测量的不确定度与数据处理整理资料

单次直接测量的数据处理：
在实际测量过程中，有的“被测量”是随时间变化着的，我们无法对其进行不同时间段的多次重复测量，因此只能进行在一个时间段内的单次测量；还有些“被测量”，我们对它们的测量精度要求不高，因此只进行一个单次测量就成了。

单次测量中，
用单次测量值x 测作为“被测量”的最佳估计值。

用仪器误差∆仪作为总不确定度。

最终测量结果表示为：x =x ±∆测仪
多次直接测量的数据处理：
步骤：
（1） 计算“被测量”的算术平均值1
1n
i i x x n ==∑，把x 作为“被测量”的最佳估计值。

（2） 求出各测量值的残差i i v x x =-。

（3）
用贝塞尔公式求出测量列的标准偏差x S =。

（4） 审查测量数据，如有异常数据，应立即舍弃，舍弃异常数据后，再重复步骤（1）、
（2）、（3）、（4），直至完全剔除所有异常数据。

（5） 按A x S ∆=求出总不确定度的A 类分量A ∆。

（6）
求出总不确定度∆==。

（7） 最终测量结果表示为：x =x ±∆，有时要求求出100%r U x ∆=⨯。

测量不确定度与数据处理复习纲要§1 测量及其误差1 测量的概念测量：为确定被测对象的测量值，首先要选定一个单位，然后用这个单位与被测对象进行比较，求出它对该单位的比值──倍数，这个数即为数值。

表示一个被测对象的测量值时必须包含数值和单位两个部分。

目前，在物理学上各物理量的单位，都采用中华人民共和国法定计量单位，它是以国际单位制（SI）为基础的单位。

它是以米（长度）、千克（质量）、秒（时间）、安培（电流强度）、开尔文（热力学温度）、摩尔（物质的量）和坎德拉（发光强度）作为基本单位，称为国家单位制的基本单位；其它量（如力、能量、电压、磁感应强度等等）的单位均可由这些基本单位导出，称为国际单位制的导出单位。

2 直接测量、间接测量、等精度测量测量分为直接测量和间接测量。

直接测量是指把待测物理量直接与作为标准的物理量相比较，例如用直尺测某长度，间接测量是指按一定的函数关系，由一个或多个直接测量量计算出另一个物理量。

同一个人，用同样的方法，使用同样的仪器并在相同的条件下对同一物理量进行的多次测量，叫做等精度测量。

以后说到对一个量的多次测量，如无另加说明，都是指等精度测量。

3 测量的正确度、精密度和精确度正确度表示测量结果系统误差的大小，精密度表示测量结果随机性的大小，精确度则综合反映出测量的系统误差与随机性误差的大小。

4 误差的概念测量值x与真值X之差称为测量误差Δ，简称误差。

Δ＝x-X。

误差的表示形式一般分为绝对误差与相对误差。

绝对误差使用符号±Δx。

x表示测量结果x与直值X之间的差值以一定的可能性（概率）出现的范围，即真值以一定的可能性（概率）出现在x-Δx至x+Δx区间内。

相对误差使用符号β。

由于仅根据绝对误差的大小还难以评价一个测量结果的可靠程度，还需要看测定值本身的大小，故用相对误差能更直观的表达测定值的误差大小。

绝对误差、相对误差和百分误差通常只取1～2位数字来表示。

5 误差的分类与来源一般将误差分为系统误差、随机误差、粗大误差三类。

误差分析与数据处理基础知识 不确定度 小结一．误差分类系统误差 偶然误差（随机误差） 粗差（过失误差）系统误差可以消除；粗差应该剔除； 偶然误差永远存在，不可避免。

因此，误差分析与数据处理基础知识，主要针对偶然误差分析。

二．多次等精度测量的主要内容对物理量x 进行多次等精度测量，得到一个测量列：),,,(n i x x x x 21； 近真值为算术平均值：nx x n i i /∑==1 测量列的标准偏差（简称标准差）为：∑=--=n i i x x x n 12)(11σ； 近真值即算术平均值的标准差为：n xx σσ=；测量的统计结果表达形式为：⎪⎩⎪⎨⎧⨯==±=%).()(1006830x E P x x x x x σσ单位意义：真值落在)(x x σ-到)(x x σ+的概率为68.3％。

这种结果形式中，置信概率P =0.683可以省略三．间接测量的主要内容1．误差传递公式如果),,( C B A f N =，则+∆∂∂+∆∂∂+∆∂∂=∆C C f B B f A A f N两个结论：① 和与差的绝对偏差，等于各直接测量量的绝对偏差之和。

② 积与商的相对偏差，等于各直接测量量的相对偏差之和。

2. 标准误差传递公式+⋅⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⋅⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=2222B A NB f A f σσσ 两个结论：① 和与差的绝对偏差等于各直接测量量的绝对偏差的“方和根”。

② 积与商的相对偏差等于各直接测量量的相对偏差的“方和根”。

四．测量不确定度评定与表示的主要内容1．A 类不确定度x A x u σ=)(∑=--=n i i xx x n n n 12)()1(1σ2．B 类不确定度 k x u B ∆=)(； 式中∆为仪器误差。

通常仪器误差服从的规律可简单认为服从均匀分布，这种情况下常数k 取3。

即误差均匀分布的B 类不确定度3∆=)(x u B 3．总不确定度（即合成不确定度）)()()(22x u x u x u B A C += 注意：通常先将各来源的标准不确定度划归入A 类评定和B 类评定，再计算总不确定度。

不确定度与数据处理一、 误差与不确定度1．误差与不确定度的关系（1）误差：测量结果与客观真值之差 ∆x =x -A其中A 称为真值，一般不可能准确知道，常用约定真值代替：⎪⎩⎪⎨⎧理论公式计算结果—理论值更高精度仪器测量结果—标准值如物理常数等—公认值对一个测量过程，真值A 的最佳估计值是平均值x 。

在上述误差公式中，由于A 不可知，显然∆x 也不可知，对误差的最佳估计值是不确定度u (x )。

（2）不确定度：对误差情况的定量估计，反映对被测量值不能肯定的程度。

通常所说“误差”一般均为“不确定度”含义。

不确定度分为A 、B 两个分量，其中A 类分量是可用统计方法估计的分量，它的主要成分是随机误差。

2．随机误差： 多数随机误差服从正态分布。

定量描述随机误差的物理量叫标准差。

（1）标准差与标准偏差标准差 kA x i k ∑-=∞→2)(l i mσ∵真值A 不可知，且测量次数k 为有限次 ∴ σ 实际上也不可知，于是：用标准偏差S 代替标准差σ ： 1)()(2--=∑k x x x S i ——单次测量的标准偏差结果表述： x i ± S (x ) （置信概率~68.3%）真值的估计值 单次测量标准差最佳估计值S (x )的物理意义：在有限次测量中，每个测量值平均所具有的标准偏差。

（并不是只做一次测量）通常不严格区分标准差与标准偏差，统称为标准差。

（2）平均值的标准差真值的最佳估计值是平均值，故结果应表述为： x ± S (x ) （置信概率~68.3%）真值的最佳估计值其中 )1()()(2--=∑k k x x x S i ——平均值的标准偏差例1：某观察量的n 次独立测量的结果是X 1, X 2, , X n 。

试用方差合成公式证明平均值的标准偏差是样本标准偏差的n1，即nX S X S )()(=。

解： nX X i∑=由题知X i 相互独立，则根据方差合成公式有 nX u X u X u n )()()(212++=利用样本标准偏差的定义，可知 u (X i )=S (X ) i =1,2, ,n 故 nX S nX nS nX S X S X S X u )()()()()()(222==++==3．系统误差与仪器误差（限）（1）系统误差：在同一被测量的多次测量过程中，保持恒定或以可以预知方式变化的那一部分误差称为系统误差。

不确定度与数据处理一、 误差与不确定度1．误差与不确定度的关系（1）误差：测量结果与客观真值之差x =x -A其中A 称为真值，一般不可能准确知道，常用约定真值代替：⎪⎩⎪⎨⎧理论公式计算结果—理论值更高精度仪器测量结果—标准值如物理常数等—公认值对一个测量过程，真值A 的最佳估计值是平均值x 。

在上述误差公式中，由于A 不可知，显然x 也不可知，对误差的最佳估计值是不确定度u (x )。

（2）不确定度：对误差情况的定量估计，反映对被测量值不能肯定的程度。

通常所说“误差”一般均为“不确定度”含义。

不确定度分为A 、B 两个分量，其中A 类分量是可用统计方法估计的分量，它的主要成分是随机误差。

2．随机误差： 多数随机误差服从正态分布。

定量描述随机误差的物理量叫标准差。

（1）标准差与标准偏差标准差 kA x i k ∑-=∞→2)(limσ∵真值A 不可知，且测量次数k 为有限次 ∴实际上也不可知，于是：用标准偏差S 代替标准差 ： 1)()(2--=∑k x x x S i ——单次测量的标准偏差结果表述： x i ± S (x ) （置信概率~68.3%）单次测量标准差最佳估计值S (x )的物理意义：在有限次测量中，每个测量值平均所具有的标准偏差。

（并不是只做一次测量）通常不严格区分标准差与标准偏差，统称为标准差。

（2）平均值的标准差真值的最佳估计值是平均值，故结果应表述为： x ± S (x ) （置信概率~68.3%）真值的最佳估计值 平均值的标准差最佳估计值其中 )1()()(2--=∑k k x x x S i ——平均值的标准偏差例1：某观察量的n 次独立测量的结果是X 1, X 2, , X n 。

试用方差合成公式证明平均值的标准偏差是样本标准偏差的n1，即nX S X S )()(=。

解： nX X i∑=由题知X i 相互独立，则根据方差合成公式有 nX u X u X u n )()()(212++=利用样本标准偏差的定义，可知 u (X i )=S (X ) i =1,2, ,n 故 nX S nX nS nX S X S X S X u )()()()()()(222==++==3．系统误差与仪器误差（限）（1）系统误差：在同一被测量的多次测量过程中，保持恒定或以可以预知方式变化的那一部分误差称为系统误差。

第2章测量误差、不确定度和数据处理2.1 测量误差与不确定度2.1.1 测量在科学实验中，一切物理量都是通过测量得到的。

所谓测量就是将待测物理量与规定作为标准单位的同类物理量(或称为标准量)通过一定方法进行比较。

测量中的比较倍数即为待测物理量的测量值。

测量可分为两类，一类是用已知的标准单位与待测量直接进行比较，或者从已用标准量校准的仪器仪表上直接读出测量值(例如，用米尺量得物体的长度为0.7300m，用停表测得单摆周期为1.05s，用毫安表读出电流值为12.0mA等)，这类测量称直接测量(或简单测量)；另一类测量，它不能直接把待测量的大小测出来，而是依据该待测量和一个或几个直接测得量的函数关系求出该待测量(例如，测量铜(圆柱体)的密度时，我们首先用游标卡尺或千分尺测出它的高h和直径d，用天平称出它的质量M，然后再通ρ=计算出铜的密度ρ)，我们把这类测量称为间接测量(或称复合过函数关系式h4π/M2d测量)。

一般说，大多数测量都是间接测量、但随着科学技术的发展，很多原来只能以间接测量方式来获得的物理量，现在也可以直接测量了。

例如电功率的测量，现在可用功率表直接测量，又如速度也可用速率表来直接测量等。

测得的数据(即测量值)不同于数学中的一个数值，数据是由数值和单位两部分组成的。

一个数值有了单位，便具有了一种特定的物理意义，这时，它才可以称为一个物理量。

因此，在实验中经测量所得的值(数据)应包括数值和单位，即以上二者缺一不可。

2.1.2 误差任何物质都有自身的特性，反映这些特性的物理量所具有的客观真实数值称为这些物理量的真值。

测量的目的就是要力求得到真值。

但测量总是依据一定的理论和方法，使用一定的仪器，在一定的环境中，由一定的人进行的。

在实验测量过程中，由于受到测量仪器、测量方法、测量条件和测量人员的水平以及种种因素的限制，使测量结果与客观存在的真值不可能完全相同，导致所测得的只能是该物理量的近似值。