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文檔簡介
1、電子測量技術(shù)2016.03.16回顧復(fù)習(xí) 誤差的來源 誤差的分類 測量結(jié)果的評(píng)定 期望和算數(shù)平均值直接的關(guān)系 隨機(jī)誤差的正態(tài)分布 平均分布的概率密度,期望,方差 極限誤差2.4 系統(tǒng)誤差的特征及其減小的方法2.4.1 系統(tǒng)誤差的特征 剔除粗差后, 測量誤差等于隨機(jī)誤差 和系統(tǒng)誤差 的代數(shù)和, 即 假設(shè)進(jìn)行n次等精度測量, 并考慮在系統(tǒng)誤差不變的情況下, 則xi的算術(shù)平均值為iiixxAiniiniinAxxn11112.4 系統(tǒng)誤差的特征及其減小的方法2.4.1 系統(tǒng)誤差的特征 當(dāng)n足夠大時(shí), 由于隨機(jī)誤差的抵償性,i的算術(shù)平均值趨于零, 于是由式得到niixnAx11可見, 當(dāng)系統(tǒng)誤差與隨機(jī)
2、誤差同時(shí)存在時(shí), 若測量次數(shù)足夠多, 則各次測量絕對(duì)誤差的算術(shù)平均值等于系統(tǒng)誤差。 2.4 系統(tǒng)誤差的特征及其減小的方法2.4.1 系統(tǒng)誤差的特征這說明測量結(jié)果的準(zhǔn)確度不僅與隨機(jī)誤差有關(guān), 更與系統(tǒng)誤差有關(guān)。 由于系統(tǒng)誤差不易被發(fā)現(xiàn), 因此更需重視。 由于它不具備抵償性, 因此取平均值對(duì)它無效。 又由于系差產(chǎn)生的原因復(fù)雜, 因此處理起來比隨機(jī)誤差還要困難。2.4 系統(tǒng)誤差的特征及其減小的方法2.4.1 系統(tǒng)誤差的特征1x研究系統(tǒng)誤差有利于判斷測量的正確性和可靠性, 有時(shí)還能啟發(fā)人們發(fā)現(xiàn)新事物和新規(guī)律。 歷史上雷萊曾利用不同的來源和方法制取氮?dú)猓?測得氮?dú)獾钠骄芏群蜆?biāo)準(zhǔn)偏差如下:化學(xué)法提?。?
3、=2.29971, 1=0.00041。大氣中提?。?=2.31022, 2=0.00019。平均值之差: =0.010 51。標(biāo)準(zhǔn)偏差: =0.000 45。兩平均值之差值理論上應(yīng)為零,現(xiàn)已超過其標(biāo)準(zhǔn)偏差的20倍以上, 可見兩種方法間存在著系統(tǒng)誤差。 經(jīng)過進(jìn)一步深入研究, 雷萊發(fā)現(xiàn)了空氣中的惰性氣體。1x2x2x22212.4.2 判斷系統(tǒng)誤差的方法 實(shí)際測量中產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的原因多種多樣, 系統(tǒng)誤差的表現(xiàn)形式也不盡相同, 但仍有一些辦法可用來發(fā)現(xiàn)和判斷系統(tǒng)誤差。實(shí)驗(yàn)對(duì)比法實(shí)驗(yàn)對(duì)比法實(shí)驗(yàn)對(duì)比法:改變測量條件及測量儀器或測量方法。例如,采用普通儀器儀表進(jìn)行測量之后,對(duì)其測量結(jié)果不能完全相信時(shí),再
4、用高一級(jí)或幾級(jí)的儀器儀表進(jìn)行重復(fù)測量。1.這種方法適用于發(fā)現(xiàn)恒值系統(tǒng)誤差。2.4 系統(tǒng)誤差的特征及其減小的方法2.4.2 判斷系統(tǒng)誤差的方法2.剩余誤差觀察方法剩余誤差觀察方法剩余誤差觀察法是根據(jù)測量數(shù)據(jù)數(shù)列各個(gè)剩余誤差的大小、 符號(hào)的變化規(guī)律, 以判斷有無系統(tǒng)誤差及系統(tǒng)誤差類型。為了直觀,通常將剩余誤差制成曲線,如圖所示:2.4 系統(tǒng)誤差的特征及其減小的方法2.4.2 判斷系統(tǒng)誤差的方法圖(a)表示剩余誤差大體上正負(fù)相同, 無明顯變化規(guī)律, 可以認(rèn)為不存在系差; 圖(b)呈現(xiàn)線性遞增規(guī)律, 可認(rèn)為存在線性系統(tǒng)誤差; 圖(c)中剩余誤差的大小和符號(hào)大體呈現(xiàn)周期性, 可認(rèn)為存在周期性系差; 圖(
5、d)變化規(guī)律復(fù)雜, 大體上可認(rèn)為同時(shí)存在線性遞增的線性系統(tǒng)誤差和周期性系統(tǒng)誤差。 剩余誤差法主要用來發(fā)現(xiàn)變值系統(tǒng)誤差。(p32,例2.4.1)2.4 系統(tǒng)誤差的特征及其減小的方法2.4 系統(tǒng)誤差的特征及其減小的方法2.4.2 判斷系統(tǒng)誤差的方法3.馬利科夫判據(jù)馬利科夫判據(jù)判據(jù)用于發(fā)現(xiàn)是否存在線性誤差。 首先將測量數(shù)據(jù)按測量條件的變化順序(如按測量時(shí)間的先后順序)排列起來,分布求出剩余誤差,然后把這些剩余誤差分為前后兩部分求和,再求其差值,即/21/2 1(1)/21(3)/2 nniiii nnniiiinuunuun 為偶數(shù)為奇數(shù)2.4 系統(tǒng)誤差的特征及其減小的方法2.4.2 判斷系統(tǒng)誤差的
6、方法3.馬利科夫判據(jù)馬利科夫判據(jù) 如果前后兩部分的ui值符號(hào)不同,則值明顯不為0;若的絕對(duì)值大于最大的ui值(|uimax|),則認(rèn)為存在線性系統(tǒng)誤差。若0,表明不存在線性系統(tǒng)誤差。/21/2 1(1)/21(3)/2 nniiii nnniiiinuunuun 為偶數(shù)為奇數(shù)特殊情況(例如個(gè)別異常數(shù)據(jù)),會(huì)產(chǎn)生 |uimax|,但不存在線性誤差。2.4 系統(tǒng)誤差的特征及其減小的方法2.4.2 判斷系統(tǒng)誤差的方法4.阿卑阿卑-赫敏特(赫敏特(Abbe-Helmert)判據(jù))判據(jù)判據(jù)用來發(fā)現(xiàn)是否存在周期性誤差。將測量數(shù)據(jù)按測量條件的變化順序排列起來,求出剩余誤差,依次兩兩相乘,然后取和的絕對(duì)值,再
7、用此列數(shù)據(jù)求出標(biāo)準(zhǔn)差的估計(jì)值。若下式成立則認(rèn)為存在周期性系統(tǒng)誤差12111niiiuun2.4.3 減小系統(tǒng)誤差的方法1.從產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的根源上采取措施從產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的根源上采取措施(1) 采用的測量方法和依據(jù)的原理正確。(2) 選用的儀器儀表類型正確, 準(zhǔn)確度滿足測量要求, 如要測量工作于高頻段的電感電容, 應(yīng)選用高頻參數(shù)測試儀(如LCCG-1高頻LC測量儀), 而測量工作于低頻段的電感電容就應(yīng)選用低頻參數(shù)測試儀(如WQ-5電橋、 QS18A萬能電橋)。2.4 系統(tǒng)誤差的特征及其減小的方法2.4.3 減小系統(tǒng)誤差的方法1.從產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的根源上采取措施從產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的根源上采取措施(3) 測
8、量儀器應(yīng)定期檢定、 校準(zhǔn), 測量前要正確調(diào)節(jié)零點(diǎn), 應(yīng)按操作規(guī)程正確使用儀器。 尤其對(duì)于精密測量, 測量環(huán)境的影響不能忽視, 必要時(shí)應(yīng)采取穩(wěn)壓、恒溫、電磁屏蔽等措施。(4)條件許可時(shí), 可盡量采用數(shù)字顯示儀器代替指針式儀器, 以減小由于刻度不準(zhǔn)及分辨力不高等因素帶來的系統(tǒng)誤差。(5)提高測量人員的學(xué)識(shí)水平、 操作技能, 去除一些不良習(xí)慣, 盡量消除帶來系統(tǒng)誤差的主觀原因。2.4 系統(tǒng)誤差的特征及其減小的方法2.4.3 減小系統(tǒng)誤差的方法2.用修正法減小系統(tǒng)誤差用修正法減小系統(tǒng)誤差 預(yù)先將測量儀器儀表的系統(tǒng)誤差檢定出來,整理出誤差表格或誤差曲線,作為修正值,與測量值想加,即可得到基本上不包含系統(tǒng)
9、誤差的結(jié)果。 由于修正值本身有一定的誤差,所以這種方法只適用于工程測量。2.4 系統(tǒng)誤差的特征及其減小的方法2.4.3 減小系統(tǒng)誤差的方法3.減少恒值誤差的技術(shù)措施減少恒值誤差的技術(shù)措施(1)零示法)零示法 零示法是在測量中, 將待測量與已知標(biāo)準(zhǔn)量相比較, 當(dāng)二者的效應(yīng)互相抵消時(shí), 零示器示值為零, 此時(shí)已知標(biāo)準(zhǔn)量的數(shù)值就是被測量的數(shù)值。 零示法原理如下圖所示2.4 系統(tǒng)誤差的特征及其減小的方法2.4.3 減小系統(tǒng)誤差的方法3.減少恒值誤差的技術(shù)措施減少恒值誤差的技術(shù)措施(1)零示法)零示法 圖中x為被測量, s為同類可調(diào)節(jié)已知標(biāo)準(zhǔn)量, P 為零示器。 零示器的種類有光電檢流計(jì)、 電流表、 電
10、壓表、 示波器、 調(diào)諧指示器、 耳機(jī)等, 只要零示器的靈敏度足夠高, 測量的準(zhǔn)確度基本上就等于標(biāo)準(zhǔn)量的準(zhǔn)確度, 而與零示器的準(zhǔn)確度無關(guān), 從而可消除由于零示器不準(zhǔn)所帶來的系統(tǒng)誤差。2.4 系統(tǒng)誤差的特征及其減小的方法2.4.3 減小系統(tǒng)誤差的方法3.減少恒值誤差的技術(shù)措施減少恒值誤差的技術(shù)措施(1)零示法)零示法 電位差計(jì)是采用零示法的典型例子。 下圖是電位差計(jì)的原理圖。 其中, Es為標(biāo)準(zhǔn)電壓源; Rs為標(biāo)準(zhǔn)電阻; Ux為待測電壓; P 為零示器, 一般用檢流計(jì)。2.4 系統(tǒng)誤差的特征及其減小的方法電位差計(jì)原理圖2.4 系統(tǒng)誤差的特征及其減小的方法2.4.3 減小系統(tǒng)誤差的方法3.減少恒值誤
11、差的技術(shù)措施減少恒值誤差的技術(shù)措施(1)零示法)零示法調(diào)Rs使IP=0, 則被測電壓Ux=Us, 即 由式可以看到, 被測量Ux的數(shù)值僅與標(biāo)準(zhǔn)電壓源Es及標(biāo)準(zhǔn)電阻R2、 R1有關(guān), 只要標(biāo)準(zhǔn)量的準(zhǔn)確度很高, 被測量的測量準(zhǔn)確度也就很高。2s12xRUERR2.4.3 減小系統(tǒng)誤差的方法3.減少恒值誤差的技術(shù)措施減少恒值誤差的技術(shù)措施(1)零示法)零示法優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):1.在測量過程中只需判斷檢流計(jì)P有無電流,不需要讀數(shù)2.在測量回路中沒有電流,導(dǎo)線上無壓降,誤差很小缺點(diǎn):缺點(diǎn):需要穩(wěn)定且準(zhǔn)確的直流電源及標(biāo)準(zhǔn)電位器2.4 系統(tǒng)誤差的特征及其減小的方法2.4.3 減小系統(tǒng)誤差的方法3.減少恒值誤差的技術(shù)
12、措施減少恒值誤差的技術(shù)措施(2)替代法)替代法定義:替代法又稱置換法。 它是在測量條件不變的情況下, 用一標(biāo)準(zhǔn)已知量去替代待測量, 通過調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)量而使儀器的示值不變,于是標(biāo)準(zhǔn)量的值等于被測量值。 由于替代前后整個(gè)測量系統(tǒng)及儀器示值均未改變, 因此測量中的恒定系統(tǒng)誤差對(duì)測量結(jié)果不產(chǎn)生影響, 測量準(zhǔn)確度主要取決于標(biāo)準(zhǔn)已知量的準(zhǔn)確度及指示器的靈敏度。2.4 系統(tǒng)誤差的特征及其減小的方法2.4 系統(tǒng)誤差的特征及其減小的方法2.4.3 減小系統(tǒng)誤差的方法3.減少恒值誤差的技術(shù)措施減少恒值誤差的技術(shù)措施(2)替代法)替代法 圖示是替代法在精密電阻電橋中的應(yīng)用實(shí)例。 首先接入未知電阻Rx, 調(diào)節(jié)電橋使之平衡
13、, 即IP=0, 此時(shí)有221RRRRx2.4 系統(tǒng)誤差的特征及其減小的方法2.4.3 減小系統(tǒng)誤差的方法3.減少恒值誤差的技術(shù)措施減少恒值誤差的技術(shù)措施(2)替代法)替代法 由于R1、 R2、 R3都有誤差, 因此若利用它們的標(biāo)稱值來計(jì)算Rx, 則Rx也帶有誤差, 即223311)(RRRRRRRRxx2.4 系統(tǒng)誤差的特征及其減小的方法2.4.3 減小系統(tǒng)誤差的方法3.減少恒值誤差的技術(shù)措施減少恒值誤差的技術(shù)措施(2)替代法)替代法為了消除上述誤差, 現(xiàn)用可變標(biāo)準(zhǔn)電阻Rs代替Rx, 并在保持R1、 R2、 R3不變的情況下通過調(diào)節(jié)Rs, 使電橋重新平衡, 因而得到:223311ss)(RR
14、RRRRRR2.4.3 減小系統(tǒng)誤差的方法3.減少恒值誤差的技術(shù)措施減少恒值誤差的技術(shù)措施(2)替代法)替代法比較兩式, 得到:Rx+Rx=Rs+Rs 可見, 測量誤差Rx僅取決于標(biāo)準(zhǔn)電阻的誤差Rs, 而與R1、 R2、 R3的誤差無關(guān)。2.4 系統(tǒng)誤差的特征及其減小的方法優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):方法簡單,便于操作缺點(diǎn)缺點(diǎn):只限便于替換參數(shù)的場合;需要有一套參數(shù)可調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)器件2.4.3 減小系統(tǒng)誤差的方法3.減少恒值誤差的技術(shù)措施減少恒值誤差的技術(shù)措施(3)微差法)微差法定義:微差法又叫虛零法或差值比較法, 實(shí)質(zhì)上是一種不徹底的零示法(見P35,圖2.4.6)。 在零示法中必須仔細(xì)調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)量B使之與x相等,
15、 這通常很費(fèi)時(shí)間, 有時(shí)甚至不可能做到。 2.4 系統(tǒng)誤差的特征及其減小的方法2.4.3 減小系統(tǒng)誤差的方法3.減少恒值誤差的技術(shù)措施減少恒值誤差的技術(shù)措施(3)微差法)微差法 微差法允許標(biāo)準(zhǔn)量B與被測量x的效應(yīng)不完全抵消, 即相差一微小量, 測得 =xB, 即可得到待測量:x=B+2.4 系統(tǒng)誤差的特征及其減小的方法絕對(duì)誤差x= B+ 2.4 系統(tǒng)誤差的特征及其減小的方法2.4.3 減小系統(tǒng)誤差的方法3.減少恒值誤差的技術(shù)措施減少恒值誤差的技術(shù)措施(3)微差法)微差法x的示值相對(duì)誤差為xBBxxxBB由于B, 因此B+B。 又由于x, 所以有xxBxBB2.4 系統(tǒng)誤差的特征及其減小的方法2
16、.4.3 減小系統(tǒng)誤差的方法3.減少恒值誤差的技術(shù)措施減少恒值誤差的技術(shù)措施(3)微差法)微差法 由于B,則相對(duì)微差/B的值非常小,使得測微差用電壓表的示值相對(duì)誤差 對(duì)測量誤差 的影響大為減弱。所以從式中可以看出,測量誤差 主要由標(biāo)準(zhǔn)量的相對(duì)誤差B/B決定,而與測量儀器儀表的示值誤差 關(guān)系較小。(P35,例2.4.2)xxxxBxBB置信區(qū)間置信區(qū)間Ext, Ex+t置信概率置信概率 P|i|t2.5 疏失誤差及其判斷準(zhǔn)則誤差的分類恒正定值系統(tǒng)誤差定值系統(tǒng)誤差恒負(fù)定值系統(tǒng)誤差按變化規(guī)律線性系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差變值系統(tǒng)誤差 周期性系統(tǒng)誤差誤差復(fù)雜規(guī)律系統(tǒng)誤差已定系統(tǒng)誤差按掌握程序未定系統(tǒng)誤差(系統(tǒng)誤
17、差限)隨機(jī)誤差(隨機(jī)不確定度);疏失誤差2.6 測量數(shù)據(jù)的處理2.6.1 有效數(shù)字的處理1.有效數(shù)字有效數(shù)字 由于測量過程中含有誤差, 因此測量數(shù)據(jù)及由測量數(shù)據(jù)計(jì)算出來的算術(shù)平均值都是近似值。 通常就從誤差的觀點(diǎn)來定義近似值的有效數(shù)字。 若末位數(shù)字是個(gè)位, 則包含的絕對(duì)誤差值不大于0.5; 若末位是十位, 則包含的絕對(duì)誤差值不大于5。 對(duì)于其絕對(duì)誤差不大于末位數(shù)字單位一半的數(shù), 從它左邊第一個(gè)不為零的數(shù)字起, 到右面最后一個(gè)數(shù)字(包括零)止, 都稱做有效數(shù)字。2.6.1 有效數(shù)字的處理1.有效數(shù)字有效數(shù)字例如:3.1416: 五位有效數(shù)字, 極限(絕對(duì))誤差0.00005。3.142: 四位有
18、效數(shù)字, 極限誤差0.0005。8700: 四位有效數(shù)字, 極限誤差0.5。87102: 兩位有效數(shù)字, 極限誤差0.5102。0.087: 兩位有效數(shù)字, 極限誤差0.0005。0.807: 三位有效數(shù)字, 極限誤差0.0005。2.6 測量數(shù)據(jù)的處理2.6.1 有效數(shù)字的處理1.有效數(shù)字有效數(shù)字 由上述幾個(gè)例子可以看出, 位于數(shù)字中間和末尾的0(零)都是有效數(shù)字, 而位于第一個(gè)非零數(shù)字前面的0都不是有效數(shù)字。 數(shù)字末尾的“0”很重要, 如寫成20.80表示測量結(jié)果準(zhǔn)確到百分位, 最大絕對(duì)誤差不大于0.005; 若寫成20.8, 則表示測量結(jié)果準(zhǔn)確到十分位, 最大絕對(duì)誤差不大于0.05。 因
19、此上面兩個(gè)測量值分別在(20.800.005)(20.80+0.005)和(20.80.05)(20.8+0.05)之間。 可見, 最末一位是欠準(zhǔn)確的估計(jì)值, 稱為欠準(zhǔn)數(shù)字欠準(zhǔn)數(shù)字。 決定有效數(shù)字位數(shù)的標(biāo)決定有效數(shù)字位數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)是誤差準(zhǔn)是誤差, 多寫則夸大了測量準(zhǔn)確度, 少寫則帶來附加誤差。2.6 測量數(shù)據(jù)的處理2.6.1 有效數(shù)字的處理1.有效數(shù)字有效數(shù)字例如, 如果某電流的測量結(jié)果寫成1000 mA, 則為四位有效數(shù)字, 表示測量準(zhǔn)確度或絕對(duì)誤差0.5 mA; 如果將其寫成1 A, 則為一位有效數(shù)字, 表示絕對(duì)誤差0.5 A。 顯然, 后面的寫法和前者含義不同, 但如果寫成1.000 A,
20、則仍為四位有效數(shù)字, 絕對(duì)誤差0.0005 A=0.5 mA, 含義與第一種寫法相同。2.6 測量數(shù)據(jù)的處理2.6.1 有效數(shù)字的處理2.多余數(shù)字的舍入規(guī)則多余數(shù)字的舍入規(guī)則對(duì)測量結(jié)果中的多余有效數(shù)字, 應(yīng)按下面的舍入規(guī)則進(jìn)行: 以保留數(shù)字的末位為單位, 它后面的數(shù)字若大于0.5單位, 末位進(jìn)1; 小于0.5個(gè)單位, 末位不變; 恰為0.5個(gè)單位, 則末位為奇數(shù)時(shí)加1, 末位為偶數(shù)時(shí)不變, 即使末位湊成偶數(shù)。 簡單概括為“小于小于5舍,舍, 大于大于5入,入, 等于等于5時(shí)采取時(shí)采取偶數(shù)法則偶數(shù)法則”。2.6 測量數(shù)據(jù)的處理2.6.1 有效數(shù)字的處理2.多余數(shù)字的舍入規(guī)則多余數(shù)字的舍入規(guī)則【例
21、例1】將下列數(shù)字保留到小數(shù)點(diǎn)后一位: 12.34, 12.36, 12.35, 12.45。解解: 12.3412.3(45, 進(jìn)一); 12.3512.4(3是奇數(shù), 5入); 12.4512.4(4是偶數(shù), 5舍)。之所以采用這樣的舍入法則, 是出于減小計(jì)算誤差的考慮2.6 測量數(shù)據(jù)的處理2.6.1 有效數(shù)字的處理2.多余數(shù)字的舍入規(guī)則多余數(shù)字的舍入規(guī)則 由【例1】可見, 每個(gè)數(shù)字經(jīng)舍入后, 末位是欠準(zhǔn)數(shù)字, 末位之前是準(zhǔn)確數(shù)字, 最大舍入誤差是末位單位的一半。 因此當(dāng)測量結(jié)果未注明誤差時(shí), 就認(rèn)為最末一位數(shù)字有“0.5”誤差, 稱此為“0.5誤差法則誤差法則”。2.6 測量數(shù)據(jù)的處理2.6.1 有效數(shù)字的處理2.多余數(shù)字的舍入規(guī)則多余數(shù)字的舍入規(guī)則【例例2】用一臺(tái)0.5級(jí)電壓表的100 V量程擋測量電壓, 電壓表指示值為85.35 V, 試確定有效位數(shù)。2.6 測量數(shù)據(jù)的處理2.6.1 有效數(shù)字的處理2.多余數(shù)字的舍入規(guī)則多余數(shù)字的舍入規(guī)則解解: 該表在100 V擋的最大絕對(duì)誤差為 Um=0.5%Um=0.5%100=0.5 V 可見, 被測量實(shí)際值在84.8585.85 V之間。 因?yàn)榻^對(duì)誤差為0.5 V, 根據(jù)“0.5誤差法則”, 測量結(jié)果的末位應(yīng)是個(gè)位, 即只應(yīng)保留兩位有效數(shù)字, 根據(jù)舍入規(guī)則, 示值末尾的0.353的原則, 檢查和剔除疏失誤差。 如果存
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