合肥工業(yè)大學誤差的基本性質與處理.ppt

第1章 緒論,本章闡述測量誤差的基本概念、誤差的表達形式、誤差分類、誤差來源；給出描述誤差大小的精度概念及其與誤差類型之間的關系；給出測量中的有效數字概念及其在數據處理中的基本方法。通過學習本章內容，使讀者對測量誤差分析及其數據處理的問題有一個概貌的了解，為學習后面章節(jié)的內容奠定基礎。,教學目標,誤差定義及表達形式 測量誤差來源的分析 測量誤差按誤差性質的分類處理 有效數字定義及選取,重點與難點,門捷列夫 (1834-1907),科學始于測量,沒有測量，便沒有精密的科學。,門捷列夫,第一節(jié) 研究誤差的意義,我常說的一句話是：,當你能夠測量你所關注的事物，而且能夠用數量來描述他的時候，你就對其有所認識；當你不能測量他，也不能將其量化的時候，你對他的了解就是貧乏和不深入的。,開爾文,為了紀念他在科學上的功績，國際計量大會把熱力學溫標（即絕對溫標）稱為開爾文（開氏）溫標，熱力學溫度以開爾文為單位，是現在國際單位制中七個基本單位之一。,開爾文（1824-1907）,第一節(jié) 研究誤差的意義,錢學森,信息技術包括測量技術、計算機技術和通信技術，測量技術是信息技術的關鍵和基礎。,錢學森(1911- ),第一節(jié) 研究誤差的意義,王大珩等,儀器儀表是工業(yè)生產的“倍增器”，是高新技術和科研的“催化劑”，在軍事上體現的是“戰(zhàn)斗力”。,王大珩(1915- ),第一節(jié) 研究誤差的意義,第一節(jié) 研究誤差的意義,正確認識誤差的性質，分析誤差產生的原因,從根本上，消除或減小誤差,正確處理測量和實驗數據，合理計算所得結果,通過計算得到更接近真值的數據,正確組織實驗過程，合理設計、選用儀器或測量方法,根據目標確定最佳系統(tǒng),第二節(jié) 誤差的基本概念,這一節(jié)將介紹測量誤差的基本概念，如測量誤差的定義、分類、誤差的來源等。通過這些內容的學習，可以讓讀者對測量誤差有個全面的了解。,誤差（Error）：,誤差,測得值,真值,真值（True Value）：觀測一個量時，該量本身所具有的真實大小。 分類： 理論值 約定真值,三角形內角之和恒為180,一個整圓周角為360,一、誤差的定義及表示法,國際千克基準 1Kg,約定真值(Conventional True Value）,指定值、最佳估計值、約定值或參考值,是指對于給定用途具有適當不確定度的、賦予特定量的值。這個術語在計量學中常用。,由國家建立的實物標準（或基準）所指定的千克副原器質量的約定真值為1kg，其復現的不確定度為0.008mg。,當今保存在國際計量局的鉑銥合金千克原器的最小不確定度為0.004mg,誤差是針對真值而言的，真值一般都是指約定真值。,亦稱,一、誤差的定義及表示法,誤差,絕對 誤差,相對 誤差,粗大 誤差,系統(tǒng) 誤差,隨機 誤差,表示形式,性質特點,一、誤差的定義及表示法,絕對誤差（Absolute Error）,測得值,被測量的真值，常用約定真值代替,絕對誤差,特點：,1) 絕對誤差是一個具有確定的大小、符號及單位的量。 2) 給出了被測量的量綱，其單位與測得值相同。,一、誤差的定義及表示法,LLL0,絕對誤差,測得值,真值,修正值(Correction),: 為了消除固定的系統(tǒng)誤差用代數法而加到測量結果上的值。,一、誤差的定義及表示法,修正值,真值,測得值,特點：,1) 與誤差大小近似相等，但方向相反。 2) 修正值本身還有誤差。,誤差,【例1-1】,用某電壓表測量電壓，電壓表的示值為226V，查該表的檢定證書，得知該電壓表在220V附近的誤差為5V ，被測電壓的修正值為5V ，則修正后的測量結果為226+(5V )=221V。,測得值,真值,絕對誤差,一、誤差的定義及表示法,定義,被測量的真值，常用約定真值代替，也可以近似用測量值 L 來代替 L0,相對誤差,特點：,1） 相對誤差有大小和符號。 2） 無量綱，一般用百分數來表示。,絕對誤差,相對誤差（Relative Error）： 絕對誤差與被測量真值之比,相對誤差,一、誤差的定義及表示法,絕對誤差和相對誤差的比較,用1m測長儀測量0.01m長的工件，其絕對誤差 =0.0006m，但用來測量1m長的工件，其絕對誤差為0.0105m。,前者的相對誤差為 后者的相對誤差為,用絕對誤差不便于比較不同量值、不同單位、不同物理量等的準確度。,一、誤差的定義及表示法,引用誤差（Fiducial Error of a Measuring Instrument）,定義,該標稱范圍（或量程）上限,引用誤差,儀器某標稱范圍（或量程）內的最大絕對誤差,引用誤差是一種相對誤差，而且該相對誤差是引用了特定值，即標稱范圍上限（或量程）得到的，故該誤差又稱為引用相對誤差、滿度誤差。,一、誤差的定義及表示法,我國電工儀表、壓力表的準確度等級（Accuracy Class）就是按照引用誤差進行分級的。,當一個儀表的等級s選定后，用此表測量某一被測量時，所產生的最大絕對誤差為,最大相對誤差為,絕對誤差的最大值與該儀表的標稱范圍（或量程）上限xm成正比,選定儀表后，被測量的值越接近于標稱范圍（或量程）上限，測量的相對誤差越小，測量越準確,（公式2）,（公式1）,電工儀表、壓力表的準確度等級,一、誤差的定義及表示法,【例1-3 】,檢定一只2.5級、量程為100V的電壓表，發(fā)現在50V處誤差最大，其值為2V，而其他刻度處的誤差均小于2V，問這只電壓表是否合格？,由公式2，該電壓表的引用誤差為,由于,所以該電壓表合格。,【解】,一、誤差的定義及表示法,【例1-4 】,某1.0級電流表，滿度值（標稱范圍上限）為100，求測量值分別為100，80和20時的絕對誤差和相對誤差。,根據題意得,由公式1可知，最大絕對誤差為,他們的相對誤差分別為,可見，在同一標稱范圍內，測量值越小，其相對誤差越大。,【解】,一、誤差的定義及表示法,為了減小測量誤差，提高測量準確度，就必須了解誤差來源。而誤差來源是多方面的，在測量過程中，幾乎所有因素都將引入測量誤差。,主要來源,測量裝置誤差,測量環(huán)境誤差,測量方法誤差,測量人員誤差,二、誤差的來源,測量裝置誤差,標準器件誤差,儀器誤差,附件誤差,以固定形式復現標準量值的器具，如標準電阻、標準量塊、標準砝碼等等，他們本身體現的量值，不可避免地存在誤差。一般要求標準器件的誤差占總誤差的1/31/10。,測量裝置在制造過程中由于設計、制造、裝配、檢定等的不完善，以及在使用過程中，由于元器件的老化、機械部件磨損和疲勞等因素而使設備所產生的誤差。,測量儀器所帶附件和附屬工具所帶來的誤差。,設計測量裝置時，由于采用近似原理所帶來的工作原理誤差,組成設備的主要零部件的制造誤差與設備的裝配誤差,設備出廠時校準與定度所帶來的誤差,讀數分辨力有限而造成的讀數誤差,數字式儀器所特有的量化誤差,元器件老化、磨損、疲勞所造成的誤差,二、誤差的來源,測量環(huán)境誤差,指各種環(huán)境因素與要求條件不一致而造成的誤差。,對于電子測量，環(huán)境誤差主要來源于環(huán)境溫度、電源電壓和電磁干擾等,激光光波比長測量中，空氣的溫度、濕度、塵埃、大氣壓力等會影響到空氣折射率，因而影響激光波長，產生測量誤差。高精度的準直測量中，氣流、振動也有一定的影響,二、誤差的來源,測量方法誤差,指使用的測量方法不完善，或采用近似的計算公式等原因所引起的誤差 ，又稱為理論誤差,如用均值電壓表測量交流電壓時，其讀數是按照正弦波的有效值進行刻度，由于計算公式 中出現無理數 和 ，故 取近似公式 ，由此產生的誤差即為理論誤差。,二、誤差的來源,測量人員誤差,測量人員的工作責任心、技術熟練程度、生理感官與心理因素、測量習慣等的不同而引起的誤差。,為了減小測量人員誤差，就要求測量人員要認真了解測量儀器的特性和測量原理，熟練掌握測量規(guī)程，精心進行測量操作，并正確處理測量結果。,二、誤差的來源,三、誤差分類,系統(tǒng)誤差（Systematic Error）,在重復性條件下，對同一被測量進行無限多次測量所得結果的平均值與被測量的真值之差。,定義,特征,在相同條件下，多次測量同一量值時，該誤差的絕對值和符號保持不變，或者在條件改變時，按某一確定規(guī)律變化的誤差。,用天平計量物體質量時，砝碼的質量偏差,用千分表讀數時，表盤安裝偏心引起的示值誤差,刻線尺的溫度變化引起的示值誤差,系統(tǒng)誤差舉例,在實際估計測量器具示值的系統(tǒng)誤差時，常常用適當次數的重復測量的算術平均值減去約定真值來表示，又稱其為測量器具的偏移或偏畸（Bias）。,由于系統(tǒng)誤差具有一定的規(guī)律性，因此可以根據其產生原因，采取一定的技術措施，設法消除或減?。灰部梢栽谙嗤瑮l件下對已知約定真值的標準器具進行多次重復測量的辦法，或者通過多次變化條件下的重復測量的辦法，設法找出其系統(tǒng)誤差的規(guī)律后，對測量結果進行修正。,三、誤差分類,三、誤差分類,按對誤差掌握程度，系統(tǒng)誤差可分為,誤差絕對值和符號已經明確的系統(tǒng)誤差。,已定系統(tǒng)誤差：,舉例：,直尺的刻度值誤差,誤差絕對值和符號未能確定的系統(tǒng)誤差，但通常估計出誤差范圍。,未定系統(tǒng)誤差：,三、誤差分類,按誤差出現規(guī)律，系統(tǒng)誤差可分為,誤差絕對值和符號固定不變的系統(tǒng)誤差。,不變系統(tǒng)誤差：,舉例：,砝碼質量、熱膨脹誤差,誤差絕對值和符號變化的系統(tǒng)誤差。 按其變化規(guī)律，可分為線性系統(tǒng)誤差、周期性系統(tǒng)誤差和復雜規(guī)律系統(tǒng)誤差。,變化系統(tǒng)誤差：,隨機誤差（Random Error）,測得值與在重復性條件下對同一被測量進行無限多次測量結果的平均值之差。又稱為偶然誤差。,定義,特征,在相同測量條件下，多次測量同一量值時，絕對值和符號以不可預定方式變化的誤差。,產生原因,實驗條件的偶然性微小變化，如溫度波動、噪聲干擾、電磁場微變、電源電壓的隨機起伏、地面振動等。,三、誤差分類,隨機誤差的大小、方向均隨機不定，不可預見，不可修正。,雖然一次測量的隨機誤差沒有規(guī)律，不可預定，也不能用實驗的方法加以消除。但是，經過大量的重復測量可以發(fā)現，它是遵循某種統(tǒng)計規(guī)律的。因此，可以用概率統(tǒng)計的方法處理含有隨機誤差的數據，對隨機誤差的總體大小及分布做出估計，并采取適當措施減小隨機誤差對測量結果的影響。具體見第二章。,隨機誤差的性質,三、誤差分類,粗大誤差（Gross Error）,指明顯超出統(tǒng)計規(guī)律預期值的誤差。又稱為疏忽誤差、過失誤差或簡稱粗差。,定義,產生原因,某些偶爾突發(fā)性的異常因素或疏忽所致。,測量方法不當或錯誤，測量操作疏忽和失誤（如未按規(guī)程操作、讀錯讀數或單位、記錄或計算錯誤等）,測量條件的突然變化（如電源電壓突然增高或降低、雷電干擾、機械沖擊和振動等）。,由于該誤差很大，明顯歪曲了測量結果。故應按照一定的準則進行判別，將含有粗大誤差的測量數據（稱為壞值或異常值）予以剔除。,三、誤差分類,三類誤差的關系及其對測得值的影響,標準差,期望值,均值,某次測得值,奇異值,系統(tǒng)誤差和隨機誤差的定義是科學嚴謹，不能混淆的。但在測量實踐中，由于誤差劃分的人為性和條件性，使得他們并不是一成不變的，在一定條件下可以相互轉化。也就是說一個具體誤差究竟屬于哪一類，應根據所考察的實際問題和具體條件，經分析和實驗后確定。,三、誤差分類,如一塊電表，它的刻度誤差在制造時可能是隨機的，但用此電表來校準一批其它電表時，該電表的刻度誤差就會造成被校準的這一批電表的系統(tǒng)誤差。又如，由于電表刻度不準，用它來測量某電源的電壓時必帶來系統(tǒng)誤差，但如果采用很多塊電表測此電壓，由于每一塊電表的刻度誤差有大有小，有正有負，就使得這些測量誤差具有隨機性。,誤差性質的相互轉化,三、誤差分類,第三節(jié) 精 度,這一節(jié)將介紹測量誤差的評定參數及與誤差的關系。,第三節(jié) 精 度,它反映測量結果中系統(tǒng)誤差的影響。,準確度（Correctness）,它反映測量結果中隨機誤差的影響程度。,精密度（Precision）,精確度（Accuracy ）,它反映測量結果中系統(tǒng)誤差和隨機誤差綜合的影星程度，簡稱精度。,精確度（精度）在數值上一般多用相對誤差來表示，但不用百分數。如某一測量結果的相對誤差為0.001%，則其精度為10-5。,準確度、正確度和精密度三者之間的關系,彈著點全部在靶上，但分散。相當于系統(tǒng)誤差小而隨機誤差大，即精密度低，正確度高。,彈著點集中，但偏向一方，命中率不高。相當于系統(tǒng)誤差大而隨機誤差小，即精密度高，正確度低。,彈著點集中靶心。相當于系統(tǒng)誤差與隨機誤差均小，即精密度、正確度都高，從而準確度亦高。,第三節(jié) 精 度,指在相同條件下在短時間內對同一個量進行多次測量所得測量結果之間的一致程度，一般用測量結果的分散性來定量表示。,重復性（Repeatability）,指在變化條件下，對同一個量進行多次測量所得測量結果之間的一致程度，一般用測量結果的分散性來定量表示。復現性也稱為再現性。,復現性（Reproducibility）,常用質量名詞術語,第三節(jié) 精 度,指測量儀器保持其計量特性隨時間恒定的能力。它可以用幾種方式來定量表示，如用計量特性變化某個規(guī)定的量所經過的時間；或用計量特性經規(guī)定的時間所發(fā)生的變化等。,穩(wěn)定性（Stability）,指測量儀器的示值與對應輸入量的真值之差。由于真值不能確定，故在實際應用中常采用約定真值。,示值誤差（Error of Indication）,常用質量名詞術語,第三節(jié) 精 度,指測量儀器示值的系統(tǒng)誤差。通常用適當次數重復測量的示值誤差的平均來估計。,偏移（Bias）,指對于給定的測量儀器，規(guī)范、規(guī)程等所允許的誤差極限值。有時也稱為允許誤差限。,最大允許誤差（Maximum Permissible）,常用質量名詞術語,第三節(jié) 精 度,第四節(jié) 有效數字與數據運算,這一節(jié)將介紹有效數字的定義、數字的射入原則和數據的運算原則。,第四節(jié) 有效數字與數據運算,一、有效數字,含有誤差的任何數，如果其絕對誤差界是最末尾數的半個單位，那么從這個近似數左方起的第一個非零的數字，稱為第一位有效數字。從第一位有效數字起到最末一位數字止的