试验设计与数据处理第一章

试验设计与数据处理姜奉华材料学院工程教研室2019年12月16日2•课程内容：•试验设计与数据处理所要解决的问题•本课程所学内容•学习方法及考试方法•认真听课，做好课堂笔记，做好课后的练习，如果不认真做练习，那么这门课是学不好的。平时听不懂的问题及时提问，及时解决。•考试采用考试的方法，没有难题、怪题，但量较大，难以做弊，要靠自己来完成。2019年12月16日3试验设计与数据处理所要解决的问题•在自然界中，有很多的现象是没有一个特定的规律——即没有一个数学模型，是不能用我们以前所学的知识所能解决的，在我们材料研究领域更是如此。比如我们在陶瓷研究中，要研制一种大红釉料，它是由许多种颜料配合，再通过高温烧制而成。可以用多少种颜料来配料，烧成温度需要多高，这都是未知数。而且没有一定的规律可言。那就需要我们进行大量的试验来寻找它的配方及烧制温度。试验设计所要作的工作就是用最少的试验次数，尽快找出这些参数的最佳范围。数据处理是对试验数据进行分析后，去掉那些对试验影响不大的因素，来确定最佳的试验方案。2019年12月16日4•教材内容说明•第一章概论•讲述测量方法及测量误差•第二章误差理论及数理统计基础•讲述测量误差的分类及如何处理这些误差•第三章试验设计•讲述试验设计思想方法及如何用最少的试验得出最佳的试验结果•第四章正交试验设计与数据处理•正交试验是一种试验方法——即优选试验方法，就是用最少的试验次数得到最佳参数的一种实用方法。学会它对我们今后的学习与工作具有非常大的指导意义。•第五章回归分析•自然界中大多数的事物是没有规律性的，即它没有数学模型，但是我们可以在忽略一些次要因素的同时通过回归分析的方法，寻找出它的较佳的数学模型，以指导我们的社会实践活动。2019年12月16日5第一章概论1.1数据测量的基本概念(1)物理量•物理量是反映任何物理现象的状态及其过程特征的数值量。任何物理量一般都有如下特点：物理量都是有相应的单位，数值为1的物理量称为单位物理量；同一物理量可以用不同的物理单位来描述，如能量可以用焦耳、千瓦小时等不同单位来表述。•(2)测量•以确定量值为目的的一组操作。操作的结果可得到量值，即得到数据，这组操作称为测量。例如：用米尺测得桌子的长度为1.2米。•(3)测量结果•测量结果就是根据已有的信息和条件对被测量物理量的最佳估计，既是物理量真值的最佳估计。在测量结果的完整表述中，应包括测量误差，必要时还应给出自由度及置信概率。测量结果具有重复性和复现性。2019年12月16日6•重复性是指在相同测量条件下，对同一被物理量进行连续多次测量所得结果之间的一致性。相同测量条件既称之为“重复性条件”主要包括：相同的测量程序、相同的测量仪器、相同的观测者、相同的地点、在短期内的重复测量、相同的测量环境。若每次的测量条件相同，则在一定的误差范围内，每一次测量结果的可靠性是相同的，这些测量值服从同一分布。•复现性是指在改变测量条件下，对被测量进行多次测量时，每一次测量结果之间的一致性。即在一定的误差范围内，每一次测量结果的可靠性是相同的，这些测量值服从同一分布。•(4)测量方法•根据给定的测量原理，在测量中所用的并按类别描述的一组操作逻辑次序和划分方法，常见的有替代法、微差法、零位法、异号法等。•数据测量就是用单位物理量去描述或表示某一未知的同类物理量的大小。2019年12月16日7•1.1.2数据测量的分类一、按计量的性质分为：检定、检验和校准•检定：由法制计量部门,为确定和证实计量器具是否完全满足检定规程的要求而进行的全部工作。检定是由国家法制计量部门所进行的测量，在我国主要是由各级计量院所以及授权的实验室来完成，是我国开展量值传递最常用的方法。检定必须严格按照检定规程运作，对所检仪器给出符合性判断，既给出合格还是不合格的结论，而该结论具有法律效应。检定方法一般分为整体检定法和分项检定法两种。•检测：对给定的产品、材料、设备、生物体、物理现象、工艺过程或服务，按照一定的程序确定一种或多种特性或性能的技术操作。检测通常是依据相关标准对产品的质量进行检验，检验结果一般记录在称为检测报告或检测证书的文件中。•校准:在规定条件下，为确定测量仪器或测量系统所指示的量值，或实物量具或参考物质所代表的量值，与对应的由标准所复现的量值之间关系的一组操作。•二、按测量目的的分类分为：定值测量和参数检验•定值测量:按一种不确定度确定参数实际值的测量。其目的是确定被测量的量值是多少,通常预先限定允许的测量误差。•参数检验：以技术标准、规范或检定规程为依据，判断参数是否合格的测量。其目的是判断被检参数是否合格，通常预先限定参数允许变化的范围（如公差等）。2019年12月16日8•三、按测量值获得的方法分为：直接测量、间接测量和组合测量（一）直接测量法•用一个预先标定好的测量仪器去直接测量未知物理量的大小。如用万用表去测量电压、电阻、电流等；用圈尺去测量长度；用磅称测量重量等。•直接测量可表示为•y=x•式中y表示被测量的未知量，x为直接测得的量。•在由若干基本物理单位导出的物理量中，有相当多的量是无法用仪表直接测出的，如粉磨效率、选粉机的效率等。此时只能用间接测量法进行测量。2019年12月16日9（二）间接测量法把直接测量代入某一特定的函数关系式中，通过计算求出未知物理量的大小，这种方法——间接测量法。例如，用毕托管测量气流速度，直接测量压差值h。计算的特定函数关系式为（三）组合测量法21lyxlyx11210002hg要测量出x和y，分别对x+y和x-y进行直接测量，得到测量值分别为l1和l2，可得测量方程组：2019年12月16日10（1—2）式中：h——U型差压计的读数；——毕托管速度系数；g——重力加速度；——流体和差压计中流体密度。11210002hg21,间接测量通用的函数关系式为式中：y间接测量量，直接测量量。),,(21xxfy公式（1—2）,,21xx2019年12月16日11公式（1—6）、（1—7）解方程组得：(1-6)组合测量可以用如下的通用联立方程组表示（1-7）221221llyllx0),,,,,(0),,,,,(0),,,,,(21212121221211nnnnyyyxxfyyyxxfyyyxxf2019年12月16日12式中：f1、f2、……fn——表示组合测量中的函数关系x1、x2、……——直接测量的物理量y1、y2、……——未知的物理量公式（1—6）、（1—7）习题1§1.2、误差的基本知识测量仪器、工作人员的认真与仔细程度，使得观测值与真（正）值之间总是存在着不一致，这种差异就是误差。测量结果都存在误差。2019年12月16日13第一章习题1.举例说明什么是间接测量？什么是组合测量？2.什么是随机误差？随机误差的特性是什么？3.量程为10A的0.5级电流表经检定在指示值为5A处的指示值误差最大，其值为15mA，问该电流表是否合格？4.对某物理量x在等精度的重复测量下，得n＝10次的值xi分别为：134.2，139.5，133.0，136.6，129.4，130.6，136.5，135.3，131.9，138.1求平均值、算术平均误差δ、标准误差s，写出测量结果表达式。2019年12月16日141.2.1误差的概念１)、真正值物理量客观存在的实际大小——未知数。有些真值或从相对意义上来说的真值是知道的。如下几种：（1）理论真值平面三角形内角和为1800、理论公式表达值或理论设计值。（2）计量单位制中的约定真值国际单位所定义的基本单位。如（1）米：光在真空中1/299792458秒的时间间隔内所经过的距离。（2）千克：质量单位，等于国际千克原器的质量。（3）秒：铯-133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期的持续时间。（3）标（基）准器相对真值经国家级鉴定合格的标准器称为国家标准器国际标准器作为真值真值——无系统误差的情况下，观测次数无限多时所求得的平均值。但实际测量量总是有限的，故用有限测量所求得的平均值作为近似真值（或称最可信赖值）。2019年12月16日152)、误差（1）绝对误差某物理量值与真值之差——真误差。绝对误差＝量值－真值修正值＝－绝对误差＝真值－量值真值＝量值＋修正值在精密计量中，常常用加一个修正值的方法来保证量值的准确性。（2）相对误差用以区分两组不同准确度的比较。相对误差＝…….2019年12月16日16公式（１—８）11绝对误差测量值绝对误差测量值绝对误差真值绝对误差相对误差定义：当绝对误差很小时，测量值绝对误差相对误差时绝对误差测量值,1（1—8）简便实用形式——引用误差%100仪表量程绝对误差引用误差2019年12月16日172)、误差`在热工、电工仪表中，正确度等级一般都用引用误差来表示，通常分为0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,5.0七级。例如，某仪表正确度等级为R级（引用误差R%），满量程的刻度为X，实际使用时的测量值为x（x≤X），则公式（1—9）通过上面的分析，可知为了减少仪表测量的误差，提高正确度，应该使仪表尽可能在靠近满量程刻度的2/3以上的区域内使用的原则。2019年12月16日18xRXRX%%测量值的相对误差测量值的绝对误差公式（1—9）（1—9）2019年12月16日191.2.3误差的分类1)、系统误差偏离测量规定的条件，测量方法不合适，按某一确定的规律所引起的误差。2)、随机误差如果对系统误差进行修正之后，还出现测量值与真值间的误差，则称此为随机误差。一个实际测量结果的统计分析，见（表1-1及图1.1）。由实例分析可归纳出随机误差的四大分配律：（1）有界性误差不会超过一定的限度。（2）单峰性绝对值小误差出现的概率小，反之大，最小误差出现概率最大。（3）对称性正65次，概率0.427；负61次，概率0.407（4）抵偿性全部误差的算术平均值0。3、粗差明显歪曲测量结果的错差，在试验结果中应剔除。2019年12月16日20区间1234567891011121314测量值xi2.952.962.972.982.993.003.013.023.033.043.053.063.073.08误差-0.06-0.05-0.04-0.03-0.02-0.0100.010.020.030.040.050.060.07出现次数ni4661114202417121210842频率fi=ni/n0.0270.040.040.0730.0930.1330.160.1330.080.080.0660.0530.0270.018表1—1，图1.100.020.040.060.080.10.120.140.16fi2.952.962.972.982.9933.013.023.033.043.053.063.073.08x频率fi=ni/n2019年12月16日211.2.4几种常见的误差1、最大（范围）误差最大误差系数：k＝……….（1—10）与测量次数无关。n大，随机误差小。古老的方法，不能反映测量的精密度水平。2、算术平均误差＝……（1—11）反映了n对随机误差的影响，但是各次观测中相互间符合的程度不能予以反映。3、标准误差＝…….（1—12）s＝…….(1—13）2019年12月16日22公式（１—１０）～（１—１３）xk（1—10）测量中的（最大值－最小值）测量值的算术平均值1、最大误差系数2、算术平均误差nxxnii1（1—11）xi——测量值；n——测量次数。3、标准误差nAxnii12112nxxsniiA——真值（1—12）（1—13）实际中对一组测量中的特大或特小误差反映非常敏感，能很好地反映出测量的精度。2019年12月16日23例1.1某实验测得两组数据如下