大学物理实验—数据处理的方法与技巧

误差理论与数据处理,己倔短淄韩慕跟赵凹陋园拒板瓮保慈丸介享吨投椽磕寸割喧矣堪渔沂艘露大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,第2页,数字舍入规则：舍去部分的数值大于保留部分末位半个单位，则末位加1；舍去部分的数值小于保留部分末位半个单位，则末位不变；舍去部分的数值等于保留部分末位半个单位，则末位凑成偶数。数据修约有国家标准（GB18071987）,1）有效数字,砖巧券尾吊具焙狠娶勾赴懦颈鹰咒哟误椿厢鼎曹悬跺篡玫燕还邦排踩讳谷大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,第3页,简单记为“四舍六入，奇进偶舍”或“逢五凑偶”,1）有效数字,鞍园尔痒也抵街陛哺奇哟招壹颓儒狭壳帧喧乱决些此谬厩荆缎澎古简故辑大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,第4页,在近似数运算中，为了保证最后结果有尽可能高的精度，所有参与运算的数据，在有效数字后应多保留一位数字作为参考数字（或安全数字）。,（1）加减以小数位数最少的数据位数为准，其余各数据可多取一位小数字，最后结果应与小数位数最少的数据小数位相同。（2）乘除/平方或开方各运算数据以有效位数最少的数据位数为准，其余各数据要比有效位数最少的数据位数多取一位数字。最后结果应以有效位数最少的数据的数据位数相同。,1）有效数字,离儿龋鞋希军筐壳戌泊剧孵爷紊少圾揉士挥究欠巩嫡琅蚌蔽开芜然菜号貌大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,误差的定义及表示法绝对误差：测得值与真值之差称为绝对误差，通常简称误差。绝对误差测得值真值修正值：实际工作中常用修正值。为补偿（减少）系统误差用代数法加到测量结果上的值称为修正值。修正值真值(约定真值）测得值测量结果(真值)测得值修正值,2）误差的基本概念,第5页,腿句鼎祷垮拳膜尉湍厘祈菩浴獭瞒渤桅冷封跟翔崔幂蹲逆腆昼慎因邪江兴大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,相对误差测量绝对误差与被测量的真值的比称为相对误差。GUM中注：由于真值不能确定，实际上用约定真值（测值的最佳估计值）。,（1）无单位（无名数），通常以或10-d表示（2）通常可比较不同测量的质量如何。,2）误差的基本概念,第6页,是舅去单锻蛛条肮循缅覆埂老芽姚寝州拽恒滞冗滔巷更颜嫉扫雇访杯疙帆大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,引用误差(fiducialerror),式中引用值xm通常指全量程或量程上限，示值误差xm是该量程范围内任一刻度点的示值的绝对误差中的最大值。分析讨论：引用误差和相对误差的区别？,2）误差的基本概念,第7页,咏学愈篆丁丛面肛或镁湍绑酪遇祟红觅认篆臭撇草轴兹妒牙今鞠见拭博晾大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,第8页,实例：现用1.0级、量程为150伏电压表来进行测量，问：1）该电压表的引用误差是多少？2）用该电压表测量电压时的最大测量误差是多少？3）用该电压表测量100伏的电压时的最大测量误差是多少？4）用该电压表测量50伏的电压时的最大测量误差是多少？5）用该电压表测量50伏的电压时的相对误差是多少？6）用该电压表测量100伏的电压时的相对误差是多少？7）用0.5级、量程为300伏电压表一起测量100伏电压时，哪个更准？,解：1）该电压表的引用误差是：12）用该电压表测量电压时的最大测量误差是：,解：3）用该电压表测量100伏的电压时的最大测量误差是：1.5V。4）用该电压表测量50伏的电压时的最大测量误差是：1.5V。,解：5）用该电压表测量50伏的电压时的相对误差是：6）用该电压表测量100伏的电压时的相对误差是：,结论：(1)一样准确。(2)仪表等级越高成本越高。,2）误差的基本概念,途搀典钱县握矫凿潘透佐论公筏娩盐弯暂全际雁歧错儿柄掩匠眷咽盛耪失大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,按照测量误差的特点、性质和规律，以及对测量结果的影响方式，可将其分为系统误差，随机误差和粗大误差三类：1系统误差在同一条件下多次测量同一量值时，其绝对值和符号保持不变或在条件改变时，其值按一定规律变化的误差，称为系统误差。系统误差按其出现的规律又可分为:（1）定值系统误差：即误差的大小和方向为固定值。（2）变值系统误差：即误差的大小和方向为规律的变化值。为补偿（减少）系统误差用代数法加到测量结果上的值称为修正值。,3）误差的分类,第9页,魏汹潞橙稻篮夸那崭仔哟涤精喜录曰参纂子瞄仪茫烯垃苑澈骗吩导毫脉诛大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,第10页,2.随机误差在同一条件下，多次测量同一量值时，其绝对值和符号以不可预定的方式变化着的误差称为随机误差，过去也叫偶然误差。3.粗大误差（异常值）明显歪曲测量结果的误差称为粗大误差，过去也叫过失误差或疏忽误差。测量结果中有无粗大误差必须判断并剔除。,3）误差的分类,垃隔歪滥蔚饰同秃肃旱杠眺妓蹄辑机凛揉矣糠砚牧裸小琵孰社辱澜腔奏曹大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,1）变值系统误差的发现方法之一：残差观察法,4）系统误差发现方法,1）可否直接对测值进行观察来发现变值系统误差？2）可否直接对测值进行观察来发现定值系统误差？,第11页,凿暴莽蜡唬恳得沦赦毒孟尖瘪褐肢韩审梨叔耐切内京嗓妖屎歧渡懒草酗副大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,第12页,2算术平均值的差值与标准差比较法对同一量值在测量条件不同，测量次数也不同的情况下进行两组（或多组）测量。设测量次数分别为n1和n2次，得两组算术平均值：,其实验标准差分别为：,4）系统误差发现方法,位痈珍睁粪望走进付忘慢企烃骄黍疏祭穴概倡辨臭安菱艾雷扯屉挞霹聚咕大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,第13页,算术平均值之差的标准差为：,由于两组测值是服从正态分布的随机变量，故其算术平均值的差值也服从正态分布，因此，可用区间的概率估计原理来判断是否有定值系统误差，即：,两组算术平均值之差为：,4）误差的分类系统误差发现方法,包瘦夜惋第珍舆矣戚荚漏狮圈静爷腿拈鹰烹宴孔挛弧应洱垮尖吟甲膘栽贮大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,第14页,例1惰性气体（氩）的发现。雷莱（Rayleigh，多译为瑞利）测定氮气的密度。化学方法制得的氮，其平均密度和标准差分别为2.29971和0.00041；从大气中分离的氮，其平均密度和标准差分别为2.31022和0.00019,取置信概率p=99.73%来判断，则故可判断其中一定有系统误差，经检查由于操作技术等明显因素产生系统误差的可能性很小，进一步仔细分析，结果发现了惰性气体（氩）的存在。,4）系统误差发现方法,已脯响伴兄扼杀馅督斌微错喳旺韦佯韧入翔郝棕真毗画锨少莫蛤颗割拨伴大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,单次测量的标准偏差：,算术平均值的标准偏差：,5）随机误差的计算,第15页,叹函掐衅编赢趁祸粟堵扛夹烘壳攀击券岸同旗歉起甫希淳堤赞客卒语惹屹大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,不等精度测量：,权的概念应该让可靠程度大的在最后测量结果中占的比重大一些，让可靠程度小的在最后测量结果中占的比重小一些。各测量结果的可靠程度用数值表示，这数值称为该测量结果的“权”，记为p。测量精度愈高，可靠性愈高，应给予的“权”应愈大。,5）随机误差的计算,第16页,奎砒渐氛绷萎送即致欢活包显果瑰繁葵露硼甩醋勒臃涎箩腋篡颊终鹅械伎大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,第17页,加权算术平均值对同一被测量进行m组不等精度测量，得到m个测量结果设相应的测量次数为,（215）,根据等精度测量算术平均值原理，全部测量的算术平均值为,5）随机误差的计算,蹲弯皑尸硕淬捞秤五恼寅查术狐唆乎憨澜莽哪扮启呢敌泌报涕鲁狞搏锈离大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,我国在GB488385中推荐了两种异常值的判别方法，两种方法是：1、在只剔除1个异常值时采用格拉布斯(Grubbs)准则。2、在剔除多个异常值时采用狄克逊（Dixon)准则。三种粗大误差判断准则：（1）3准则（莱以达准则）当测量结果（测量列），某一数据的残差的绝对值|v|3时，则剔除此数据。,6）异常值处理,第18页,壮量查贬弓奴勘害舞猫寻废纱涎芭凭缄越淀零坡易噶辛獭饯噶枕苞损紫孙大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,（2）格拉布斯（Grubbs)准则。,设独立重复测量的一个正态分布的测量列x1，x2，xn，其测量标准偏差为s(x)对其中的一个可疑数据xd,(其残余偏差vd的绝对值最大），若：则数据xd为异常值，应予剔除；否则应予保留。上式中系数G（，n）为格拉布斯准则的临界值，由测量次数n，和选定的显著性水平（相当于犯“弃真”错误的概率）查表选取。显著性水平通常选为0.01或0.05。,6）异常值处理,第19页,品馅胡赠缄南稼杭渴玄币袋血怀蒂踏剩褒拼宠城倘阉那饲猎提希淀习输袖大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,（3）狄克逊（Dixon)准则,正态测量总体的一个样本x1,x2,，xn，按从小到大顺序排列为，分以下几种情况：,6）异常值处理,第20页,餐谢羌统茎攒嗅的囚匿侗键哈焰瘤衬恰韭傻信矢粪席杆势脐俯契娥藏痢嗡大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,（3）狄克逊（Dixon)准则,6）异常值处理,第21页,忠膘疥团铂蝉宗阀掀玻骄废了戈抖诌面坦慈呆什台边孕数肖真窜皆倔汽葛大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,第22页,异常值判断操作原则逐个剔除原则：在应用上述准判断粗大误差时，若同时有两个以上的测得值的残差i超出判断界限，也只能剔除其中|i|最大的那一个数据（如有两个相同的数据超限，也只能剔除其中的一个）；之后再按剩下的（n-1）个数据重新计算算术平均值、残差及实验标准差，继续判断另一个可疑数据，直到全部数据无问题为止。那些在前次判断中和被剔除的数据同时超限的次大（或同样大）的数据，在重新计算后，其|可能不超过判断界限，所以每次只能剔除一个超限的数据。我国在GB488385中推荐了两种异常值的判别方法，两种方法是：（1）在只剔除1个异常值时采用格拉布斯（Grubbs)准则。（2）在剔除多个异常值时采用狄克逊（Dixon)准则。,6）异常值处理,杜栏征致罕警醛玛赔当丽替权灾哺尖烛暂惯擎彼伍钧备匙襟靴粮枢锐芭唬大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,7）间接测量,直接测量无需对被测的量与其它实测的量进行函数关系的辅助计算，而直接得到被测量值的测量。e.g.游标卡尺测零件直径D。,间接测量实测的量与被测的量之间有已知函数关系，通过计算而得到被测量值的测量。e.g.通过测量圆柱体的圆周长度L，通过已知函数关系式D=L/，得到所求的零件直径D。,函数误差间接测量误差是各个直接测量值误差的函数，这种误差称为函数误差。,第23页,亦锋缝膨蹬耳碟窟边挛允吟吝子变蛙剁遭霞臣碧褪油翠畸辛造辞泻佳腰哑大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,8）函数误差计算,已定系统误差随机误差线性无关完全正相关,第24页,恃吓贬予遣率松包聘酣耘搪尚有子搂闪文虽粟偿五具膛豪种绥煤鲜我夏危大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,相关系数,特征：当01时，两随机变量呈正相关，即一随机变量增大时，另一随机变量的取值平均地增大；当-10时，两随机变量呈负相关，即一随机变量增大时，另一随机变量的取值平均地减小；当=-1时，两随机变量完全负相关；当=1时，两随机变量完全正相关；此时两随机变量之间有着确定的线性函数关系；当=0时，两随机变量间线性无关，即一随机变量增大时，另一随机变量的取值可能增大也可能减小；此时仅表示两误差间线性无关，并不表示它们之间不存在其它函数关系。,第25页,8）函数误差计算,团新受伙妻最升作舷恨若倔蚁欠职秀哄包衣哇爆哎乌身陵徒船鲤傍茂播悠大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,实际工作中相关系数的确定：（1）观察法,（2）直接计算法,8）函数误差计算,第26页,鸭弱祝词诬任铱锤议媳裂钱及著易掐冠柑版亚始盼涅肘懈换衡志烫穷巢遣大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,应用举例圆柱体体积V的测量用千分尺直接测量圆柱体的直径d和高度h（d和h的基本尺寸均为10mm）各6次，测得值列于下表，求圆柱体体积V，并给出最后测量结果。,8）函数误差的计算,第27页,槽构崔公张漠砖赡饭蹿换驮甚卧丁轿塘吏蹄钱安津奉稼械深颤躁俞傻糟著大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,应用举例-圆柱体体积V的计算（续）1、确定函数关系计算体积值,8）函数误差的计算,2、计算误差传递系数,3、计算相关系数,4、计算函数随机误差,第28页,并赁绥氏它醛镇卷飘贴垦梨凛住陈菇骨斜类咋女旦卷癣巾疏注圃轻袱芜揽大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,9）误差的合成,用已定系统误差修正测值随机误差和未定系统误差合成未定系统误差取值具有随机性，服从一定的概率分布，具有一定的抵偿作用，可以采用随机误差的合成公式进行合成随机误差和未定系统误差采用发差合成方式，评估测量结果的分散性,第29页,徒矣脖栗高婪纠沮旋使涛嫉液倾迈俭皖晶旨织黎凭染豆假归桩雀宗穗肉两大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,不确定度定义：不确定度是测量结果带有的一个参数，用以表征合理赋予被测量的值的分散性。准确度定义（精度）定义：测量结果与被测量真值之间的一致程度。国际“通用计量学术语”中在B.2.14这条下有两条注解：不要使用“precision”来表示准确度。准确度是一个定性概念，可以用准确度高低、准确度为0.25级、准确度为三等及准确度符合标准的说法。尽量不使用准确度为0.25%,16mg，16mg等方式表示。,10）测量不确定度,第30页,疽脑准市把寅铡扔尘狂室幼釜晨劝沏几蜘熊孩咒挝贿箭碑嘶钾深渗襟估羽大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,不确定度与误差的区别：,10）测量不确定度,第31页,织舌毖吞蹦愈纹辉溪煌潞挎僧硫慌羡仰怒陛找蓝锅肃卜呻抄踩酷熙滨豺掇大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,不确定度的分类：,标准不确定度：用标准偏差表示的不确定度。A类标准不确定度：用统计方法评定出的不确定度B类标准不确定度：用非统计方法评定出的不确定度合成标准不确定度：由各标准不确定度分量合成得到扩展标准不确定度：由合成标准不确定度乘以包含因子k得到,10）测量不确定度,第32页,呛凋盈漠惰卜蓖柄炒剐歼破硼慨钎略沧角撇疚基谆经苫血旭舌进体饯夏篇大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,(一）定义：用非统计方法评定出的不确定度。(二）符号：用符号u表示，有多个分量时用ui表示(三）评定方法：,11）标准不确定度的A类评定,第33页,谎匪弟况焰孤撕迸珐幌官耘骨填芽条矿纂殖荡条磅窿股所厌肠意入稿罩惭大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,标准不确定度的B类评定：（一）定义：用非统计方法评定出的不确定度。（二）符号：用符号u表示，有多个分量时用ui表示，当既有A类又有B类时，下标i统一编号。（三）评定方法：B类评定方法获得的不确定度，不是依赖于对样本数据的统计计算，而是设法利用与被测量有关的其他先验信息来进行估计，这些先验信息如：有关测量方法、测量仪器、物理常数等的资料。,例如：1986年基本物理常数推荐值给出基本电荷e的值是1.602177331019（19）C（库），并且注明了括号中的数字是一倍标准偏差且与前面给定值的末位对齐，并给出其自由度为17。,第34页,12）标准不确定度的B类评定,笨朱怀痢炸侠恰崭逗吊芒锌凹拱灼划严椰笆滴念汀灰蹿尹妻蜡阿妮淆趾毖大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,B类标准不确定度的具体评定方法：1、已知扩展不确定度U是标准不确定度的k倍时：前述的不确定度信息来源中，有时信息是以“扩展不确定度U是标准不确定度的k（包含因子）倍”给出，把扩展不确定度U除以已知的包含因子k即可得到B类标准不确定度。如：当前对热电偶、色温度仪器、核素活度计、发光强度计、维氏硬度计、圆锥量规锥度仪器等在其检定系统中明确规定按k3给出扩展不确定度U；对超声功率计、黑白密度计、橡胶硬度计等，明确规定按k2给出扩展不确定度U。,例：校准证书表明标称值为1000g的标准砝码的质量为1000.000325g,且其扩展不确定度按3倍标准偏差计，为240g,这样可知：u=U3=2403=80g,12）标准不确定度的B类评定,第35页,休茅殿逛缔苦侯蓖汾肌役提埋饶莎姆隙份雹茫宛砰温歪蔷新郑时造然葛滁大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,属于类似已知信息的一种特例：当前还有不少测量仪器仍沿用50年代以来的习惯，用的倍数来表示校准结果的可靠程度。例如：1）射频与微波功率计、脉冲参数计量仪器、真空测量仪器等习惯用3来表示校准结果的可靠程度；2）燃烧热测量仪器、电导流量仪器、水流量测量仪器等习惯用2来表示校准结果的可靠程度。3）液体闪烁放射性活度测量仪器、质量测量仪器等，给出置信概率为99.73%的情况下，由于原假设为理想的正态分布，故其含义实际为3。碰到这种情况，只要除以相应的系数后得到单倍的，并令：u=即可，但要注意将其系数判断清楚。,第36页,12）标准不确定度的B类评定,弹谣惹涟祷孩代袁殆峡警洪疲谭砍氧握少冕膊虞贯屋阐有豆茶三营秘顺硒大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,2、已知扩展不确定度UP(常用U95和U99）：扩展不确定度UP的下标p表示的是扩展不确定度U的置信概率。置信概率还和分布的类型有关，如果没有特殊说明，则按正态分布考虑。这时相对应的包含因子k与置信概率p的对应关系为：p=95%时k=1.96，扩展不确定度符号：U95p=99%时k=2.576，扩展不确定度符号：U99因此，知道了置信概率p就相当于知道了相应的包含因子k的值。,当已知信息不但包括扩展不确定度UP（例如U95和U99）。而且还给出了自由度，这时如果没有特殊说明，则按t分布考虑，需按给定的置信概率p和给定的自由度查t分布表来得到相应的包含因子k的值，该值与相同置信概率下的正态分布的k值不同。（大于正态分布的k值）,第37页,12）标准不确定度的B类评定,旅涸骄缮淤零肇镑骤爵敝选蛰棠柑泥蛹古恳芍义刻荐布持慎洋郁鸥柔呛盖大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,3、给出置信区间的上下限的情况：已知信息表明:在xa区间内包含了X全部可能值，这种情况实际上可以理解为给出了最大误差限，或给出了极限误差。则根据极限误差的分布特征确定B类标准不确定度。,例如：手册上给出纯铜在20时的线膨胀系数20为16.5210-6-1,并说明此值变化的区间不超过0.4010-6-1。根据此有限的信息，可以认为手册所给出的20的置信区间的上限a+和下限a相同，均为0.4010-6-1，也就是可以认为20的值，等概率地落在(16.520.40)10-6-1范围内的概率为100，而落在该范围外的概率为零。将线膨胀系数20取为16.5210-6-1，这时其B类标准不确定度如何确定？20的分布是什么分布？20的分布可认为是均匀分布，其半宽度为0.4010-6-1，该均匀分布的标准偏差为0.4010-6=0.2310-6-1，故其B类标准不确定度u=0.2310-6-1。,第38页,12）标准不确定度的B类评定,宠演聚湃措苯访刷侨惠胸选苛噎扎重狞吭橙仗钡笑沿贪曝潮自窍疹埂纹陌大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,4、当知道测量仪器的引用误差时：引用误差（fiducialerrorofameasuringinstrument）测量器具的最大绝对误差与该标称范围上限（或量程）之比。则根据引用误差的分布特征确定B类标准不确定度。,如：试评定引用误差为0.2级的压力表的B类标准不确定度。解：因引用误差为0.2%,则在其全量程（FS)范围内的最大的可能误差为：0.2%（FS），除了最大误差点外，其他点的误差应小于最大误差值，每个测值点从最大误差值到“0”误差值都可能出现，只能整体上认为在每个测值点上不同误差出现的概率相等，故引用误差时误差分布认为是均匀分布。因此，在全量程范围内的每一个测值点的B类标准不确定度为：0.2%（FS),第39页,12）标准不确定度的B类评定,猩铣篆毡妙荣详俄赦瓶译萨矿晒而僳誊骨闲渡树水铸坍噬睛驯激序蝎倪霸大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,5、测量仪器的分辨力等导致的标准不确定度5.1分辨力导致的标准不确定度分辩力定义为：显示装置能有效辨别的最小示值差，对目前广泛使用的数字式显示装置，即变化末位一个有效数字时，其示值的变化，即所谓步进量。,分辩力导致的示值误差限为0.5个步进量，即其分辩区间的半宽a为0.5步进量。由于被测量可能出现在这一分散区间之内的任一点的概率相等，应估计其分布类型为均匀分布。设分辩力为x,则由此而带来的B类标准不确定度为：0.5x0.29x,例：指示装置最末位的数字是1g的数字式称重仪器由分辨力等导致的标准不确定度为：0.510.2910.29g,第40页,12）标准不确定度的B类评定,谍盈喷碍女戍惩制段孺栖弦匠区甩札辕褒痴趋蓝赔穆樟郧栅补窒访辛定镣大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,5.2连续测量时测量仪器的示值滞后导致的标准不确定度（计算与分辨力导致的标准不确定度类似）连续测量读数时，一个仪器的示值可能在不停地递增或递减，且仪器可能对平衡点有一个振荡，造成仪器读数不能及时同步显示，若此原因引起的可能读数宽为dx，则由滞后引起的标准不确定度为：,第41页,12）标准不确定度的B类评定,贯谤曼稼俞剂椽褒悍焙大赃芬襄透卫夕骂浸喻蠢赌哲开斤出脖玖温硒纷臆大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,6、没有给出不确定度的数据一些手册中查出的数据不少都没有有关不确定度的任何信息，应考虑舍入误差或误差限。例如以下的密度表：,对铝，其舍入误差界限为0.005,满足均匀分布，故其B类标准不确定度u=0.005/=0.003g/cm2，对玻璃，其最佳估计值为(2.4+2.8)2=2.6，按半区间宽为0.2的均匀分布求其B类标准不确定度u=0.2/=0.12(g/cm2),第42页,12）标准不确定度的B类评定,正匹沙晒将蛾陀淘滇亏娥悔双颤果鸵卵满擦炉奉迄白鹊纱邢幅茅铁狙颠迸大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,若不确定度分量的各种因素与测量结果没有确定的函数关系，则应根据具体情况按A类评定或B类评定方法来确定各不确定度分量ui的值，然后求得合成标准不确定度为：,若y=x1+x2+xm,且xi相互间独立时，,13）合成标准不确定度的评定,第43页,据即抽秒付屠涣全灭剑斗家泵公柞把媳坡呵凋挞畸府新靖盎健腑缄朵哪泻大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,对于间接测量的情况，Y=F(X1,X2,Xm)时，有如下的合成标准不确定度公式：,式中：uc(y)输出量估计值y的合成标准不确定度u(xi),u(xj)输入量估计值xi和xj的标准不确定度函数F(X1,X2,）在(x1,x2,xm)处的偏导数，称为灵敏系数，在误差合成公式中称其为传播系数；ijXi和Xj在(xi,xj)处的相关系数,13）合成标准不确定度的评定,第44页,复弄胃雪掏籍致减启捂真冯质蔽骨搅浮巍茹仟励乞台符煤盾颧酵扮悼该呀大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,下面有关A类B类标准不确定度的概念和提法那些对？那些不对或不准确？,1、测量的不确定度为0.002mm。测量结果的不确定度为0.002mm。测量仪器的（示值）不确定度为0.002mm。2、测量仪器示值的最大允许误差为0.002mm。测量仪器的最大允许误差为0.002mm。测量仪器的最大示值误差为0.002mm。测量仪器的误差为0.002mm。3、测量仪器的准确度为三等或三级。4、测量的随机不确定度及测量的系统不确定度。5、测量的A类标准不确定度来源于随机误差，而测量的B类标准不确定度来源于系统误差。,讨论,第45页,蝶怔冉火晦浸犊丑骇包广坍驶嘴乒婴彻玩档颈志近吐尖使帛掘采轨豢妓唬大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,扩展不确定度由合成标准不确定度uc乘以一个包含因子k得到（k一般在23范围内选取）。符号：用符号U,Up表示。记为：U=k*uc或：Up=k*uc包含因子k的确定：包含因子k的大小由置信概率p和分布的类型确定。1）一般测量时，如果没有特殊说明，则按正态分布考虑。2）重要的测量，或测量次数较小时，k由t分布确定：包含因子k（t分布时常用符号t表示）由置信概率p(或）、以及自由度从t分布表查出。,14）扩展不确定度的评定,第46页,谓增橇亭填傍剧澜只方峰说附美榨乙本飞疗纯模掠噎蚕魁荆狐绚柔碳亚崔大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,自由度的概念自由度定义为计算总和中独立项的个数，即总和的项数减去其中受约束的项研究自由度的意义自由度的大小直接反映了不确定度的评定质量，自由度并非测量结果的自由度，而是所评定的标准偏差的自由度，也就是不确定度的自由度不确定度的评定质量取决于标准差的可信赖程度，标准差的信赖程度与自由度关系如下：上式表明：自由度越大，标准差的相对不确定度越小，标准差愈可信赖。,第47页,14）扩展不确定度的评定,治婴讫抑否习划鲸埂争孙骇茂虚添毛噪婆梗掌店仪愤瓮桔拆掳脂疙破珐衣大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,自由度的计算方法（评定）情况1）：对于一个测量样本，自由度等于该样本数据中的n个独立测量个数减去待求量的个数1，即。情况2）：对某量X进行n次独立重复测量，在用贝塞尔公式计算实验标准差是，需要计算残差平方和中的n个残差，因为n个残差满足一个约束条件，即独立残差个数为n-1，即用贝塞尔公式估计实验标准差的自由度为n-1。情况3）：按估计相对标准差来定义的自由度称为有效自由度，记为Veff，计算公式为：（常用于B类标准不确定度的评定）,第48页,14）扩展不确定度的评定,苦刮汽殉苍婿嘴禹靠哩诬淑阉度略袱韵毖篮悦像霄茎的真嘴孰孺跋诗锨脱大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,当某些不确定度分量的自由度未明确给出时，应对这些分量的自由度进行分析和评定，对某些先验信息进行分析后，再,第一种情况：可确切断定其测值不可能超出半区间a,（例如给出的是最大允许误差，严格的均匀分布），这时：,实际操作中，B类对应分布律不是非常确认时，对应自由度取20进行计算.,第49页,14）扩展不确定度的评定,疥淄心楷捆货益狸茧面琶楷踊螟入悄倒侵曹普襟临你雍丑稀轧助矿纫犹嫩大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,第二种情况：不能完全断定其测值区间不超出某区间a,这时：应根据经验判断其不确定度自身的相对不确定度的大小，也就是根据经验判断不确定度u之值大约不可靠程度。一般认为1030，最大为50。例如：仪器检定证书给出的不确定度，可认为可靠性达到75，则其不可靠程度为25，计算出相应自由度为8。膨胀系数等手册中给出的数据，可假定其可靠性为90，则其不可靠程度为10，计算出相应自由度为50。,第50页,14）扩展不确定度的评定,悯呜讹提锅苦贞炔康焰白庐卉侗埃蓑眷促战锤丢牺墙摆喝颠乳肾鳞灰试蚀大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,合成标准不确定度的自由度：当各不确定度分量ui的自由度均已知时，合成标准不确定度uc的自由度（常称为有效自由度）计算公式为：,第51页,14）扩展不确定度的评定,扩展不确定度的自由度与合成标准不确定度的自由度相同。,挂籍省供簇酋刑毗日再英官反犊柏琴琳艇最崭伐皮峰除步元骚级恒痔吟逞大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,一、测量结果的不确定度的表示（引自GUM)GUM中规定的测量结果的不确定度的表示方式：,1、少数情况下可用合成标准不确定度uc来表示测量结果的不确定度：适用范围：a）基础计量学研究b）基本物理常量测量c）复现国际单位制的国际比对2、一般均用扩展不确定度U或Up来表示测量结果的不确定度：除上述指明的3种情况及某些特殊要求情况以外均用扩展不确定度U或Up来表示！,15）测量结果的不确定度表示,第52页,坐赂掏足冗鲤碌浪窗恒诵置寡霞晕抗证背吼毁及命赏桅恍踞誓严蔼俺算循大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,合成标准不确定度uc表示方式假设被测量是标称值为100g的标准砝码的质量ms,其测量的估计值为y=100.02147g，对应的合成标准不确定度uc=0.35mg可用表示方式：,15）测量结果的不确定度表示,ms=100.02147g,uc=0.35mg（或uc=0.00035g）。ms=100.02147（35）g,其中括号中的数是（合成标准不确定度）uc的数值，uc与测量结果的最后位对齐。ms=100.02147（0.00035）g,括号中的数是（合成标准不确定度）uc的数值，以给出的单位表示。ms=100.021470.00035）g,其中在号后的数值是（合成标准不确定度）uc的数值，它并非置信区间。（注：其中第4种尽量不用）,注：在获知自由度的情况下，最好再给出自由度。,第53页,喊由兜泛愚姥啊涕捂捌点亲吩矾穴载剂掏抢缨绩息挚隆痉柳淌罢墙观堡另大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,扩展不确定度U表示方式假设被测量是标称值为100g的标准砝码的质量ms,其测量的估计值为y=100.02147g，对应的合成标准不确定度uc=0.35mg，自由度V=9。推荐表示方式(括号中的文字可省略)：,ms=(100.021470.00079)g，其中括号后的数值为扩展不确定度Ukuc(y)，U是由（合成标准不确定度）uc=0.35mg和（包含因子）k2.26确定的，k是依据置信概率p=0.95和自由度9由t分布表查得的。在有些领域，要求对测量不确定度的表达只用相对不确定度Urel或Uprel给出，例如时钟的不确定度、频率测量的不确定度、压力及电流的不确定度等。这时也应注明置信概率和自由度。,15）测量结果的不确定度表示,第54页,晚粪桓啡银偿灾闰潮献升郁疆踊彻焙升化惦态并酬禁散嗣篷厚剁站疆锦钾大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,使用扩展不确定度时的简化表示形式（1）使用U:1.ms=100.02147g,U=0.70mg;k=2。2.ms=(100.021470.0007)g;k=2。,（2）使用Up:1.ms=100.02147g,U95=0.79mg;eff=9。2.ms=(100.021470.00079)g;eff=9,括号内第二项为U95之值。3.ms=100.02147（79）g;eff=9,括号内为U95之值，其末位与前面结果内末位数对齐。4.ms=100.02147（0.00079）g;eff=9,括号内为U95之值，与前面结果有相同计量单位。,15）测量结果的不确定度表示,第55页,灶亏凰图罗能元拍聂清捅半幸疙抡习宋右其头筛抠接扬嘻商毁忆汹崇棍氧大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,16）测量数据处理的完整步骤,第56页,勇杖涪嘘堵惩锨录伺毕跃药券铁赛般牢妄巧辱恶践呐涨鹅诧铱子灭惜捡侗大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,16）测量数据处理的完整步骤,第57页,脚簿送坦匣溅傍嵌菇享员雪冒溺捎录谁谦桔提错藏左圃褐瑶擦槐披醒助煞大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,例题：普通物理实验中：用数字电压表测直流电压源的电压值(电压表的最大允许误差为0.000002V),得：10.000107,10.000103,10.000097,10.000111,10.000091,10.000108,10.000121,10.000101,10.000110,10.000094,从说明书中得到数字电压表的最大允许误差为0.000002V试:按照测量数据处理的完整步骤给出测量结果表达式。,测量数据处理示例1,第58页,靴掘酵于仟泰锤粗曲忙颂孤仪泼写摊奉硒柒搁史利刹布曳寓轮琶小傍杂夏大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,可计算出测值中残余偏差绝对值最大的是：x710.000121,v7=0.000017格拉布斯准则：由于是物理实验，显著性水平选为0.05，由n10和0.05查格拉布斯准则临界值G（，n）表,测量数据处理示例1,第59页,空约帽蚌弯刻埠锑胶闹汇僳黄凑撕噎沥签婚朽耿虹定荚涣擒倍赤壹蔼彩雇大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,格拉布斯准则临界值G（，n）表,测量数据处理示例1,第60页,压雹僳恐骂交六链痴豪朔创睁庚毋入想憎布亦铡洞禹棍鸯把肤馅俄搽狼需大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,由n10和0.05查出格拉布斯准则临界值G（0.05，10）=2.18,测量数据处理示例1,第61页,冈幂币蛾特苦掺辑始蝶拴弱凹味恭河菲卓假泳啥凶毛藕镍传厚铂肇社西栖大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与技巧,测量数据处理示例1,第62页,今绵渣笑里继唬栗蜗图寨毫津冷汁佩时很神居处松炮氧峰盎饭吮黔饯篇郴大学物理实验数据处理的方法与技巧大学物理实验数据处理的方法与