第三章第三章 误差的合成与误差的合成与分配分配误差理论与数据处理教学目标本章阐述了函数误差、误差合成与分配的基本方法，并讨论了微小误差的取舍、最佳测量方案的确定等问题 。通过本章的学习，读者应掌握函数系统误差和函数随机误差的计算以及误差的合成和分配。误差理论与数据处理重点和难点n n函数系统误差n n函数随机误差n n函数误差分布的模拟计算n n随机误差的合成n n未定系统误差和随机误差的合成n n误差分配n n微小误差取舍准则n n最佳测量方案的确定 误差理论与数据处理间接测量间接测量 函数误差函数误差 间接测得的被测量误差也应是直接测得量及其误差的函数，故称这种间接测量的误差为函数误差函数误差 通过直接测得的量与被测量之间的函数关系计算出被测量 第一节函数误差误差理论与数据处理一、函数系统误差计算一、函数系统误差计算第一节函数误差间接测量的数学模型 与被测量有函数关系的各个直接测量值 y 间接测量值求上述函数 y 的全微分，其表达式为：误差理论与数据处理 和 的量纲或单位不相同，则 起到误差单位换算的作用 和 的量纲或单位相同，则 起到误差放大或缩小的作用由 y 的全微分，函数系统误差 的计算公式 为各个输入量在该测量点 处的误差传播系数 第一节函数误差函数系统误差公式误差理论与数据处理几种简单函数的系统误差几种简单函数的系统误差 1、线性函数2、三角函数形式 系统误差公式当 当函数为各测量值之和时，其函数系统误差亦为各个测量值系统误差之和 第一节函数误差误差理论与数据处理【例】 用弓高弦长法间接测量大工件直径。如图所示，车间工人用一把卡尺量得弓高 h = 50mm ，弦长l = 500mm。已知，弓高的系统误差 h = -0.1mm , 玄长的系统误差 l = -1mm 。试问车间工人测量该工件直径的系统误差，并求修正后的测量结果。 【解】建立间接测量大工件直径的函数模型 不考虑测量值的系统误差，可求出在 处的直径测量值 第一节函数误差误差理论与数据处理因D=f(l,h) 直径的系统误差: 故修正后的测量结果: 计算结果：计算结果：误差传递系数为: 第一节函数误差误差理论与数据处理L1D1D2L2La/2例：用双圆球法检定高精度内例：用双圆球法检定高精度内锥角锥角a a，如图所示，已知，如图所示，已知第一节函数误差误差理论与数据处理二、函数随机误差计算二、函数随机误差计算第一节函数误差数学模型数学模型 变量中只有随机误差泰勒展开，并取其一阶项作为近似值函数的一般形式 得到 即：可得：误差理论与数据处理函数标准差计算函数标准差计算 或 第i个直接测得量 的标准差 第i个测量值和第j个测量值之间的相关系数 第i个测量值和第j个测量值之间的协方差 第i个直接测得量 对间接量 在该测量点 处的误差传播系数 第一节函数误差函数随机误差公式函数随机误差公式误差理论与数据处理或相互独立的函数标准差计算相互独立的函数标准差计算相互独立的函数标准差计算相互独立的函数标准差计算 若各测量值的随机误差是相互独立的，相关项 令第一节函数误差则 当各个测量值的随机误差都为正态分布时，标准差用极限误差代替，可得函数的极限误差公式 第i个直接测得量 的极限误差 多数情况下 a1误差理论与数据处理三角形式的函数随机误差公式三角形式的函数随机误差公式三角形式的函数随机误差公式三角形式的函数随机误差公式1） 正弦函数形式为: 函数随机误差公式为： 第一节函数误差2） 余弦函数形式为: 函数随机误差公式为： 三角函数标准差计算三角函数标准差计算三角函数标准差计算三角函数标准差计算 3） 正切函数形式为: 函数随机误差公式为： 4） 余弦函数形式为: 函数随机误差公式为： 误差理论与数据处理【解】【解】【例】【例】 用弓高弦长法间接测量大工件直径。如图所示，车间工人用一把卡尺量得弓高 h = 50mm ，弦长l = 500mm。已知，弓高的系统误差 h = -0.1mm , 玄长的系统误差 h = -1mm 。试求测量该工件直径的标准差，并求修正后的测量结果。1.已知： ，有修正后的测量结果 第一节函数误差2.已知 ，求直径的极限误差。误差理论与数据处理L1D1D2L2La/2例：用双圆球法检定高精度内例：用双圆球法检定高精度内锥角锥角a a，如图所示，已知，如图所示，已知第一节函数误差误差理论与数据处理相关系数对函数误差的影响相关系数对函数误差的影响 反映了各随机误差分量相互间的线性关联对函数总误差的影响 函数标准差与各随机误差分量标准差之间具有线性的传播关系 函数随机误差公式当相关系数 时当相关系数 时2 2、 相关系数估计相关系数估计第一节函数误差误差理论与数据处理n n说明：说明： 1. 1.误差间的线性相关关系误差间的线性相关关系 这种依赖关系有强有弱这种依赖关系有强有弱 2. 2.相关系数相关系数 若两误差间有线性关系时，其相关性强弱由相关系数反映。若两误差间有线性关系时，其相关性强弱由相关系数反映。第一节函数误差误差理论与数据处理相关系数的确定相关系数的确定相关系数的确定相关系数的确定可判断 的情形 断定 与 两分量之间没有相互依赖关系的影响 当一个分量依次增大时，引起另一个分量呈正负交替变化，反之亦然 与 属于完全不相干的两类体系分量，如人员操作引起的误差分量与环境湿度引起的误差分量 与 虽相互有影响，但其影响甚微，视为可忽略不计的弱相关 1 1、直接判断法、直接判断法第一节函数误差误差理论与数据处理可判断 或 的情形 断定 与 两分量间近似呈现正的线性关系或负的线性关系 当一个分量依次增大时，引起另一个分量依次增大或减小，反之亦然 与 属于同一体系的分量，如用1m基准尺测2m尺，则各米分量间完全正相关 第一节函数误差2 2、试样观察法和简略计算法、试样观察法和简略计算法 （1 1） 观察法观察法误差理论与数据处理第一节函数误差 （2 2） 简单计算法简单计算法其中，n2n3n4n10 （3 3） 直接计算法直接计算法 根据 的多组测量的对应值 ，按如下统计公式计算相关系数 、 分别为 、 的算术平均值 （4 4） 理论计算法理论计算法误差理论与数据处理第二节随机误差的合成 任何测量结果都包含有一定的测量误差，这是测量过程中各个环节一系列误差因素作用的结果。误差合成就是在正确地分析和综合这些误差因素的基础上，正确地表述这些误差的综合影响。 标准差合成 极限误差合成解决随机误差的合成问题一般基于标准差方和根合成的方法，其中还要考虑到误差传播系数以及各个误差之间的相关性影响 随机误差的合成形式包括：误差理论与数据处理一、标准差合成一、标准差合成合成标准差表达式合成标准差表达式: : q个单项随机误差，标准差 误差传播系数 v 由间接测量的显函数模型求得 v 根据实际经验给出 v知道影响测量结果的误差因素 而不知道每个 和 第二节随机误差的合成误差理论与数据处理当误差传播系数 、且各相关系数均可视为0的情形 第二节随机误差的合成若各个误差互不相关，即相关系数 则合成标准差 用标准差合成有明显的优点，不仅简单方便，而且无论各单项随机误差的概率分布如何，只要给出各个标准差，均可计算出总的标准差 视各个误差分量的量纲与总误差量的量纲都一致，或者说各个误差分量已经折算为影响函数误差相同量纲的分量 误差理论与数据处理二、极限误差合成二、极限误差合成 单项极限误差单项极限误差: : 单项随机误差的标准差 单项极限误差的置信系数 合成极限误差合成极限误差: : 合成标准差 合成极限误差的置信系数 第二节随机误差的合成合成极限误差计算公式合成极限误差计算公式合成极限误差计算公式合成极限误差计算公式误差理论与数据处理根据已知的各单项极限误差和所选取的各个置信系数，即可进行极限误差的合成 各个置信系数 、 不仅与置信概率有关，而且与随机误差的分布有关 对于相同分布的误差，选定相同的置信概率，其相应的各个置信系数相同 对于不同分布的误差，选定相同的置信概率，其相应的各个置信系数也不相同 第二节随机误差的合成ij 为第i个和第j个误差项之间的相关系数，可根据前一节的方法确定。应用极限误差合成公式时，应注意：应用极限误差合成公式时，应注意：应用极限误差合成公式时，应注意：应用极限误差合成公式时，应注意：误差理论与数据处理 当各个单项随机误差均服从正态分布时，各单项误差的数目q较多、各项误差大小相近和独立时，此时合成的总误差接近于正态分布合成极限误差：合成极限误差： 若和各单项误差大多服从正态分布或近似服从正态分布，而且他们之间常是线性无关或近似线性无关，是较为广泛使用的极限误差合成公式 第二节随机误差的合成时：此时误差理论与数据处理第三节系统误差合成一、已定系统误差的合成一、已定系统误差的合成系统误差的分类：系统误差的分类： 1） 已定系统误差2） 未定系统误差定义定义：误差大小和方向均已确切掌握了的系统误差表示符号：表示符号：合成方法合成方法：按照代数和法进行合成按照代数和法进行合成i 为第i个系统误差，ai为其传递系数系统误差可以在测量过程中消除，也可在合成后在测量结果中消除误差理论与数据处理二、未定系统误差的合成二、未定系统误差的合成二、未定系统误差的合成二、未定系统误差的合成 第三节系统误差合成（一）（一）（一）（一） 未定系统误差的特征及其评定未定系统误差的特征及其评定未定系统误差的特征及其评定未定系统误差的特征及其评定定义定义：误差大小和方向未能确切掌握，或者不须花费过多精力去掌握，而只能或者只需估计出其不致超过某一范围 e 的系统误差特征特征：1） 在测量条件不变时为一恒定值，多次重复测量时其值固定不变，因而单项系统误差在重复测量中不具有抵偿性2） 随机性。当测量条件改变时，未定系统误差的取值在某极限范围内具有随机性，且服从一定的概论分布，具有随机误差的特性。表示符号：表示符号： 极限误差：极限误差：e 标准差：标准差：u误差理论与数据处理1、标准差合成、标准差合成第三节系统误差合成（二）（二）（二）（二） 未定系统误差的合成未定系统误差的合成未定系统误差的合成未定系统误差的合成同随机误差的合成时，未定系统误差合成时即可以按照标准差合成，也可以按照极限误差的形式合成。 若测量过程中有 s 个单项未定系统误差，它们的标准差分别为 u1，u2，us，其相应的误差传递系数为a1，a2，as ，则合成后未定系统误差的总标准差 u 为:式中，ij 为第 i 个和第 j 个误差项的相关系数当 ij=0 时则有：误差理论与数据处理则由各单项未定系统误差标准差得到的合成未定系统误差极限误差为：第三节系统误差合成2、极限误差的合成、极限误差的合成 因为各个单项未定系统误差的极限误差为: 若总的未定系统误差极限误差表示为：或者，由各单项未定系统误差极限误差得到的合成未定系统误差极限误差为：误差理论与数据处理第三节系统误差合成 当各个单项未定系统误差均服从正态分布，且相互间独立无关，即 ，则上式可简化为：误差理论与数据处理第四节系统误差与随机误差的合成一、按极限误差合成一、按极限误差合成一、按极限误差合成一、按极限误差合成 误差的合成可按照两种形式合成：按极限误差误差形式合成、按标准差形式合成。 测量过程中，假定有 r 个单项已定系统误差，s 个单项未定系统误差，q 个单项随机误差。它们的误差值或极限误差分别为：1、单次测量情况、单次测量情况 若各个误差的传递系数取 1，则测量结果总的极限误差为：式中，R 为各个误差之间的协方差之和。误差理论与数据处理 当各个误差均服从正态分布，且各个误差间互不相关时，测量结果总的极限误差可简化为：第四节系统误差与随机误差的合成 一般情况下，已定系统误差经修正后，测量结果总的极限误差就是总的未定系统误差与总的随机误差的均方根值，即：2、n 次重复测量情况次重复测量情况 当每项误差都进行 n 次重复测量时，由于随机误差间具有低偿性、系统误差（包括未定系统误差）不存在低偿性，总误差合成公式中的随机误差项应除以重复测量次数 n 。总极限误差变为：当多项末定系统误差和随机误差合成时，对某一项误差无论做哪一种误差处理，其最后合成结果相同。误差理论与数据处理第四节系统误差与随机误差的合成二、按标准差合成二、按标准差合成二、按标准差合成二、按标准差合成 测量过程中，假定有 s 个单项未定系统误差，q 个单项随机误差，它们的标准差分别为：1、单次测量情况、单次测量情况 若各个误差的传递系数取 1，则测量结果总的极限误差为：式中，R 为各个误差之间的协方差之和。 若用标准差来表示系统误差和随机误差的合成公式，则只考虑未定系统误差与随机误差的合成。误差理论与数据处理 当各个误差均服从正态分布，且各个误差间互不相关时，测量结果总标准差为：2、n 次重复测量情况次重复测量情况 当每项误差都进行 n 次重复测量时，由于随机误差间具有低偿性、系统误差（包括未定系统误差）不存在低偿性，总误差合成公式中的随机误差项应除以重复测量次数 n 。第四节系统误差与随机误差的合成总极限误差变为：误差理论与数据处理【例】【例】 在万能工具显微镜上用影像法测量某一平面工件的长度共两次，测得结果分别为 ， ，已知工件的高度为 ，求测量结果及其极限误差。第四节系统误差与随机误差的合成序号123456误差因素极限误差随机误差 未定系统误差备注阿贝误差光学刻尺刻度误差温度误差读数误差瞄准误差光学刻尺检定误差0.810.50.351.251未修正时计入总误差修正时计入总误差根据工具显微镜的工作原理和结构可知，测量过程中主要的误差见表。误差理论与数据处理【解】【解】两次测量结果的平均值为: 根据万能工具显光学刻线尺的刻度误差表，查得在 50mm 范围内的误差 =-0.0008mm ，此项误差为已定系统误差，应予修正。则测量结果为：第四节系统误差与随机误差的合成 在万工显上用影像法测量平面工件尺寸时，其主要误差分析如下：1、随机误差 由读数误差和工件瞄准引起，其极限误差分别为误差理论与数据处理 1）读数误差： 2）瞄准误差：第四节系统误差与随机误差的合成2、未定系统误差 由阿贝误差等引起，其极限误差分别为 1）阿贝误差： 2）瞄准误差： 3）温度误差： 4）光学刻度尺的检定误差：误差理论与数据处理第四节系统误差与随机误差的合成3、计算测量值及其误差 计算测量值的误差时有两种方法：方法1当未修正光学刻尺刻度误差时测量结果可表示为： 方法2当已修正光学刻尺刻度误差时 误差理论与数据处理【例例】 用TC328B型天平，配用三等标准砝码称一不锈钢球质量，一次称量得钢球质量 ，求测量结果的标准差。第四节系统误差与随机误差的合成(1)随机误差: 天平示值变动性所引起的误差为随机误差。多次重复称量同一球的质量的天平标准差为 (2)未定系统误差: 标准砝码误差和天平示值误差，在给定条件下为确定值，但又不知道具体误差数值，而只知道误差范围（或标准差），故这两项误差均属未定系统误差。砝码误差: 天平称量时所用的标准砝码有三个，即的一个， 的两个，标准差分别为:故三个砝码组合使用时，质量的标准差为 根据TC328B型天平的称重方法，其测量结果的主要误差如下：误差理论与数据处理 天平示值误差 该项标准差为:第四节系统误差与随机误差的合成 三项误差互不相关，且各个误差传播系数均为1，因此误差合成后可得到测量结果的总标准差为 误差理论与数据处理第五节误差分配误差分配误差分配 给定测量结果允许的总误差，合理确定各个单项误差。 在误差分配时，随机误差和未定系统误差同等看待。 假设各误差因素皆为随机误差，且互不相关，有： 若已经给定 ，如何确定 Di 或相应的 i ,使其满足式中， 称为部分误差，或局部误差误差理论与数据处理一、按等影响原则分配误差一、按等影响原则分配误差 等影响原则等影响原则： 各分项误差对函数误差的影响相等，即 由此可得： 或用极限误差表示： 函数的总极限误差 各单项误差的极限误差 第五节误差分配 进行误差分配时，一般应按照下述步骤：误差理论与数据处理二、按可能性调整误差二、按可能性调整误差 (1) 对各分项误差平均分配的结果，会造成对部分测量误差的需求实现颇感容易，而对令一些测量误差的要求难以达到。这样，势必需要用昂贵的高准确度等级的仪器，或者以增加测量次数及测量成本为代价。按等影响原则分配误差的不合理性按等影响原则分配误差的不合理性 (2) 当各个部分误差一定时，则相应测量值的误差与其传播系数成反比。所以各个部分误差相等，相应测量值的误差并不相等，有时可能相差较大。 在等影响原则分配误差的基础上，根据具体情况进行适当调整。对难以实现测量的误差项适当扩大，对容易实现的误差项尽可能缩小，其余误差项不予调整。 第五节误差分配误差理论与数据处理 测量一圆柱体的体积时，可间接测量圆柱直径 D 及高度 h，根据函数式 三、验算调整后的总误差三、验算调整后的总误差 误差按等影响原理确定后，应按照误差合成公式计算实际总误差，若超出给定的允许误差范围，应选择可能缩小的误差项再进行缩小。若实际总误差较小，可适当扩大难以实现的误差项的误差，合成后与要求的总误差进行比较，直到满足要求为止。 第五节误差分配【例】【例】求得体积 V ，若要求测量体积的相对误差为1，已知直径和高度的公称值分别为 ， 试确定直径 D 及高度 h 的准确度。 误差理论与数据处理一、按等影响分配原则分配误差一、按等影响分配原则分配误差得到测量直径 D 与高度 h 的极限误差: 第五节误差分配【解】【解】 计算体积 体积的绝对误差: 误差理论与数据处理 用这两种量具测量的体积极限误差为 因为 查资料，可用分度值为0.1mm的游标卡尺测高 ，在50mm测量范围内的极限误差为，用0.02mm的游标卡尺测直径，在20mm范围内的极限误差为 。 第五节误差分配二、调整后的测量极限误差二、调整后的测量极限误差 显然采用的量具准确度偏高，选得不合理，应作适当调整。若改用分度值为0.05mm的游标卡尺来测量直径和高度，在50mm测量范围内的极限误差为 。此时测量直径的极限误差虽超出按等作用原则分配所得的允许误差，但可从测量高度允许的多余部分得到补偿。 误差理论与数据处理调整后的实际测量极限误差为 因为 因此调整后用一把游标卡尺测量直径和高度即能保证测量准确度。 第五节误差分配误差理论与数据处理微小误差微小误差 测量过程包含有多种误差时，当某个误差对测量结果总误差的影响小，可以忽略不计的误差。已知测量结果的标准差： 若将其中的部分误差取出后，则得 如果 ，则称为微小误差 ，在计算测量结果时可舍去。第六节微小误差取舍准则误差理论与数据处理测量误差的有效数字取一位：测量误差的有效数字取一位： 某项部分误差舍去后，满足： 或则对测量结果的误差计算没有影响。 测量误差的有效数字取二位：测量误差的有效数字取二位： 或 对于随机误差和未定系统误差，微小误差舍去准则是被舍去的误差必须小于或等于测量结果的十分之一到三分之一。对于已定系统误差，按百分之一到十分之一原则取舍。 第六节微小误差取舍准则 某项部分误差舍去后，满足： 应用：应用： 计算总误差或进行误差分配时，若发现有微小误差，可不考虑该项误差对总误差的影响。 选择高一级精度的标准器具时，其误差一般应为被检器具允许误差的1/103/10。误差理论与数据处理最佳测量方案的确定：最佳测量方案的确定： 当测量结果与多个测量因素有关时，采用什么方法确定各个因素，才能使测量结果的误差最小。 研究间接测量中使函数误差为最小的最佳测量方案。函数的标准差为： 欲使 为最小，可从哪几方面来考虑？ 第七节最佳测量方案的确定考虑因素：考虑因素： 因为已定系统误差可以通过误差修正的方法来消除，所以设计最佳测量方案时，只需考虑随机误差和未定系统误差的影响。 研究对象和目标：研究对象和目标： 误差理论与数据处理一、选择最佳函数误差公式一、选择最佳函数误差公式 间接测量中如果可由不同的函数公式来表示，则应选取包含直接测量值最少的函数公式。 不同的数学公式所包含的直接测量值数目相同，则应选取误差较小的直接测量值的函数公式。 第七节最佳测量方案的确定【例例】用分度值为O.05mm游标卡尺测量两轴的中心距L，试选择最佳测量方案。 已知测量的标准差分别为:误差理论与数据处理方法一 ：测量两轴直径 d1、d2 和外尺寸 L1，其函数式及误差为 由计算结果可知，方法三误差最小，方法二误差最大，这是因为方法三的函数式最简单，而方法二包含的直接量较多，又包含内尺寸的测量。【解解】测量中心距L有下列三种方法：第七节最佳测量方案的确定方法二 ：测量两轴直径 d1、d2 和内尺寸 L2，其函数式及误差为方法三 ：测量外尺寸 L1 和内尺寸 L2，其函数式及误差为误差理论与数据处理二、使误差传播系数尽量小二、使误差传播系数尽量小 由函数误差公式，若使各个测量值对函数的误差传播系数 或为最小，则函数误差可相应减少。 根据这个原则，对某些测量实践，尽管有时不可能达到使 等于零的测量条件，但却指出了达到最佳测量方案的趋向。第七节最佳测量方案的确定【例例】用弓高弦长法测量工件直径，已知其函数式为: 试确定最佳测量方案。【解解】由函数式求得函数误差的误差表达式： 误差理论与数据处理欲使 为最小，必须满足： 1、使 满足此条件，必须 ，但由图中几何关系可知，此时有 ，因而无实际意义。 2、使 为最小 若满足 为最小，则 值愈大愈好，即 值愈接近直径愈好。 3、使 满足此条件，必须使 ，即要求直接测量直径，才能消除 对函数误差 的影响。第七节最佳测量方案的确定误差理论与数据处理 由上述分析可知，欲使为 最小，必须测量直径，此时弓高的测量误差 已不影响直径的测量准确度，而只有弦长的测量误差 影响直径的测量准确度。但对大直径测量，此条件难以满足，不过他指出了当 值愈接近值 时，直径的测量误差也越小 第七节最佳测量方案的确定分析：分析： 误差理论与数据处理练习题误差理论与数据处理练习题