误差定义、来源、分类、测量精度课件.ppt

误差定义、来源、分类、测量精度误差定义、来源、分类、测量精度第二章第二章 误差理论与数据处理误差理论与数据处理§§ 2.2 数据处理的一般方法数据处理的一般方法算术平均法、最小二乘法、一元线性回归算术平均法、最小二乘法、一元线性回归….§ § 2.1 测量误差的基本理论测量误差的基本理论1基本理论基本理论n§ 2.1.1 测量误差的定义测量误差的定义定义：定义：Δx – 测量误差测量误差x – 测量结果测量结果x0 – 真值真值测量结果与其真值的差异测量结果与其真值的差异真值：真值： 被测量的客观真实值被测量的客观真实值理论真值：理论真值：理论上存在、计算推导出来理论上存在、计算推导出来如：三角形内角和如：三角形内角和180°约定真值：约定真值：国际上公认的最高基准值国际上公认的最高基准值如：基准米如：基准米(氪氪-86的能级跃迁在真空中的辐射波长的能级跃迁在真空中的辐射波长)相对真值：相对真值：利用利用高一等级精度高一等级精度的仪器或装置的测量结果作为近似真值的仪器或装置的测量结果作为近似真值1m=1 650 763.73 λ标准仪器的测量标准差标准仪器的测量标准差< 1/3 测量系统标准差测量系统标准差→ 检定检定定性概念，定量表示定性概念，定量表示2基本理论基本理论n§ 2.1.2 测量误差的来源测量误差的来源(1) 原理误差原理误差：：测量原理和方法本身存在缺陷和偏差测量原理和方法本身存在缺陷和偏差近似：近似：如：非线性如：非线性 比较小时比较小时 可以近似为线性可以近似为线性假设：假设：理论上成立、实际中不成立理论上成立、实际中不成立如：误差因素互不相关如：误差因素互不相关(2) 装置误差装置误差：：测量仪器、设备、装置导致的测量误差测量仪器、设备、装置导致的测量误差机械：零件材料性能变化、配合间隙变化、传动比变化、蠕变、空程机械：零件材料性能变化、配合间隙变化、传动比变化、蠕变、空程电路：电源波动、元件老化、漂移、电气噪声电路：电源波动、元件老化、漂移、电气噪声(3) 环境误差环境误差：： 测量环境、条件引起的测量误差测量环境、条件引起的测量误差空气温度、湿度，大气压力，振动，电磁场干扰，气流扰动，空气温度、湿度，大气压力，振动，电磁场干扰，气流扰动，(4) 使用误差使用误差：：理论分析与实际情况差异理论分析与实际情况差异方法：方法：测量方法存在错误或不足测量方法存在错误或不足如：采样频率低、测量基准错误如：采样频率低、测量基准错误读数误差、违规操作、读数误差、违规操作、3基本理论基本理论n§ 2.1.3 测量误差的性质与分类测量误差的性质与分类(1) 随机误差随机误差( random error )正态分布正态分布性质性质：：原因原因：装置误差、环境误差、使用误差：装置误差、环境误差、使用误差处理：处理：统计分析、计算处理统计分析、计算处理→ 减小减小对称性对称性有界性有界性抵偿性抵偿性单峰性单峰性绝对值相等的正负误差出现的次数相等绝对值相等的正负误差出现的次数相等绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的次数多绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的次数多偶然误差绝对值不会超过一定程度偶然误差绝对值不会超过一定程度当当测测量量次次数数足足够够多多时时，，偶偶然然误误差差算算术术平平均均值值趋趋于于04基本理论基本理论n§ 2.1.3 测量误差的性质与分类测量误差的性质与分类(2) 系统误差系统误差( system error ) ：：性质性质：有规律，可再现，可以预测：有规律，可再现，可以预测原因原因：原理误差、方法误差、环境误差、使用误差：原理误差、方法误差、环境误差、使用误差处理处理：理论分析、实验验证：理论分析、实验验证→ 修正修正(3) 粗大误差粗大误差( abnormal error ) ：：性质性质：偶然出现，误差很大，异常数据，与有用数据混在一起：偶然出现，误差很大，异常数据，与有用数据混在一起原因原因：装置误差、使用误差：装置误差、使用误差处理处理：判断、剔除：判断、剔除5基本理论基本理论n§ 2.1.4 测量精度测量精度精度精度：： 测量结果与真值吻合程度测量结果与真值吻合程度定性概念定性概念测测量量精精度度举举例例不精密（随机误差大）不精密（随机误差大） 准确（系统误差小）准确（系统误差小） 精密（随机误差小）精密（随机误差小）不准确（系统误差大不准确（系统误差大））不精密（随机误差大）不精密（随机误差大）不准确（系统误差大）不准确（系统误差大）精密（随机误差小）精密（随机误差小）准确（系统误差小）准确（系统误差小）6基本理论基本理论精密度精密度：： ( precision )表述表述：：概念概念：： 重复测量时，测量结果的分散性重复测量时，测量结果的分散性准确度准确度：：表述表述：：精确度精确度：： ( 正确度正确度)测量结果与真值的接近程度，系统误差的影响程度测量结果与真值的接近程度，系统误差的影响程度性质性质：：随机误差的标准差随机误差的标准差 ( standard deviation )性质性质：：系统误差和随机误差综合影响程度系统误差和随机误差综合影响程度平均值与真值的偏差平均值与真值的偏差 ( deviation )表述表述：： 不确定度不确定度 ( uncertainty )工程表示工程表示：：引用误差，最大允许误差相对于仪表测量范围地百分数引用误差，最大允许误差相对于仪表测量范围地百分数0.1, 0.2, 0.5, 1.0, 1.5, 2.5, 5.0 七级七级7数据处理数据处理n§ 2.2.1 算术平均值法算术平均值法表述：表述：x1, x2, … xn --- 测量数据测量数据原理：原理： 多次重复测量时，取全部测量数据的算术平均值多次重复测量时，取全部测量数据的算术平均值为测量结果为测量结果剩余误差剩余误差偶然误差偶然误差性质：性质：（（1）剩余误差的代数和等于零，即）剩余误差的代数和等于零，即 算术平均值法可以滤除或减小偶然误差算术平均值法可以滤除或减小偶然误差（（2）剩余误差的平方和为最小）剩余误差的平方和为最小 最小二乘法基础最小二乘法基础8数据处理数据处理标准误差标准误差用用偶然误差表示偶然误差表示:用用剩余误差表示剩余误差表示:Bessel公式公式9数据处理数据处理算术平均值的算术平均值的标准误差：标准误差：分分组组重重复复多多次次测测量量，，以以每每组组算算术术平平均均值值作作为为处处理理数数据据10数据处理数据处理n§ 2.2.2 异常数据剔除异常数据剔除准则：准则：说明：说明：(1) 测量误差为随机变量，且符合正态分布测量误差为随机变量，且符合正态分布(2) 真值必然处于一个有限的范围真值必然处于一个有限的范围测量数据与算术平均值的偏差大于标准差的测量数据与算术平均值的偏差大于标准差的3倍倍原理：原理： 当测量结果超出正常范围时，给与剔除当测量结果超出正常范围时，给与剔除(3) 此法只适合于测量数据大于此法只适合于测量数据大于10个的情况个的情况概率概率 95.4%概率概率 99.73%，即，即±3σ±3σ以外的概率为以外的概率为0.27%11数据处理数据处理n§ 2.2.3 最小二乘法最小二乘法• 曲线拟合曲线拟合• 多项式回归多项式回归• • • • • • • •• 直线拟合直线拟合一元一元线性回归方程线性回归方程一元一元非线性回归方程非线性回归方程多元线性回归多元线性回归12数据处理数据处理一元一元线性回归方程线性回归方程拟合拟合直线形式：直线形式：实际测量值实际测量值 与回归值与回归值 之差之差: 与与 偏差平方和：偏差平方和：因因正规方程正规方程13数据处理数据处理一元一元线性回归方程线性回归方程解正规方程得：解正规方程得：其中：其中：14曲线拟合曲线拟合 一元一元非线性回归方程非线性回归方程n步骤步骤:(1) 确定函数的类型确定函数的类型（（如双曲线、指数曲线、对数曲线等如双曲线、指数曲线、对数曲线等…））(2) 求解相关函数中的未知参数求解相关函数中的未知参数n举例举例: 指数曲线指数曲线 • 曲线问题曲线问题 直线问题（变量代换）直线问题（变量代换）• 回归曲线回归曲线 回归多项式回归多项式15数据处理数据处理 (1) 基本公式基本公式函数误差其中其中：：各各直接测量值的误差直接测量值的误差各个误差的传递函数各个误差的传递函数n§ 2.2.4 函数误差计算函数误差计算16数据处理数据处理 (2)计算计算系统误差系统误差偶然误差偶然误差17。