测量误差及数据处理方法

测量误差及数据处理方法南京理工大学物理实验中心§1.1测量与误差概念测量是物理实验的基础。测量就是用一定的测量工具或仪器，通过一定的方法，直接或间接地得到所需要的量值。1测量依照测量方法的不同可将测量分为两大类：（1）直接测量（2）间接测量问题：我们接触过哪些测量？哪些是直接测量？哪些是间接测量？§1.1测量与误差概念2误差1、误差的定义：测量误差=测量值-真值即ΔN=N测－N真这个误差的定义反映了测量值偏离真实值的大小和方向。§1.1测量与误差概念2、误差来源§1.1测量与误差概念（1）仪器误差（2）环境误差（4）人员误差（3）测量方法误差3误差分类及其消除方法（1）系统误差a.定义：系统误差是指在同一被测量的多次测量过程中，保持恒定或以可预知方式变化的测量误差的分量。系统误差的特点是其确定性。b.产生原因：测量仪器、测量方法、环境因素§1.1测量与误差概念c.减小系统误差的方法：.对测量结果引入修正值；.选择适当的测量方法，使系统误差能够抵消而不会带入测量值中。①已定系统误差：必须修正例如电表、螺旋测微计的零位误差；②未定系统误差：要估计出分布范围如：螺旋测微计制造时的螺纹公差等。§1.1测量与误差概念注意：多次测量求平均并不能消除系统误差。因为在测量条件不变时，其有确定的大小和符号。§1.1测量与误差概念（2）随机误差a.随机误差是指在同一量的多次测量过程中，其大小与符号以不可预知方式变化的测量误差的分量。随机误差的特征是随机性。b.产生原因：实验条件和环境因素无规则的起伏变化，引起测量值围绕真值发生涨落的变化。例如：实验时温度的随机波动、螺旋测微计测力在一定范围内随机变化、读数时的视差影响。c.消除方法：使用统计方法随机误差的特点：大量的随机误差服从正态分布。①单峰性：绝对值小的误差出现的概率比绝对值大的误差出现的概率大。②对称性：多次测量时分布对称，即绝对值相等的正负误差出现的概率相同。因此取多次测量的平均值有利于消减随机误差。③有界性：在一定的测量条件下，误差的绝对值不超过一定的界限。σ小σ大δP0§1.1测量与误差概念§1.1测量与误差概念（3）粗大误差a.定义：明显超出规定条件下预期的误差。b.产生原因：错误读数、仪器有缺陷、环境干扰等。c.应避免出现粗大误差。如出现粗大误差，应分析粗大误差产生的原因。处理数据时，剔除异常数据。精密度、正确度与准确度（又称精确度）这三个名词分别用来反映随机误差、系统误差和综合误差的大小。§1.1测量与误差概念4测量结果表示（1）绝对误差：测量结果：(单位)（2）相对误差：真测NNN真值绝对误差相对误差NNN测%100真NNE§1.1测量与误差概念§1.2测量结果误差估算及评定方法§1.2测量结果误差估算及评定方法对测量结果评定的三种方法：（1）算术平均偏差（2）标准偏差（均方根偏差）（3）不确定度根据统计理论，我们将多次测量的算术平均值作为真值的最佳近似。在对测量结果进行评定时，我们约定系统误差和粗大误差已经消除、修正或可以忽略，只考虑随机误差，其服从正态分布。N§1.2测量结果误差估算及评定方法1算术平均偏差对某一物理量N进行K次测量，得N1，N2，…，Ni，……，Nk，则算术平均值为kiikiNKNNNNKN12111算术平均偏差为NNNNNNNNKki211KiiNNK11§1.2测量结果误差估算及评定方法2标准偏差（均方根差）标准偏差是一个描述测量结果离散程度的参量。用它来评定随机误差有以下优点：1）稳定性，σ值随K(测量次数)变化较小。2）它以平方计值，与个别误差的符号无关，能反映数据的离散程度。3）与最小二乘法吻合。§1.2测量结果误差估算及评定方法（1）测量列的实验标准差112KNNNKii（2）平均值的标准偏差112KKNNKNNKii算术平均值的标准偏差反映了算术平均值在真值附近涨落的大小。§1.2测量结果误差估算及评定方法范围置信概率（真值落在确定范围内的概率）—68.3%—95.4%—99.7%NN2N2N3N3N通常将称为随机误差的极限误差。3§1.2测量结果误差估算及评定方法δP032233不确定度3.1定义：它是对测量结果可信赖程度的评定。它表示了被测量的真值以一定概率落在某个量值范围内（，）。NuNu§1.2测量结果误差估算及评定方法不确定度小，表示误差的可能值小，测量的可信赖程度就高；不确定度大，表示误差的可能值大，测量的可信赖程度降低。3.2不确定度的分类和估算不确定度分为两类。A类分量：用统计方法求出，即σ(N)或σ(N)。B类分量：用其他方法得出。物理实验中通常使用仪器的极限误差除以相应的置信系数K。Kuinsj注意：在我们的实验中一般取K≈1，即insju§1.2测量结果误差估算及评定方法22juNu22juNu不确定度的合成（方和根合成法）§1.2测量结果误差估算及评定方法请记住这一公式！3.3用不确定度表示测量结果相对不确定度测量结果100%uuuENN约定：在我们的实验中u取一位有效数字。AIμ＝5.00.10注意：的末位和u对齐。N例：§1.2测量结果误差估算及评定方法NNu真（单位）§1.3直接测量结果误差估算及评定如果对某一物理量只测量一次，则常以测量仪器误差来评定测量结果的误差。例1：用直尺测桌子长度，L＝1200.00.5mm例2：用50分度游标卡尺测工件长度，L＝10.000.02mm例3：用量程为10μA，精度等级为0.5的电流表，单次测量某一电流3.10μA，则μj＝ΔI＝10μA×0.5％＝0.05μAAIμ＝05.010.31单次测量误差估算及评定§1.3直接测量结果误差估算及评定方法有以上例题可见，仪器误差一般用如下方法确定：1）仪器已经标明了误差，如千分尺。2）未标明时，可取仪器及表盘上最小刻度的一半作为单次测量的允许误差，如例1。3）电学仪器§1.3直接测量结果误差估算及评定方法%精度级别量程ins2多次测量结果的误差估算及评定处理步骤：1、求平均值。2、求σ和u。3、表示结果：（单位）§1.3直接测量结果误差估算及评定方法NuNN22insNu112KNNNKii§1.4间接测量结果误差的估算及评定zzfyyfxxfNzzfyyfxxfNNlnlnln1一般的误差传递公式若N=f(x,y,z)，则若对N=f(x,y,z)取对数，则可得到§1.4间接测量结果误差估算及评定2标准偏差的传递公式222222)()()(zyxNzfyfxf222222)ln()ln()ln(zyxNzfyfxfN§1.4间接测量结果误差估算及评定3不确定度的传递公式§1.4间接测量结果误差估算及评定222222)()()(zyxNuzfuyfuxfu222222)ln()ln()ln(zyxNuuzfuyfuxfNuE以上两公式应牢记，并注意应用技巧4间接测量结果和不确定度评定的基本步骤（1）计算各直接测量物理量的值和它们的不确定度；即N＝f(x,y,z)中的x,y,z和ux,uy,uz。（2）根据不确定度的传递公式计算间接测量量的不确定度。uN或uN/N，保留1位。（3）求出间接测量量N＝f(x,y,z)，N的末位与不确定度所在位对齐；（4）写出结果§1.4间接测量结果误差估算及评定)(单位NuNN§1.5有效数字及其运算1有效数字的含义有效数字是由准确数字（若干位）和可疑数字（一位）构成，这样就能够正确而有效地表示测量结果。§1.5有效数字及其运算注意：表示小数位数的“0”不是有效数字；数字中间和尾部的“0”是有效数字；数字尾部的“0”不能随意舍弃或添加；有效数字位数与十进制单位的变换无关；推荐用科学记数法：K×10n，1≤K＜10。§1.5有效数字及其运算2有效数字运算规则１、加减运算尾数对齐：在小数点后所应保留的位数与诸量中小数点后位数最少的一个相同。§1.5有效数字及其运算例：33.2+3.22=36.412.567-1.23=11.341.2345+5.11-2.141=4.20２、乘除运算位数取齐：诸量相乘除，结果的有效数字位数，一般与各个量中有效数字位数最少的一个相同。§1.5有效数字及其运算例：1.11×2.0=2.23.248÷1.61=2.023、某些常见函数运算的有效位数（1）对数函数y=lnx,y=logx计算结果尾数的位数取得与真数的位数相同；（2）指数函数y=ax结果的有效数字，可与指数的小数点后的位数相同；（3）三角函数按角度的有效位数来定；（4）常数的有效位数可以认为是无限的，运算中应多取1位；§1.5有效数字及其运算4、混合运算规则当进行加减乘除混合运算时，应按加减规则、乘除规则和函数运算规则逐步计算，最后得到计算结果。§1.5有效数字及其运算3不确定度和测量结果的数字化整规则（1）不确定度的有效位数1~2位本书约定不确定度只保留1位。相对不确定度1~2位。尾数采用四舍六入五凑偶（2）最佳值或测量值末位与不确定度对齐。§1.5有效数字及其运算§1.6常用数据处理方法1.列表法2.作图法3.数学方法（逐差法、最小二乘法等）§1.6数据处理方法数据处理是一个对数据进行加工的过程。常用的数据处理方法有以下三类：▲列表法§1.6数据处理方法例：用读书显微镜测量圆环直径测量圆环直径D仪器：读数显微镜Δins=0.004mm测量次序i左读数/mm右读数/mm直径Di/mm112.76418.7625.998210.84316.8385.995311.98717.9785.996411.58817.5845.996512.34618.3385.992611.01517.0105.994712.34118.3355.994直径平均值D/mm5.995标题：说明表格内容附加说明：实验仪器、条件等各个栏目标明名称和单位原始数据注意数据纪录的顺序计算的中间结果数据例题：伏安法测电阻实验数据表§1.6数据处理方法U(V)0.741.522.333.083.664.495.245.986.767.50I(mA)2.004.016.228.209.7512.0013.9915.9218.0020.01▲作图法优点：能形象直观地显示物理量之间的函数关系§1.6数据处理方法8.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.0002.004.006.008.0010.001.003.005.007.009.00I(mA)U(V)1.选择合适的坐标纸3.标实验点4.连成图线5.标出图名及注解电阻伏安特性曲线作图法步骤：一般选用直角坐标纸。选择图纸时以不损失实验数据的有效位数并能包括所有实验点为限度。2.确定坐标轴，选择合适的坐标分度值注意：坐标分度时，忌用3、7等进行分度；坐标分度可不从零开始；尽可能使图线充满图纸。注意：连线时应该使用相应的工具；通常连线是平滑的；要注意剔除错误的数据点；直线尽量通过（x,y）这一点。▲图解法利用已做好的图线，我们可以定量地求得待测量或得到经验公式。§1.6数据处理方法从图中取两点可以计算出直线的斜率和截距，从而也就可以得到经验公式。如本例，由图上A、B两点可得被测电阻R为：)k(379.076.258.1800.100.7ABABIIUURI(mA)U(V)8.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.0002.004.006.008.0010.001.003.005.007.009.00电阻伏安特性曲线A(1.00,2.76)B(7.00,18.58