《測(cè)量誤差與數(shù)據(jù)處理》課件-誤差理論的發(fā)展歷程

《測(cè)量誤差與數(shù)據(jù)處理》誤差理論的發(fā)展歷程日晷水漏古代計(jì)時(shí)儀器（每天數(shù)分鐘誤差）機(jī)械擺鐘17~18世紀(jì)的計(jì)時(shí)儀器（機(jī)械力驅(qū)動(dòng)，每天誤差數(shù)秒鐘）20世紀(jì)的計(jì)時(shí)儀器（電力驅(qū)動(dòng)，三百年只差一秒）1969第一只石英手表1973第一只數(shù)顯石英手表中國(guó)銫原子鐘，1秒/3000萬(wàn)年經(jīng)典誤差理論的萌芽期01CONTENTS目錄經(jīng)典誤差理論的成熟期02現(xiàn)代誤差理論的形成與發(fā)展期03經(jīng)典誤差理論的萌芽期PART01一、經(jīng)典誤差理論的萌芽期誤差理論的起源最早可以追溯到18世紀(jì)。1794年，17歲的德國(guó)數(shù)學(xué)家、測(cè)量學(xué)家和天文學(xué)家高斯首先闡明了最小二乘法的原理，并于1809年在其著作《天體沿圓錐截面圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的理論》中發(fā)表。他的方法奠定了測(cè)量數(shù)據(jù)處理的理論基礎(chǔ)，被稱(chēng)為高斯最小二乘法。一、經(jīng)典誤差理論的萌芽期同一時(shí)期，1805年法國(guó)數(shù)學(xué)家勒讓德?tīng)栐谄渲鳌稕Q定彗星軌道的新方法》中也用最小二乘法處理觀察結(jié)果。因此，可以說(shuō)誤差理論的研究首先是從數(shù)學(xué)和物理天文學(xué)開(kāi)始的，這兩位數(shù)學(xué)大師采用的最小二乘法奠定了測(cè)量數(shù)據(jù)處理的理論基礎(chǔ)，這個(gè)時(shí)期稱(chēng)為經(jīng)典誤差理論的萌芽期。經(jīng)典誤差理論的成熟期PART02二、經(jīng)典誤差理論的成熟期在20世紀(jì)前后，蘇聯(lián)科學(xué)家對(duì)誤差理論進(jìn)行了大量的系統(tǒng)研究。如契比雪夫、克雷洛夫、馬利科夫等發(fā)表了許多卓有成效的研究成果。其中最著名的是馬利科夫在1949年出版的《計(jì)量學(xué)基礎(chǔ)》一書(shū)，它是當(dāng)時(shí)最全面、最系統(tǒng)地介紹誤差理論的專(zhuān)著，也是經(jīng)典誤差理論的總結(jié)。實(shí)際上，該書(shū)的內(nèi)容影響了我國(guó)20世紀(jì)50年代和60年代的計(jì)量測(cè)試的實(shí)踐活動(dòng)。二、經(jīng)典誤差理論的成熟期初期的經(jīng)典誤差理論僅有誤差的概念、誤差的統(tǒng)計(jì)分布，后來(lái)發(fā)現(xiàn)對(duì)測(cè)量值產(chǎn)生影響的某些因素是可以分開(kāi)處理的，所以有了不同性質(zhì)特征的三類(lèi)誤差，即隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差和粗大誤差。隨著科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的深入，誤差理論逐漸從單一測(cè)量值的數(shù)據(jù)處理而延伸到多個(gè)測(cè)量值的數(shù)據(jù)處理，從處理直接測(cè)量的數(shù)據(jù)問(wèn)題發(fā)展到處理間接測(cè)量的問(wèn)題，從對(duì)誤差的單一因素分析發(fā)展到對(duì)誤差多因素的合成評(píng)定等。二、經(jīng)典誤差理論的成熟期經(jīng)典誤差理論是以統(tǒng)計(jì)學(xué)理論為基礎(chǔ)，以靜態(tài)測(cè)量誤差為研究對(duì)象，以服從正態(tài)分布為主的隨機(jī)誤差估計(jì)和數(shù)據(jù)處理方法為特征，最后也是用測(cè)量誤差來(lái)表征測(cè)量結(jié)果的質(zhì)量。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)測(cè)量結(jié)果評(píng)價(jià)的完備性和可靠性提出了更高的要求。用測(cè)量誤差來(lái)表征測(cè)量結(jié)果，是相對(duì)真值而言的，但由于真值是相對(duì)的、理論的，導(dǎo)致完善確定該測(cè)量誤差的困難，而且測(cè)量誤差中包含的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差這兩類(lèi)不同性質(zhì)的誤差也難以綜合表征。二、經(jīng)典誤差理論的成熟期隨著國(guó)際貿(mào)易的不斷擴(kuò)大，測(cè)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量高低需要在各國(guó)之間得到一致公認(rèn)的評(píng)價(jià)，并依此開(kāi)展國(guó)際間的驗(yàn)證、比對(duì)試驗(yàn)、計(jì)量確認(rèn)、實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可等活動(dòng)。這就需要有一種統(tǒng)一的、廣泛適用的、簡(jiǎn)明的評(píng)定測(cè)量質(zhì)量的方法。顯然，經(jīng)典誤差理論難以適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需求?，F(xiàn)代誤差理論的形成與發(fā)展期PART03三、現(xiàn)代誤差理論的形成與發(fā)展期隨著科學(xué)技術(shù)和社會(huì)的發(fā)展，需要在更廣泛的領(lǐng)域里進(jìn)行越來(lái)越精密的定量活動(dòng)，顯然，也暴露了經(jīng)典誤差理論的不足。1973年，J.E.伯恩斯在《誤差與不確定度》一文中正式提出"不確定度"一詞。三、現(xiàn)代誤差理論的形成與發(fā)展期不確定度是對(duì)測(cè)量結(jié)果質(zhì)量的定量表征，反映了測(cè)量結(jié)果的分散程度，決定了測(cè)量結(jié)果的可用性。不確定度越小，說(shuō)明測(cè)量結(jié)果質(zhì)量越高，使用越可靠，價(jià)值也越大。因此，測(cè)量結(jié)果必須附有不確定度說(shuō)明才是完整并有意義的。這種更為科學(xué)、合理、實(shí)用的表征方法，成為現(xiàn)代誤差理論的核心之一。1980年，國(guó)際計(jì)量局在征求各國(guó)意見(jiàn)的基礎(chǔ)上，提出了《實(shí)驗(yàn)不確定度建議書(shū)INC-1》。三、現(xiàn)代誤差理論的形成與發(fā)展期1993年，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO)、國(guó)際理論化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC)、國(guó)際理論物理與應(yīng)用物理聯(lián)合會(huì)（IUPAP)、國(guó)際計(jì)量局（BIPM)、國(guó)際電工委員會(huì)（IEC)、國(guó)際臨床化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IFCC）和國(guó)際法制計(jì)量組織（OIML）聯(lián)合頒布了《測(cè)量不確定度表示指南》，建立了在測(cè)量中評(píng)定和表達(dá)不確定度的一般規(guī)則，適用于不同精度要求的測(cè)量領(lǐng)域。三、現(xiàn)代誤差理論的形成與發(fā)展期與此同一時(shí)期，誤差分離與修正技術(shù)的研究與應(yīng)用、動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差的評(píng)定等均有了較大的發(fā)展，形成了較為完整的現(xiàn)代誤差理論體系。因此，從20世紀(jì)70年代中期開(kāi)始，進(jìn)入了現(xiàn)代誤差理論的形成與發(fā)展時(shí)期。三、現(xiàn)代誤差理論的形成與發(fā)展期現(xiàn)代誤差理論拓寬了誤差理論的研究和使用范疇，克服了經(jīng)典誤差理論的不足，將靜態(tài)測(cè)量誤差與動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差，系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，測(cè)量數(shù)據(jù)與測(cè)量系統(tǒng)，不同誤差分布等融為一體，以常見(jiàn)誤差源的誤差性質(zhì)及其分布為研究基礎(chǔ)，以測(cè)量不確定度的原理及應(yīng)用、動(dòng)態(tài)測(cè)量不確定度的分析與評(píng)定等為主要研究?jī)?nèi)容，以緊密結(jié)合工程測(cè)量與儀器制造技術(shù)的誤差修正與補(bǔ)償技術(shù)為研究熱點(diǎn)。在理論上突破了以統(tǒng)計(jì)學(xué)理論為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)研究方法，在實(shí)踐上力求統(tǒng)一、實(shí)用、可靠的評(píng)定準(zhǔn)則和方法，在水平上實(shí)現(xiàn)了誤差理論與計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、近代數(shù)學(xué)物理方法、測(cè)量和計(jì)量實(shí)踐，以及與標(biāo)準(zhǔn)化等緊密結(jié)合，正朝著現(xiàn)代化、科學(xué)化、實(shí)用化和高精度的目標(biāo)推進(jìn)。三、現(xiàn)代誤差理論的形成與發(fā)展期測(cè)量誤差分析與數(shù)據(jù)處理在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐中占有極其重要的地位，它是提高測(cè)量精度，保證獲取信息可靠性的重要手段。在科學(xué)研究中，測(cè)量精度的提高和測(cè)量誤差的深入研究，往往是重大科學(xué)新發(fā)現(xiàn)的前導(dǎo)。在工業(yè)生產(chǎn)中，測(cè)量精度不僅對(duì)工程技術(shù)和工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量起著監(jiān)督和保證作用，而且還是工程成敗、產(chǎn)品優(yōu)劣的一項(xiàng)決定性因素。因此，科學(xué)的進(jìn)步，生產(chǎn)的發(fā)展是與測(cè)量理論、測(cè)量技術(shù)與手段以及誤差理論與數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展和