误差理论与数据处理-第四章-测量不确定度.ppt

1,第四章 测量不确定度,2,教学目标,本章介绍用测量不确定度来评定和表示测量结果的基本概念和方法，要求正确掌握测量不确定度的若干名词术语，会分析不确定度的来源，掌握标准不确定度的两类评定、合成标准不确定度的求取方法，还应学会正确表示测量结果的方式。,3,教学重点和难点,不确定度的基本概念 A类不确定度评定 B类不确定度评定 自由度有效自由度合成不确定度扩展（展伸）不确定度测量结果的表示方法,4,第一节 研究不确定度的意义,5,一、研究不确定度的必要性,误差概念和误差分析在用于评定测量结果时,有时显得既不完备，也难于操作。,一种更为完备合理、可操作性强的评定测量结果的方法。,寻求,诞生,测量不确定度,6,二、不确定度的由来,1927年德国物理学家海森堡提出测不准关系，也称为不 确定度关系。,1978年国际计量局发出不确定度征求意见书，征求各国和国际组织的意见。,1980年，国际计量局提出了实验不确定度建议书INC-1（1980）。,1986年组成国际不确定度工作组，负责制定用于计量、生产、科学研究中的不确定度指南。,1993年出版了测量不确定度表示指南（Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement，简称GUM）。,7,第二节 不确定度的基本概念,8,一、不确定度的定义,测量不确定度,指测量结果的变化的不肯定，是表征测量的真值在某个量值范围的一个估计，是测量结果含有的一个参数，用于表征被测量值的分散性。,9,不确定度的定义(续),说明：,该参数是一个表征分散性的参数。它可以是标准差或其倍数，或说明了置信水平的区间半宽度。,该参数一般由若干个分量组成，统称为不确定度分量,该参数是通过对所有若干个不确定度分量进行方差和协方差合成得到。所得该参数的可靠程度一般可用自由度的大小来表示,该参数是用于完整地表征测量结果的,10,三、不确定度评定方法的分类,A类评定,指用对样本观测值的统计分析进行不确定度评定的方法。,B类评定,指用不同于统计分析的其他方法进行不确定度评定的方法。,11,四、几个相关的名词与概念,标准不确定度,用标准差表示测量结果的不确定度，一般用符号u来表示。对于不确定度分量，常在u上加小脚标进行表示，如u1，u2，ui un等。,合成（标准）不确定度,当测量结果由若干个其他量的值求得时，测量结果的合成标准不确定度等于这些量的方差和（或）协方差加权和的正平方根，其中权系数按测量结果随这些量变化的情况而定。用符号uc表示。,12,扩展不确定度,规定了测量结果取值区间的半宽度，该区间包含了合理赋予被测量值的分布的大部分。用符号U表示。,包含因子,为获得扩展不确定度，对合成标准不确定度所乘的倍数因子。常用符号k来表示。在国内，有的也其称为覆盖因子，其取值一般在2与3之间。,几个相关的名词与概念(续）,13,不确定度与误差关系,共同点：都是评价测量结果质量高低的重要指标，都可以作为测量结果精度的评定参数。,14,不确定度与误差关系（续）,不同点：误差是以真值和约定真值为中心，而测量不确定度是以被测量的估计值为中心，因此，误差是一个理想的概念，一般不能准确知道，难以定量；而测量不确定度是反映人们对测量认识不足的程度，可以定量评定。在分类上，误差按自身特性和性质可分为随机误差、系统误差和粗大误差，但各类误差之间并不存在绝对界限，故在分类计算时不易准确掌握；测量不确定度不按性质分类，而是按评定方法分类，分为A 评定和B类评定，可按情况加以选择使用。这就无需考虑其影响因素及来源，只考虑影响结果的评定方法，从而简化了分类，便于评定和计算。,15,第三节标准不确定度评定,16,一、A类评定方法,采用统计分析的方法评定标准不确定度，用实验标准差或样本标准差表示。,单次测量值作为被测量的估计值,当用n次测量的平均值作为被测量的估计值,单次测量的标准差,n次测量的标准差,计算标准差的方法：贝塞尔公式，极差法等,17,二、B类评定方法,B类评定方法获得不确定度，不是依赖于对样本数据的统计，他必然要设法利用与被测量有关的其他先验信息来进行估计。因此，如何获取有用的先验信息十分重要，而且如何利用好这些先验信息也很重要,18,1、B类评定的方法,（1）若由先验信息给出测量结果的概率分布，及其“置信区间”和“置信水平”,置信区间的半宽度,置信水平的包含因子,（2）若由先验信息给出的测量不确定度U为标准差的k倍时,（3）若由先验信息给出测量结果的“置信区间”及其概率分布,置信区间的半宽度,置信水平接近1的包含因子,19,几种常见误差的分布情形及其标准不确定度估计,（1）舍入误差,舍入误差的最大误差界限为0.5（末），按均匀分布考虑，故标准不确定度为,（2）引用误差,测量上限为的级电表，其最大引用误差限（即最大允许不确定度）为,按均匀分布考虑，故标准不确定度为,20,（3）示值误差,某些测量仪器是按符合“最大允许误差”要求而制造的，经检验合格，其最大允许误差为,按均匀分布考虑，故标准不确定度为,（4）仪器基本误差,设某仪器在指定条件下对某一被测量进行测量时，可能达到的最大误差限为,按均匀分布考虑，故标准不确定度为,几种常见误差的分布情形及其标准不确定度估计,21,（5）仪器分辨力,设仪器的分辨力为，则其区间半宽度为,按均匀分布考虑，故标准不确定度为,（6）仪器的滞后,滞后引起的标准不确定度为,几种常见误差的分布情形及其标准不确定度估计(续）,22,各类分布和包含因子,23,正态分布下置信概率p与包含因子间关系,24,设校准证书给出名义值10的标准电阻器的电阻，测量结果服从正态分布，置信水平为99。求其标准不确定度。,例4-1,【解】,根据题意，该标准电阻器的置信区间半宽度,查表得,计算,25,三、自由度,26,研究自由度的意义,由于不确定度是用标准差来表征，因此，不确定度的评定质量就取决于标准差的可信赖程度。而标准差的信赖程度与自由度密切相关，自由度愈大，标准差愈可信赖。所以，自由度的大小就直接反映了不确定度的评定质量,不确定度的评定质量,标准差的可信赖程度,自由度,27,自由度的概念,对于一个测量样本，自由度等于该样本数据中n个独立测量个数减去待求量个数1。,对某量X进行n次独立重复测量，用贝塞尔公式估计实验标准差的自由度为n-1。,情形1,情形2,自由度,计算总和中独立项个数，即总和的项数减去其中受约束的项数。,对于不同计算标准差的方法，其自由度是不同的,28,A类评定的自由度,最常用的是按贝塞尔公式计算标准差的自由度公式,3,4,5,6,7,8,9,10,15,20,1,2,3,4,5,6,7,8,9,14,19,Bessel公式,最大误差法,极差法,1.9,2.6,3.3,3.9,4.6,5.2,5.8,6.4,6.9,8.3,9.5,0.9,1.8,2.7,3.6,4.5,5.3,6.0,6.8,7.5,10.5,13.1,几种A类评定不确定度的自由度,1,0.9,29,自由度的概念,按估计相对标准差来定义的自由度称为有效自由度（或）,情形3,自由度,其中，为评定不确定度u的标准差 为评定u的相对标准差,30,B类评定的自由度,对于B类评定的不确定度，其自由度一般通过相对标准不确定度来折算。,0,0.10,0.20,0.25,0.30,0.40,0.50,50,12,8,6,3,2,自由度,相对标准不确定度与自由度的关系,相对标准不确定度,31,四、应用举例,32,用游标卡尺对某一试样的尺寸重复测量10次，得到的测量列如下（单位：mm）75.01，75.04，75.07，75.00，75.03，75.09，75.06，75.02，75.05，75.08 求该重复测量中随机变化引起的标准不确定度分量及其自由度。,例4-2,【解】,本例估计的是重复测量中随机变化引起的,标准不确定度分量，可根据已知样本数据进行类评定,33,按极差法求取极差,查表得，,则标准差,查表其自由度,用两种方法估计得到的标准差很接近，但自由度有明显不同，可见用贝塞尔公式更好一些。,由贝塞尔公式,其自由度,计算结果,34,第四节合成不确定度,35,一、合成公式,合成标准不确定度,当测量结果受多个因素影响而形成若干个不确定度分量时，测量结果的标准不确定度通过该多个标准不确定度分量合成得到的。,第个标准不确定度分量,第和第j个标准不确定度分量之间的相关系数,不确定度分量的个数,合成标准不确定度,36,间接测量的合成标准不确定度公式,输出量估计值 的标准不确定度,输入量估计值 和 的标准不确定度,函数 在 处的偏导数，称为灵敏系数，在误差合成公式中称其为传递系数；,和 在 处的相关系数,标准不确定度传递公式,37,不确定度分量合成公式,直接测量的不确定度分量,直接测量的不确定度分量的合成公式,记,38,简单的合成公式,当 和 相互独立时,标准不确定度传递公式,39,二、有效自由度,合成标准不确定度的自由度称为有效自由度，一般用 来表示。,设被测量有个影响测量结果的分量，记为，当各分量均服从正态分布，且相互独立时，可根据韦尔奇-萨特思韦特（Welch-Satterthwaite）公式来计算其合成标准不确定度的有效自由度。,40,三、应用举例,41,例4-4,某测量结果含5个不确定度分量，每个分量的大小及自由度见下表，它们之间的协方差均为零，求其合成标准不确定度和有效自由度。,来源,序号,1,2,3,4,5,合成结果,基准尺,读数,电压表,电阻表,温度,1.0,1.0,1.4,2.0,2.0,5,10,4,16,1,不确定度,符号,数值,符号,数值,自由度,3.5,7.8,42,【解】,根据题意，计算合成标准不确定度,有效自由度,计算方法,43,测量环路正弦交变电位差幅值V，电流幅值I，各重复测量5次，得到如下表所示的数据，相关系数=0.36，试根据测量值，求阻抗R的最佳值及其合成标准不确定度。,例4-5,5.007,次数,1,2,3,4,5,4.994,5.005,4.990,4.999,19.639,19.663,电位差幅值V,电流幅值mA,19.640,19.685,19.675,44,【解】,根据算术平均值和标准差的计算公式得,算术平均值和标准差的计算,45,计算结果,电阻的最佳值为,合成标准不确定度,相对标准不确定度为,46,第五节扩展（展伸）不确定度,47,一、概述,扩展不确定度的两种方法表示,在传统场合多用合成标准不确定度 来表示测量结果的分散性，但在许多领域，常要求用扩展不确定度来表示,合成标准不确定度乘以包含因子,给定的置信概率或置信水平,48,包含因子的确定方法,自由度法,超越系数法（略）,简易法,扩展不确定度表示方法中，关键是确定包含因子,常用方法,49,自由度法,有效自由度,置信水平，常取95%或99%,扩展不确定度近似按下两式表示,包含因子可取为,当 足够大时,或,50,超越系数法,当无法获得自由度信息，而大致知道测量分布且为对称分布时，可以根据分布的四阶矩（即超越系数）来确定其包含因子。,合成分布的超越系数,设有若干个不确定度分量，每个分量对应的分布均对称，其超越系数(可查表得到)，合成标准不确定度为,算得 后，再查表，即可得合成分布的包含因子,51,简易法,不知道,自由度和有关合成分布的信息，被测量值的估计区间及其置信水平。,怎么办？,取包含因子k=2或3,简易法,52,第六节测量结果表示方法,一个完整的测量结果,被测量的最佳估计值，一般由算术平均值给出,有关测量不确定度的信息,53,一、测量结果报告的基本内容,测量不确定度用合成标准不确定度表示,合成标准不确定度,自由度,测量不确定度用扩展不确定度表示,扩展不确定度U,合成标准不确定度,自由度,包含因子,置信水平,54,二、测量结果的表示方式,55,、合成标准不确定度表示方式,某标准砝码的质量，其测量的估计值合成标准不确定度，自由度,(1),，,或,，,(2),(3),括号内的数值按标准差给出，其末位与测量结果的最低位对齐,括号内的数值按标准差给出，单位同测量结果一样,56,2、扩展不确定度表示方式,某标准砝码的质量，其测量的估计值合成标准不确定度，自由度,包含因子，扩展不确定度,或,或,或,57,包含因子,或,或,扩展不确定度表示方式,扩展不确定度,58,三、数字位数与数据修约规则,在表示测量结果时，究竟取几位数字为好呢？总结以下几条原则,(1)最后报告的不确定度有效位数一般不超过两位,当保留一位有效数字时，按“三分之一原则”进行修约。,多余部分推荐,当保留两位有效数字时，按“不为零即进位”；,0.001 1010.001 2,0.001 001 0.001,59,多余部分按“四舍六入、逢五取偶”的原则进行舍弃截断或进位截断。,(2)被测量的估计值的位数也要进行相应的修约,修约后的不确定度数值的位数对齐,被测量的估计值,已修约的不确定度的数据,修约的被测量的估计值,20.000 54,0.0012,20.000 5,20.000 56,0.0012,20.000 6,20.000 55,0.0012,20.000 6,四舍,六入,逢五取偶,被测量的估计值的位数的修约,60,在最终表示测量结果的场合，规范和完整的表示方式有以下两种：（1）区间半宽度表示方式：测量结果=最佳估计值 测不准部分（单位）（置信水平，自由度）（2）标准偏差表示方式：测量结果=最佳估计值（测不准部分）（单位）（自由度）,测量结果的最终表示,61,例4-6,用数字电压表测量某直流电压问题,用数字电压表在标准条件下对10伏直流电压进行了10次测量，得到10个数据如下表所示。由该数字电压表的检定证书给出，其示值误差按3倍标准差计算为3.510-6 V。同时，在进行电压测量前，对数字电压表进行了24小时的校准，在10V点测量时，24小时的示值稳定度不超过15V。试分析评定对该10伏直流电压量的测量结果。,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,10.000107,10.000103,10.000097,10.000111,10.000091,10.000108,10.000121,10.000101,10.000110,10.000094,62,计算最佳估计值,10次电压测量的算术平均值,分析测量不确定度来源,（3）数字电压表测量重复性引起的不确定度u3,（1）数字电压表示值稳定度引起的不确定度u1,（2）数字电压表示值误差引起的不确定度u2,计算步骤,63,不确定度评定,（1）数字电压表示值稳定度引起的不确定度分量u1,24小时的示值稳定度不超过15V。按均匀分布考虑，其置信因子为，则得标准不确定度分量,给出示值稳定度的数据可靠，按不可靠性10%考虑，取其自由度,64,（2）数字电压表示值误差引起的不确定度分量u2,示值误差按3倍标准差计算为 故在10V点测量时，由其引起的标准不确定度分量,由检定证书给出的示值误差数据可靠，取其自由度 见前表,不确定度评定,65,（3）电压测量重复性引起的不确定度分量u3,贝塞尔公式计算标准差,算术平均值的标准差,算术均值为测量结果重复性引起的不确定度分量,其自由度,不确定度评定,66,计算合成标准不确定度,根据韦尔奇-萨特思韦特公式，其有效自由度为,由于不确定度分量u1、u2、u3相互独立，它们之间的相关系数为0。根据合成标准不确定度的计算公式得,67,计算扩展不确定度,取置信概率为99%，包含因子,故该电压测量结果的扩展不确定度,测量结果报告,用数字电压表测量该直流电压的结果,计算结果,68,作业：p98 4-1，4-3,