本帖最后由 史錦順 于 2017-2-18 19:26 編輯
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第二種解法 用“方根法”解題(從頭說(shuō)起)
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(1至5講新合成法關(guān)于系統(tǒng)誤差的部分。弄懂后,解題只用6)
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誤差,表示測(cè)得值與實(shí)際值的差距。誤差的概念,有三層意思:誤差元、誤差范圍,或泛指二者。
誤差元是測(cè)得值減真值。恒值的誤差元,稱為系統(tǒng)誤差;隨機(jī)變化的誤差元,稱為隨機(jī)誤差。
誤差范圍是誤差元的絕對(duì)值的一定概率(大于99%)意義上的最大可能值。
測(cè)得值與誤差范圍構(gòu)成測(cè)量結(jié)果。
誤差合成是由誤差元求誤差范圍。
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1 誤差合成的三種方式
誤差量的特點(diǎn)是其絕對(duì)性與上限性。
經(jīng)典誤差理論對(duì)系統(tǒng)誤差直接取絕對(duì)值,合成取“絕對(duì)和”,保險(xiǎn),但偏于保守。而隨機(jī)誤差可正可負(fù),有相互抵消作用,直接取絕對(duì)值不能體現(xiàn)隨機(jī)誤差的特點(diǎn)。這種方式不能貫通。
不確定度理論合成的方式是方差合成,其方針是統(tǒng)一采用“方和根法”。對(duì)隨機(jī)誤差的處理與經(jīng)典誤差理論相同,沒(méi)有問(wèn)題;但對(duì)系統(tǒng)誤差的處理,陷入歧途。為實(shí)行“方和根法”,造成三大難關(guān):1)化系統(tǒng)誤差為隨機(jī)誤差;2)認(rèn)知誤差量的分布規(guī)律;3)確定相關(guān)系數(shù)。計(jì)量專(zhuān)家也難過(guò)這三關(guān)。此路不通。
本文用“方根法”實(shí)現(xiàn)誤差量的絕對(duì)化。著眼于范圍,對(duì)系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差一并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。用恒值β代表系統(tǒng)誤差元;用三倍的隨機(jī)誤差元3ξ代表隨機(jī)誤差對(duì)誤差范圍的貢獻(xiàn)單元。這樣,系統(tǒng)誤差β與隨機(jī)誤差元3ξ對(duì)誤差范圍的貢獻(xiàn)權(quán)重相同。于是,貫通了兩類(lèi)誤差合成的各種情況,公式推導(dǎo)簡(jiǎn)潔方便。按交叉系數(shù)近于1還是近于零來(lái)確定公式,從而推導(dǎo)出“絕對(duì)和”與“方和根”兩種誤差合成法。
新理論立足于系統(tǒng)誤差的恒值性,兼顧隨機(jī)誤差的抵消性以及多項(xiàng)系統(tǒng)誤差各交叉項(xiàng)間的抵消性,避開(kāi)“取方差”、“認(rèn)知誤差分布”和“確定相關(guān)系數(shù)”等難題。實(shí)現(xiàn)了誤差合成理論的公式化。
本文推導(dǎo)出的新的誤差合成法是:兩三項(xiàng)大系統(tǒng)誤差,取“絕對(duì)和”;其他情況,有抵消作用,取“方和根”。
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2 單項(xiàng)系統(tǒng)誤差元構(gòu)成的誤差范圍
系統(tǒng)誤差元用β表示。β是或正或負(fù)的恒值。
單個(gè)系統(tǒng)誤差構(gòu)成的誤差范圍:
R系 =√[(1/N)∑βi2]
=√β2
= |β| (1)
單個(gè)系統(tǒng)誤差構(gòu)成的誤差范圍,是該系統(tǒng)誤差的絕對(duì)值。
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3 誤差合成的理論基礎(chǔ)
直接測(cè)量,由物理機(jī)制確定測(cè)量方程,給出測(cè)得值函數(shù)。間接測(cè)量的測(cè)得值是各直接測(cè)量測(cè)得值的函數(shù)。函數(shù)的改變量,等于函數(shù)對(duì)各個(gè)自變量偏微分的和。就是泰勒展開(kāi)的一級(jí)近似。
f(x,y) = f(xo,yo)+(?f/?x)(x-xo)+(?f/?y)(y-yo) (2)
f(x,y) - f(xo,yo) = (?f/?x)Δx + (?f/?y)Δy (3)
Δf = (?f/?x)Δx + (?f/?y)Δy (4)
公式(4)是偏差關(guān)系的普遍形式。對(duì)所研究的特定函數(shù)來(lái)說(shuō),?f/?x、?f/?y是常數(shù)。
偏差關(guān)系用于測(cè)量計(jì)量領(lǐng)域,x是測(cè)得值,xo是真值,Δx是測(cè)得值x的誤差元;y是測(cè)得值,yo是真值,Δy是測(cè)得值y的誤差元;f(x,y)是間接測(cè)量被測(cè)量的函數(shù)值,f(xo,yo) 是函數(shù)的真值,Δf= f(x,y)-f(xo,yo) 是函數(shù)值的誤差元。
4 交叉系數(shù)的一般表達(dá)
設(shè)函數(shù)的誤差由兩項(xiàng)誤差Δx、Δy引起。把分項(xiàng)誤差作用的靈敏系數(shù)與該項(xiàng)誤差歸并,記為:
(?f/?x)Δx = ΔX
(?f/?y)Δy = ΔY
函數(shù)的誤差元式(4)變?yōu)椋?br />
Δf =ΔX +ΔY (5)
誤差范圍要求絕對(duì)化與最大化。絕對(duì)化的辦法是取方根,最大化要求推導(dǎo)過(guò)程中取最大值。
對(duì)(5)式兩邊平方并求統(tǒng)計(jì)平均值:
(1/N)∑Δfi2 =(1/N)∑(ΔXi +ΔYi)2
=(1/N)∑ΔXi2 + 2(1/N)∑ΔXiΔYi+(1/N)∑ΔYi2
RΔf2 = RΔX2 + 2(1/N)∑ΔXiΔYi + RΔY2 (6)
(6)式右側(cè)的第一項(xiàng)為ΔX范圍的平方RΔX2 ;第三項(xiàng)為ΔY范圍的平方RΔY2 ;第二項(xiàng)是交叉項(xiàng),是我們研究的重點(diǎn)對(duì)象。
交叉項(xiàng)為
2(1/N)∑ΔXiΔYi
= 2 [(1/N)(∑ΔXiΔYi)/(RΔXRΔY)] ×(RΔXRΔY)
= 2 J RΔXRΔY (7)
(7)式中的J為:
J =(1/N)(∑ΔXiΔYi) / (RΔXRΔY) (8)
稱J 為交叉系數(shù)。
當(dāng)交叉系數(shù)為0時(shí)誤差范圍的合成公式變?yōu)椤胺胶透保?
RΔf=√(RΔX2+RΔY2) (9)
當(dāng)交叉系數(shù)為+1時(shí)誤差范圍的合成公式變?yōu)椤敖^對(duì)和”:
RΔf=|ΔX| +|ΔY| =RΔX + RΔY (10)
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5 系統(tǒng)誤差與系統(tǒng)誤差合成的交叉系數(shù)
設(shè)(8)式中ΔX為系統(tǒng)誤差βx ,ΔY為系統(tǒng)誤差βy,有
RΔX =√[(1/N)∑ΔXi2]= |βx| (11)
RΔY =√[(1/N)∑ΔYi2]= |βy| (12)
則系統(tǒng)誤差的交叉系數(shù)為
J =(1/N)(∑βxiβyi) / [|βx| |βy|]
=βxβy / [|βx||βy|]
=±1 (13)
即有
|J|=1 (14)
當(dāng)βx與βy同號(hào)時(shí),系統(tǒng)誤差的交叉系數(shù)J為+1;當(dāng)βx與βy異號(hào)時(shí),系統(tǒng)誤差的交叉系數(shù)J為-1。
當(dāng)系統(tǒng)誤差的交叉系數(shù)為+1時(shí),(6)式變?yōu)椋?br />
RΔf2 = |βx | + 2|βx||βy| + |βy|2 = (|βx|+|βy|)2
即有
RΔf = |βx| + |βy| (15)
(15)式就是絕對(duì)值合成公式。簡(jiǎn)稱“絕對(duì)和” 。
當(dāng)系統(tǒng)誤差的交叉因子為-1時(shí),(15)式變?yōu)槎坎畹墓健R驗(yàn)橥ǔV皇侵老到y(tǒng)誤差之誤差范圍,又鑒于誤差量“上限性”的特點(diǎn),誤差范圍要求取最大可能值,二量差的公式不能用。
測(cè)量?jī)x器的誤差范圍指標(biāo)值因以系統(tǒng)誤差為主,要視其為系統(tǒng)誤差值(最不利的情況),按系統(tǒng)誤差處理。
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6 求功率測(cè)量誤差
6.1 功率測(cè)得值
P測(cè) = V測(cè)I測(cè)
=100.00V×5.000A=500.0W
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6.2 功率測(cè)量誤差
6.2.1誤差元
ΔP=IΔV+VΔI
=±I RV ±VRI
=±5.000A×0.06V ±100.00V×0.003A
=±0.3W±0.3W
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6.2.2 誤差范圍
分項(xiàng)誤差給出的是誤差范圍,視為系統(tǒng)誤差;因?yàn)榉猪?xiàng)誤差只有兩項(xiàng),兩項(xiàng)系統(tǒng)誤差合成,按(13)式,交叉系數(shù)為±1。根據(jù)誤差范圍定義,必須取絕對(duì)值的最大可能值,故交叉系數(shù)J取+1,因而合成公式如(15)式,是絕對(duì)和。
誤差范圍為
RP = 0.3W+0.3W
=0.6W
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6.3 功率測(cè)量結(jié)果
伏安法測(cè)量功率的測(cè)量結(jié)果:
P = 500.0W±0.6W
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