建筑环境测试技术 2 测量误差和测量不确定度2017

2测量误差和测量不确定度测量误差概述随机误差的分析和处理系统误差的分析与处理间接测量的误差传递与分配误差的合成测量不确定度测量数据的处理最小二乘法22.1测量误差一般由国家设立各种尽可能维持不变的实物标准（或基准），以法令的形式指定其所体现的量值作为计量单位的指定值。国际间通过互相比对保持一定程度的一致。1）真值（理论真值）A0国家通过一系列的各级实物计量标准构成量值传递网，把国家基准所体现的计量单位逐级比较传递到日常工作仪表或量具上去。在每一级的比较中，都以上一级标准所体现的值当作准确无误的值，通常称为实际值（相对真值）。2.1.1误差的定义一个物理量在一定条件下所呈现的客观大小或真实数值2）指定值（约定真值）As3）实际值（相对真值）A由测量器具指示的被测量量值称为测量器具的示值，也称为测量器具的测得值或测量值，它包括数值和单位。

4）标称值测量仪器的测得值与被测量真值之间的差异。测量器具上标定的数值。

5）示值

6）测量误差2.1测量误差2.1.1误差的定义2.1.2误差的表示方法说明：（1）绝对误差有符号、有单位。（2）绝对误差体现了测量值与被测量实际值间的偏离程度和偏离方向，但仅用绝对误差通常不足以说明测量的质量。（3）修正值与绝对误差的绝对值相等，而符号相反，一般用符号c

表示。测量仪器的修正值，可通过检定，由上一级标准给出。

绝对误差x=x–x0测得值真值相对误差绝对误差与约定值的百分比，通常有三种表示方式：实际相对误差：

绝对误差除以被测量的真值

示值相对误差：绝对误差除以被测量的示值引用误差：

测量仪器量程内的最大绝对误差与测量仪器量程的百分比2.1.2误差的表示方法例1，一台测量范围为0~1100℃相对误差为1%F.S的测温仪表，比较其测量1000℃和550℃时的相对误差。测量1000℃时，相对误差为±11/1000×100%=1.1%，测量550℃时，相对误差为±2%。因此仪表应该在接近测量范围上限工作时测量效果好。例2，质量G1=50g，误差1=2g；质量G2=2kg，误差2=50g

1=100%=100%=4%1G1G1的相对误差为250

2=100%=100%=2.5%G2G2的相对误差为5020002---G2的测量效果较好例3，要测量90℃的温度，现有0.5级、测量范围为0~300℃和1.0级、测量范围为0~100℃的两种温度计，试分析各自产生的示值误差。解：对0.5级温度计，可能产生的最大绝对误差认为该量程内可能产生的绝对误差：因此，示值相对误差：℃℃同理可算出1.0级温度计可能产生的绝对误差和示值相对误差：℃2.1.3测量误差的来源仪器测量人员使用环境方法误差材料性能和制造技术、动力源的变化、器件特性变化人员视觉、读数误差、经验、熟练程度、精神方面原因（疲劳）测量环境条件（温度、湿度、气压等）差异测量方法、采样方法、测量重复次数、取样时间不合理2.1.4误差分类①系统误差按误差的基本性质和特点，误差可分为：②随机误差③粗大误差系统误差示意图

在相同的条件下，对同一物理量进行多次测量，如果误差按照一定规律出现，则把这种误差称为系统误差，简称系差。1为定值系差，2为线性系统误差，3为周期系统误差，4为按复杂规律变化的系统误差。由特定原因引起、具有一定因果关系并按确定规律产生。对某一物理量进行多次重复测量时，若误差出现的大小和符号均以不可预知的方式变化，则该误差为随机误差(randomerror)。单次测量偶然性（不明确、无规律）测量次数足够大时，其总体服从统计学规律，多数情况下接近正态分布，具有以下特点：（1）有界性；（2）对称性；（3）单峰性。②随机误差N(t)Ax在一定的测量条件下，测得值明显地偏离实际值所形成的误差称为粗大误差，也称为疏失误差、异常误差，简称粗差。③粗大误差含有粗差的测得值称为坏值，应当剔除不用，因为坏值不能反映被测量的真实数值。N(t)AxN(t)AxN(t)AxN(t)Ax只有随机误差累进系统误差恒定系统误差周期性系统误差前述三类误差的划分具有相对性，某些情况可互相转化。例如，较大的系统误差或随机误差可视为粗大误差；当电磁干扰引起的误差数值较小时，可按随机误差处理，而当其影响较大又有规律可循时，可按系统误差引入修正值的办法处理。系统误差和随机误差一般都同时存在：（1）系统误差远大于随机误差时，可忽略随机误差；（2）系差极小或已得到修正，可按随机误差处理；（3）系差和随机误差相差不远，两者均不可忽略。

基本误差：仪表在规定的正常工作的条件下（例如电源电压

和频率、环境温度和湿度等）所具有的误差。通

常在正常工作条件下的示值误差就是指基本误差。

仪表的精确度等级通常是由基本误差所决定。按误差来源：装置误差、环境误差、方法误差、人员误差按掌握程度：已知误差、未知误差按变化速度：静态误差、动态误差按仪表工作条件分附加误差：仪表偏离规定的正常工作条件时所产生的与偏离

量有关的误差。其它分类方法2.2随机误差的分析和处理正态分布（高斯分布）---大多数检测系统N次测量结果---xi(i=1,2,…,N)

2.2.1随机误差的分布特性对称性、有界性、单峰性σ—标准偏差；a—被测量的真值；e—随机误差，e＝x－a；

h---

精密度指数。正态分布概率分布：-KK-3σ-2σ–σ0σ2σ3σf(x-a)x-a2.2.2随机误差的工程计算1）测量真值的估计算术平均值：同一被测量n次测量xi（i=1，2，…，n）---样本数学期望：估计真值x0x2）残余误差所得到的误差称为残余误差：利用算术平均值

代替真值

残余误差的代数和为零残余误差的性质：3）方差与标准差

方差：

标准差（标准偏差）：

有限次测量时标准差的最佳估计，利用贝赛尔公式：

实验标准偏差S4）算术平均值的标准差算术平均值的标准偏差样本平均的标准偏差

---单次测量标准偏差的多次测量提高精密度①介于（－σ，+σ）的概率：

②介于（－2σ，+2σ）的概率：③介于（－3σ，+3σ）的概率：

在这以外的情况很难发生

5）极限误差定义3σ为极限误差，或称最大误差，也称随机不确定度。残差大于极限误差的测得值判为坏值。（莱特准则）5）极限误差①莱特准则（3

准则）②肖维勒准则③格拉布斯准则测量值Xd的剩余误差的绝对值|Pd|>3---坏值---剔除测量值Xd

的剩余误差的绝对值|Pd|>n---坏值---剔除n---肖维勒系数（查表确定）测量值Xd的剩余误差的绝对值|Pd|>(,n)

---坏值---剔除(,n)---查表确定计算算术平均值x剩余误差均方误差剔除坏值6）粗大误差的识别2.3系统误差的分析与处理1)定值系统误差它指在整个测量过程中误差符号(方向)和数值大小均恒定不变。2.3.1系统误差的特性

2)变值系统误差它是一种按照一定的规律变化的系统误差。①累积系统误差②周期系统误差

③复杂系统误差

2.3.2系统误差的发现和判断1）理论分析法对测量方法进行定性定量分析例：内阻不高的电压表测高内阻电源电压2）校准和比对法用准确度更高地测量仪器进行重复测量3）改变测量条件法更换测量人员、测量环境、测量方法4）剩余误差观察法降剩余误差绘制成曲线N(t)AxN(t)AxN(t)Ax例：等臂天平称重---左右两臂长的微小差别---恒值系统误差在测量条件不变的情况下，用一标准已知量去替代待测量一、换位法/替代法被测物---X；平衡物---T；砝码---PT与X平衡测量结果P与T平衡

换位/替代法2.3.3系统误差的消弱与消除二、零示法把待测量与已知标准量相比较，当两者的效应相互抵消时，零示器示值为零例：惠斯登电桥测电阻:Rx=R1*R3/R2

电位差计：Ux=Es*R2/Rs三、差分法被测量对传感器起差动作用干扰因素起相同作用---被测量的作用相加---干扰的作用相减抑制干扰提高灵敏度作用：传感器1传感器2x-x+-2x

（1）直流零位首先测量短路时的直流电压，并存储，实际测量中，以实际测得值减直流零电压为测量结果四、智能仪器中系统误差的消除智能仪器是用以形容新一代的测量仪器，含有微处理器、单片计算机或体积很小的微型机，有时亦称为内含微处理器的仪器或基于微型机的仪器。

（2）自动校准

当开关K接于Ux时：

令，P=(R1+R2)/R2：

同理，K接Us和地时：由以上三式可得：

运算放大器的自动校准原理图

1）利用修正值或修正因数仪器检定书中给出的校正曲线、校正数据、校正公式2）随机化处理多台仪器测量取平均五、消弱系统误差的其他方法2.4.1误差传递已知y=f(x1，x2，…，xm

)，xi的误差Δxi，则

y的误差:称为各各直接测量值误差的传递函数间接测量量的标准偏差为：直接测量量相互独立，互不相关时：2.4间接测量的误差传递与分配2.4.2误差的分配等作用原则认为：设间接测量量y与各直接测量量之间的关系为：

y=f(x1，x2，…，xm

)间接测量量的标准误差为：因此：还可以用极限误差表示：例：某电功率的测量，按功率公式，测得电压U=110V，电阻R=10Ω，直接测量误差ΔU=±1.1V，ΔR=±0.1Ω，求功率P的测量误差。解：按间接测量的误差传递公式：按间接测量相对误差传递公式：例：设计测量电阻功率消耗方案。设电阻、电压、电流测量的相对误差分别为rR=±1.0%，rU=±2.0%，rI=±2.5%，问哪种测量方案好？解：2.5误差的合成随机误差的合成k个彼此独立的随机误差，其合成后误差的标准差为:极限误差合成:测量误差来源于多方面，其准确度用总误差来度量，由多个不同类型的单项误差求测量中总误差是误差合成问题。例：有一测温点，采用K型热电偶，基本误差σ1=±4℃；补偿导线，基本误差σ2=±4℃；采用电子电位差计，基本误差σ3=±6℃；附加误差σ4=±6℃，计算测温系统的误差是多少？例：某测量系统由测量元件、变送器和指示仪表组成，要求系统的允许为±1%，选用精度分别为0.1级、0.5级、1级的测量元件、变送器和指示仪表能否满足要求？请说明？指示仪表精度改为：0.5级系统误差的合成1、代数合成法：符号确定2、绝对值合成法（q<10）：3、方和根合成法（q>10）：符号不确定随机误差与系统误差的合成k个独立的随机误差合成：m个确定的系统误差合成：q个不确定的系统误差合成：测量结果的

合成误差为：例：使用弹簧压力表测量某给水管路中的压力，试计算系统误差。已知压力表的准确度等级为0.5级，量程为0~600kPa，表盘刻度分度值为2kPa，压力表位置高出管道h（h=0.05m）。测量时压力表指示300kPa。读数时指针来回摆动一格。压力表使用条件基本符合要求，但环境温度偏离标准值（20oC），当时环境温度为30oC，每偏离1oC造成的附加误差为仪表基本误差的4%。解：仪表基本误差：环境温度造成的误差：测压点造成的误差：读数误差：按绝对值合成法：按方和根合成法：2.6测量不确定度2.6.1不确定度的产生背景－u＋uｘ－uｘ＋u测量结果ｘ０Ｘ1953年，Y.Beers在《误差理论导引》一书中指出：当我们给出实验误差为±9×10-10时，它实际上是估计的实验不确定度。1963年,美国国家标准局(NBS)爱森哈特（Eisenhart）提出了定量表示不确定度的建议。测量结果ｘ±u－u＋uｘ－uｘ＋u测量结果ｘ０Ｘ测量结果ｘ±u1953年，Y.Beers在《误差理论导引》一书中指出：当我们给出实验误差为±9×10-10时，它实际上是估计的实验不确定度。1963年,美国国家标准局(NBS)爱森哈特（Eisenhart）提出了定量表示不确定度的建议。1978年5月，国际计量局向32个国家计量实验室和5个国际组织发出不确定度表述的征求意见书。同年年底收到了21个国家实验室的复函。1980年10月，国际计量局根据国际计量委员会的要求，召集并成立了不确定度表述工作组，起草了建议书INC-1(1980)《实验不确定度表示》，并提交国际计量委员会讨论通过。1986年10月，国际计量委员会会议进一步考虑了修改意见，通过建新议书INC-1(1986)，并决定推广应用。1993年，工作组完成文件制订：测量不确定度表示指南ISO：1993（E），ＧＵＭ。1995年勘误后再版。2.6测量不确定度2.6.1不确定度的产生背景2.6测量不确定度2.6.1不确定度的产生背景1991年，中国制订了JJG（中华人民共和国计量检定规程）1027－91《测量误差及数据处理（试行）》。1999年，中国制订了JJF（中华人民共和国计量技术规范）1059－99《测量不确定度评定与表示》。2012年，中国制订了JJF（中华人民共和国计量技术规范）1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》。2.6.2不确定度的定义根据所获信息，表征赋予被测量值分散性的非负参数。

——《测量不确定度评定与表示JJF1059.1-2012》——《测量不确定度表示指南(GUM)》表征合理地赋予被测量之值的分散性，与测量结果相联系的参数。测量不确定度标准不确定度以标准偏差表示的测量不确定度。扩展不确定度标准不确定度与一个大于1的数字因子的乘积。测量误差测量不确定度测量结果减去被测量的真值，是具有正负号的量值用标准偏差或其倍数的半宽度（置信区间）表示，并需要说明置信概率。无符号参数（取正号）表明测量结果偏离真值说明合理赋予被测量之值（最佳估值）的分散性客观存在，不以人的认识程度而改变与评定人员对被测量、影响量及测量过程的认识密切相关可利用系统误差对测量结果进行修正不能用来修正测量结果测量误差与测量不确定度2.6.3不确定度的评定评定步骤yx1x2......xny=f(x1,x2,......,xn)ux1,ux2,......,uxnuyU=kuy标准不确定度评定方法包含概率：57.5%

A类评定：统计分析包含概率：68.3%B类评定：基于经验或其它信息可能值区间的半宽度置信因子或包含因子对与均匀分布：标准不确定度的自由度

A类评定：统计分析B类评定：基于经验或其它信息u的标准差测量模型：y=f(x1,x2,......,xn)ux1,ux2,......,uxn输入量标准不确定度：则，y的合成标准不确定度：输入量不相关时，标准不确定度分量标准不确定度的合成传播系数自由度的合成合成标准不确定度的标准差：因此，自由度的合成合成标准不确定度的标准差：因此，又，因此，扩展不确定度计算扩展不确定度：包含因子：测量结果表示：2.7测量数据的处理数据有效数字---左边第一个不为零的数字起到右端最后一个数字止，都叫有效数字；

如：测量结果l=4.2958mm，极限误差lim=0.00005mml=1000.0mm测量数据的最后一位数一般为估读数，极限误差为最后位的半个单位；2.7.1有效数字的处理l=1.0ml=1m有效数字定义加减运算---小数点后位数最少的数据运算规则乘除运算---有效数字位数最少的数据4.286+1.32-0.4563=5.14975.15462.8×0.641.22=242.780332.4×102舍入规则---“四舍六入五凑双”一般数据精度数据（标准差、极限误差）---“只入不舍”

如：极限误差0.220.3（一位有效数字）2.7.2等精度测量结果的数据处理①在测量前尽可能消除系统误差，将数据列表；⑥判断是否有疏失误差，如有要抛弃，从②开始重新计算；⑦判断是否有不可忽略的系统误差，如有要减弱，重新计算；⑧计算算术平均值的均方根误差⑤计算列于旁边，用贝塞尔公式计算均方根误差；⑨写出测量结果的表达式②计算测量结果的算术平均值；③计算残余误差，列于表中；④检查的条件是否满足；例对某物体温度进行15次等精度测量，测量结果列于下表，求取这一物体温度的测量结果。序号测量值xi1154.202154.303154.004154.305154.206154.307153.908153.009154.0010154.3011154.2012154.1013153.9014153.9015154.00解：

①列出测量数据列表；②计算测量结果的算术平均值；X=154.06(X=154.16)③计算残余误差列于表中；序号测量值xi1154.202154.303154.004154.305154.206154.307153.908153.009154.0010154.3011154.2012154.1013153.9014153.9015154.00X=154.06(X=154.16)残余误差vi+0.14(+0.04)+0.24(+0.14)-0.06(-0.16)+0.24(+0.14)+0.14(+0.04)+0.24(+0.14)-0.16(-0.26)-1.06()-0.06(-0.16)+0.24(+0.14)+0.14(+0.04)+0.04(-0.06)-0.16(-0.26)-0.16(-0.26)-0.06(-0.16)④检查；⑤计算；v20.0196(0.0016)0.0576(0.0196)0.036(0.0256)0.0576(0.0196)0.0196(0.0016)0.0576(0.0196)0.0256(0.0676)1.12360.036(0.0256)0.0576(0.0196)0.0196(0.0016)0.0016(0.0036)0.0256(0.0676)0.0256(0.0676)0.036(0.0256)用贝塞尔公式计算均方根误差；用莱依特准则判断：⑥判断是否有疏失误差：序号测量值xi1154.202154.303154.004154.305154.206154.307153.908153.009154.0010154.3011154.2012154.1013153.9014153.9015154.00X=154.06(X=154.16)残余误差vi+0.14(+0.04)+0.24(+0.14)-0.06(-0.16)+0.24(+0.14)+0.14(+0.04)+0.24(+0.14)-0.16(-0.26)-1.06()-0.06(-0.16)+0.24(+0.14)+0.14(+0.04)+0.04(-0.06)-0.16(-0.26)-0.16(-0.26)-0.06(-0.16)v20.0196(0.0016)0.0576(0.0196)0.036(0.0256)0.0576(0.0196)0.0196(0.0016)0.0576(0.0196)0.0256(0.0676)1.12360.036(0.0256)0.0576(0.0196)0.0196(0.0016)0.0016(0.0036)0.0256(0.0676)0.0256(0.0676)0.036(0.0256)⑦检查测量数据中是否含有系统误差，方法很多用莱依特准则判断：内含有粗大误差，应剔除x8内含有粗大误差，剔除后再计算得到：剔除x8后的14个数据中不含有粗大误差，⑥判断是否有疏失误差：序号测量值xi残余误差viv21154.20+0.14(+0.