本帖最后由 史錦順 于 2017-11-17 12:00 編輯
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論不確定度題目的計(jì)算
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史錦順
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【原題1】
13.對(duì)某信號(hào)發(fā)生器檢定裝置進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)時(shí),選一常規(guī)的被測(cè)對(duì)象,對(duì)其輸出的10MHz信號(hào)的頻率重復(fù)測(cè)量10次,測(cè)量數(shù)據(jù)分別為:10.0006MHz,10.0004MHz,10.0008MHz,10.0002MHz,10.0003MHz,10.0005MHz,10.0005MHz,10.0007MHz,10.0004MHz,10.0006MHz.在對(duì)同類被檢對(duì)象進(jìn)行檢定時(shí),一般取3次測(cè)量值的算術(shù)平均值作為測(cè)量結(jié)果,此時(shí)由測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為(C)
A. 0.00018MHz B. 0.00013MHz
C. 0.00011MHz D. 0.00006MHz
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【不確定度體系的計(jì)算過(guò)程】
1數(shù)據(jù):
10.0006MHz,10.0004MHz,10.0008MHz,10.0002MHz,10.0003MHz,10.0005MHz,10.0005MHz,10.0007MHz,10.0004MHz,10.0006MHz.
2 簡(jiǎn)表 (單位kHz,下同)
0.6, 0.4, 0.8, 0.2, 0.3, 0.5, 0,5, 0.7, 0.4, 0.6
3 平均值 0.5
4 差值 0.1 -0.1 0.3 -0.3 -0.2 0 0 0.2 -0.1 0.1
5 驗(yàn)算:差值之和為零,說(shuō)明差值計(jì)算無(wú)誤。
6 差值平方
0.01 0.01 0.09 0.09 0.04 0 0 0.04 0.01 0.01
7 差值平方和 0.30
8 平方和/(N-1)
0.30/9=0.03333
9 單值標(biāo)準(zhǔn)偏差
σ =√0.03333=0.183
10 平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差
σ平 = σ/√10 = 0.183/3.162
= 0.058
11 三次測(cè)量平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差
σ3 = σ/√3=0.183/1.732
=0.11kHz
= 0.00011MHz
【點(diǎn)評(píng)1】
測(cè)量有兩類:基礎(chǔ)測(cè)量(常量測(cè)量)和統(tǒng)計(jì)測(cè)量(被測(cè)量是統(tǒng)計(jì)變量)。
基礎(chǔ)測(cè)量的被測(cè)量的變化遠(yuǎn)小于測(cè)量?jī)x器的誤差范圍,測(cè)量表征量著眼于所用測(cè)量?jī)x器的誤差。測(cè)量?jī)x器是手段。手段的缺欠可以改進(jìn)。隨機(jī)誤差的表征量是σ平。
統(tǒng)計(jì)測(cè)量的儀器誤差范圍,要遠(yuǎn)小于被測(cè)量的變化量。測(cè)量表證量著眼于被測(cè)量的變化。被測(cè)量的變化是客觀存在,必須如實(shí)表達(dá),表征量是σ,不能除以根號(hào)N。(N是重復(fù)測(cè)量的次數(shù)。)
辨別測(cè)量任務(wù)的性質(zhì),必須明確是哪類測(cè)量,從而決定該用σ,還是σ平。不確定度體系的A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度,定義為σ平,于是不分哪類測(cè)量,σ一律除以根號(hào)N,這對(duì)統(tǒng)計(jì)測(cè)量是錯(cuò)誤的。σ平的期望值是零,不能當(dāng)隨機(jī)變量分散性的表征量。
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按重復(fù)測(cè)量的次數(shù),來(lái)確定分散性的表征量,回避了兩個(gè)西格瑪?shù)倪x取,是一種不當(dāng)?shù)淖鞣ā>軠y(cè)量,次數(shù)越多越好。阿侖方差規(guī)定取100對(duì)數(shù)據(jù),其含義是不能少取數(shù)據(jù)。其本質(zhì)是單值的西格瑪。
單值的σ,當(dāng)N趨于無(wú)窮時(shí)趨于一個(gè)常數(shù),因此只要N足夠大,則σ值與N的大小無(wú)關(guān)。
限定測(cè)量次數(shù),只能是幾次,是測(cè)量計(jì)量學(xué)歷史上沒有的事。本題目的取3次測(cè)量計(jì)算,是人為的書呆子行為,實(shí)踐中是行不通的。你規(guī)定測(cè)3次,他測(cè)量5次,有什么不好?規(guī)定測(cè)量3次,是愚蠢的。本題的“一般”取3次,是很馬虎的說(shuō)法。你不準(zhǔn)確說(shuō),卻讓人準(zhǔn)確的計(jì)算,不是科學(xué)的作風(fēng)。如果是統(tǒng)計(jì)測(cè)量,根本就不應(yīng)該除以根號(hào)3,而必須用單值的西格瑪。
本題目的手段、對(duì)象的指標(biāo)未給出,無(wú)法判斷測(cè)量的類別。現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)的所謂“重復(fù)性試驗(yàn)”本應(yīng)選用σ很小的測(cè)量對(duì)象,卻強(qiáng)調(diào)用“常規(guī)的被測(cè)對(duì)象”,這是錯(cuò)誤的作法。如此則問題可能在那個(gè)“常規(guī)的被測(cè)對(duì)象”上,不能正確評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的性能,達(dá)不到考核的目的。
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【原題2】
14.某規(guī)格為15m的鋼卷尺的最大允許誤差為:±(0.3+0.2L)mm,用該鋼卷尺測(cè)得一工件長(zhǎng)度為10.920m,則由該鋼卷尺不準(zhǔn)確引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為(B)
(注:L單位為米,當(dāng)不是整數(shù)時(shí),取接近且較大的”整米”數(shù).)
A. 0.7mm B. 1.4mm
C. 2.5mm D. 2.9mm
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【不確定度體系的計(jì)算過(guò)程】
1)最大允許誤差
取長(zhǎng)度11m
MPEV = (0.3+0.2×11)mm =2.5mm
2) 認(rèn)為是均勻分布
uB = 2.5/√3=2.5/1.732=1.44≈1.4mm
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【點(diǎn)評(píng)2】
不確定度體系的“標(biāo)準(zhǔn)不確定度uA”、“標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB”、“合成不確定度uC”、“擴(kuò)展不確定度U”,三重架構(gòu),是為“方和根”合成而設(shè)計(jì)的。這三步曲,體現(xiàn)了不確定度體系的“方差路線”。但這條路是走不通的,因?yàn)?a href="http://www.dy313.com/thread-175264-1-1.html" target="_blank" class="relatedlink">系統(tǒng)誤差的方差為零。取方差,抹煞系統(tǒng)誤差的存在和作用,是不行的。
當(dāng)前的說(shuō)法,儀器誤差是“均勻分布”,取uB=MPEV/√3,或如都成先生實(shí)驗(yàn)證實(shí)的“正態(tài)分布”,取uB=MPEV/3。這些,都是“臺(tái)域統(tǒng)計(jì)”的結(jié)果,僅適用于“多臺(tái)儀器同時(shí)測(cè)量一個(gè)量”的情況。而測(cè)量計(jì)量是一臺(tái)儀器重復(fù)測(cè)量一個(gè)量,是“時(shí)域統(tǒng)計(jì)”。因此所謂B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度的分析與計(jì)算,都是錯(cuò)誤的,沒有用處。
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【原題3】
17.將兩個(gè)經(jīng)不同計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)校準(zhǔn)的10kΩ標(biāo)準(zhǔn)電阻串聯(lián),第一個(gè)電阻校準(zhǔn)證書上給出的結(jié)果為R1=10.004kΩ,U1=8Ω (k=2),第二個(gè)電阻校準(zhǔn)證書上給出的結(jié)果為R2=10.000kΩ,U2=6×10-4 (k=2),則串聯(lián)后電阻的估計(jì)值及其合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度分別為(A)
A. 20.004kΩ,5Ω B. 20.004kΩ,7Ω
C. 20.004kΩ,10Ω D. 20.004kΩ,14Ω
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【不確定度體系的計(jì)算過(guò)程】
U1=8Ω
uB1=8Ω/2=4Ω
U2=10.000kΩ×6×10-4 = 6Ω
uB2=6Ω/2=3Ω
認(rèn)為二者不相關(guān),取“方和根”
uC=√(32+42) =√(9+16) =√25
= 5Ω
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【點(diǎn)評(píng)3】
電阻的隨機(jī)誤差很小,主要是系統(tǒng)誤差。鑒于誤差量的上限性特點(diǎn),要按最不利的情況處理,要把U當(dāng)系統(tǒng)誤差出處理。計(jì)算應(yīng)取絕對(duì)和。兩個(gè)電阻串聯(lián),兩項(xiàng)誤差絕對(duì)值相加,得14Ω,就是總電阻真值取值區(qū)間的半寬,如此完事,多么簡(jiǎn)潔。
1 取“方和根”是錯(cuò)誤的。系統(tǒng)誤差二項(xiàng)和的平方的展開式中,交叉系數(shù)的取值是+1或-1,要取大者,就是+1,合成公式是“絕對(duì)和”。所謂“不相關(guān)”,是誤導(dǎo)。
2 合成要直接“范圍合成”,退回去取“方差”,此路不通,因?yàn)橄到y(tǒng)誤差無(wú)法取方差。
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【原題4】
18.某數(shù)字電壓表說(shuō)明書上給出的最大允許誤差為±(1×10-5×讀數(shù)+2×10-6×量程).用10V量程檔測(cè)量5V的電壓,重復(fù)測(cè)量10次,取算術(shù)平均值作為測(cè)量結(jié)果,若單次測(cè)得值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差s(x)為50μV,在不考慮其它因素影響,取k為2時(shí),測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度為(D)
A. 43μV B. 56μV
C. 64μV D. 87μV
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【不確定度體系的計(jì)算過(guò)程】
1) MPEV = 1×10-5×讀數(shù)+2×10-6×量程
= 1×10-5×5V + 2×10-6×10V
= 50μV + 20μV
= 70μV
2)σ = 50μV
3)uA = σ平 = 50μV/√10
= 50μV/3.16
= 15.8μV
4) uB = MPEV/√3 = 70μV/1.732
= 40.4μV
5) uC =√(uA2+ uC2)
=√(15.8 2+ 40.4 2)
=√(294.64+1632.16)
=√1926.8
=44μV
6) U95 = 2uC
= 88μV
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原答案是87μV,這里算出88μV,略有差異,可能是有效數(shù)字處理的差別。
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【點(diǎn)評(píng)4】
儀器的MPEV是70μV,而3σ是150μV,介于基礎(chǔ)測(cè)量與統(tǒng)計(jì)測(cè)量之間。如果測(cè)量的目的是認(rèn)知被測(cè)電源的波動(dòng)性,要選用高一檔的電壓表,如果是認(rèn)知電壓表的隨機(jī)誤差,要選高一檔的穩(wěn)壓源。現(xiàn)在的測(cè)量,把二者的分散性攪和在一起,算作總分散性,而只能判別二者的合格性,不能判別二者的不合格性。
1 是想得知儀器的誤差范圍嗎?已知電壓表的誤差范圍指標(biāo)值MPEV,就要相信它;如果有懷疑,就要通過(guò)計(jì)量(有計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量)來(lái)判別,或者合格,或者不合格,都是按MPEV處理。再疊加一項(xiàng),算什么東東?
2 如果想得知被測(cè)量的電壓的隨機(jī)變化量,那就不該除以根號(hào)N.
3 已知以MPEV為半寬的區(qū)間包含真值的概率是99%;現(xiàn)在的U95比MPEV大,而以U95為半寬的區(qū)間,包含真值的概率卻只能達(dá)到95%,這是個(gè)嚴(yán)重的邏輯問題。由于MPEV是經(jīng)過(guò)計(jì)量公證的、可靠的、經(jīng)過(guò)千百萬(wàn)次實(shí)踐所證實(shí)的,那就只能說(shuō)明:不確定度體系的U95,是不符合實(shí)際的瞎扯淡,是“賠了夫人又折兵”。
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