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文檔簡介
1、第一章 第一章 緒 論 第一節(jié) 第一節(jié) 研究誤差的意義 研究誤差的意義 一、研究誤差的意義 1、正確認識誤差的性質,分析誤差產生的原因,以消除或減少誤差。 2、正確處理測量和實驗數據,合理計算所得結果,以便在一定條件下得到更接近于真值的數據。 3、正確組織實驗過程,合理設計儀器或選用儀器和測量方法,以便在最經濟條件下,得到最理想結果。 4、研究誤差可促進理論發(fā)展。 (如雷萊研究:化學方法、空氣分離方法。制氮氣時,密度不同,導
2、致后人發(fā)現(xiàn)惰性氣體。 ) 第二節(jié) 第二節(jié) 誤差基本概念 誤差基本概念 一、誤差定義及表示方法 一、誤差定義及表示方法 (一)定義:被測量的值與真值差異在數值上的表現(xiàn)—誤差。誤差=測得尺寸—真實尺寸 (二)誤差表示方法(測量誤差可用絕對誤差表示,也可用相對誤差表示) 1、絕對誤差 (測量誤差) 方向(+ —) 、單位、大小。 ?絕對誤差 絕對誤差=測得值 測得值—真值 真值
3、 在實際工作中常用到修正值:為減少或消除系統(tǒng)誤差一種處理方法。 修正值 修正值=真值 真值—測量值 測量值=—絕對誤差 絕對誤差 2、? ? 絕對誤差絕對誤差 相對誤差真值測量值相對誤差:(1)有大小、方向(+ —) 、無單位。常用%表示。(2)對于相同的被測量,可用絕對誤差評定精度。對于不同的被測量或不同的物理量,可用相對誤差評定精度。 3、引用誤差:指的是儀器儀表表示值的相對誤差。儀器儀表示值誤差=示值—真值 引用誤差
4、引用誤差=示值誤差 示值誤差/測量范圍上限 測量范圍上限 rm=ΔXm / Xm 儀器標稱范圍或量程內的最大絕對誤差 / 該標稱范圍(或量程)上限 有大小,有方向,無單位,相對量程而言。 等級 S 級:rm≤S% 所產生的最大絕對誤差:ΔXm=±Xm×S% 最大相對誤差為:rx=ΔXm / X=±Xm/x×S% 說明:(1)量程相同的表,精度等級高,測量精度高。 量程不同的表
5、,精度等級高,測量精度不見得高。 (2)儀表量程選用最好測量值在量程 2/3 左右為好,能充分發(fā)揮儀表精度等級作用。 二、誤差來源 二、誤差來源 在測量過程中,按誤差產生的原因可歸納為: (一)測量裝置誤差 (一)測量裝置誤差 1、標準量具誤差 2、儀器誤差: 3、附件誤差: (二)環(huán)境誤差 (二)環(huán)境誤差 測量時各種環(huán)境因數與規(guī)定的標準狀態(tài)不一致造成的誤差 (三) (三) 、方法誤差 、方法誤差 由于測量方法不完善
6、所引起的誤差。 (四) (四) 、人員誤差 、人員誤差 分辨能力、視覺器官的生理變化、習慣、疏忽等引起的誤差。 三、誤差分類 三、誤差分類 按誤差的特點和性質,誤差可分為系統(tǒng)誤差、隨機誤差(也稱偶然誤差)和粗大誤差三類。 (一)系統(tǒng)誤差 (一)系統(tǒng)誤差 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—系統(tǒng)誤差。 如標準量值不準、一起刻度不準確引起的誤差。 系統(tǒng)誤差又可按
7、下列分類: 1、按對誤差掌握的程度分 (1)已定系統(tǒng)誤差:指誤差的絕對值和符號已確定 (2)未定系統(tǒng)誤差:指誤差的絕對值和符號未確定,但可的出誤差范圍。 2、按誤差出現(xiàn)規(guī)律分 (1)不變系統(tǒng)誤差:(指絕對值和符號一定)相當于以定系統(tǒng)誤差。 (2)變化系統(tǒng)誤差:(指絕對值和符號為變化)相當于未定系統(tǒng)誤差,但變化規(guī)律可知,如線性、周期性等。 (二)隨機誤差 (二)隨機誤差(random error) 在相同測量條件下,多次測量同
8、一量值時,絕對值和符號以不可預定方式變化的誤差—隨機誤差。 (三)粗大誤差 (三)粗大誤差 指明顯超出統(tǒng)計規(guī)律預期值的誤差—粗大誤差。又稱為疏忽誤差、過失誤差、寄生誤差或簡稱粗差。 第三節(jié) 第三節(jié) 精 度 定義:反映測量結果與真值接近程度的量。與誤差的大小相對應,因此可用誤差大小來表示精度的高低,誤差小則精度高,誤差大則精度低。 精度可分為: (1)準確度:系統(tǒng)誤差 (2)精密度:隨機誤差 (3)精確度:系統(tǒng)誤差和隨機誤
9、差。其定量特征可用測量的不確定度(極限誤差)來表示。 精度在數量上可用相對誤差表示,如相對誤差為 0.01%,可 ?以說精度為 。 4 10?a: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。 b: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。 c: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。 第四節(jié) 第四節(jié) 有效數
10、字與數據運算 有效數字與數據運算 一、有效數字 一、有效數字 含有誤差的任何近似數,如果其絕對誤差界是最末位數的半個單位,那么從這個近似數左方起的第一個非 0 的數字,稱為第一位有效數字。從第一位有效數字起到列最末一位數字止的所有數字,無論 0 或非 0,都是有效數字。 二、數字舍入規(guī)則(湊整) 二、數字舍入規(guī)則(湊整) “四舍六入逢五取偶” 三、數據運算規(guī)則 三、數據運算規(guī)則 在有效數據后多保留一位參考(安全)數字。
11、(1)近似加減運算。結果應與小數位數最少的數據小數位數相同。 (2)近似乘除運算。運算以有效位最少的數據位數多取一位,結果位數相同。 (3)近似平方或開方運算。 按乘除運算處理。 (4)對數運算。 n 位有效數字的數據該用 n 位對數表,或(n+1)位對數表。 (5)三角函數。角度誤差 '' 10 '' 1 '' 0.1 '' 0.01函數值位數 5
12、 6 7 8 第二章 第二章 誤差的基本性質與處理 誤差的基本性質與處理 第一節(jié) 第一節(jié) 隨機誤差 隨機誤差 定義:在相同條件下多次重復測量同一量時,以不可預定的方式變化的(但具有統(tǒng)計規(guī)律的)測量誤差—隨機誤差。 (在等精度 等精度測量條件下) 一、隨機誤差產生的原因 一、隨機誤差產生的原因 1、測量裝置方面:零部件配合的不穩(wěn)定性,零部件的變形,零件表面油膜不均勻,摩擦等。 2、環(huán)境方面:溫度、氣
13、壓、 ,光照強度、灰塵及電磁場變化。 3、人員方面:瞄準方向的不穩(wěn)定,讀數的不穩(wěn)定。 二、隨機誤差的統(tǒng)計特性 二、隨機誤差的統(tǒng)計特性—正態(tài)分布 正態(tài)分布 多數隨機誤差服從正態(tài)分布(不含系統(tǒng)誤差和粗大誤差) ,有以下四個特征; 1、對稱性: 2、單峰性: 3、有界性: 4、抵償性: 隨機誤差的正態(tài)分布規(guī)律: 設被測量的真值為 ,一系列測得值為 。則測量列中的隨 0 L i l機誤差 為 式中 。 i ? 0
14、i i l L ? ? ? 1,2, i n ? ?正態(tài)分布密度 ? ? ? ?22 2 12f e?? ?? ???分布函數 ? ? ? ?22 2 12F e d?? ? ? ?? ???? ? ?—標準差(方均根誤差) —自然對數的底=2.7182。 。 。 ? e數學期望 ? ? 0 E f d ? ? ????? ? ? ?方差 ? ?2 2 f d ? ? ?
15、 ????? ? ?平均誤差 ? ? 4 0.7979 5 f d ? ? ? ? ? ????? ? ? ? ?此外由 ? ?2 12 f d?? ? ?? ? ?可解得或然誤差為 2 0.6745 3 ? ? ? ? ?正態(tài)分布曲線以及各精度參數在圖中的坐標。 —曲線上拐點 A 的橫坐標 —曲線右半部面積重心 ? ?B 的橫坐標 —右半部面積的平分線
16、的橫坐標。 ?三、算術平均值 三、算術平均值 1、公理:一系列等精度測量,則 。 —真值 0 i i l L ? ? ? 0 L隨機誤差的代數和 ? ? 0 01 1 1n n ni i ii i il L l nL ?? ? ?? ? ? ? ? ? ?1 10n ni ii ilL n?? ??? ? ?根據正態(tài)分布隨機誤差的對稱性,當 ,n ? ? 0 in???? ?所以 即無限多次測量的算術平均值即為真值 1
17、0niilx L n? ? ? ????2、殘余誤差=測量值—平均值 即 i i V l x ? ????3、算術平均值的校核方法: (1) , 而 1nii lx n? ? ? ? ? ? ? :11 1 0ni n nii ii ilV l n n n?? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? : :(2)殘余誤差代數和絕對值 應
18、符合: 1niiV? ?當 n 為偶數時,則 ; 1 2niin V A? ? ?當 n 為奇數時,則 ; A 為末位數10.5 2niin V A?? ? ? ? ? ? ? ? ? x ???的一個單位。 多數情況下用規(guī)則(2)來校核。 四、測量的標準差(方均根誤差) 四、測量的標準差(方均根誤差)?0 c x x x ? ?? ? ?0 x x x ? ? ?3 若 ,則認為該測量列中含有周期性系統(tǒng)誤差。 2 1 u
19、 n ? ? ?(四)不同公式計算標準差比較法 (四)不同公式計算標準差比較法: 按貝塞爾公式 211 1niiVn ? ? ? ??按別捷爾斯公式 ? ?12 1.253 1niiVn n ? ? ? ??令 ,若 ,則懷疑測量列中存在系統(tǒng)誤 211 u ? ? ? ? 21 u n ? ?差。 (五)計算數據比較法: (五)計算數據比較法: (測量組間) 若對
20、同一量獨立測量 m 組結果,并知它們的 和 x ??? i ?為 。而任意兩組結果之差為 1 1 2 2 , , m m x x x ? ? ? ??? ??? ??? ?,其標準差為 。則任意兩 i j x x ? ? ? ??? ??? 2 2i j ? ? ? ? ?組結果 和 間不存在系統(tǒng)誤差的標志是: i x ??? j x ???2 2 2 i j i j x x ? ? ? ? ? ??? ???(六)秩和檢驗法
21、六)秩和檢驗法 (用于兩組數據) 兩組數據:i x 1,2, x i n ? ? j y 1,2, y j n ? ?將它們混合后,按大小順序重新排列,取測量次數較少的那一組,數出它的測量值在混合后的次序 9(秩)再將所有測得值的次序相加,即得秩和 T。 當兩組測量次數 ,可根據次數較少組的次數 和 1 2 , 10 n n ? 1 n較多的組的次序 ,由秩和檢驗表 2-10(P14)查得 和 2 n T? T?(顯著度為
22、 0.05) ,若 ,則無根據懷疑兩組間存在 T T T ? ? ? ?系統(tǒng)誤差。 (七) (七)t 檢驗法 檢驗法(利用 t 分布進行的檢驗) (測量組間) 若獨立測得兩組數據(服從正態(tài)分布)為 i x 1,2, x i n ? ?j y 1,2, y j n ? ?令變量 ? ? ? ?? ?? ?2 22 x y x yx y x x y yn n n nt x yn n n n ? ?? ??
23、?? ?式中:1ixx x n ? ? 1iyy y n ? ?? ?2 1x ixx x n ? ? ? ? ? ?2 1y iyy y n ? ? ? ?取顯著度 ,由 t 分布表(附錄表 3)查得 ?中 。若實測數列中算出之 ,則無根 ? ? P t t? ? ? ? t? t t? ?據懷疑兩組間有系統(tǒng)誤差。 第一類(前四種)用于發(fā)現(xiàn)測量列組內的系統(tǒng)誤差;第二類(后3 種)用于發(fā)現(xiàn)各組測量之間的系統(tǒng)誤差。 四、系統(tǒng)誤差的減小和消
24、除 四、系統(tǒng)誤差的減小和消除 (一)從產生根源上消除系統(tǒng)誤差 (二)用修正的方法消除系統(tǒng)誤差 (三)不變系統(tǒng)誤差消除法 1、代替法:2、抵消法:3、交換法: (四)線性系統(tǒng)誤差消除法—對稱法 (五)周期性系統(tǒng)誤差消除法—半周期法 (六)復雜系統(tǒng)誤差的消除方法 第三節(jié) 第三節(jié) 粗大誤差 粗大誤差 一、粗大誤差產生的原因 一、粗大誤差產生的原因 (1)客觀外界條件的原因:機械沖擊、外界震動、電網供電電壓突變、電磁干擾等測
25、量條件意外地改變 ,引起儀器示值或被測對象位置的改變而產生粗大誤差 (2)測量人員的主觀原因:測量者工作責任性不強,工作過于疲勞,對儀器熟悉與掌握程度不夠等原因,引起操作不當,或在測量過程中不小心、不耐心、不仔細等,從而造成錯誤的讀數或錯誤的記錄 二、防止與消除粗大誤差的方法 二、防止與消除粗大誤差的方法 (1)加強測量人員培訓,增強責任心 (2)保證測量條件穩(wěn)定 (3)不同條件測量同一值(如兩組人員、兩臺儀器、兩種測量
26、方法)相互比較 三、判別粗大誤差的準則 三、判別粗大誤差的準則 P45 (1) 3σ準則 σ準則 (萊以特準則) (n 充分大,正態(tài)分布) 對某個可疑數據 ,若d x 3 d d x x ? ? ? ? ?含有粗差,可剔除;否則予以保留。 d x在 n≤10 的情形,用 3σ準則剔22 1 11 3niiiVV n ? ? ? ? ???除粗差注定失效 ,取 2 ( ) 1 d i x x x x
27、 n ? ? ? ? ? ? ?n≤10, 恒成立。因此本法測量次數應 3 d x x ? ? ? 10 n ?,且越大越好。 (2)羅曼諾夫斯基準則 )羅曼諾夫斯基準則(t 檢驗準則,n 較少,n<=10,t 分布) 方法:首先剔除一個可以的測量值 ,計算余下的 、 , j x x ?根據原測量次數 n 和選取的顯著度 ,查表 2-12( )得 ? 45 ?t 校驗數 。 ? ? , K n ?若 , 則認為 含
28、有粗大誤差,棄去 , j x x K? ? ? j x j x再繼續(xù)上述步驟判斷,否則 不含粗大誤差,應保留。 j x(3)格羅布斯準則 )格羅布斯準則 (測量列中含有一個異常值效率高) 對某個可疑數據 ,若d x ( , ) d x x G n ? ? ? ?—貝塞爾公式計算的標準差 (2-92) ?含有粗差,可剔除;否則予以保留。 d x(4)狄克松 )狄克松(Dixon)準則 準則
29、(多個異常值,速度快) 正態(tài)測量總體的一個樣本 ,按從大到小順序 1 2 , ,..., n x x x排列為 。構造統(tǒng)計量: 1 2 , ,..., n x x x ? ? ?與 3 ~ 7 n ? 1101n nnx x r x x? ? ? ? ? ? ? ?2 1101 nx x r x x? ? ? ? ? ? ? ?與 8 ~10 n ? 1112n nnx x r x x? ? ? ? ?
30、 ? ? ?2 1111 1 nx x r x x ?? ? ? ? ? ? ? ?與 11~13 n ? 2212n nnx x r x x? ? ? ? ? ? ? ?2 1111 1 nx x r x x ?? ? ? ? ? ? ? ?與 14 ~ 30 n ? 2223n nnx x r x x? ? ? ? ? ? ? ?3 1222 1 nx x r x x ?? ? ? ? ? ? ? ?若
31、則判斷 為異常值。 , ( , ) ij ij ij r r r D n ? ? ? ? n x?,則判斷 為異常值。否則,判斷沒 , ( , ) ij ij ij r r r D n ? ? ? ? ? 1 x?有異常值。 四、總結 四、總結 (1)大樣本情形(n>50) ,用 3σ準則最簡單方便;30<n<50 情形,用 Grubbs 準則效果較好; 情形,用 3 30 n ? ?Grubbs 準則適用于剔除單個異常值,用 Di
32、xon 準則適用于剔除多個異常值。 (2)在實際應用中,較為精密的場合可選用二三種準則同時判斷,若一致認為應當剔除時,則可以比較放心地剔除;當幾種方法的判定結果有矛盾時,則應當慎重考慮,通常選擇,且在可剔與不可剔時,一般以不剔除為妥。 第三章 第三章 誤差的合成與分配 誤差的合成與分配 第一節(jié)函數誤差 第一節(jié)函數誤差 間接測量:通過直接測得的量與被測量之間的函數關系計算出被測量。 函數誤差:間接測得的被測量誤差也應是直接測得量
33、及其誤差的函數,稱這種間接測量的誤差為函數誤差 一、函數系統(tǒng)誤差計算 一、函數系統(tǒng)誤差計算 間接測量的數學模型 : 。 1 2 ( , ,..., ) n y f x x x ?為各個直接測量值,y 為間接測量值。 1 2 , , , n x x x ?函數的系統(tǒng)誤差 的計算公式: dy1 21 2... nnf f f dy dx dx dx x x x? ? ? ? ? ? ? ? ? ?1 21 2... nnf
34、f f y x x x x x x? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?其中 為各個輸入量在該測量點 ( 1,2, , ) i f x i n ? ? ? ?處的誤差傳遞系數。 1 2 ( , , , ) n x x x ?1、線性函數: 1 1 2 2 ... n n y a x a x a x ? ? ? ?系統(tǒng)誤差公式: 1 1 2 2 ... n n y a x a x a x ? ?
35、 ? ? ? ? ? ?當, 1 i a ? 1 2 ... n y x x x ? ? ? ? ? ? ? ?上式說明當函數為各測量值之和時,其函數系統(tǒng)誤差亦為各個測量值系統(tǒng)誤差之和 。 2、三角函數形式 ? ? 1 2 sin , ,..., n f x x x ? ?11cosnii if x x ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? 1 2 cos , ,..., n f x x x ? ?11 si
36、nnii if x x ? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ? 1 2 tan , ,..., n f x x x ? ? 21cosnii if x x ? ??? ? ? ? ? ?? ? 1 2 cot , ,..., n f x x x ? ? 21sinnii if x x ? ??? ? ? ? ? ? ?二、函數隨機誤差計算 二、函數隨機誤差計算 對各個測量值皆進行了 N 次等精度測量,其相應的隨機誤差為: 對 :
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