电子测量第二章

1、1第第2 2章章 测量误差理论与测量误差理论与 测量结果处理测量结果处理内容提要：内容提要： 对常用测量术语进行介绍；分析测对常用测量术语进行介绍；分析测量误差的来源、误差的表示方法和对误量误差的来源、误差的表示方法和对误差判断、估计和处理的常用方法；说明差判断、估计和处理的常用方法；说明仪表选择的一般原则和最佳测量方案选仪表选择的一般原则和最佳测量方案选择的方法。择的方法。2难点：难点： 误差的合成与分配；等精度测量数误差的合成与分配；等精度测量数据处理。据处理。 重点：重点： 系统误差、偶然误差、粗大误差系统误差、偶然误差、粗大误差的判断、计算和处理；误差的合成与的判断、计算和处理；误差的

2、合成与分配；等精度测量数据处理；最佳测分配；等精度测量数据处理；最佳测量方案的选择。量方案的选择。32.1 常用测量术语简介（1）一次测量和多次测量一次测量和多次测量 一次测量是对一个被测量进行一一次测量是对一个被测量进行一次测量的过程，又称为必须测量。次测量的过程，又称为必须测量。（2）等精度测量和非等精度测量等精度测量和非等精度测量 等精度测量是指保持测量条件不等精度测量是指保持测量条件不变，进行的多次测量。变，进行的多次测量。4（3）真值与最佳值真值与最佳值 真值是指被测量本身具有的真实量真值是指被测量本身具有的真实量值，一般用值，一般用A0表示。表示。真值不可知。真值不可知。 当多次测

3、量的次数趋近于无穷时，当多次测量的次数趋近于无穷时， 被测量的算术平均值即为真值被测量的算术平均值即为真值A0。 满足一定测量精度的、有限次测量满足一定测量精度的、有限次测量的算术平均值为最佳值的算术平均值为最佳值A。5（4）示值示值 也称为测量值，是指测量器具的读也称为测量值，是指测量器具的读数装置所指示出来的被测量的数值，一数装置所指示出来的被测量的数值，一般用般用x表示。表示。（5）测量误差测量误差 定义为测量结果与被测真值的差值。定义为测量结果与被测真值的差值。 通常可以分为绝对误差和相对误差两通常可以分为绝对误差和相对误差两种。种。62.2 测量误差及其表示法2.2.1 测量误差的来

4、源测量误差的来源常见的误差的来源有以下几个方面：常见的误差的来源有以下几个方面： 1仪器误差仪器误差 2方法误差方法误差 3人身误差人身误差 4环境误差环境误差 进行测量时，首先应从源头堵住测进行测量时，首先应从源头堵住测量误差的产生。量误差的产生。72.2.2 绝对误差与修正值绝对误差与修正值1.绝对误差及其表示法绝对误差及其表示法 绝对误差定义为测量结果与被测量绝对误差定义为测量结果与被测量的真值的差值。绝对误差为的真值的差值。绝对误差为 式中式中 绝对误差；绝对误差； 被测量的读测值；被测量的读测值； 被测量的真值。被测量的真值。 0Axxx0Ax(2-1)8 实际应用时，常用精度高一级

5、的标实际应用时，常用精度高一级的标准器具的示值准器具的示值A作为实际值来代替真值。作为实际值来代替真值。 式中式中 绝对误差；绝对误差； 被测量的读测值；被测量的读测值； A被测量的实际值。被测量的实际值。（2-2）Axxxx92.修正值及其含义修正值及其含义 把与绝对误差大小相等、符号相反的把与绝对误差大小相等、符号相反的量值称为修正值。量值称为修正值。 式中式中 绝对误差的修正值。绝对误差的修正值。 修正值通常由上一级标准检定或由修正值通常由上一级标准检定或由生产厂家给出，利用测量之值与已知修生产厂家给出，利用测量之值与已知修正值相加，可计算被测量的实际值。正值相加，可计算被测量的实际值。

6、xAxcc（2-3）10 如用某电流表测电流，电流表的示值如用某电流表测电流，电流表的示值为为0.83mA0.83mA，查该电流表的技术说明书该电，查该电流表的技术说明书该电流表在流表在0.8mA0.8mA及其附近的修正值是及其附近的修正值是+0.01mA+0.01mA，那么被测电流的实际值为：，那么被测电流的实际值为： 由此可以看出，修正值与测量示值具有相由此可以看出，修正值与测量示值具有相同量纲，其大小和符号表示了示值偏离真同量纲，其大小和符号表示了示值偏离真值的程度和方向，上例中测量示值比真值值的程度和方向，上例中测量示值比真值偏小偏小0.01mA0.01mA，故修正值为，故修正值为+0

7、.01mA+0.01mA。mAmAA84. 001. 083. 0112.2.3 相对误差及其表示法相对误差及其表示法 在实际使用时，相对误差有几种不同在实际使用时，相对误差有几种不同的表示形式。的表示形式。1实际相对误差实际相对误差 定义为绝对误差与被测量的实际值的定义为绝对误差与被测量的实际值的百分比值。百分比值。 式中式中 实际相对误差；实际相对误差； 绝对误差；绝对误差； A 被测量的实际值被测量的实际值。 %100AxAAx(2-4)122示值相对误差示值相对误差 或称标称相对误差，定义为绝对误或称标称相对误差，定义为绝对误差与读数值的百分比。差与读数值的百分比。 式中式中 示值相对

8、误差；示值相对误差； 绝对误差；绝对误差； 被测量的读数值。被测量的读数值。%100 xxxxxx(2-5)133满度相对误差满度相对误差 或称引用相对误差，定义为绝对误差或称引用相对误差，定义为绝对误差与测量仪器满度值的百分比。与测量仪器满度值的百分比。 式中式中 满度相对误差；满度相对误差； 绝对误差；绝对误差； 被测量所在量程的满刻度被测量所在量程的满刻度 值。值。 %100mmxxmxmx(2-6)144仪表准确度等级仪表准确度等级 式中式中 s 仪表等级；仪表等级； 满度相对误差最大值。满度相对误差最大值。 常用电工仪表分为常用电工仪表分为0.10.1，0.2, 0.2, 0.5,

9、0.5, 1.0, 1.0, 1.5, 1.5, 2.5, 2.5, 5.05.0共七个等级。共七个等级。max%rsmax(2-7)15 当仪表等级当仪表等级s一定时，最大满度相对一定时，最大满度相对误差也确定。误差也确定。 式中式中 某确定量程绝对误差的最某确定量程绝对误差的最 大值；大值； 满度相对误差最大值；满度相对误差最大值； 某确定量程刻度的满度值。某确定量程刻度的满度值。mxrxmaxmaxmaxxmaxrmx(2-8)16在这个范围中仪表测量误差满足：在这个范围中仪表测量误差满足： 式中式中 绝对误差；绝对误差； 某确定量程绝对误差的某确定量程绝对误差的 最大值。最大值。 (2

10、-9)maxxxxmaxx172.2.4 仪表选择的一般原则仪表选择的一般原则 1量程选择量程选择 由于满度误差是一种相对允许误差，由于满度误差是一种相对允许误差，是一个大致范围，准确的相对误差应根是一个大致范围，准确的相对误差应根据示值相对误差判定。若据示值相对误差判定。若 %100sxxmm(2-10)18v其中测量的绝对误差为其中测量的绝对误差为 v v那么测量示值相对误差为那么测量示值相对误差为v sxxm(2-11)%100%100 xsxxxmx(2-12)19在在s一定的情况下，从式一定的情况下，从式（2-12）可以看可以看出，示值出，示值 越接近满刻度值越接近满刻度值 ，示值相

11、对误差值示值相对误差值 值越小，测量准值越小，测量准确度越高；而示值越小，示值相对误差确度越高；而示值越小，示值相对误差越大，测量准确度越低。只有当示值与越大，测量准确度越低。只有当示值与满刻度值相等时，示值误差才等于满度满刻度值相等时，示值误差才等于满度误差的最大值。误差的最大值。xmxx202仪表等级选择仪表等级选择 在进行仪表选择时，我们应注意，在进行仪表选择时，我们应注意，同样量程的仪表，当然仪表等级数越小同样量程的仪表，当然仪表等级数越小，测量越准确；而对于不同量程、不同，测量越准确；而对于不同量程、不同等级的仪表，我们应该根据被测量的大等级的仪表，我们应该根据被测量的大小，兼顾仪表

12、级别和量程上限，合理选小，兼顾仪表级别和量程上限，合理选择仪表。择仪表。212.3 测量误差的估计和处理 按照误差的基本性质和特点，可按照误差的基本性质和特点，可把误差分为把误差分为系统误差系统误差、随机误差随机误差和和粗粗大误差大误差三大类。不同的误差采用不同三大类。不同的误差采用不同的处理方法。的处理方法。222.3.1 系统误差的判断和处理系统误差的判断和处理1 1系统误差的定义和产生原因系统误差的定义和产生原因 系统误差是指等精度测量时，误系统误差是指等精度测量时，误差的数值保持恒定或按某种函数规律差的数值保持恒定或按某种函数规律变化的误差。变化的误差。 系统误差生产的原因可能很多，系

13、统误差生产的原因可能很多，但主要是但主要是仪器误差仪器误差、环境误差环境误差、方法方法误差误差以及以及理论误差理论误差等。等。232.2.系统误差的特点系统误差的特点 系统误差具有以下特点：系统误差具有以下特点：（1 1）系统误差是一个恒定不变的值或是）系统误差是一个恒定不变的值或是 确定的函数值。确定的函数值。（2 2）多次重复测量，系统误差不能消除）多次重复测量，系统误差不能消除或减少。或减少。（3 3）系统误差具有可控制性或修正性。）系统误差具有可控制性或修正性。243.3.系统误差的判断系统误差的判断 测量结果是否含有系统误差，可根测量结果是否含有系统误差，可根据系统误差的特点来判断。

14、常用方法有：据系统误差的特点来判断。常用方法有：（1 1）理论分析法）理论分析法（2 2）校准和对比法）校准和对比法（3 3）改变测量条件法）改变测量条件法（4 4）剩余误差观察法）剩余误差观察法（5）公式判断法）公式判断法25剩余误差观察法剩余误差观察法 剩余误差是指任意一次测量值剩余误差是指任意一次测量值 与算与算术平均值术平均值 之差，用之差，用 表示。剩余表示。剩余误差观察法就是将各个剩余误差制成误差观察法就是将各个剩余误差制成表格或曲线，来判断有无系统误差。表格或曲线，来判断有无系统误差。为了直观起见，通常将剩余误差画成为了直观起见，通常将剩余误差画成曲线。这是一种较常用的方法。如图

15、曲线。这是一种较常用的方法。如图2.1所示。所示。ixxi26（a）无系统误差）无系统误差 （b）累进性系统误差）累进性系统误差 (c)周期性系统误差周期性系统误差 （d）累进性和周期）累进性和周期 性系统误差同时存在性系统误差同时存在图2.1 剩余误差的图形表示27公式判断法公式判断法 通常有马林科夫判据和阿卑通常有马林科夫判据和阿卑- -赫梅特判赫梅特判据，可分别用来判定有无累进性系统据，可分别用来判定有无累进性系统误差和周期性系统误差。误差和周期性系统误差。284.4.系统误差的处理系统误差的处理（1 1）消除系统误差产生的根源）消除系统误差产生的根源 在测量工作开始前，尽量消除产在测量

16、工作开始前，尽量消除产生误差的来源，或设法防止受到误差生误差的来源，或设法防止受到误差来源的影响，这是减小系统误差最好、来源的影响，这是减小系统误差最好、也是最根本的方法。也是最根本的方法。（2 2）采用典型测量技术消除系统误差）采用典型测量技术消除系统误差 在测量过程中，可以采用零示法、在测量过程中，可以采用零示法、微差法、代替法和交换法等。微差法、代替法和交换法等。291随机误差的定义和产生原因随机误差的定义和产生原因 等精度测量同一量时，误差的绝对等精度测量同一量时，误差的绝对值和符号均以不可预定的方式、无规则值和符号均以不可预定的方式、无规则变化的误差称为随机误差。变化的误差称为随机误

17、差。 随机误差是不可预测和不可避免的，随机误差是不可预测和不可避免的，随机误差是许多因素造成的很多微小误随机误差是许多因素造成的很多微小误差的总和。差的总和。2.3.2 随机误差的估计和处理随机误差的估计和处理302.2.随机误差的特点随机误差的特点 随机误差具有以下随机误差具有以下4 4个主要特点：个主要特点：（1 1）在多次测量中，绝对值小的误差）在多次测量中，绝对值小的误差出现的次数比绝对值大的误差出现的次出现的次数比绝对值大的误差出现的次数多。数多。（2 2）在多次测量中，绝对值相等的正）在多次测量中，绝对值相等的正误差与负误差出现的概率相同，即具有误差与负误差出现的概率相同，即具有对

18、称性。对称性。31（3 3）测量次数一定时，误差的绝对值）测量次数一定时，误差的绝对值不会超过一定的界限，即具有有界性。不会超过一定的界限，即具有有界性。（4 4）进行等精度测量时，随机误差的）进行等精度测量时，随机误差的算术平均值的误差随着测量次数的增加算术平均值的误差随着测量次数的增加而趋近于零，即正负误差具有抵偿性。而趋近于零，即正负误差具有抵偿性。323.3.随机误差分散程度的计算随机误差分散程度的计算 根据统计学，一组测量数据可由总体根据统计学，一组测量数据可由总体平均大小和分散程度来描述。算术平均值平均大小和分散程度来描述。算术平均值说明了测量值的总体平均大小。说明了测量值的总体平

19、均大小。 测量数据的分散程度通常则用测量的测量数据的分散程度通常则用测量的方差和标准差来表示。标准差将方差开方，方差和标准差来表示。标准差将方差开方，取正平方根。取正平方根。 niixnx1(2-13)33 由于实际测量只能做到测量次数为有限次，从实用目的出发，我们用贝塞尔公式来计算有限次测量数据标准差。 贝塞尔公式定义：当n为有限次时，可以用剩余误差来计算标准差的估计值。剩余误差（或称残差）为各次测得值与算术平均值之差。 式中 剩余误差； 测量值； 测量值得算术平均值。xxiiiixx(2-14)34 式中式中 标准差的估计值；标准差的估计值； 剩余误差；剩余误差； n n 测量次数；测量次

20、数； 测量值；测量值； 测量值的算术平均值。测量值的算术平均值。 小，表示测量值集中；小，表示测量值集中； 大，表示测量大，表示测量值分散。另外，当值分散。另外，当n =1时，值不定，说明一时，值不定，说明一次测量数据是不可靠的。次测量数据是不可靠的。 niin1211niixxn1211iixx(2-15)35 标准差的估计值还可以用贝塞尔公式的另一种表达式求出。 式中 标准差的估计值； n 测量次数； 测量值； 测量值的算术平均值。niixnxn12211ixx(2-16)364.4.随机误差的处理原则随机误差的处理原则 由于随机误差的抵偿性，理论上当由于随机误差的抵偿性，理论上当测量次数

21、测量次数n趋于无限大时，随机误差趋趋于无限大时，随机误差趋于零。只要我们选择合适的测量次数，于零。只要我们选择合适的测量次数，使测量精度满足要求，就可将算术平均使测量精度满足要求，就可将算术平均值作为最后的测量结果。值作为最后的测量结果。371.1.粗大误差的定义和产生原因粗大误差的定义和产生原因 粗大误差又称疏失误差或粗差，它是在一粗大误差又称疏失误差或粗差，它是在一定的测量条件下，测量值明显偏离实际值所定的测量条件下，测量值明显偏离实际值所造成的测量误差。造成的测量误差。 粗大误差是由于读数错误、记录错误、操粗大误差是由于读数错误、记录错误、操作不正确、测量条件的意外改变等因素造成作不正确、测量条件的意外改变等因素造成的。由于粗大误差明显歪曲测量结果，这种的。由于粗大误差明显歪曲测量结果，这种测量值称为可疑数据或坏值，应予以剔除，测量值称为可疑数据或坏值，应予以剔除，只有在消除粗大误差后才能进行测量。只有在消除粗大误差后才能进行测量。2.3.3 粗大误差的判断和处理粗大误差的判断和处理382.2.测量结果的置信概率与置信区间测量结果的置信概率与置信区间 置信概率（或称置信度）用来描述置信概率（或称置信度）用来描述测量结果在数