《測量方法及誤差》課件

《測量方法及誤差》測量的基本概念定義測量是指利用測量儀器和方法，對被測對象的物理量進(jìn)行比較的過程，從而獲得被測量的數(shù)值。目的測量是為了獲得被測量的真實值，并確定其不確定度，以便對被測對象進(jìn)行科學(xué)的分析和判斷。要素測量包括測量對象、測量方法、測量儀器、測量人員等要素。測量與誤差的關(guān)系密不可分測量過程不可避免地伴隨著誤差的產(chǎn)生。誤差是測量結(jié)果與真實值之間的差異，它反映了測量過程的準(zhǔn)確性和可靠性。相互制約誤差的存在影響著測量結(jié)果的準(zhǔn)確度，而對誤差的分析和控制則是提高測量精度的關(guān)鍵。相互影響測量方法的選擇、儀器的精度、環(huán)境因素等都會影響誤差的大小，而誤差的分析結(jié)果則可以幫助我們選擇更合適的測量方法和儀器。測量精度、準(zhǔn)確度和分辨率精度表示測量值與真值的接近程度。準(zhǔn)確度表示測量結(jié)果的可靠程度。分辨率表示測量儀器能夠區(qū)分的最小值。測量方法的選擇測量目的確定測量目的，例如測量長度、溫度、重量等。測量精度要求根據(jù)測量目的確定所需的測量精度。測量對象特性了解測量對象的特性，例如尺寸、材料、狀態(tài)等?？尚行栽u估可用的測量方法和儀器是否適合測量對象。直接測量方法直接測量方法是指用測量儀器直接對被測量的物理量進(jìn)行測量。例如：用尺子測量長度，用天平測量質(zhì)量，用溫度計測量溫度等。直接測量方法的特點(diǎn)是簡單直觀，但測量精度受測量儀器本身精度的限制。間接測量方法間接測量通過測量與待測物理量有關(guān)的其他物理量，然后根據(jù)已知的物理關(guān)系式間接計算出待測物理量的測量方法。優(yōu)點(diǎn)可以測量無法直接測量的物理量，提高測量精度。例子測量物體的密度、體積、質(zhì)量等。比較測量方法直接比較法將被測量的物理量與標(biāo)準(zhǔn)量直接進(jìn)行比較，例如使用游標(biāo)卡尺測量長度。差值比較法測量兩個物理量之間的差值，例如使用溫度計測量溫度差。比例比較法測量兩個物理量之間的比例，例如使用天平測量物體的質(zhì)量。測量系統(tǒng)的組成測量系統(tǒng)通常由以下幾個部分組成：傳感器：用來接收被測量的物理量，并將其轉(zhuǎn)換成可測量的電信號。信號調(diào)理電路：用來對傳感器輸出的信號進(jìn)行放大、濾波、轉(zhuǎn)換等處理，使其適合于后續(xù)的測量和顯示。測量儀表：用來顯示測量結(jié)果，并可以進(jìn)行一些輔助功能，例如數(shù)據(jù)記錄、存儲、分析等。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：用來對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、存儲等，并可以生成報表等。測量傳感器的基本特性1靈敏度傳感器對被測量的變化做出響應(yīng)的能力。2線性度傳感器的輸出與輸入之間的線性關(guān)系。3重復(fù)性傳感器在相同條件下重復(fù)測量時輸出的穩(wěn)定性。4穩(wěn)定性傳感器在一段時間內(nèi)保持其性能的能力。測量儀表的基本特性量程儀表所能測量的最大值和最小值之間的范圍。準(zhǔn)確度儀表測量值與真實值之間的接近程度。靈敏度儀表對被測量的微小變化的響應(yīng)程度。響應(yīng)速度儀表對被測量的變化做出反應(yīng)所需的時間。確定測量結(jié)果的不確定度1不確定度測量結(jié)果的可靠程度2誤差測量值與真值之差3測量方法選擇合適的測量方法測量結(jié)果的不確定度是反映測量結(jié)果可靠程度的重要指標(biāo)。它表示測量結(jié)果可能偏離真值的范圍，并用標(biāo)準(zhǔn)差或置信區(qū)間來表示。測量誤差的類型系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差是指在測量過程中，由于儀器本身的缺陷、測量方法的不完善、環(huán)境條件的變化等因素引起的誤差，它具有固定方向和大小的特點(diǎn)，是可重復(fù)的誤差。隨機(jī)誤差隨機(jī)誤差是指在測量過程中，由于偶然因素引起的誤差，它具有隨機(jī)性、不可預(yù)知性、不可重復(fù)性等特點(diǎn)。粗大誤差粗大誤差是指在測量過程中，由于操作者的失誤、儀器故障、環(huán)境條件的突變等因素引起的誤差，它與系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差不同，通常比系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差大得多，而且很容易識別。系統(tǒng)誤差的來源及處理方法1儀器誤差儀器本身的缺陷或老化2方法誤差測量方法選擇不當(dāng)3環(huán)境誤差溫度、濕度等環(huán)境因素的影響4操作誤差操作人員的疏忽或錯誤系統(tǒng)誤差是測量過程中由于某種特定原因而導(dǎo)致的偏差，其大小和方向相對固定。系統(tǒng)誤差可以通過認(rèn)真分析測量過程，找出誤差的來源，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行消除或校正。隨機(jī)誤差的特點(diǎn)及處理方法1不可預(yù)知隨機(jī)誤差的出現(xiàn)無法準(zhǔn)確預(yù)測。2正負(fù)不定隨機(jī)誤差在測量過程中呈現(xiàn)正負(fù)交替出現(xiàn)。3服從統(tǒng)計規(guī)律隨機(jī)誤差的分布通常符合正態(tài)分布，可以通過統(tǒng)計方法進(jìn)行分析處理。粗大誤差的判斷及處理方法1判斷顯著偏離其他測量值2來源操作失誤、儀器故障3處理剔除或重新測量測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理1平均值反映數(shù)據(jù)集中趨勢。2方差描述數(shù)據(jù)離散程度。3標(biāo)準(zhǔn)差衡量數(shù)據(jù)偏離平均值的程度。4置信區(qū)間估計總體參數(shù)的范圍。測量結(jié)果的表示方法科學(xué)記數(shù)法簡潔地表示非常大或非常小的數(shù)字，方便閱讀和運(yùn)算。有效數(shù)字反映測量結(jié)果的精度，保留所有可靠的數(shù)字和一位不確定的數(shù)字。不確定度表示測量結(jié)果的不確定性范圍，通常用±符號表示。測量不確定度的評定1定義測量結(jié)果的離散程度，反映測量值與真值之間的差異2重要性評價測量結(jié)果可靠性，指導(dǎo)科學(xué)決策3方法標(biāo)準(zhǔn)不確定度、擴(kuò)展不確定度一次測量不確定度的計算確定標(biāo)準(zhǔn)偏差根據(jù)測量結(jié)果的分布特征，確定標(biāo)準(zhǔn)偏差。確定置信水平一般情況下，置信水平取為95%，對應(yīng)于k=1.96。計算不確定度一次測量不確定度等于標(biāo)準(zhǔn)偏差乘以置信水平系數(shù)。重復(fù)測量不確定度的計算1重復(fù)測量在相同條件下，對被測對象進(jìn)行多次測量。2平均值計算所有測量值的平均值。3標(biāo)準(zhǔn)差計算測量值與平均值之間的偏差的標(biāo)準(zhǔn)差。4不確定度標(biāo)準(zhǔn)差乘以一個系數(shù)，系數(shù)與置信水平相關(guān)。間接測量不確定度的計算公式法根據(jù)測量量與被測量之間的函數(shù)關(guān)系，利用公式法計算間接測量不確定度，并結(jié)合各測量量的不確定度進(jìn)行合成。數(shù)值法使用數(shù)值模擬方法，通過多次隨機(jī)抽取測量量的不確定度值，模擬計算被測量的不確定度。敏感系數(shù)法利用敏感系數(shù)法計算間接測量不確定度，該方法適用于復(fù)雜函數(shù)關(guān)系的間接測量。標(biāo)準(zhǔn)不確定度的傳遞1輸出量不確定度由輸入量的不確定度傳遞得到2輸入量不確定度通過測量或其他方法獲得3敏感系數(shù)反映輸入量對輸出量的影響合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計算1平方和根方法獨(dú)立變量貢獻(xiàn)的平方和根2相關(guān)性影響相關(guān)變量之間的關(guān)系3合成不確定度綜合考慮所有因素的影響擴(kuò)展不確定度的計算1擴(kuò)展系數(shù)擴(kuò)展系數(shù)k用于將標(biāo)準(zhǔn)不確定度擴(kuò)展到擴(kuò)展不確定度。2置信水平置信水平表示擴(kuò)展不確定度覆蓋真值的概率。3擴(kuò)展不確定度擴(kuò)展不確定度是標(biāo)準(zhǔn)不確定度的k倍，用于表示測量結(jié)果的總體不確定性。測量結(jié)果的表示及表達(dá)1數(shù)值測量結(jié)果通常用數(shù)值表示，包括測量值和不確定度。2單位測量結(jié)果應(yīng)附帶相應(yīng)的單位，以明確表示測量值的物理意義。3不確定度測量結(jié)果的不確定度用標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度表示。測量結(jié)果的應(yīng)用科學(xué)研究測量結(jié)果是科學(xué)研究的基礎(chǔ)，用于驗證理論、建立模型和分析數(shù)據(jù)。工業(yè)生產(chǎn)測量結(jié)果用于控制產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率和降低成本。工程設(shè)計測量結(jié)果用于優(yōu)化設(shè)計方案、預(yù)測產(chǎn)品性能和評估安全風(fēng)險。測量過程與測量質(zhì)量控制1測量過程的質(zhì)量控制確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性和可重復(fù)性。2測量設(shè)備的校準(zhǔn)和維護(hù)定期校準(zhǔn)測量儀器，確保其符合標(biāo)準(zhǔn)。3測量人員的技能和經(jīng)驗訓(xùn)練有素的測量人員，確保他們正確操作測量儀器并進(jìn)行記錄。4測量環(huán)境的控制控制溫度、濕度、光照等環(huán)境因素，避免其對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。測量過程的質(zhì)量控制至關(guān)重要，它可以有效地提高測量結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。通過控制測量設(shè)備、人員、環(huán)境等關(guān)鍵因素，可以降低測量誤差，提高測量結(jié)果的置信度。同時，建立科學(xué)的質(zhì)量控制體系，可以有效地降低測量成本，提高測量效率。測量標(biāo)準(zhǔn)和溯源體系標(biāo)準(zhǔn)化測量標(biāo)準(zhǔn)為測量結(jié)果提供統(tǒng)一的參考依據(jù)，確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可比性。溯源體系溯源體系將測量結(jié)果追溯到國家或國際標(biāo)準(zhǔn)，保證測量結(jié)果的可靠性和可信度。質(zhì)量控