现代电子测量技术 第二章

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1、第2章测量误差及数据处理 n2.1 测量误差的基本概念n2.2 测量误差的分类n2.3 随机误差 n2.4 系统误差n2.5粗大误差Date12.1 测量误差的基本概念2.1.2 测量误差的定义n测量的目的: 获得被测量的真值。n真值: 在一定的时间和空间环境条件下， 被测量本身所具有的真实数值。 n测量误差 :n所有测量结果都带有误差 。Date22.1.2 测量误差的来源 n（1）仪器误差：由于测量仪器及其附件的设计、制造、检 定等不完善，以及仪器使用过程中老化、磨损、疲劳等因 素而使仪器带有的误差。n（2）影响误差：由于各种环境因素（温度、湿度、振动、 电源电压、电磁场等）与测量要求的条

2、件不一致而引起的 误差。n（3）理论误差和方法误差：由于测量原理、近似公式、测 量方法不合理而造成的误差。n（4）人身误差：由于测量人员感官的分辨能力、反应速度 、视觉疲劳、固有习惯、缺乏责任心等原因，而在测量中 使用操作不当、现象判断出错或数据读取疏失等而引起的 误差。n（5）测量对象变化误差：测量过程中由于测量对象变化而 使得测量值不准确，如引起动态误差等。Date32.1.3 测量误差的表示方法测量误差有绝对误差和相对误差两种表 示方法。n1.绝对误差n（1）定义：由测量所得到的被测量值与其真 值之差，称为绝对误差 uu实际应用中常用实际值实际应用中常用实际值A A（高一级以上的测量仪器

3、或计量器高一级以上的测量仪器或计量器 具测量所得之值）来代替真值。具测量所得之值）来代替真值。uu绝对误差：绝对误差：有大小，又有符号和量纲有大小，又有符号和量纲Date4n（2）修正值n与绝对误差的绝对值大小相等，但符号相反的量值，称为 修正值n测量仪器的修正值可以通过上一级标准的检定给出，修正 值可以是数值表格、曲线或函数表达式等形式。n被测量的实际值Date52.2 测量误差的分类3.1.1 测量误差的分类n根据测量误差的性质，测量误差可分为随机误差、系统 误差、粗大误差三类。n1.随机误差n定义: 在同一测量条件下（指在测量环境、测量人员、 测量技术和测量仪器都相同的条件下），多次重复

4、测量 同一量值时（等精度测量），每次测量误差的绝对值和 符号都以不可预知的方式变化的误差，称为随机误差或 偶然误差，简称随差。n随机误差主要由对测量值影响微小但却互不相关的大量 因素共同造成。这些因素主要是噪声干扰、电磁场微变 、零件的摩擦和配合间隙、热起伏、空气扰动、大地微 震、测量人员感官的无规律变化等。Date6n对一不变的电压在相同情况下，多次测量得到 1.235V，1.237V，1.234V，1.236V，1.235V， 1.237V。n单次测量的随差没有规律，但多次测量的总体却服从统计规律。n可通过数理统计的方法来处理,即求算术平均值u随机误差定义：测量结果与在重复性条件下，对同一

5、被测 量进行无限多次测量所得结果的平均值之差 例:Date72.相对误差n一个量的准确程度，不仅与它的绝对误差的大 小，而且与这个量本身的大小有关。n例：测量两个功率,一个功率为100mW,其绝对误差为1mW, 另一个功率为100W,其绝对误差为10mW，测量的准确程度 是否相同？n（1）相对真误差、实际相对误差、示值相对误差 相对误差：绝对误差与被测量的真值之比相对误差是两个有相同量纲的量的比值，只有大小 和符号，没有单位。Date8实际相对误差： 用实际值A代替真值A0 示值相对误差： 用测量值X 代替实际值ADate9（2）满度相对误差（引用相对误差）n用测量仪器在一个量程范围内出现的最

6、大绝对 误差与该量程值（上限值下限值）之比来表 示的相对误差，称为满度相对误差（或称引用 相对误差）uu仪表各量程内绝对误差的仪表各量程内绝对误差的最大值最大值 Date10n电工仪表就是按引用误差 之值进行分级的。是 仪表在工作条件下不应超过的最大引用相对误差n我国电工仪表共分七级：0.1，0.2，0.5，1.0， 1.5，2.5及5.0。如果仪表为S级，则说明该仪表的 最大引用误差不超过S% n测量点的最大相对误差n在使用这类仪表测量时，应选择适当的量程，使示 值尽可能接近于满度值，指针最好能偏转在不小于 满度值2/3以上的区域。Date11例：n 某待测电流约为100mA，现有0.5级量

7、程 为0400mA和1.5级量程为0100mA的两个 电流表，问用哪一个电流表测量较好？ 用用1.51.5级量程为级量程为0 0100mA100mA电流表测量电流表测量100mA100mA时的最大相时的最大相 对误差为对误差为 解：用解：用0.50.5级量程为级量程为0 0400mA400mA电流表测电流表测100mA100mA时，最大时，最大 相对误差为相对误差为Date122.系统误差n定义：在同一测量条件下，多次测量重复同一量时， 测量误差的绝对值和符号都保持不变，或在测量条件 改变时按一定规律变化的误差，称为系统误差。例如 仪器的刻度误差和零位误差，或值随温度变化的误差 。n产生的主要

8、原因是仪器的制造、安装或使用方法不正 确，环境因素（温度、湿度、电源等）影响，测量原 理中使用近似计算公式，测量人员不良的读数习惯等 。n系统误差表明了一个测量结果偏离真值或实际值的程 度。系差越小，测量就越准确。n系统误差的定量定义是：在重复性条件下，对同一被 测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的 真值之差。即Date133 粗大误差n 粗大误差是一种显然与实际值不符的误差。产生 粗差的原因有：n测量操作疏忽和失误 如测错、读错、记错 以及实验条件未达到预定的要求而匆忙实验等 。n测量方法不当或错误 如用普通万用表电压 档直接测高内阻电源的开路电压n测量环境条件的突然变化 如电源电

9、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。n含有粗差的测量值称为坏值或异常值，在 数据处理时，应剔除掉。 Date144.系差和随差的表达式在剔除粗大误差后，只剩下系统误差和随机误差各次测得值的绝对误差等于系统误差和随机误差 的代数和。n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。n系差和随差之间在一定条件下是可以相互转化 Date15测量结果的表征n准确度表示系统误差的大小。系统误差越小，则准确度越 高，即测量值与实际值符合的程度越高。n精密度表示随机误差的影响。精密度越高，表示随机误差 越小。随机因素使测量值呈现分散而不确定，但总是分布 在平均值

10、附近。n精确度用来反映系统误差和随机误差的综合影响。精确度 越高，表示正确度和精密度都高，意味着系统误差和随机 误差都小。射击误差 示意图 Date16测量结果的表征n测量值是粗大误差Date172.3随机误差n2.3.1 随机误差的统计特性及减少方法n在测量中，随机误差是不可避免的。n随机误差是由大量微小的没有确定规律的因素 引起的，比如外界条件（温度、湿度、气压、 电源电压等）的微小波动，电磁场的干扰，大 地轻微振动等。n多次测量，测量值和随机误差服从概率统计规 律。n可用数理统计的方法，处理测量数据，从而减 少随机误差对测量结果的影响。Date181 随机误差的分布规律（1）随机变量的数

11、字特征 数学期望:反映其平均特性。其定义 如下：nX为离散型随机变量：nX为连续型随机变量：Date19 方差和标准偏差方差是用来描述随机变量与其数学期望的分散程度 。设随机变量X的数学期望为E(X)，则X的方差定义 为： D(X)= E(XE(X)2标准偏差定义为：n标准偏差同样描述随机变量与其数学期望的分散 程度，并且与随机变量具有相同量纲。Date20(2)测量误差的正态分布n测量中的随机误差通常是多种相互独立的 因素造成的许多微小误差的总和。n中心极限定理：假设被研究的随机变量可 以表示为大量独立的随机变量的和，其中 每一个随机变量对于总和只起微小作用， 则可认为这个随机变量服从正态分

12、布。为什么测量数据和随机 误差大多接近正态分布 ？Date21正态分布的概率密度函数和统计特性n随机误差的概率密度函数为：n测量数据X的概率密度函数为：n随机误差的数学期望和方差为：n同样测量数据的数学期望E(X) ，方差D(X) Date22正态分布时概率密度曲线 随机误差和测量数据的分布形状相同，因为它们的标准偏 差相同，只是横坐标相差随机误差具有：对称性 单峰性 有界性 抵偿性 Date23标准偏差意义n标准偏差是代表测量数据和测量误差分布离散程度 的特征数。n标准偏差越小，则曲线形状越尖锐，说明数据越集 中；标准偏差越大，则曲线形状越平坦，说明数据 越分散。Date242. 有限次测量

13、的数学期望和标准偏差的估计值求被测量的数字特征，理论上需无穷多次测量，但在 实际测量中只能进行有限次测量，怎么办？用事件发生的频度代替事件发生的概率，当 则令n个可相同的测试数据xi(i=1.2,n) 次数都计为1 ,当 时，则（1）有限次测量的数学期望的估计值算术平均值被测量X的数学期望 ，就是当测量次数 时，各次测量值的算 术平均值 Date25n规定使用算术平均值为数学期望的估计值 ，并作为最后的测量结果。即：n算术平均值是数学期望的无偏估计值、一 致估计值和最大似然估计值。有限次测量值的算术平 均值比测量值更接近真 值？ Date26（2）算术平均值的标准偏差故：算术平均值的标准偏差比

14、总体或单次测量值 的标准偏差小 倍。原因是随机误差的 抵偿性 。 *Date27算术平均值：（2）有限次测量数据的标准偏差的估计值残差：实验标准偏差（标准偏差的估计值），贝塞尔公式：算术平均值标准偏差的估计值 ：Date28【例】 用温度计重复测量某个不变的温度，得11个测量 值的序列（见下表）。求测量值的平均值及其标准偏差。解：平均值 用公式 计算各测量值残差列于上表中实验偏差 标准偏差Date293. 测量结果的置信问题（1）置信概率与置信区间：置信区间 内包含真值的概率称为置 信概率。置信限：k置信系数（或置信因子） 置信概率是图中 阴影部分面积Date30（2）正态分布的置信概率n当分

15、布和k值确定之后，则置信概率可定 n正态分布,当k=3时置信因子k置信概率Pc10.68320.95530.997区间越宽， 置信概率越大Date31（3） t分布的置信限nt分布与测量次数有关。当n20以后，t分布趋于正 态分布。正态分布是t分布的极限分布。n当n很小时，t分布的中心值比较小，分散度较大， 即对于相同的概率，t分布比正态分布有更大的置 信区间。 n给定置信概率和测量次数n，查表得置信因子kt。自由度：v=n-1Date322.4 系统误差1. 系统误差的特征：在同一条件下，多次测量同一量值时，误差的绝对值和符 号保持不变，或者在条件改变时，误差按一定的规律变化。多次测量求平均

16、不能减少系差。 Date332. 系统误差的发现方法 n（1）不变的系统误差：n 校准、修正和实验比对。n（2）变化的系统误差n 残差观察法，适用于系统误差比随机误差大 的情况 将所测数据及其残差按先后次序列表或作图，观 察各数据的残差值的大小和符号的变化。 存在线性变化的系统误差无明显系统误差Date34马利科夫判据： 若有累进性系统误差，D 值应明显异于零。 当n为偶数时， 当n为奇数时， n阿贝赫梅特判据：检验周期性系差的存在。 Date353. 系统误差的削弱或消除方法（1）从产生系统误差根源上采取措施减小系统误差n 要从测量原理和测量方法尽力做到正确、严格。n 测量仪器定期检定和校准，正确使用仪器。n 注意周围环境对测量的影响，特别是温度对电子 测量的影响