电子测量与仪器陈尚松版课后习题与答案

第二章误差与测量不确定度2.1 名词解释：真值、实际值、示值、误差、修正值。答：真值是指表征某量在所处的条件下完善地确定的量值；实际值是指用高一级或高出数级的标准仪器或计量器具所测得的数值，也称为约定真值；示值是指仪器测得的指示值，即测量值；误差是指测量值（或称测得值、测值）与真值之差；修正值是指与绝对误差大小相等，符号相反的量值。2.2 测量误差有哪些表示方法？测量误差有哪些来源？答：测量误差的表示方法有：绝对误差和相对误差两种；测量误差的来源主要有：（1）仪器误差（2）方法误差（3）理论误差（4）影响误差（5）人身误差。2.3 误差按性质分为哪几种？各有何特点？答：误差按性质可分为系统误差、随机误差和粗大误差三类。各自的特点为：系统误差：在同一条件下，多次测量同一量值时，绝对值和符号保持不变，或在条件改变时，按一定规律变化；随机误差：在同一条件下，多次测量同一量值时，绝对值和符号以不可预定方式变化；粗大误差：在一定条件下，测量值显著偏离其实际值。2.4 何谓标准差、平均值标准差、标准差的估计值？答：标准差是指对剩余误差平方后求和平均，然后再开方即 ；niix12)(平均值标准差是任意一组 n 次测量样本标准差的 分之一，即 ；nns)(标准差的估计值即 。niixxs12)()(2.5 归纳比较粗大误差的检验方法。答：粗大误差的检验方法主要有莱特检验法，肖维纳检验法以及格拉布斯检验法。莱特检验法：若一系列等精度测量结果中，第 i 项测量值 xi 所对应的残差 的绝对值i3s（x）则该误差为粗差，所对应的测量值 xi 为异常值，应剔除不用。i本检验方法简单，使用方便，也称 3s 准则。当测量次数 n 较大时，是比较好的方法。本方法是以正态分布为依据的，测值数据最好 n200，若 n10 则容易产生误判。肖维纳检验法：假设多次重复测量所得 n 个测量值中，当 时，则认为是粗差。)(xki本检验方法是建立在频率趋近于概率的前提下，一般也要在 n10 时使用。一般在工程中应用，判则不严，且不对应确定的概率。格拉布斯检验法：对一系列重复测量中的最大或最小数据，用格氏检验法检验，若残差 Gs 。max本检验法理论严密，概率意义明确，实验证明较好。2.6 绝对误差和相对误差的传递公式有何用处？答：绝对误差传递公式： 在进行系统误差的合成时，如果表达式中各变量jmjxfy1之间的关系主要为和差关系时，利用绝对误差传递公式更方便求解总系统误差的绝对误差；相对误差传递公式： 在进行系统误差的合成时，如果表达式中各变量之jmjjyxf1ln间的关系主要为乘、除，开方以及平方关系时，利用相对误差传递公式更方便求解总系统误差的相对误差。2.7 测量误差和不确定度有何不同？答：测量误差是指测量值（或称测得值、测值）与真值之差，它以真值或约定真值为中心，误差是一个理想的概念，一般不能准确知道，难以定量；不确定度是指与测量结果相联系的一种参数，用于表征被测量之值可能的分散性程度，即一个完整的测量结果应包含被测量值的估计与分散性参数两部分，而测量不确定度是以被测量的估计值为中心。测量不确定度是反映人们对测量认识不足的程度，是可以定量评定的。对比项目 误差 不确定度含义 反映测量结果偏离真值的程度 反映测量结果的分散程度符号 非正即负 恒为正值分类 随机误差、系统误差、粗大误差 A 类评定和 B 类评定表示符号 符号较多、且无法规定 规定用 u、u c、U、Up 表示合成方式 代数和或均方根 均方根主客观性 客观存在，不以人的认识程度改变与人们对被测量及测量过程的认识有关与真值的关系 有关 无关2.8 归纳不确定度的分类和确定方法？答：不确定度分为 A 类标准不确定度和 B 类标准不确定度。由一系列观测数据的统计分析来评定的分量称为 A 类标准不确定度；不是用一系列观测数据的统计分析法，而是基于经验或其他信息所认定的概率分布来评定的分量称为 B 类标准不确定度。确定方法：（1）A 类评定是用统计分析法评定，其标准不确定度 u 的求法等同于由系列观测值获得的标准差，即 A 类标准不确定度就等于标准差，即 uA ；x（2）B 类评定不用统计分析法，而是基于其他方法估计概率分布或分布假设来评定标准差并得到标准不确定度。2.9 归纳测量数据处理的方法。答：测量数据处理的方法主要有效数字、算术平均值加不确定度、表格或曲线等。有效数字是指在测量数值中，从最左边一位非零数字起到含有误差的那位存疑数为止的所有各位数字。数据修约规则：四舍五入，等于五取偶数。最末一位有效数字（存疑数）应与测量精度是同一量级的。测量数据可绘制成曲线或归纳成经验公式，以便得出正确、直观的结果。2.10 用图 2.22 中（a） 、 （b）两种电路测电阻 Rx，若电压表的内阻为 RV，电流表的内阻为RI，求测量值受电表影响产生的绝对误差和相对误差，并讨论所得结果。IVIVRx Rx（a） （b）图 2.22 题 2.10 图解：(a) vXxvxx RIRIV)/(R= VXx2=Rr 101010 XVVXX RR在 Rv一定时被测电阻 RX 越小，其相对误差越小,故当 RX相对 Rv很小时,选此方法测量。(b) IxIxxIV)( IxRr0011XIXR在 RI 一定时，被测电阻 RX 越大.其相对误差越小,故当 RX 相对 RI 很大时,选此方法测量。2.11 用一内阻为 RI 的万用表测量下图所示电路 A、B 两点间电压，设E12V，R15k ，R220k，求：（1）如 E、R1、R2 都是标准的，不接万用表时 A、B 两点间的电压实际值 UA 为多大?（2）如果万用表内阻 RI20k，则电压 UA 的示值相对误差和实际相对误差各为多大？（3）如果万用表内阻 RIlM，则电压 UA 的示值相对误差和实际相对误差各为多大？解：（1）A、B 两点间的电压实际值 V6.9k2051E21RUA（2）U A 测量值为： /k/21IIARVRIR2R1 5K20KABE12VV0.8k152所以 UA 的示值相对误差 %2.69UxUA 的实际相对误差为 7A（3）U A 测量值为： M1/k20/k51/E21IIRRV6.9.k65所以 UA 的示值相对误差 %42.05.UxUA 的实际相对误差为 9A由此可见，当电压表内阻越大，测量结果越准确。2.12 CD13 型万用电桥测电感的部分技术指标如下：5H 1.1mH 挡：2(读数值)5H；10mH110mH 挡：2(读数值) 0.4(满度值) 。试求被测电感示值分别为10H， 800H， 20mH，100mH 时该仪器测量电感的绝对误差和相对误差。并以所得绝对误差为例，讨论仪器误差的绝对部分和相对部分对总测量误差的影响。解：根据误差公式计算各电感误差如下：（1）10HH2.52.0H50%2 L1.（2）800HH21516H580L%.21（3）20mHm94.05.m4.015.0m2 L74H9.（4）100mHH.2.H2%.16205.L由以上计算过程中的绝对误差，可知当被测电感较小时仪器误差的绝对部分对总误差影响大，而被测电感较大时仪器误差的相对部分对总误差影响大。这里对每个量程都有一个临界值：5H 1.1mH 档：临界值 L1， ，H5%212501L即当被测电感 L 小于 250H 时：仪器误差的绝对部分对总误差影响大。即当被测电感 L 大于 250H 时：仪器误差的相对部分对总误差影响大。10mH110mH 档：临界值 L2， ，m.02H5.72即当被测电感 L 小于 27.5mH 时：仪器误差的绝对部分对总误差影响大。即当被测电感 L 大于 27.5m H 时：仪器误差的相对部分对总误差影响大。2.13 检定一只 2.5 级电流表 3mA 量程的满度相对误差。现有下列几只标准电流表，问选用哪只最适合，为什么？（1）0.5 级 10mA 量程； （2）0.2 级 10mA 量程；（3）0.2 级 15mA 量程； （4）0.1 级 100mA 量程。解：2.5 级电流表 3mA 量程的绝对误差为 2.53mA0.075mA（1）0.5 级 10mA 量程的绝对误差为 0.510mA0.05mA（2）0.2 级 10mA 量程的绝对误差为 0.210mA0.02mA（3）0.2 级 15mA 量程的绝对误差为 0.215mA0.03mA（4）0.1 级 100mA 量程的绝对误差为 0.1100mA0.1mA由以上结果可知（1） ， （2） ， （3）都可以用来作为标准表，而（4）的绝对误差太大，其中（1） ， （2）量程相同，而（3）的量程比（1） ， （2）大，在绝对误差满足要求的情况下，应尽量选择量程接近被检定表量程，但（2） ， （3）准确度级别高，较贵，所以最适合用作标准表的是 0.2 级 10mA 量程的。 2.14 检定某一信号源的功率输出，信号源刻度盘读数为 90W，其允许误差为30，检定时用标准功率计去测量信号源的输出功率，正好为 75W。问此信号源是否合格?解：信号源频率的测量绝对误差为 75W90W 15W相对误差为 ，所以此信号源合格。%307.169052.15 对某直流稳压电源的输出电压 Ux 进行了 10 次测量，测量结果如下： 次 数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10电压/V 5.003 5.0115.006 4.998 5.015 4.996 5.009 5.010 4.999 5.007求输出电压 Ux 的算术平均值 及其标准偏差估值 。)(s解：U x 的算术平均值 05.4.5)7109415263(10.0.5 i次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10电压/V 5.003 5.0115.006 4.998 5.015 4.996 5.009 5.010 4.999 5.007残差(10 3 V) -2.4 5.6 0.6 -7.4 9.6 -9.4 3.6 4.6 -6.4 1.6标准偏差估值 012)(9)(iUs 10 23222222 )10(6.)4.(6.3)4.9(6.)4.7(6.05)4.(9i 10 23)(5.29.01.2.81.2.3.76.i V06.4.3592.16 对某恒流源的输出电流进行了 8 次测量，数据如下：次数 1 2 3 4 5 6 7 8I/mA 10.082 10.079 10.085 10.084 10.078 10.091 10.076 10.082求恒流源的输出电流的算术平均值 ，标准偏差估值 及平均值标准偏差估值 。I)(Is)(Is解：恒流源的输出电流的算术平均值 082.1.)8276918457982(10.1 iI次数 1 2 3 4 5 6 7 8I/mA 10.082 10.079 10.085 10.084 10.078 10.091 10.076 10.082残差（10 3 mA）-0.1 -3.1 2.9 1.9 -4.1 8.9 -6.1 -0.1标准偏差估值 812)(7)(iIIs 81 23222222 )10().()1.6(9.8)1.4(9.).3().0(7i 81 23)(0.37.61.486.9i mA05.7.0.5476平均值标准偏差估值 02.17.84.)(Is2.17 两种不同的方法测量频率，若测量中系统误差已修正，所测得的频率的单位为kHz。方法 1 100.36 100.41 100.28 100.30 100.32 100.31 100.37 100.29方法 2 100.33 100.35 100.28 100.29 100.30 100.29（1）若分别用以上两组数据的平均值作为该频率的两个估计值，问哪一个估计值更可靠？（2）用两种不同方法的全部数据，问该频率的估计值（即加权平均值）为多少？解：（1）方法 1： kHzfi 30.1)2937130284136(80.1 次数 1 2 3 4 5 6 7 8f/kHz 100.36 100.41 100.28 100.30 100.32 100.31 100.37 100.29残差（10 2 kHz）3 8 -5 -3 -1 -2 4 -4标准偏差估值 1211)(7)(iffs 81 2222222 )10()4)()3(537i 81 2)10(641964ikHz05.74同理可求出方法 2 的标准偏差估值，kHz307.1)2930283(61.102 if次数 1 2 3 4 5 6f/kHz 100.33 100.35 100.28 100.29 100.30 100.29残差（10 2 kHz）2.3 4.3 -2.7 -1.7 1.3 -1.7标准偏差估值 6122)(5)(iffs 61 22222 )10()7.(3.1)7.().(3.4.5i 61 2)(89.6.9.89.ikHz027.54.3由此可见方法 2 测得的数据更为可靠。（2）由 得 kHzmiisx12 31.027.1045.3.f该频率的估计值为 100.31kHz。2.18 设对某参数进行测量，测量数据为1464.3，1461.7，1462.9，1463.4，1464.6，1462.7，试求置信概率为 95%的情况下，该参量的置信区间。解：因为测量次数小于 20，所以测量值服从 t 分布，第一步：求算术平均值及标准偏差估值 3.146)7.24.3927.134(610 ix次数 1 2 3 4 5 6x 1464.3 1461.7 1462.9 1463.4 1464.6 1462.7残差 1.0 -1.6 -0.4 0.1 1.3 -0.6标准偏差估值 612)(5)(ixs 61 22222 )6.0(3.10)4.().(0.5i7.算术平均值标准偏差估值 4.67.)(xs第二步：查附录 B：t 分布表，由 n1=5 及 P=0.95，查得 t=2.571第三步： 估计该参量的置信区间 ，其中)(),(xtstx0.1457.2)(xts则在 95%的置信概率下，电感 L 的置信区间为1462.3 ，1464.3。2.19 具有均匀分布的测量数据，当置信概率为 100时若它的置信区间为E(X)k(X) ，E(X)k (X)，问这里 k 应取多大？解：依题意得由均匀分布可得 ，%10)()(XEkdxP abXP1)(，2adxba，12)()()( 222 dxabXpExba321)(abx代入 ，解得%1032)()()( XkE kabXkdxP3k2.20 对某电阻进行了 10 次测量，测得数据如下：次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10R/k 46.98 46.97 46.96 46.96 46.81 46.95 46.92 46.94 46.93 46.91问以上数据中是否含有粗差数据？若有粗差数据，请剔除，设以上数据不存在系统误差，在要求置信概率为 99%的情况下，估计该被测电阻的真值应在什么范围内？解：先求得被测电阻的平均值 10 )91.0394.02.95.0816.9.07.98.(46iRk.3次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10R/k 46.98 46.97 46.96 46.96 46.81 46.95 46.92 46.94 46.93 46.91残差 103 k 47 37 27 27 -123 12 -13 7 -3 -23标准偏差估值 102)(9)(iRRs 10 23222222 )10()()37)1()3(73479iK.按格拉布斯检验法，在置信概率为 99%的情况下，n10 查表得 G2.41，剔除 R8 后重新计算判别，得 n9，Pc99%123.018.04.25Gs时，G2.32 91 )1.034.092.5.96.7.(6iRk4.7 91 2322222