掌握测量误差知识提高检测可信程度(图)

清雅轩

在现代汽车的维修生产中，检测工作的主要任务是：通过测量汽车结构和性能参数，分析汽车故障原因，检查零部件磨损或变形程度，确定总成或整车在维修前后的技术状况等。通过检测，提出进场车辆需要进行的维修作业项目，为竣工车辆提供维修质量情况的证明。分析这些任务可知，检测工作的实质是对维修生产各环节工作质量的检查、测定、验证或裁决，在维修质量管理体系中意义非常重大。因此，不论哪项检测任务，都应该严格做到检测结果公正可信。   

    一、测量问题的提出

    检测工作中，需要对多种参数进行测量，如零件尺寸、材料硬度、汽缸压力、传感器的电阻值以及发动机和汽车性能参数等，属于用仪器直接测量就可得到结果的测量参数。发动机和汽车性能参数中功率、耗油率等，属于需借助测量中间独立参数再经过计算得到的间接测量参数。

    在实际生产中，常常因不认同检测结果而引发检测方与被检测方的争议，迫使我们反思检测结果的可信程度到底如何，是否不容置疑。

    在任何测量中，测量误差是不可能完全避免的。由于测量误差的存在，如果对于一个参数进行多次测量就会发现，所得到的一组数据互不相同。每次测量的数据都不一样，给确定测量结果造成了困难。正因如此，在实际工作中，通常采用规定测量次数并取其平均值作为确定测量结果的办法。但是，当测量数据间的差异很大时，测量次数不同，所得到的平均值也会差异很大。按照规定的测量次数所得到的平均值能不能作为测量结果，就成为值得研究的问题。

    间接测量参数需要利用的中间独立参数常在2个以上。如果测量中间参数时的测量误差很大，再经过计算，其计算结果的可信程度也会很低。有人认为，把计算结果的数值位数多取一些，如将功率计算结果取为89.1123kW，会比取为89.11kW这个结果更精确一些。其实这样做并不能解决问题，因为在测量中间独立参数时，测量误差已经对最终结果的可信程度起到了决定性影响。

    如何提高检测结果的可信程度是检测人员普遍关心的问题。随着现代试验技术的进步，当前的维修检测设备、检测组织和工艺等都有很大改善和提高。同时，测量误差理论的发展也更加完善，已经成为指导测量工作的基本理论之一。因此，应该尽快在维修检测人员中普及测量误差理论知识，以便有效地提高各类检测结果的可信程度。

    二、测量误差的产生

    任何测量工作，都是用测量所得到的数值（测定值）去表示想要得到的被测量参数的真正值（真值），但是测定值与真值之间总是存在着差距。这种差距，称为测量误差。测量误差是由多种原因引发的。依据引发原因，可将测量误差按构成分为：仪器误差、人为误差和环境误差。

    仪器误差——因仪器结构、制造的不完善或调整、校正不当等原因引起的；

    人为误差——是由于测量人员技术不熟练或其他主观原因而引发的；

    环境误差——因测量环境的影响或测量条件的改变而引起的。

    各种测量误差的性质也不尽相同。若按照误差性质的不同，又可分为系统误差、过失误差和随机误差。

    系统误差——保持一定的数值或其数值按一定的规律变化的误差，如仪器调整或校正的误差、实际测量环境与仪器校正时的环境不同引发的误差；

    过失误差——误差的数值往往较大，而且数值和符号没有任何规律，主要是由于测量人员在工作中出现错误或疏忽大意而引发的误差；

    随机误差——在相同条件下，对同一参数重复进行多次测量，所得结果具有不同的数值与符号。这种误差称为随机误差，反映出许多独立的因素有细微变化时对测量产生的综合影响，如仪器内摩擦、环境温度、观察者视线位置等发生细微变化时引发的误差。

    一般来说，采用完善的测量方法或对误差情况做深入分析，有可能将系统误差从测量误差中分离出来，予以消除。随着误差理论的发展，利用数学方法可以将过失误差同大量的随机误差区分开来，予以清除。但是，在任何测量工作中，随机误差是无法避免的。

    三、测量的精密度与准确度

    我们通常所说要保证某个参数测量数据的精确度，其实包含了两个概念：一个是要提高测量数据的精密度，另一个是要提高测量数据的准确度。精密度与准确度有什么不同，可以用图1来说明。   

图1

    在图1中，横坐标以O为原点，L点代表被测参数的测量结果。由于受到随机误差的影响，测定值具有不确定性，即每次测量的数值互不相等，其数值大小围绕某个数值在一个范围内（L+△lim与L-△lim之间）波动，范围大小表示测定值分布可能具有的密集程度。在实际应用中，通常将平均值L作为测量结果，将被测定值的密集程度定义为测量的精密度。测量中，随机误差变动越大，测定值就越离散，测量的精密度就越低。

    图1中，X点代表想要得到的被测参数的真值。由于在测量时受到系统误差的影响，测量结果L与真值X之间存在着偏差值θ。偏差值θ的大小表示了测量结果与真值接近的程度，在实际应用中，将测量结果与被测参数真值接近的程度定义为测量的准确度。测量的系统误差越大，测量的准确度就越低。

    从图1所示可知，若想“保证某个参数测量数据的精确度”，就要采取措施，提高测量的精密度和准确度。
四、保证参数测量数据精确度的措施

    在讨论这个问题前，需要建立一个基本认识。假如在测量工作中已经消除了系统误差的影响，过失误差也已经排除，是否就可以认为多次测量所得测定值的平均值就是所求的真值？回答是否定的。因为依据误差理论，多次测量所得测定值的平均值受到随机误差的影响，也具有不确定性。当消除系统误差，并排除过失误差后，只有当进行无限次测量时，测定值的算术平均值才可能最大限度地接近被测参数的真值，以致等于真值。

    对于这个问题可以理解为，虽然随机误差不可避免，但是随机误差在一定条件下有其一定的分布规律。做无限次测量时，才可能表现出其分布规律。随机误差的分布规律属于正态分布，在测量次数无限增加时，绝对值相等的正误差与负误差出现的可能性相等，因此可以互相抵消。在这种情况下，测定值的算术平均值才可能等于被测参数的真值。

    在实际工作中，不可能无限地增加测量次数，通常采用规定连续测量的次数并取其平均值作为测量结果的办法。我们把有限次的测定值的平均值接近真值的程度称为测量结果的可信程度（可信度）。依据测量误差理论，为提高测量结果的可信程度，需要考虑以下具体措施：

    1.注意消除系统误差

    如前所述，通过认真调整仪器、减少校正的误差，采用修正值的办法消除因实际测量环境与仪器校正时的环境不同引发的误差，就可以大大消除系统误差，使测定值的准确度得到提高。随之，测量结果的可信程度也会得到提高。

    2.注意排除过失误差

    在测量中，过失误差常常同大量的随机误差混在一起，但是过失误差的影响与随机误差不同。过失误差使得测定值间的差值一般都较大，随机误差造成的测定值间的差值都比较小，依此可在众多测定值中将明显偏大的测定值排除。更精确地排除过失误差的方法有莱伊达法、3σ法等数学方法。

    平时注重对检测人员进行专业技术培训，提高对检测设备的了解，提高检测技术的熟练程度，就会有效地减少过失误差。

    3.测量次数不要太少

    理论研究表明，测量结果的精密度与测量次数的平方根成反比关系。测量次数的平方根倒数（）称为测量结果的精密度参数。与测量次数（n）的关系如图2所示。  



图2

    从图中可知，随着n的增加，减少，但减少的速度越来越慢。当n＞10时，再单纯地由增加测量次数来提高测量结果的精密度就很不经济，应同时想其他办法。所以，在进行一般试验性的测量工作时，可以将重复测量次数n选为10～15。
4.测量仪器应具有需要的分辨力

    测量仪器是用来度量被测参数数值的工具。测定值的变化即使很微小，测量仪器也应该能够察觉出来。实际上，仪器的灵敏度是有限的，不是多小的变化量都能够觉察到。把检测仪器所能读出的测定值之间的最小差值称为该测量仪器的分辨力。测量仪器的分辨力越大，可读出的差值就越小，则测量仪器的灵敏度就越高。

    在测量工作中，如果测量仪器的分辨力不符合要求，就显示不出随机误差的影响。当仪器的分辨力与要求的相差太远时，多次重复测量所得测定值都会完全相同，使得测量结果的可信度大大降低。但是，对仪器的分辨力（灵敏度）的要求也不能过高，过高的要求会增加仪器的购置成本。通常在编制测量工作方案时，需要依据对测量结果的精确度要求提出对测量仪器分辨力的要求，测量人员应按照测量工作方案选用分辨力能够满足要求的测量仪器。

    带有液晶显示屏的数字化测量仪表的分辨力明显高于指针式仪表。以万用表为例，见表1。   



图3

    测量电参数时还需注意减少干扰。例如数字万用表，在必要时应将表笔线改用屏蔽线，并把金属屏蔽层与万用表的COM端一同接地，即可消除表笔线感应的干扰信号，避免影响测量精确度。测量交流电压时应当用黑色表笔接触电压的低电位端，可以消除输入端（V）对“地”（COM）分布电容的影响，减小测量误差。

    5.应保留测量数据的有效数值位数

    在直接测量参数的测量结果中，数值的有效位数是由测量仪表的分辨力所确定的。如测得123N、1.234m，前一个结果的有效数字为3位数，后者为4位数。如果因单位不同改写成0.123kN和123.4cm，各自的有效数字位数仍不变。如果测得的是120N，有效数字为3位数，当单位改为kN时，应该写成0.120kN，表示有效数字仍为3位。不可将末尾的0去掉，写为0.12kN，虽然在数量上0.120等于0.12，但是测量结果的有效位数改变了，后者为2位，前者为3位。有效数字位数的减少，表示测量精确度降低，对测量工作来说，两种写法是不能等同的。

    归纳起来，需要注意以下几点：测量结果的有效数字的位数不可以随意减少或增加；有效数字位数最后的0不可随意取消；有效数字位数与采用的单位和表达的形式无关。

    间接测量的参数需要在完成中间独立参数的测量后，再经计算得到结果，这就涉及到计算所得结果的有效数字位数如何处理的问题。中间独立参数测量结果的有效数字位数可按照上述的直接测量参数的测量结果处理。间接测量参数的计算，可遵循以下方法：

    （1）作加、减运算时，各数保留的小数点后的位数，可与所用各数中小数点后位数最少者相同。例如，11.24、25.3623、0.235，这3个数相加时，可按11.24取小数点后两位为11.24+25.36+0.23＝36.83。由于11.24这个数值的百分位上的数字4，有可能是在读数时被其后边的数字“四舍五入”所修改过，已经是“可疑数字”，所以，计算结果的百分位上的数字也是“可疑数字”。如果再取用千分位、万分位上的数字，并不能提高计算结果的精确度，没有多大的实际意义。

    （2）做乘除运算时，各数保留的有效数字位数，可与所用各数中有效数字位数最少者相同。例如，1.42、45.74、0.15782这3个数相乘时，可按1.42取3位有效数字，改为1.42×45.7×0.158＝10.253252，计算结果仍取3位有效数字，取用为10.3。如果遇到第一位有效数字等于或大于8时，如9.13，可将其多计1位，视为有效数字4位。

    （3）如果运算次数较多，为避免误差积累，在运算过程中可多保留1位数字。

    关于有效数值位数的处理还有其他一些问题，不再一一讨论。

    总之，检测工作在汽车维修生产中处于越来越重要的地位。如何提高检测结果的可信程度，已成为检测工作中极为关键的问题。希望检测人员都来共同关注这个值得研究的问题，提高检测技术水平，做好检测工作。

totoyh2007

:( ;P 太感谢啊

cn_xiaohei

关键还是人哪！ 人不好，在好的仪器都白大。

thesecondtonone

太感谢了，讲的很全