电子测量第一、二章

电子测量

第一章绪论第一节测量与计量一测量及其意义测量定义：确定被测对象（物）的量值的实验。用专门设备直接或间接与同类单位比较，取得数值和单位表示的测量结果。

测量——揭示客观规律，用数字语言描述世界，科学实验的结果靠测量，它验证理论的客观标准，没有测量就没有科学。

二计量

同一量，不同地方，不同的测量手段，测量结果一样，形成公认的单位基准、标准——计量。

计量和测量测量:是通过实验手段对客观事物取得定量信息的过程,也就是利用实验手段把待测量直接或间接地与另一个同类已知量进行比较,从而得到待测量值的过程。测量过程中所使用的器具和仪器就直接或间接地体现了已知量，测量结果的准确与否与所采用的测量方法、实际操作和作为比较标准的已知量的准确程度都有着密切的关系体现已知量在测量过程中作为比较标准的各类量具、仪器仪表必须定期进行检验和校准，以保证测量结果的准确性、可靠性和统一性，这个过程称为计量。单位制任何测量都要有一个统一的体现计量单位的量作为标准，这样的量称做计量标准。计量单位是有明确定义和名称并令其数值为1的固定的量，例如长度单位1米(m)，时间单位1秒(s)等。计量单位必须以严格的科学理论为依据进行定义。法定计量单位是国家以法令形式规定使用的计量单位，是统一计量单位制和单位量值的依据和基础，因而具有统一性、权威性和法制性。1984年2月27日国务院在发布《关于在我国统一实行法定计量单位的命令》时指出：我国的计量单位一律采用《中华人民共和国法定计量单位》。

我国法定计量单位以国际单位制(SI)为基础，包括10个我国国家选定的非国际单位制单位，如时间(分、时、天)、平面角(秒、分、度)、长度(海里)、质量(吨)和体积(升)等。在国际单位制中，分为基本单位、导出单位和辅助单位。基本单位是那些可以彼此独立地加以规定的物理量单位，共7个，分别是长度单位米(m)、时间单位秒(s)、质量单位千克(kg)、电流单位安培(A)、热力学温度单位开尔文(K)、发光强度单位坎德拉(cd)和物质的量单位摩尔(mol)。由基本单位通过定义、定律及其他函数关系派生出来的单位称为导出单位。

例如力的单位牛顿(N)的定义为“使质量为1千克的物体产生加速度为1米每2次方秒的力”，即N=kg·m/s2；在电学量中，除电流外，其他物理量的单位都是导出单位，如频率的单位为赫兹(Hz)，定义为“周期为1秒的周期现象的频率”，即Hz=1/s；能量(功)的单位焦耳(J)的定义为“1牛顿的力使作用点在力的方向上移动1米所做的功”，即J=N·m；功率的单位瓦(W)的定义为“1秒内产生1焦耳能量的功率”，即W=J/s。

国际上把既可作为基本单位又可作为导出单位的单位，单独列为一类，称做辅助单位。国际单位制中包括两个辅助单位，分别是平面角的单位弧度(rad)和立体角的单位球面角(sr)。

由基本单位、辅助单位和导出单位构成的完整体系称为单位制。单位制随基本单位的选择而不同。例如，在确定厘米、克、秒为基本单位后，速度单位为厘米每秒(cm/s)，密度单位为克每立方厘米(g/cm3)，厘米、克、秒构成一个体系，称为厘米克秒制。国际单位制就是由前面列举的7个基本单位、2个辅助单位及19个具有专门名称的导出单位构成的一种单位制，国际上规定以拉丁字母SI作为国际单位制的简称。计量特征：统一性，准确性，法律性计量基准1.主基准—国家基准(最高准确度,国家鉴定)2.副基准—与主基准对比而确定的量值.

通过直接或间接与国家基准比对，确定其量值并经国家鉴定批准的计量器具3.工作基准—日常校准或核查计量工具.器皿的标准(如:公称)基准本身并不一定刚好等于一个计量单位。例如铯-133原子的频率基准所复现的时间值不是1s,而是(9192631770)－1s；氪-86长度基准复现的长度值不是1m,而是(1650763.73)－1m；标准电池复现的电压值是1.0186V，而不是1V等。第二节电子测量的特点和应用电子测量的范围：电子测量渗透的学科越来越多，近年来如医学，生命科学等领域.电量的测量——电流、电压、电功率等信号的测量——波形、失真度、频率、相位、脉冲参数、调制度、信号频谱、信噪比等元件参数——电阻、电感、电容、电子器件（晶体管、场效应管等）、电路频率响应、通带宽度、品质因数、相位移、延时、衰减和增益等特点：测量频率范围宽10HZ～10GHZ量程广：欧姆表～M，电压表地面上接收到的宇宙飞船自外太空发来的信号功率低至10-14W数量级，而远程雷达发射的脉冲功率可高达108W，两者之比为1∶1022。精确度高：对ƒ和s误差10～10量级，目前测量的最高精确度速度快易于遥测，不间断测量易于利用计算机，通过A/D、D/A与计算机连接，实现智能测量-5-13-14例如阻抗的测量，在低频段多采用电流电压法，而在微波段则必须采用开槽测量线或反射计技术。上述两种方法无论在原理上，还是在测量设备上都大不一样。当然，随着技术的发展，能在相当宽的频率范围内正常工作的仪器不断地被研制出来。例如，现在一台较为先进的频率计，其频率测量范围可以低至10－6Hz,高至1011Hz。例如，直流电压的准确度当前可达到10－6数量级，音频电压为10－4数量级，射频电压仅为10－3数量级，而品质因数Q值和电场强度的测量准确度只有10－1数量级。造成这种现象的主要原因在于电磁现象本身的性质，使得测量结果极易受到外部环境的影响，尤其在较高频率段，待测装置和测量装置之间、装置内部各元器件之间的电磁耦合、外界干扰及测量电路中的损耗等对测量结果的影响往往不能忽略却又无法精确估计。

第三节本课程的任务讲授与自学结合第二章测量误差与不确定度基础

及测量数据处理第一节测量误差的基本概念

被测量在一定时空条件下，真值为一确定数值，由于器具、手段、条件等引起误差——测量误差。一、测量误差定义：

结果与真值的差别——测量误差。（一）绝对误差：其中△x——绝对误差

x——给出值

x0——真值一般误差忽略情况下x代替x0定义C-与绝对误差大小相同，方向相反

C=x0-x作用：测量时对数据进行修正例：用某电流表测电流，电流表的示值为10mA，该表在检定时10mA刻度处的修正值是+0.04mA，则被测电流的实际值即为10.04mA。

2224681012141618200.010（mA）I/（mA）0.020.030.040.05-0.01-0.02

C/（mA）（二）相对误差：例ƒ1=1000HZ,△ƒ1=1HZ,ƒ2=1000000HZ,△ƒ2=10HZ,△ƒ2＞△ƒ1，但△ƒ1/ƒ1=0.1%,△ƒ2/ƒ2=0.001%(两个相差比较大的量比较时，△ƒ无意义，用△ƒ/ƒ表示)相对误差：=100%没有量纲示值相对误差：=100%（误差小时用）△xx0△xx例：某脉冲信号发生器输出脉冲宽度为0.1～10μs共二十档，误差为±10%～±0.025μs。即脉冲的误差由两部分组成，第一部分为输出脉宽的±10%，这是误差中的相对部分；第二部分±0.025μs与输出脉宽无关，可看成是误差中的绝对部分。显然当输出窄脉冲时，误差的绝对部分起主要作用，当输出宽脉冲时，误差的相对部分起主要作用。例我们测量一个有源或无源网络，它的电压或电流传输函数为，

则可以把这个传输函数用分贝表示为

当测量中存在误差，则测得的传输函数偏离一个数值，即

（1）

或

叫做分贝误差

由可得:

与（1）式比较，可见分贝误差为

（2-a）同理，当A为功率传输函数时（2-b）由式（2）可见，是一个只与相对误差有关的量。式中带有正负符号，因而也是带有符号的。（三）引用误差

量程变化→变化→变化式中——引用误差

——绝对误差——量程例检定一个1.5级100mA的电流表，发现在50mA处的误差最大，为1.4mA，其他刻度处的误差均小于1.4mA，问这块电流表是否合格？

解该表的最大引用误差为

可见，这块电流表合格。

若某仪表的等级是级s%，它的满刻度值为Xm，被测量的真值为Xo，那么测量的绝对误差为

（1）

测量的相对误差为

（2）由（1）可见，当一个仪表的等级S选定后，测量中绝对误差的最大值与仪器刻度的上限成正比。因此所选仪表的满刻度值不应比实测量x大得太多。同样，在式（2）中，总是满足，可见当仪表等级S选定后，越接近时，测量中相对误差的最大值越小，测量越准确。因此，我们在选用这类仪表测量时，在一般情况下应使被测量的数值尽可能在仪表满刻度的三分之二以上。例若要测一个10V左右的电压，手头有两块电压表，其中一块量程为150V，±1.5级，另一块是量程为15V，±2.5级，问选用哪一块表合适？

解若使用量程为150V±1.5级电压表，测量产生的绝对误差

若表头示值为10V时，则被测电压的真值是在10V±2.5V的范围内，误差的范围是相当大的。若使用量程为15V±2.5级电压表，用同样方法可以求得测量的绝对误差

若表头示值为10V时，则被测电压的真值是在10V±0.375V的范围内，可见误差的范围小了很多，因此应选用15V的2.5级电压表。

结论：在测量中我们不能片面追求仪表的级别，而应该根据被测量的大小，兼顾仪表的满刻度值和级别，合理地选择仪表。二、测量误差的分类性质分：系统误差（ε）、随机误差（δ）、粗大误差（）仪器分:固有误差（基本误差）、工作误差、附加误差(一)系统误差系统误差——在相同条件下多次测量同一量时，误差的绝对值和符号保持恒定，或在条件改变时按某种确定规律而变化的误差。恒值系统误差——不随某些测量条件而变化的系统误差。常见误差原因：设备缺陷、仪器不准、使用不当等(a)测量R上的电流忽略了电压表上的电流(b)测量R上的电压忽略了电流表上的电压电压表电流表R（a）电压表电流表R(b)

(二)随机误差1定义、根源和特点定义：在实际相同条件下多次测量同一量时，误差的绝对值和符号以不可预定的方式变化着的误差。根源：热骚动、噪声干扰、电磁场的微变、空气扰动、大地微震。特点：一次测量无规律，大量测量具有统计规律；不会超过一定的界限，即随即误差具有有界性；绝对值相等的误差出现的机会相同，具有对称性；随机误差的算术平均值随着测量次数n的无限增加而趋于零，具有抵偿性。(三)粗大误差定义：超出在规定条件下预期的误差，明显地偏离了真值。原因：读数错误，方法错误，仪器缺陷等。测量上称为坏结果，不用。三、测量数据的数学期望和方差(1)离散型的数学期望和方差

数学期望：取平均值方差：偏离平均值的程度

（当）其中n为总测量次数，为第i次的取值数，为可能取值的概率，为取值的次数。每次测量没有相同情况时：=1结论：当时，是各次的算术平均值，即。是第i次测量的取值减去算术平均值的平方，平方的目的是防止互抵性。若每次独立，没有相同情况

——标准偏差结论：越小，测量值越集中，离散程度越小。(2)连续型的数学期望和方差取值在某个区间连续，可能的取值为无穷多个，对应于某个取值的概率趋近于零，用到概率密度来描述。设测量值X落在区间内的概率为,当趋近于零时，若与之比的极限存在，就把它称为测量值X在x点的概率密度，记为

则

结论：在测量值由离散值变为连续值时，只不过将多项求和变成积分，并将每种取值的概率换成，计算方法的实质并没有改变。四、测量误差对测量结果的影响及测量的正确度、精密度和准确度

一般，第i次测量的误差：（为系统误差，为随机误差）上式中系统误差在测量条件相同时是不变的，当测量次数n时，若对n次测量的绝对误差取平均值，则由于随机误差的抵偿性，当时的平均值等于零，由此可得

（当）

将代入上式，则

（当）结论：（1）对于同时存在随机误差和系统误差的测量数据，只要测量次数足够多（理论上），各次测量绝对误差的算术平均值就等于测量的系统误差。（2）当不存在系统误差时，测量值的数学期望就等于被测量的真值，即

例用一数字电压表在相同条件下测同一电源的电压，得到12个数据如下表，经计量单位检定该电源电压的实际值为6.189V,求测量的系统误差的估计值。解：求以上12次测量结果的算术平均值

电源电压的真值可用计量部门检定的该电源电压的实际值来近似代替，即

由于测量次数，为有限次而不为无穷大，因此我们只能求得系统误差的估计值，为区别估计值和真实值，我们在某量上方加一个尖括号来表示它是估计值。这里用来表示系统误差的估计值，由可得系统误差的估计值为测量仪器的主要性能指标

从获得的测量结果角度评价测量仪器的性能——

精度精度是指测量仪器的读数(或测量结果)与被测量真值相一致的程度。对精度目前还没有一个公认的定量的数学表达式，因此常作为一个笼统的概念来使用，其含义是：精度高，表明误差小；精度低，表明误差大。因此，精度不仅用来评价测量仪器的性能，也是评定测量结果最主要、最基本的指标。精度又可用精密度、正确度和准确度三个指标加以表征。

1)精密度精密度说明仪表指示值的分散性，表示在同一测量条件下对同一被测量进行多次测量时，得到的测量结果的分散程度。它反映了随机误差的影响。精密度高，意味着随机误差小，测量结果的重复性好。比如某电压表的精密度为0.1V，即表示用它对同一电压进行测量时，得到的各次测量值的分散程度不大于0.1V。

2)正确度

正确度说明仪表指示值与真值的接近程度。所谓真值，是指待测量在待定状态下所具有的真实值大小。正确度反映了系统误差(例如仪器中放大器的零点漂移、接触电位差等)的影响。正确度高，则说明系统误差小，比如某电压表的正确度是0.1V，则表明用该电压表测量电压时的指示值与真值之差不大于0.1V。我国电工仪表的分级就是按正确度来确定的。

3)准确度准确度是精密度和正确度的综合反映。准确度高，说明精密度和正确度都高，也就意味着系统误差和随机误差都小，因而最终测量结果的可信度也高。在具体的测量实践中，可能会有这样的情况：正确度较高而精密度较低，或者情况相反，相当精密但欠正确。当然，理想的情况是既正确，又精密，即测量结果准确度高。要获得理想的结果，应满足三个方面的条件，即性能优良的测量仪器、正确的测量方法和正确细心的测量操作。以射击打靶为例加以说明。以靶心比作被测量真值，以靶上的弹着点表示测量结果。其中，图(a)弹着点分散而偏斜，属于既不精密，也不正确，即准确度很低；图(b)弹着点仍较分散，但总体而言大致都围绕靶心，属于正确而欠精密；图(c)弹着点密集但明显偏向一方，属于精密度高而正确度差；图(d)弹着点相互接近且都围绕靶心，属于既精密又正确，即准确度很高。用射击打靶说明测量正确度——表示测量结果中系统误差大小的程度精密度——表示测量结果中随机误差大小的程度正确度相等，精密度不一定相等ε

Xxi

(a)随机误差较小M(X)δi

x0

Xxi

(b)随机误差较大M(X)δi

ε

x0

准确度——表示测量结果与真值的一致程度

三者的含义：

（a）正确度高而精密度低（b）精密度高而正确度低（c）准确度高——正确度、精密度均高X(b)x0

(a)x0

(c)x0

五、测量误差的估计和处理（一）随机误差的影响及统计处理随机误差使测量数据产生分散，即偏离它的数学期望。对某一次测量来说，随机误差使测量数据偏离数学期望的大小和方向是没有规律的，但多次测量就会发现随机误差使测量数据的分布服从一定的统计规律。我们的任务就是要研究随机误差使测量数据按什么规律分布，估计被测量的数学期望和方差以及被测量真值出现在某一区间的概率等等。.................................................................................

小球在伽尔顿板中的分布规律.统计规律性大量偶然事件从整体上反映出来的一种规律性。某一事件i发生的概率为Pi

Ni--事件i发生的次数

N--各种事件发生的总次数统计规律当小球数N

足够大时小球的分布具有统计规律.实际问题中，经常遇到很多随机变量是服从或近似服从正态分布的。例如，工业生产中各种产品的质量指标（如零件的尺寸、材料的强度……），生物学中同一群体的特征（如：动物的身长、体重、植物的株高、单位面积产量……），测量误差，等等。服从正态分布的随机变量广泛地存在概率论中关于论证“大量独立随机变量的和的极限分布是正态分布”的一系列定理统称为中心极限定理。

1、测量数据的正态分布

在概率论中，我们研究过中心极限定理，这个定理说明：假设被研究的随机变量可以表示为大量独立的随机变量的和，其中每一个随机变量对于总和只起微小的作用，则可认为这个随机变量服从正态分布，又叫作高斯分布。

随机误差正是由多种因素组成，每种因素影响较小，则随机误差及在其影响下的测量数据应服从正态分布。随机误差分布的概率密度：测量数据分布的概率密度：

式中为随机误差，X为测量值，及为随机误差及测量分布的标准偏差，是X的数学期望。（a）随机误差的正态分布（b）在随机误差影响下测量数据X的正态分布0δφ（X）‖XM(X)标准偏差意义标准偏差是代表测量数据和测量误差分布离散程度的特征数。标准偏差越小，则曲线形状越尖锐，说明数据越集中；标准偏差越大，则曲线形状越平坦，说明数据越分散。2、用有限次测量数据估计测量值的数学期望和标准偏差

n次测量不能直接求出，只能估计（1）有限次测量值的算术平均值及其分布n次测量平均值的性质：

——第i次一系列测量概率论知：（1）几个随机变量之和的数学期望等于各随机变量的数学期望之和（2）几个相互独立的随机变量之和的方差等于各随机变量方差之和即：则，说明有限次测量值的算术平均值的数学期望等于被测量的数学期望。则，说明n次测量值平均值的方差比总体或单次测量值的方差小n倍，或者说比标准偏差小倍。n越大，越小，当时，。物理意义：n次测量取平均后，分布在附近，由于抵偿性，的分布相对集中了，即比小。（2）用有限次测量的数据来估计测量值的数学期望设是x的估计值原则一致性：依概率收敛于x无偏性：的数学期望等于x当时，

——

一致性

——

无偏性（3）用有限次测量数据估计测量值的方差——贝塞尔公式

或式中，称为残差或剩余误差【例1】用温度计重复测量某个不变的温度，得11个测量值的序列（见下表）。求测量值的平均值及其标准偏差。解：①平均值

②用公式计算各测量值残差列于上表中③实验偏差④标准偏差例：需要一个160.3KHz的振荡源，考虑可以采用两种形式的LC振荡电路。按同样工艺条件组装好电路，并使它们工作在相同的固定工作条件下，接通电源一小时后每隔一定时间分别记录一次两种电路的振荡频率如下表：

频率单位：KHz

问从测量数据看选用哪种电路更好些？解由测量数据看，小数点前面及小数点后面第一位数字在测量过程中没有变化，因此我们只须分析小数点后面第二、三位数据，即在实际计算时，对第一种方案只需求82、83……等数的平均值和标准偏差估计值，对第一种方案只需求51、68……等数的平均值和标准偏差估计值，然后再考虑前面不变的部分及位数关系，给出所求数值。

则第一种方案振荡频率的数学期望的估计值为

则第一种方案振荡频率的标准偏差估计值为

用同样方法可以求得第二种方案振荡频率的数学期望及标准偏差的估计值为由上面的计算结果可以看出，两种方案，频率的平均值均偏离要求值160.3KHz，偏离情况基本相同，只要略微调整一下L或C元件，这个问题就可以解决。由于第二种方案的标准偏差明显小于第一种方案，即频率稳定度优于第一种方案，所以采用第二种方案比较适合。2、测量误差的非正态分布在构成误差的各种影响因素中，有一种因素的影响是主要的，而这种误差的分布不服从正态分布这时误差总的分布就可能是非正态的。在测量实践中，除正态分布外，均匀分布也是常遇到的一种重要分布。均匀分布的特点是，在其分布范围内，测量值或测量误差出现的概率密度相等。或

φ（X）XabK=1/(b-a)测量误差的非正态分布常见的非正态分布有均匀分布、三角分布、反正弦分布等。均匀分布：仪器中的刻度盘回差、最小分辨力引起的误差等；“四舍五入”的截尾误差；当只能估计误差在某一范围内，而不知其分布时，一般可假定均匀分布。概率密度:均值:当时,标准偏差:

当

时，例：已知某电压表能分辨的最小电压间隔为5mV，求由于仪器分辨力限制造成的随机误差的数学期望和均方差。解电压表能分辨的最小电压间隔为5mV，这就意味着对所有电压实际数值为间的电压，电压表的指示都是，所以读数的随机误差均匀地分布于之间。在此区间外由于分辨力造成的误差为零。因此误差的概率密度如图所示。

φ（δ）δ0-2.5mV2.5mV

误差的数学期望为

可见由于分辨力限制造成的误差的数学期望为零，这是因为这些误差虽然均匀地出现在至之间，每次出现的大小和方向都没有规律，但是足够多次误差的影响是能够相互抵消的。误差的方差为

这个误差的标准偏差可以用来描述由于电压分辨力限制，造成的随机误差的分散程度。六、用统计学方法剔除异常数据

在无系统误差的情况下，测量数据分布在被测量真值附近。在正态分布情况下，误差绝对值超过的概率仅占1%，误差绝对值超过的概率仅占0.27%，可见出现大误差的概率是非常小的。对于误差绝对值较大的测量数据，可以列为可疑数据。决定可疑数据的取舍：观察物理原因不能决定时，用统计方法。基本思想：给定一个置信概率，找出相应的置信区间，凡在这个置信区间以外的数据，就定为异常数据并予以剔除。测量结果的置信问题（1）置信概率与置信区间：置信区间内包含真值的概率称为置信概率。置信限：c——置信系数（或置信因子）

置信概率是图中阴影部分面积正态分布的置信概率—莱特准则

正态分布,当c=3时置信因子c置信概率φ10.68320.95530.997区间越宽，置信概率越大七、处理系统误差的一般方法

系统误差有规律但不容易掌握，处理上比随机误差更为困难。一般处理上：（1）检查系统误差是否存在（2）分析原因，尽力消除（3）采取措施，减弱影响（4）利用修正办法，有些无法修正的，估计范围（一）测量前尽力消除产生系统误差的来源（1）原理和方法上尽力做到正确，严格（2）仪器定期检查，校准，正确使用（3）注意周围环境的影响，尤其是温度，必要时注意恒温、散热措施，屏蔽、防振等。（4）提高测量人员业务素质，减少人为因素（5）尽量用数字式代替读数式（二）系统误差的判别恒值系差的判别：条件不变变值系差的判别：（1）找出误差与某个测量条件间的解析关系式（2）实际测量当变值系差明显地大于随机误差时，改变某一条件θ,记录，求和，观察和θ的关系。当随机误差较大时：（1）马利科夫判据

θ改变，n次测量当n为偶数时：当n为奇数时：当，时，系统误差为累进式。（2）阿卑—赫梅特判据累进式、周期性误差同时可用，测量有变值系差（三）消除或减弱系统误差的典型测量技术1．零示法

优点：只需观察检流计有无电流，不需读数，减少人为因素，平衡电桥也是零示法的一种。要求：（1）检流计灵敏度要求（2）臂电阻值要精确ER1

VR2

VVx

2．代替法（置换法）

做法：被测接入电桥，使G=0，用可调标准电阻代替，调整可调标准电阻的阻值使G=0，此时标准电阻的阻值即为。

优点：仪器误差、系统误差对无影响3.交换法（对照法）做法：两次测量，使误差源作用相反，两次取平均值。例：电桥测电阻，分别取两个臂，后取平均值。4．微差法是零示法，的情况。设被测量为x，和它相近的标准量为B，被测量与标准量之微差为A，A的数值可由指示仪表读出。则

由于x和B的微差A远小于B，所以，可得测量误差为

为标准量的相对误差

系数为相对微差

为指示仪表的相对误差。例：图2-17是一个用微差法测量未知电压的电路，图中标准电压V维持不变，电压表V用来测量被测电压与标准电压V之微差。设标准电压的相对误差不大于万分之五，电压表的相对误差不大于百分之一，相对微差为五十分之一，求测量的相对误差是多少？解：测量的相对误差为ER1

VR2

VVx

（四）系统误差的修正和系差范围的估计治标办法：用修正曲线或修正公式，对数据进行修正。范围：上限，下限恒值部分的数值为，可以进行修正。变化部分的变化幅度为，与随机误差的变化范围进行合成。

第二节测量不确定度及测量

结果的表征一、测量不确定度及其分类评定（一）测量不确定度－测量值的可疑程度（误差的最大范围）取正值。标准偏差表示－标准不确定度置信区间表示－扩展不确定度（范围不确定度、延伸不确定度）多值合成不确定度－合成标准不确定度（误差合成）（二）测量不确定度的分类评定1、A类评定－标准不确定度评定(由标准偏差确定)2、B类评定－基于经验、其他信息，概率分布复杂。二、测量结果的置信问题及扩展不确定度（一）置信概率与置信区间不能确切地知道尚未进行的某一次测量的结果，但希望知道M(x)可能处于区间内的概率。（置信概率）若知道，想知道的区间

‖XM(X)cσ(X)cσ(X)X1±cσ(X)X1

X2

X3

X2±cσ(X)X3±cσ(X)（二）服从正态分布的测量结果的

置信问题和扩展不确定度

1、若某测量值服从正态分布，它的概率密度为则测量值处于对称区间内的置信概率为令则且当时当时于是可以把积分变量换为Z，即根据系数C或者说根据置信区间，就可从表中查得相应的置信概率。例：已知某被测量的测量值服从正态分布，测量中系统误差可以忽略。分别求出置信区间为真值附近的三个区间，，时的置信概率。

解由于测量的系统误差可以忽略，则被测量的真值就等于数学期望，置信区间分别为，，，则系数分别为1、2、3。由附录表I表A可以查出置信概率分别为

由计算结果可见，对于正态分布的误差或测量值，不超过的置信概率为99.73%，因而可以认为实际测量值均处于附近的范围内。

例：已知对某电压的测量中不存在系统误差，测量值属于正态分布，电压的真值，测量值的标准偏差，求测量值出现在9.7~10.3V之间的置信概率。

解由于测量中不存在系统误差，真值等于数学期望。由题可直置信区间在附近的范围。

则系数

由附录表I表A可得

例：某测量值X属于正态分布，已知它的数学期望为，标准偏差为，若要求置信概率为99%，求置信区间。解已知置信概率为由附录表I表B查得相应的，则置信区间为2.有限次测量情况下的置信问题——由正态分布到t分布有限次测量：未知，只能求或仿照前面的方法设随机变量

当测量值X服从正态分布时，也服从正态分布。由于不服从正态分布，使t不再服从正态分布，而服从于t分布。t分布的概率密度为式中，称为伽马函数。，成为自由度。分布的图形附录Ⅱ给出了t分布的在对称区间的积分。

0

t

φ（t,k）k→∞k值小k值大例：有一个固定频率f的信号源，对其输出频率进行六次测量（可认为是独立、等精密度，无系统误差的测量），所得数据如下表：若要求置信概率为95%，估计信号频率的真值约在什么范围内？

解（1）求频率f的平均值

（2）求的标准偏差估计值,由贝塞尔公式（3）求平均值的标准偏差估计值（4）由自由度及置信概率，可从附录Ⅱ查得相应的。（5）估计f的真值所处区间：由于无系统误差，真值即等于数学期望，则置信区间为，代入求得的数据可得对于95%的置信概率，估计f真值范围应为的范围内。例：对正态分布的测量值，给定置信概率为99%或99.73%等，由附录Ⅰ正态分布在对称区间的积分表查得对应的系数c=2.576或c=3等等。在实际测量中常用算术平均值代替真值，用标准偏差估计值代替标准偏差，凡测量值在区间以外的，即时，就将数据剔除不用。结论：（1）过小，部分正常值被剔除。（2）过大，异常数据不能检查出来（3）减少，有利于异常数据的剔除(a)置信概率过小（b）置信概率过大（c）减少有利于异常数据的剔除莱特准则：在测量数据为正态分布的情况下，如果测量次数足够多，习惯上取3倍作为判别异常数据的界限。莱特准则不适用测量次数较少，例如样本容量n=10，

（当n=10）显然，对任何一个都将不大于标准偏差大于数据，则有异常数据，这个准则失去判断力。（三）非正态分布，正常数据的边界大多在例：均匀分布的边界为，莱特准则不能用。应用上：根据实际情况而确定方法。剔除异常数据后，重新计算和，直至最后。对于n很大的情况，数据多，计算烦，用现代手段——微机三、测量误差和测量不确定度的合成总误差与分项误差的关系：（1）用分项误差确定总误差——合成（2）总误差确定，求分项误差的数值——分配（一）测量误差的合成

1、误差传递公式

设某量y由两个分项,合成若在附近各阶偏导数存在，则可把y展为台劳级数

若用及分别表示及分项的误差，由于，，则台劳级数中的高阶小量可以略去，则总合的误差

同理，当总和y由m个分项合成时，可得即（2-38）例12：用间接测量法测电阻消耗的功率，若电阻、电压和电流的测量相对误差分别为、、，问所求功率的相对误差为多少？解方案1：用公式由式（2-38）则算得功率的相对误差为方案2：用公式由式（2-38）

则

方案3：用公式由式（2-38）

则

上例是绝对误差的合成公式，有时不方便。将（2-38）两端同除以，同时考虑为，时的函数值f则：由于则可求出相对误差

（2-39）例13

用式（2-39）重新计算例[12]。

解由式（2-39）可以求出

方案1：

方案2：方案3：

例14：已知下列各函数中各x的绝对误差及相对误差，求y的绝对误差或相对误差。解（1）由式（2-38）

（2）由式（2-39）（3）由式（2-39）结论：（1）若为和、差关系时，先求总合的绝对误差。（2）若为积、商、乘方、开方关系时，先求总合的相对误差。2、系统误差的合成一般：若忽略δ：3、随机误差的合成ε=0则：两边平方当进行了n次测量，对上式由i=1~n求和，则若为相互独立的量，则与也互不相关，与的大小和符号都是随机变化的，它们的积也是随机变化的，当时，各乘积项相互抵消的结果使上式第二项趋近于零。当不考虑第二项以后，将上式两端同除以n，则得

最后得到（二）不确定度的合成不确定度的概念不确定度是说明测量结果可能的分散程度的参数。可用标准偏差表示，也可用标准偏差的倍数或置信区间的半宽度表示。（1）标准不确定度：用概率分布的标准偏差表示的不确定度

①A类标准不确定度：用统计方法得到的不确定度。②B类标准不确定度：用非统计方法得到的不确定度（二）不确定度的合成

（2）合成标准不确定度由各不确定度分量合成的标准不确定度。因为测量结果是受若干因素联合影响。（3）扩展不确定度合成标准不确定度的倍数表示的测量不确定度，即用包含因子乘以合成标准不确定度得到一个区间半宽度。包含因子的取值决定了扩展不确定度的置信水平。通常测量结果的不确定度都用扩展不确定度表示（二）不确定度的合成

不确定度的分类

（二）不确定度的合成

不确定度的来源①被测量定义的不完善，实现被测量定义的方法不理想，被测量样本不能代表所定义的被测量。②测量装置或仪器的分辨力、抗干扰能力、控制部分稳定性等影响。③测量环境的不完善对测量过程的影响以及测量人员技术水平等影响。④计量标准和标准物质的值本身的不确定度，在数据简化算法中使用的常数及其他参数值的不确定度，以及在测量过程中引入的近似值的影响。⑤在相同条件下，由随机因素所引起的被测量本身的不稳定性。误差与不确定度的区别测量误差测量不确定度客观存在的，但不能准确得到，是一个定性的概念表示测量结果的分散程度，可根据试验、资料等信息定量评定。误差是不以人的认识程度而改变与人们对被测量和影响量及测量过程的认识有关。随机误差、系统误差是两种不同性质的误差A类或B类不确定度是两种不同的评定方法，与随机误差、系统误差之间不存在简单的对应关系。须进行异常数据判别并剔除。剔除异常数据后再评定不确定度在最后测量结果中应修正确定的系统误差。在测量不确定度中不包括已确定的修正值，但应考虑修正不完善引入的不确定度分量。“误差传播定律”可用于间接测量时对误差进行定性分析。不确定度传播律更科学，用于定量评定测量结果的合成不确定度（二）不确定度的合成系统不确定度——不能确切掌握系统误差可能变化的最大幅度（Ф）随机不确定度——

随机变化的最大幅度总误差不确定度——1．系统不确定度的合成

（1）绝对值合成法

m个分项中各分项的不确定度相同，同时取正或取负

则总合的不确定度为：例:已知DYC-5超高频电子管电压表在测量交流电压时的技术指标如下：

1)测量电压范围：0.1—100V，分五档，各档满度电压为1，3，10，30，100V；频率范围20Hz—300MHz；在环境温度（20±5）℃及频率50Hz时各档的满度测量基本误差为±2.5%。

2）在0—15℃及25—40℃附加误差为±2.5%；

3）频率附加误差为

20Hz—300MHz±3%100—200MHz±5%200—300MHz±10%

现欲测5V、150MHz的高频电压，环境温度为32℃，求测量误差的不确定度

解上述误差中既包含了系统误差，也包含了随机误差，但在这种一般的工程测量中主要是系统误差。从最不利的情况出发，用绝对值合成法，将基本误差与两个附加误差合成。因给出的基本误差为满度相对误差，在测5V电压时电压表的满度电压为10V，因此测量的基本相对误差的最大值为又知频率附加误差为±5%，温度附加误差为±2.5%，从最不利的情况出发，认为各误差是同方向相加的，则由可求出总的不确定度为

上例求出的总合的不确定度是很大的。由于每一分项取正号（或负号）的概率为1/2，所以m个相互独立的不确定度都取正号（或负号）的概率为，只适用于m小的情况。

（2）均方根合成法已知误差分布和不确定度用多项取平均减少，而多项平均不能减少∵各分项的分布规律难确定∴难求估计方法：

（2）设各分项均匀分布，即取总合介于正态与均匀间取范围例16

同上例，用均方根合成法求总合的

不确定度解用第一种估计方法，由

用第二种方法估计，在中因分项数目较少，各分项的影响相差不悬殊，取，各分项的分布形状不掌握，按均匀分布取，则2．同时含有系统误差和随机误差时不确定度的合成若系统有q项确定性系统误差

一般：分布情况不清时，（按均匀分布）分项较多时，（按正态分布）例

用QS18A电桥测量某电容10次，结果如下：已知该电桥测量的系统误差不大于±1%，求被测电容值及其不确定度。解用平均值作为测量值的估计值

求不确定度：首先求系统不确定度及表征项，由题可知由于不知道系统误差的分布形状，按均匀分布取系数，则表征项又根据贝塞尔公式求得测量值的标准偏差估计值为

由上面数据可见，则测量值的不确定度可以认为等于系统不确定度。最后电容值可以表示为

（三）微小误差准则

误差合成时，考虑主要误差项，次要项小到什么程度可略去的问题。1．代数合成中的微小误差若其中第k项为微小误差，可以将其略去，∵误差值一般保留1~2位设保留最后一位（即个位），则0.5以下的误差舍掉则：舍掉的部分占误差值的百分比为

即舍掉部分不≥5%

只要略去微小项的误差量≤5%，对结果无影响。若保留两位有效数字，则：

2．几何合成中的微小误差

适用：随机误差或多项误差

对于随机误差：设略去第k项：

误差代数合成准则：

两边平方：

则第k项误差可以略去的条件为：取两位有效数字：

对于某几项微小误差，亦可以按准则略去。微小误差取舍准则

对于随机误差和未定系统误差，微小误差舍去准则是:被舍去的误差必须小于或等于测量结果总标准差的1/3~1/10

微小误差取舍准则在总误差计算和选择高一级准量等方面都有实际意义。计算总误差或误差分配时，若发现有微小误差，可不考虑该误差对总误差的影响。选择高一级精度的标准器具时，其误差一般应为被检器具允许总误差的1/3~1/10二、测量误差的分配

误差分配应考虑测量过程中所有误差组成项的分配问题。对于函数的已定系统误差，可用修正方法来消除，不必考虑各个测量值已定系统误差的影响，而只需研究随机误差和未定系统误差的分配问题。这两种误差在误差合成时可同等看待，因此在误差分配时也可同等看待，其误差分配方法完全相同．二、测量误差的分配

（一）等准确度分配等准确度分配是指分配给各分项的误差彼此相同，即∵（系统误差）∴（j=1~m）（2-50）

（j=1~m）（随机误差）（2-51）适用于各分项性质相同，大小相近。例：有一电源变压器如图，已知原圈与两个副圈的圈数比1:2，用最大量程为500V的交流电压表量副圈总电压，要求相对误差小于±2%，问应选哪个级别的电压表？解由于副圈及的电压均为440V，副圈总电压为V为880V，而电压表最大量程只有500V，因此应分别测量副圈及的电压，然后相加得副圈总电压，即

3

V1V2

V

2

1

5

4

220V50Hz

测量允许的最大总误差为可以认为测量误差主要是由于电压表误差造成的，而且由于两次测量的电压基本相同，可根据式（2-50）等准确度分配原则分配误差，则

用引用相对误差为的电压表测量电压时，若电表的满刻度值为，则可能产生的最大绝对误差为，这个数值应不大于每个副圈分配到的测量误差，即要求

可见选用1.5V级的电压表能满足测量要求。(二)等作用分配等作用分配是指分配给各分项的误差在数值上虽然不一定相等，但它们对测量误差总合的作用或者说对总合的影响是相同的，即应分配给各分项的误差为（2-52）

（2-53）例

通过测电阻上的电压、电流值间接测电阻上消耗的功率。已测出电流为100mA，电压为3V，算出功率为300mW。若要求功率测量的系统误差不大于5%，随机误差的标准偏差不大于5mW，问电压和电流的测量误差多大时才能保证上述功率误差的要求。

解按题意功率测量允许的系统误差为按等作用分配原则，分配给电流测量的系统误差可由式（2-52）求出：

下面分配随机误差。由式（2-53）

（三）抓住主要误差项进行分配

当各分项误差中第K项误差特别大时可以只考虑主要项的影响，即

主要误差项也可以是若干项，这时可把误差在这几个主要误差项中分配。

三、最佳测量方案的选择

对于实际测量，我们通常希望测量的准确度越高即误差的总合越小越好。所谓测量的最佳方案，从误差的角度看就是要做到

例

测量电阻R消耗的功率时，可间接测量电阻值R、电阻上的电压V、流过电阻的电流I，然后采用不同的方案来计算功率。设电阻、电压、电流测量的相对误差分别为、、，问采用哪种测量方案较好？解间接测量电阻消耗的功率可采用三种方案，各种方案功率的相对误差如下：方案1：

方案2：

方案3：可见，在题中给定的各分项误差条件下，选择第一种方案，用测量电压和电流来计算功率比较合适。四、测量数据的处理

去粗取精、去伪存真（图表、曲线）（一）有效数字及数字的舍入规则1、有效数字数据计算时，对、e、等无理数取近似，规定误差不超过末位数字的一半。从左边第一个不为零的数字起，直到后面最后一个数字止，都叫作有效数字。例如375，123.8，3.10等等左边为零不是有效数字，306，3.860的0都是有效数

——两位有效数字。2、数字的舍入规则（1）当保留n位有效数字，若后面的数字小于第n为单位数字的0.5就舍掉；（2）当保留n位有效数字，若后面的数字大于第n位单位数字的0.5，则第n位数字进1；（3）当保留n位有效数字，若后面的数字恰为第n位单位数字的0.5，则第n位为偶数或零时舍掉，奇数时进1。

原因：第n位数字的偶、奇概率相等舍入误差互相抵消。

结论：小于5舍，大于5进，等于5时取偶数。例

将下列数字保留3位有效数字：

45.77，36.251，43.035，38050，47.15解将各数字列于箭头左面，保留的有效数字列于右面：45.77→45.8（因0.07＞0.05，所以末位进1）36.251→36.3（因0.051＞0.05，所以末位进1）43.035→43.0（因0.035＜0.05，，所以舍掉）38050→380×102（因第四位为5，第三位为零，所以舍掉）47.15→47.2（因第四位为5，第三位为奇数，因此第三位进1）3、测量结果的表示法一般测量的误差值只需取一位到两位数字测量值最低位与误差值最低位对齐例

已知某电阻的测量中没有确定性系统误差，系统不确定度为测量值的±1%，随机误差的影响可以忽略不计。若该电阻的30次测量值之和为1220Ω，写出该电阻的测量结果。

解求该电阻测量值的平均值由于随机误差的影响可以忽略不计，因此电阻的不确定度近似等于系统不确定度，求出它的数值并取两位数字用电阻平均值作为测量值，并且与误差的位数对齐，后面的数字进行舍入处理

最后给出测量结果第三节加权平均与回归分析

一、非等权测量与加权平均等精度——测量条件相同、精度相同非等精度——测量条件不同、精度不同例在相同条件下测量某一电压值，一组测了100次取平均值，另一组测了2次取平均值，虽然这102次测量条件都相同，相同，但非等精度（一）测量结果的权

设，非等精度，精度高的结果更可靠，给予更大重视用表示第j个结果受到的重视程度则：—第j次测量值的“权”

定义：为任意常数结论：精度越高，越小，越大，重视程度越高。

当=1即为单位权时，是单位权的方差。在非等精度测量时（n为整数）

无影响

（二）加权平均对x进行m次非等精度测量有：

不适用，原因：非等精度方法：第j次测量值（非等精度）、权为把看成次等精度测量的平均值例的权为看成：—3次等精度测量平均值—5次等精度测量平均值—2次等精度测量平均值每次：则三组：

等精度为：

结论：

m次非等精度测量等效为次等精度测量，等效为次等精度测量的平均值，等效于n次等精度测量值之和即：（2-59）

等效于次等精度测量值的和，等效于全部等精度测量值的和，

等效于全部等精度测量的次数。例23

已知X的三个非等精度测量值分别为，它们的权分别为3、5、2，求X的估计值解

结论

（1）

（2）

（三）加权平均值的方差∵——权的次数（等精度次数），即（j=1~n）单位权方差（等精度方差）

或结论：已知非等精度方差，可以求出非等精度加权平均值的方差。例：用两种方法测量某电压。第一种方法测得，测量值的标准偏差；第二种方法测得，测量值的标准偏差。求该电压的估计值及其标准偏差。

解取λ=1，则两种测量值的权为

则电压的估计值可由式求出由可求出电压估计值的方差则

二、最小二乘法与回归分析（一）最大似然估计设被测量X的概率分布密度为，其中为需要估计的参数。若对X有n个独立测量数据，其中的概率分布密度为，则n次测量值恰为的概率分布密度，为若L最大，则n次测量值恰为最可能发生这种估计——最大似然估计

L——最大似然函数（二）最小二乘原理

——常数由测量数据确定例

两次测量：解出

y的实测值与理论值有误差随机误差，此时不能用联立方程解出等n个未知参数

——实测值——理论值设第j次测量的服从正态分布m次测量值的随机误差恰好等于的概率密度为

j=1~m的集合交或积

集合交（积）变成求和根据最大似然估计原理，要求lnL最大，即全式同乘2λ后，亦要求：

最大似然估计中所用的残差实际上：残差

结论：残差服从正态分布的情况下，残差平方的加权和为最小时，满足最大似然估计条件。同时应把满足这个条件的各参数值作为该参数的估计值。yj

xyyvj

yj

例

对