《测量方法及误差》课件

《测量方法及误差》测量的基本概念定义测量是指利用测量仪器和方法，对被测对象的物理量进行比较的过程，从而获得被测量的数值。目的测量是为了获得被测量的真实值，并确定其不确定度，以便对被测对象进行科学的分析和判断。要素测量包括测量对象、测量方法、测量仪器、测量人员等要素。测量与误差的关系密不可分测量过程不可避免地伴随着误差的产生。误差是测量结果与真实值之间的差异，它反映了测量过程的准确性和可靠性。相互制约误差的存在影响着测量结果的准确度，而对误差的分析和控制则是提高测量精度的关键。相互影响测量方法的选择、仪器的精度、环境因素等都会影响误差的大小，而误差的分析结果则可以帮助我们选择更合适的测量方法和仪器。测量精度、准确度和分辨率精度表示测量值与真值的接近程度。准确度表示测量结果的可靠程度。分辨率表示测量仪器能够区分的最小值。测量方法的选择测量目的确定测量目的，例如测量长度、温度、重量等。测量精度要求根据测量目的确定所需的测量精度。测量对象特性了解测量对象的特性，例如尺寸、材料、状态等。可行性评估可用的测量方法和仪器是否适合测量对象。直接测量方法直接测量方法是指用测量仪器直接对被测量的物理量进行测量。例如：用尺子测量长度，用天平测量质量，用温度计测量温度等。直接测量方法的特点是简单直观，但测量精度受测量仪器本身精度的限制。间接测量方法间接测量通过测量与待测物理量有关的其他物理量，然后根据已知的物理关系式间接计算出待测物理量的测量方法。优点可以测量无法直接测量的物理量，提高测量精度。例子测量物体的密度、体积、质量等。比较测量方法直接比较法将被测量的物理量与标准量直接进行比较，例如使用游标卡尺测量长度。差值比较法测量两个物理量之间的差值，例如使用温度计测量温度差。比例比较法测量两个物理量之间的比例，例如使用天平测量物体的质量。测量系统的组成测量系统通常由以下几个部分组成：传感器：用来接收被测量的物理量，并将其转换成可测量的电信号。信号调理电路：用来对传感器输出的信号进行放大、滤波、转换等处理，使其适合于后续的测量和显示。测量仪表：用来显示测量结果，并可以进行一些辅助功能，例如数据记录、存储、分析等。数据处理系统：用来对测量数据进行分析、处理、存储等，并可以生成报表等。测量传感器的基本特性1灵敏度传感器对被测量的变化做出响应的能力。2线性度传感器的输出与输入之间的线性关系。3重复性传感器在相同条件下重复测量时输出的稳定性。4稳定性传感器在一段时间内保持其性能的能力。测量仪表的基本特性量程仪表所能测量的最大值和最小值之间的范围。准确度仪表测量值与真实值之间的接近程度。灵敏度仪表对被测量的微小变化的响应程度。响应速度仪表对被测量的变化做出反应所需的时间。确定测量结果的不确定度1不确定度测量结果的可靠程度2误差测量值与真值之差3测量方法选择合适的测量方法测量结果的不确定度是反映测量结果可靠程度的重要指标。它表示测量结果可能偏离真值的范围，并用标准差或置信区间来表示。测量误差的类型系统误差系统误差是指在测量过程中，由于仪器本身的缺陷、测量方法的不完善、环境条件的变化等因素引起的误差，它具有固定方向和大小的特点，是可重复的误差。随机误差随机误差是指在测量过程中，由于偶然因素引起的误差，它具有随机性、不可预知性、不可重复性等特点。粗大误差粗大误差是指在测量过程中，由于操作者的失误、仪器故障、环境条件的突变等因素引起的误差，它与系统误差和随机误差不同，通常比系统误差和随机误差大得多，而且很容易识别。系统误差的来源及处理方法1仪器误差仪器本身的缺陷或老化2方法误差测量方法选择不当3环境误差温度、湿度等环境因素的影响4操作误差操作人员的疏忽或错误系统误差是测量过程中由于某种特定原因而导致的偏差，其大小和方向相对固定。系统误差可以通过认真分析测量过程，找出误差的来源，并采取相应的措施进行消除或校正。随机误差的特点及处理方法1不可预知随机误差的出现无法准确预测。2正负不定随机误差在测量过程中呈现正负交替出现。3服从统计规律随机误差的分布通常符合正态分布，可以通过统计方法进行分析处理。粗大误差的判断及处理方法1判断显著偏离其他测量值2来源操作失误、仪器故障3处理剔除或重新测量测量数据的统计处理1平均值反映数据集中趋势。2方差描述数据离散程度。3标准差衡量数据偏离平均值的程度。4置信区间估计总体参数的范围。测量结果的表示方法科学记数法简洁地表示非常大或非常小的数字，方便阅读和运算。有效数字反映测量结果的精度，保留所有可靠的数字和一位不确定的数字。不确定度表示测量结果的不确定性范围，通常用±符号表示。测量不确定度的评定1定义测量结果的离散程度，反映测量值与真值之间的差异2重要性评价测量结果可靠性，指导科学决策3方法标准不确定度、扩展不确定度一次测量不确定度的计算确定标准偏差根据测量结果的分布特征，确定标准偏差。确定置信水平一般情况下，置信水平取为95%，对应于k=1.96。计算不确定度一次测量不确定度等于标准偏差乘以置信水平系数。重复测量不确定度的计算1重复测量在相同条件下，对被测对象进行多次测量。2平均值计算所有测量值的平均值。3标准差计算测量值与平均值之间的偏差的标准差。4不确定度标准差乘以一个系数，系数与置信水平相关。间接测量不确定度的计算公式法根据测量量与被测量之间的函数关系，利用公式法计算间接测量不确定度，并结合各测量量的不确定度进行合成。数值法使用数值模拟方法，通过多次随机抽取测量量的不确定度值，模拟计算被测量的不确定度。敏感系数法利用敏感系数法计算间接测量不确定度，该方法适用于复杂函数关系的间接测量。标准不确定度的传递1输出量不确定度由输入量的不确定度传递得到2输入量不确定度通过测量或其他方法获得3敏感系数反映输入量对输出量的影响合成标准不确定度的计算1平方和根方法独立变量贡献的平方和根2相关性影响相关变量之间的关系3合成不确定度综合考虑所有因素的影响扩展不确定度的计算1扩展系数扩展系数k用于将标准不确定度扩展到扩展不确定度。2置信水平置信水平表示扩展不确定度覆盖真值的概率。3扩展不确定度扩展不确定度是标准不确定度的k倍，用于表示测量结果的总体不确定性。测量结果的表示及表达1数值测量结果通常用数值表示，包括测量值和不确定度。2单位测量结果应附带相应的单位，以明确表示测量值的物理意义。3不确定度测量结果的不确定度用标准不确定度和扩展不确定度表示。测量结果的应用科学研究测量结果是科学研究的基础，用于验证理论、建立模型和分析数据。工业生产测量结果用于控制产品质量、提高生产效率和降低成本。工程设计测量结果用于优化设计方案、预测产品性能和评估安全风险。测量过程与测量质量控制1测量过程的质量控制确保测量结果的准确性、可靠性和可重复性。2测量设备的校准和维护定期校准测量仪器，确保其符合标准。3测量人员的技能和经验训练有素的测量人员，确保他们正确操作测量仪器并进行记录。4测量环境的控制控制温度、湿度、光照等环境因素，避免其对测量结果产生影响。测量过程的质量控制至关重要，它可以有效地提高测量结果的可靠性和准确性。通过控制测量设备、人员、环境等关键因素，可以降低测量误差，提高测量结果的置信度。同时，建立科学的质量控制体系，可以有效地降低测量成本，提高测量效率。测量标准和溯源体系标准化测量标准为测量结果提供统一的参考依据，确保测量结果的准确性和可比性。溯源体系溯源体系将测量结果追溯到国家或国际标准，保证测量结果的可靠性和可信度。质量控