jìn)行多次測量所得的測定值重復(fù)一致的程度，或測定值分布的密集程度?；驕y定值分布的密集程度。n精密度反映隨機(jī)誤差的影響，隨機(jī)誤差愈小精密度愈高。精密度反映隨機(jī)誤差的影響，隨機(jī)誤差愈小精密度愈高。n準(zhǔn)確度準(zhǔn)確度(correctness) ：n對同一被測量進(jìn)行多次測量，測定值偏離被測量真值的程度對同一被測量進(jìn)行多次

22、測量，測定值偏離被測量真值的程度n準(zhǔn)確度反映系統(tǒng)誤差的影響，系統(tǒng)誤差愈小，準(zhǔn)確度愈高。準(zhǔn)確度反映系統(tǒng)誤差的影響，系統(tǒng)誤差愈小，準(zhǔn)確度愈高。n精密度與正確度的綜合指標(biāo)稱為精確度精密度與正確度的綜合指標(biāo)稱為精確度(accuracy)，或稱精度。，或稱精度。測量的精密度、準(zhǔn)確度和精確度測量的精密度、準(zhǔn)確度和精確度2.1.5 測量的不確定度測量的不確定度(uncertainty)n實(shí)際測量中，被測量的真值由測量值表示。實(shí)際測量中，被測量的真值由測量值表示。n測量的不確定度則表示用測量值代表被測量真值測量的不確定度則表示用測量值代表被測量真值時(shí)的不肯定程度，是對被測量的真值以多大可能時(shí)的不肯定程度，是對

23、被測量的真值以多大可能性處于測量值所決定的某個(gè)量值范圍之內(nèi)的一個(gè)性處于測量值所決定的某個(gè)量值范圍之內(nèi)的一個(gè)估計(jì)。估計(jì)。n不確定度小，測量結(jié)果的精確度高。不確定度小，測量結(jié)果的精確度高。不確定度分類不確定度分類n按照不確定度各分量估計(jì)方法的不同，可分按照不確定度各分量估計(jì)方法的不同，可分為兩類：為兩類：nA類：統(tǒng)計(jì)不確定度。用統(tǒng)計(jì)方法估算出不類：統(tǒng)計(jì)不確定度。用統(tǒng)計(jì)方法估算出不確定度的大小。確定度的大小。nB類：非統(tǒng)計(jì)不確定度。用經(jīng)驗(yàn)或其他信息類：非統(tǒng)計(jì)不確定度。用經(jīng)驗(yàn)或其他信息估算出不確定度的大小。估算出不確定度的大小。2.2直接測量的誤差分析與處理直接測量的誤差分析與處理n大多數(shù)測定值及其誤

24、差都服從正態(tài)分布。只要大多數(shù)測定值及其誤差都服從正態(tài)分布。只要可以求得正態(tài)分布特征參數(shù)可以求得正態(tài)分布特征參數(shù)和和，就可以得，就可以得到被測量的真值和測量的精度。到被測量的真值和測量的精度。n問題的提出：問題的提出：n和和是當(dāng)測量次數(shù)趨于無窮大時(shí)的理論值，在實(shí)際是當(dāng)測量次數(shù)趨于無窮大時(shí)的理論值，在實(shí)際測量過程中的測量次數(shù)是有限的。那么：測量過程中的測量次數(shù)是有限的。那么：n如何根據(jù)有限次直接測量所獲得的一列測定值來估計(jì)被測如何根據(jù)有限次直接測量所獲得的一列測定值來估計(jì)被測量的真值量的真值? ?n如何衡量這種估計(jì)的精密度和這一列測定值的精密度如何衡量這種估計(jì)的精密度和這一列測定值的精密度? ?被

25、測量的真值被測量的真值均方根誤差均方根誤差2.2.1 隨機(jī)誤差分布的特征隨機(jī)誤差分布的特征n有界性有界性n 單峰性單峰性n 對稱性對稱性n 抵償性抵償性n在一定測量條件下在一定測量條件下, ,有限次測量結(jié)果中，隨機(jī)誤差的絕對值不會(huì)超過有限次測量結(jié)果中，隨機(jī)誤差的絕對值不會(huì)超過某一界限。某一界限。n絕對值小的誤差出現(xiàn)的次數(shù)多于絕對值大的誤差出現(xiàn)的次數(shù)。絕對值小的誤差出現(xiàn)的次數(shù)多于絕對值大的誤差出現(xiàn)的次數(shù)。n在一定測量條件下的有限次測量結(jié)果，其絕對值相等的正在一定測量條件下的有限次測量結(jié)果，其絕對值相等的正/ /負(fù)誤差出現(xiàn)負(fù)誤差出現(xiàn)的次數(shù)大致相等。的次數(shù)大致相等。n在有限次測量中，絕對值相同的正負(fù)

26、誤差出現(xiàn)的次數(shù)大致相同。取在有限次測量中，絕對值相同的正負(fù)誤差出現(xiàn)的次數(shù)大致相同。取這些誤差的算術(shù)平均值時(shí)，正負(fù)誤差產(chǎn)生相互抵消現(xiàn)象。這些誤差的算術(shù)平均值時(shí)，正負(fù)誤差產(chǎn)生相互抵消現(xiàn)象。2.2.2. 隨機(jī)誤差的分布曲線隨機(jī)誤差的分布曲線(誤差分布曲線誤差分布曲線)1). 正態(tài)分布正態(tài)分布(高斯分布高斯分布) 隨機(jī)誤差概率密度分布函數(shù)為：隨機(jī)誤差概率密度分布函數(shù)為： 22212fe D 2D 0E 22221121dd2fe 1). 正態(tài)分布正態(tài)分布(高斯分布高斯分布) 2). 均勻分布均勻分布均勻分布又稱等概率分布，其概率密度函數(shù)為：均勻分布又稱等概率分布，其概率密度函數(shù)為： 1,20,fa當(dāng)a

27、當(dāng)a3a 0E223a3). 三角分布三角分布三角分布的概率密度函數(shù)為：三角分布的概率密度函數(shù)為： 22,0,0aaafaaa當(dāng)-當(dāng)6a 0E226a4). t 分布分布設(shè)隨機(jī)變量設(shè)隨機(jī)變量X與與Y相互獨(dú)立，相互獨(dú)立，X服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布N(0,1)，Y服從服從自由度為的自由度為的2分布，則隨機(jī)變量分布，則隨機(jī)變量 1221212xf x 0E222tXY的概率分布為：2.2.3、誤差的表示方法、誤差的表示方法n如果測量值用如果測量值用x1,x2,xnx1,x2,xn表示，真值用表示，真值用 X0 X0 表示，表示，則每次測量的絕對誤差表示為：則每次測量的絕對誤差表示為：0iix

28、nX0i根據(jù)抵償性原則，有根據(jù)抵償性原則，有2.2.3、測量結(jié)果的誤差評價(jià)方法、測量結(jié)果的誤差評價(jià)方法n標(biāo)準(zhǔn)誤差標(biāo)準(zhǔn)誤差n平均誤差平均誤差n或然誤差或然誤差n極限誤差極限誤差1) 標(biāo)準(zhǔn)誤差標(biāo)準(zhǔn)誤差(均方根誤差均方根誤差, Standard Error)n當(dāng)測量次數(shù)足夠多，有標(biāo)準(zhǔn)誤差當(dāng)測量次數(shù)足夠多，有標(biāo)準(zhǔn)誤差21niin其意義是，當(dāng)進(jìn)行多次測量后，測量誤差在其意義是，當(dāng)進(jìn)行多次測量后，測量誤差在范圍范圍內(nèi)的概率是內(nèi)的概率是68.3%，即，即 222121dd0.6832fex實(shí)際上的測量次數(shù)是有限的，如何處理呢？實(shí)際上的測量次數(shù)是有限的，如何處理呢？n此時(shí)的真值近似用測量值的算數(shù)平均值代替，即

29、此時(shí)的真值近似用測量值的算數(shù)平均值代替，即12/nXxxxniixnX每次測量的殘差表示為：每次測量的殘差表示為：211niin有均方根誤差貝賽爾公式）有均方根誤差貝賽爾公式）這種近似替代的偏差有多大呢？這種近似替代的偏差有多大呢？標(biāo)準(zhǔn)誤差計(jì)算0iXXn0XXX21niin根據(jù)誤差傳遞理論，算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差根據(jù)誤差傳遞理論，算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差Xn21(1)niXin nn可得算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差：可得算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差：算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差的含義n若用等精度法對某被測量進(jìn)行若用等精度法對某被測量進(jìn)行n次測量，則次測量，則真值落在以真值落在以 為中心，以為中心，以 為區(qū)間的概為區(qū)間的概率

30、為率為68.3的地方。的地方。XX2) 或然誤差或然誤差(中肯誤差中肯誤差, Probable Error)n一組測量中，隨機(jī)誤差的絕對值大于或然誤一組測量中，隨機(jī)誤差的絕對值大于或然誤差差或者小于或然誤差或者小于或然誤差出現(xiàn)的概率相等。出現(xiàn)的概率相等。 2221dd0.52fex0.6745 f()0閉合差1150%3） 極限誤差極限誤差 ( Limit Error)測量誤差落在測量誤差落在范圍的概率為范圍的概率為99.7（95） 2221dd0.997(0.95)2fex或3 （或2 ）一般認(rèn)為，測量結(jié)果的最大誤差不會(huì)超過一般認(rèn)為，測量結(jié)果的最大誤差不會(huì)超過，所，所以很多儀器用極限誤差來標(biāo)

31、明其本身的精度。以很多儀器用極限誤差來標(biāo)明其本身的精度。各種誤差的關(guān)系2.3 間接測量中的誤差分析間接測量中的誤差分析間接測量的定義間接測量的定義n通過直接測量與被測量有函數(shù)關(guān)系的量，根通過直接測量與被測量有函數(shù)關(guān)系的量，根據(jù)一定的函數(shù)關(guān)系求得被測量值的測量方法。據(jù)一定的函數(shù)關(guān)系求得被測量值的測量方法。1、一次測量，間接測量誤差的計(jì)算、一次測量，間接測量誤差的計(jì)算n只能根據(jù)儀表的引用誤差估計(jì)測量結(jié)果中所包含的只能根據(jù)儀表的引用誤差估計(jì)測量結(jié)果中所包含的極限誤差：極限誤差：0max%AAn間接測量的被測量為間接測量的被測量為Y，隨機(jī)誤差為，隨機(jī)誤差為y；直接測量；直接測量的被測量為的被測量為X1

32、, X2, , Xn，并且，并且Xi 之間相互獨(dú)立，之間相互獨(dú)立，隨機(jī)誤差為隨機(jī)誤差為x1 , x2 , , xn.；存在如下函數(shù)關(guān)系；存在如下函數(shù)關(guān)系11,nYfXXX 1122,nnYyXxXxXxf1212nnYYYYxxxXXX思索思索 Y 和和 X 的誤差，得到的誤差，得到泰勒展開，并忽略高階項(xiàng)，得到泰勒展開，并忽略高階項(xiàng)，得到上式為間接測量的誤差傳遞公式。上式為間接測量的誤差傳遞公式。間接測量的誤差傳遞公式誤差傳遞公式的作用1、用直接測量的誤差計(jì)算間接測量量的誤差2、根據(jù)所給出的被測量的允許誤差來分配各直接測量量的誤差，并依此選擇合適的測量儀表。舉例常用函數(shù)的絕對誤差和相對誤差常用

33、函數(shù)的絕對誤差和相對誤差2、多次測量，間接測量誤差的計(jì)算、多次測量，間接測量誤差的計(jì)算n設(shè)對設(shè)對Xi作了作了n次測量，則可以計(jì)算出次測量，則可以計(jì)算出n個(gè)個(gè)Y值。值。12,nYfXXX11121121222212,nnnnnnnYfXXXYfXXXYfXXX111211122122221211212nnnnnnnnnYYYyxxxXXXYYYyxxxXXXYYYyxxxXXXn每次測量的誤差分別為每次測量的誤差分別為22222221212iiininYYYyxxxXXX22222221212iiininyxxxYYYnXnXnXnn根據(jù)誤差分布規(guī)律，等值的正負(fù)誤差的數(shù)量相等，根據(jù)誤差分布規(guī)律，

34、等值的正負(fù)誤差的數(shù)量相等，上式中的各項(xiàng)的非平方項(xiàng)可以抵消，得到：上式中的各項(xiàng)的非平方項(xiàng)可以抵消，得到：n同除以同除以n，得到：，得到：間接測量的標(biāo)準(zhǔn)誤差間接測量的標(biāo)準(zhǔn)誤差12222222212nyXXXnYYYXXX3yy 間接多次測量的極限誤差間接多次測量的極限誤差（置信概率（置信概率99.7%）例題：例題：例題：例題：2.5 粗大誤差的處理粗大誤差的處理粗大誤差粗大誤差gross error）n定義：定義：n指明顯超出統(tǒng)計(jì)規(guī)律預(yù)期值的誤差。指明顯超出統(tǒng)計(jì)規(guī)律預(yù)期值的誤差。n又稱為疏忽誤差、過失誤差或簡稱粗差。又稱為疏忽誤差、過失誤差或簡稱粗差。 n產(chǎn)生原因：某些偶爾突發(fā)性的異常因素或疏忽所

35、致。產(chǎn)生原因：某些偶爾突發(fā)性的異常因素或疏忽所致。n測量方法、過程的不當(dāng)或失誤如未按規(guī)程操作、讀測量方法、過程的不當(dāng)或失誤如未按規(guī)程操作、讀錯(cuò)讀數(shù)或單位、記錄或計(jì)算錯(cuò)誤等）錯(cuò)讀數(shù)或單位、記錄或計(jì)算錯(cuò)誤等） n測量條件的突然變化如雷電干擾、機(jī)械沖擊和振動(dòng)測量條件的突然變化如雷電干擾、機(jī)械沖擊和振動(dòng)等）。等）。n結(jié)論：結(jié)論：n粗差明顯歪曲了測量結(jié)果。應(yīng)按照一定的準(zhǔn)則進(jìn)行判粗差明顯歪曲了測量結(jié)果。應(yīng)按照一定的準(zhǔn)則進(jìn)行判別，將含有粗差的測量數(shù)據(jù)稱為壞值或異常值予別，將含有粗差的測量數(shù)據(jù)稱為壞值或異常值予以剔除。以剔除。1、拉伊特準(zhǔn)則、拉伊特準(zhǔn)則3準(zhǔn)則）準(zhǔn)則）n測量列中的某個(gè)測量值的殘差測量列中的某個(gè)測

36、量值的殘差 i 的絕對值大于該的絕對值大于該測量列標(biāo)準(zhǔn)誤差的測量列標(biāo)準(zhǔn)誤差的3倍，可認(rèn)為是粗差，即：倍，可認(rèn)為是粗差，即：3i剔除粗大誤差后，需要重新計(jì)算測量列中的算數(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差，繼續(xù)按照此方法判斷。拉伊特準(zhǔn)則的特點(diǎn)拉伊特準(zhǔn)則的特點(diǎn)1、簡單，適用；、簡單，適用；2、判斷條件界限寬松，容易混入該剔除的粗大誤差；、判斷條件界限寬松，容易混入該剔除的粗大誤差；3、當(dāng)、當(dāng)n10，即是有粗差，也不易判斷。，即是有粗差，也不易判斷。2 2、格拉布斯準(zhǔn)則、格拉布斯準(zhǔn)則n一系列等精度測量，其子樣平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差的估一系列等精度測量，其子樣平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差的估計(jì)值分別為：計(jì)值分別為：2111,1nniii

37、ixxnn 按照統(tǒng)計(jì)理論，導(dǎo)出統(tǒng)計(jì)量按照統(tǒng)計(jì)理論，導(dǎo)出統(tǒng)計(jì)量 11,nnxxxxgg取定危險(xiǎn)率取定危險(xiǎn)率0.05或或0.01），可以求得臨界值），可以求得臨界值0,gn若測量列中的最大測量值或最小測量值的殘差滿足若測量列中的最大測量值或最小測量值的殘差滿足 0,ign那么那么 xi 是壞值，應(yīng)剔除之。是壞值，應(yīng)剔除之。例題例題2.8nP362.6 系統(tǒng)誤差的處理系統(tǒng)誤差的處理P36）1 1、系統(tǒng)誤差的性質(zhì)、系統(tǒng)誤差的性質(zhì)n恒值系統(tǒng)誤差，只影響結(jié)果的準(zhǔn)確度，不影響恒值系統(tǒng)誤差，只影響結(jié)果的準(zhǔn)確度，不影響測量的精密度：測量的精密度：n變值系統(tǒng)誤差，同時(shí)影響結(jié)果的準(zhǔn)確度和精密度：變值系統(tǒng)誤差，同時(shí)影

38、響結(jié)果的準(zhǔn)確度和精密度：11niiin11niiin2、系統(tǒng)誤差處理的原則、系統(tǒng)誤差處理的原則n無規(guī)律的隨機(jī)誤差無規(guī)律的隨機(jī)誤差n處理方法：可按一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律來處理處理方法：可按一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律來處理n有規(guī)律的系統(tǒng)誤差有規(guī)律的系統(tǒng)誤差n處理方法：沒有通用的處理方法。處理方法：沒有通用的處理方法。n根據(jù)前人的經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)識，總結(jié)歸納出一些根據(jù)前人的經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)識，總結(jié)歸納出一些具有普遍意義的原則。具有普遍意義的原則。系統(tǒng)誤差處理的原則系統(tǒng)誤差處理的原則1在測量之前，應(yīng)該盡可能預(yù)見到系統(tǒng)誤差的來源。在測量之前，應(yīng)該盡可能預(yù)見到系統(tǒng)誤差的來源。由于測量設(shè)備、試驗(yàn)裝置不完善、安裝、調(diào)整、使用由于測量設(shè)備、試驗(yàn)裝置不完善、安裝、調(diào)整、使用不得當(dāng)而引起的誤差，如測量儀表未經(jīng)校準(zhǔn)投入使不得當(dāng)而引起的誤差，如測量儀表未經(jīng)校準(zhǔn)投入使用；用；由于外界環(huán)境因素的影響而引起的誤差，如溫度漂移、由于外界環(huán)境因素的影響而引起的誤差，如溫度漂移、測量區(qū)域電磁場的干擾等；測量區(qū)域電磁場的干擾等；由于測量方法不正確，或者測量方法所賴以存在的理由于測量方法不正確，或者測量方法所賴以存在的理論本身不完善而引起的誤差；論本身不完善而引起的誤差；系統(tǒng)誤差處理的原則系統(tǒng)誤差處理的原則2在測量過程時(shí)，盡可能地采用有效的測量方法，在測量過程時(shí)，盡可能地采用有效的測量方法，