测试技术的基础知识.ppt
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1、金工实习时,一组同学六个50分度的游标卡尺(仪=0.02cm)对同一工件进行测量,测量数据下表.试写出最后的测量结果。,试回答下列问题:,xi(cm)29.1829.1929.2729.2529.2629.24,123456,第一讲 测试技术的基础知识 测量数据处理与表述,关键词:,1、测量的基本概念2、量、量纲、计量单位3、测量的误差4、测量不确定度5、测量数据处理6、EXCEL/Origin/Labview/Matlab 在测量数据处理中的应用,第一节 测量的基本概念,一、测量的基本概念,1、测量是将测量直接或间接地与另一个同类的已知量相对照,并把后者作为计量单位,从而确定被测量是该计量单
2、位的多少倍的物理过程。2、测量结果它是测量所得到的赋予被测量的值,而永远不会是真值。完整的一个测量结果应包括数值、单位和该结果的可信赖程度(不确定度),三者缺一不可。3、真值它是客观存在,但又是一个抽象的理想概念。它主要有 A、公理/理论值(如三角形内角和为180)B、公认值(如物理常数)C、计量学中约定的真值(如重力加速度,大气压,光速)D、相对真值(精度更高的仪器相对于其下一级精度的同类仪器),二、测量方法分类,1.按是否直接测定被测量的原则来分:直接测量法 间接测量法按被测量是否直接和已知的同种量进行比较的原则:直接比较测量法替代测量法3.按测试元件是否与被测物体作机械接触的原则:接触测
3、量法非接触测量法,第二节 量、量纲与计量单位,一、量与量纲,量是指现象、物体或物质可定性区别和定量确定的一种属性表述。,1、量值:某个量的数值与单位的积。用来定量描述某个被测试对象的相应属性的大小。2、基本量和导出量SI制中的七个基本量:L.M.T.I.N.J,长度、质量、时间、电流、温度、物质的量、发光强度,3、量纲和量纲法则,量纲:是为表征物理量按其性质不同而划分的。用若干个基本量的乘方之积表示出来的表达式,称为该物理量的量纲式,简称量纲。它是在选定了单位制之后,由基本物理量单位表达的式子。,量纲法则:为正确反映客观规律的物理方程,各项量纲必须一致,任何两个物理量能相加,相减,其前提量纲必
4、须一致.,量纲具有如下特征:1.量纲可以是正数或负数,也可以是整数或分数,如果某个量对基本量的量纲全部为零,则称它为无量纲量。超越函数符号(sin,ln,e)下的数必定是无量纲的。注意:无量纲的量可以有单位。例如,行星轨道周期变短的频率的单位是秒/世纪,两个时间单位不能约掉,否则它成为无单位的量,但它是有单位的量。2.只有量纲相同的项才能进行加减或用等式联接。,1、单位制:国际单位制(SI)(1971年完成)5月20日国际计量日2、基本单位人类在进步中最早被认识的单位是什么?(“个”的讨论)SI制中的七个基本单位:m,kg,s,A,K,cd,mol3、辅助单位弧度(rad)和球面度(sr)4、
5、导出单位,二、计量单位,4、量纲的表示方法,用若干个基本量的乘方之积表示出来的表达式,称为该物理量的量纲式,简称量纲。它是在选定了单位制之后,由基本物理量单位表达的式子。,例如:,或:,5、物理常数为了测量数据的相互交流,需要建立一些大家公认并普遍能接受的基准,这就是物理常数。,它分两大类:物质常数:它与物质的具体特性有关,例如:沸点、导热系数、电阻率、折射率、扩散系数等等。普适常数:与物质的具体特性无关,通过一系列定律和理论彼此相互联系,称之为基本物理常数。例如:真空中的光速、基本电荷量、普朗克常数、阿佛加德罗常数等等。,1、计量学与测试计量学:研究测量、保证测量的统一和准确的科学称为计量学
6、。测试:试验与测量的综合。2、基准与标准基准:是用来保存、复现计量单位的计量器具。它必须是当前现代科学技术所能达到的最高精度的计量器具或方法。标准:是指在特定区域或国家,根据当地的要求和特点制定的统一、具有强制性的计量器具或方法。(国标GB、欧盟),三、基准与标准,第三节 测量的误差与处理,一、测量的基本概念,1、测量是将测量直接或间接地与另一个同类的已知量相对照,并把后者作为计量单位,从而确定被测量是该计量单位的多少倍的物理过程。2、测量结果它是测量所得到的赋予被测量的值,而永远不会是真值。完整的一个测量结果应包括数值、单位和该结果的可信赖程度(不确定度),三者缺一不可。3、真值它是客观存在
7、,但又是一个抽象的理想概念。它主要有 A、公理/理论值(如三角形内角和为180)B、公认值(如物理常数)C、计量学中约定的真值(如重力加速度,大气压,光速)D、相对真值(精度更高的仪器相对于其下一级精度的同类仪器),一、测量误差的基本理论,1、测量误差的定义:,测量误差=测得值-真值,客观真实值(未知),1m=1650763.73,实验结果/实验数据-与其理论期望值不完全相同,约定真值:世界各国公认的几何量和物理量的最高基准的量值,相对真值:标准仪器的测得值或用来作为测量标准用的标准器的值.,如:米-公制长度基准,-氪-86的2p10-5d5能级间跃迁在真空中的辐射波长,测量所得数据与其相应的
8、真值之差-绝对误差,x=x x0,理论真值:设计时给定或用数学、物理公式计算出的给定值.,光在真空中1s时间内传播距离的1/299792485,第二节 测量的误差与处理,2、相对误差,测量的绝对误差与被测量的真值之比,绝对误差很小,定义:,表示:百分数(%)-分子分母量纲相同,相对误差=100%,绝对误差,真值,=100%,x,x0,相对误差=100%,绝对误差,测得值,=100%,例:质量G1=50g,误差1=2g;质量G2=2kg,误差2=50g,-G2的测量效果较好,确切反映测量效果:被测量的大小不同-允许的测量误差不同,被测量的量值小-允许的测量绝对误差也越小,3、误差分类,按误差来源
9、:装置误差、环境误差、方法误差、人员误差,系统误差(System error),由特定原因引起、具有一定因果关系并按确定规律产生,按特性规律:系统误差、随机误差、粗大误差,-有规律可循,再现性-偏差(Deviation),理论分析/实验验证-原因和规律-减少/消除,随机误差(Random error),因许多不确定性因素而随机发生,偶然性(不明确、无规律),概率和统计性处理(无法消除/修正),粗大误差(Abnormal error),检测系统各组成环节发生异常和故障等引起,异常误差-混为系统误差和偶然误差-测量结果失去意义,分离-防止,按变化速度:静态误差、动态误差,与检测系统的组成和各组成环
10、节有关,4、误差原因,性质、状态、条件以及被测量的种类、状态,检测系统各环节所使用的材料性能和制造技术引起的误差,检测系统各环节动力源的变化引起的误差,检测系统器件特性变化引起的误差-偏离设定值,检测环境引起的误差,检测方法误差,检测人员造成的误差,由被测对象本身引起的误差,因检测理论的假定产生的误差,实际情况与假定情况不符,组成检测系统各环节的传递特性方面产生的误差,人员视觉、读数误差、经验、熟练程度、精神方面原因(疲劳),电流、电压、气压、液压等,5、检测精度,-检测系统的基本内容,不同场合-检测精度要求不同,例:服装裁剪(身长/胸围)-半厘米;发动机活塞直径-微米级,精度高-系统复杂-造
11、价高,-系统误差大小的反映,坐标原点-真值点的位置,按误差原因:,点-多次测量结果,正确度:表征测量结果接近真值的程度,精密度:反映测量结果的分散程度(针对重复测量而言),-表示随机误差的大小,准确度:表征测量结果与真值之间的一致程度,-系统误差和随机误差的综合反映,例:,1、系统误差的消除,测量方法-避免出现系统误差,-防止系统误差出现的最基本办法.,数据处理-被测量的估计值-可信程度(评定),找出规律-修正值,2)引入修正值进行校正,3)检测方法上消除或减小,-现有仪器设备取得更好的效果(提高测量准确度),1)分析系统误差产生的原因,二、数据误差处理的一般方法,-已出现的系统误差,理论分析
12、/专门的实验研究-系统误差的具体数值和变化规律,-确定修正值(温度、湿度、频率修正等),测量前对可能产生的误差因素进行分析,采取相应措施,-修正表格、修正曲线、修正公式-按规律校正,-实际测量中,采取有效的测量方法,抵消法,例:等臂天平称重-左右两臂长的微小差别-恒值系统误差,引起系统误差的条件(如被测量的位置)相互交换-其他条件不变,换位法/替代法,-产生系统误差的因素对测量结果起相反的作用-抵消已知量替换被测量,a)X与P左右交换-两次测量的平均值-消除系统误差,被测物-X;平衡物-T;砝码-P,改变测量条件(如方向)-两次测量结果的误差符号相反-平均值消除带有间隙特性的定值系统误差,例:
13、千分尺-空行程(刻度变化,量杆不动)-系统误差,/异号相消法,b)T与X 平衡,测量结果,P与T平衡,正反两个方向对准标志线,顺时针-,逆时针-,正确值-,换位/替代法,不含系统误差a,空程引起误差,差动法,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 提高灵敏度和线性度,作用:,比值补偿法,利用比值补偿原理-影响因素在输出计算式的分子、分母上同时出现-约消,例:比色高温计-消除辐射率变化的影响,半周期偶数观测法,-系统误差随某因素成周期性变化,两次测量所得的周期系统误差-数值相等、正负相反-取平均值,自动检测-检测的时间间隔为周期(克服随时间周期
14、变化因素的影响),测量-变化周期,2、误差理论中的参数表示,1)误差i:测量结果xi与真值x0的差。,2)残差i:测量结果xi与测量结果的算术平均值 x 的差。,算术平均(Mean value),样本平均,3)均方根误差/标准误差,4)实验测试样本标准偏差 样本中各测量数据相对样本平均值的分散程度,5)算术平均值的标准偏差 样本中测量数据平均值 的标准误差的估计值,n是有限次数,3、随机误差的分析处理,-统计方法,正态分布(高斯分布)-大多数;,其它-正弦分布、二次分布、卡方分布、指数分布、分布、分布等,1)分布:,均匀分布-量化误差、舍入误差;,N次测量结果-xi(i=1,2,N),概率密度
15、函数,概率分布函数,误差=x-x0,均方根误差/标准误差,对称性,2)特点:,有界性,抵偿性,单峰性,-可正可负-绝对值相等的正负误差出现的机会相等,P()-曲线对称于纵轴,-绝对值不会超过一定的范围(一定的测量条件下),绝对值很大的误差几乎不出现,-测量次数n 时(相同条件下),全体随机函数的代数和,-绝对值小的误差出现的机会多(概率密度大),=0 处随机误差概率密度有最大值,数学期望(Expectation)-真值x0,标准偏差(Standard deviation)-测量精密度的标志,3)特征量:,h-精密度指数,1)判别方法,物理判别法,-人为因素(读错、记录错、操作错),统计判别法,
16、-整个测量完毕之后,4、粗大误差的减少办法和剔除准则,2)剔除准则,莱特准则(3 准则),肖维勒准则,格拉布斯准则,显然与事实不符-歪曲测量结果-主观避免-剔除(发现),-测量过程中,-不符合实验条件/环境突变(突然振动、电磁干扰等),统计方法处理数据-超过误差限-判为坏值-剔除,随机误差在一定的置信概率下的确定置信限,单次测量值 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,-随
17、时发现,随时剔除-重新测量,5、误差的综合,1)系统误差的合成,已定系统误差-大小和正负已知,2)随机误差的合成,间接测量随机误差的合成,未定系统误差-难以知道或不能确切掌握大小和正负-极限范围 e,-代数和-校正消除,-不确定度代数相加法、方和根法、广义方和根法,间接测量平均值的计算,xi(i=1,2,m)-直接测量量,y-间接测量量,y=f(x1,x2,xm)-xi 的单值函数,y=f(x1,x2,xm),-各直接测量量互不相关,不等精密度测量,“权”-比重的大小(信赖度高-比重大),加权算术平均值,加权算术平均值的均方根误差,均方根误差,剩余误差,这个定义中的“合理”,意指应考虑到各种因
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