题目
对某一尺寸进行15次等精度测量,各次的测得值按测量顺序记录如下(单位为mm):30.457、30.458、30.458、30.457、30.467、30.457、30.458、30.46530.457、30.457、30.466、30.458、30.469、30.458、30.458假定测量过程中没有常值系统误差,试求出测量结果。
对某一尺寸进行15次等精度测量,各次的测得值按测量顺序记录如下(单位为mm):
30.457、30.458、30.458、30.457、30.467、30.457、30.458、30.465
30.457、30.457、30.466、30.458、30.469、30.458、30.458
假定测量过程中没有常值系统误差,试求出测量结果。
题目解答
答案
1. 算术平均值:
\[
\bar{x} = \frac{1}{15} \sum x_i = \frac{456.900}{15} = 30.460 \, \text{mm}
\]
2. 标准偏差:
\[
s = \sqrt{\frac{1}{14} \sum v_i^2} = \sqrt{\frac{0.000260}{14}} \approx 0.0043 \, \text{mm}
\]
3. 判断粗大误差:
\[
3s = 0.01293 \, \text{mm}, \quad \max |v_i| = 0.009 < 3s
\]
所有测量值均符合3σ准则,无需剔除。
4. 测量结果:
\[
x = 30.460 \, \text{mm} \pm 0.0043 \, \text{mm}
\]
解析
本题主要考察等精度测量中测量结果的计算,包括算术平均值、标准偏差的计算,粗大误差的判断以及最终测量结果的确定。解题思路如下:
- 计算算术平均值:算术平均值是所有测量值的总和除以测量次数,它是测量结果的最佳估计值。计算公式为$\bar{x} = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} x_i$,其中$n$是测量次数,$x_i$是第$i$次测量值。
- 首先,将$15$次测量值相加:
$\sum_{i=1}^{15} x_i = 30.457 + 30.458 + 30.458 + 30.457 + 30.467 + 30.457 + 30.458 + 30.465 + 30.457 + 30.457 + 30.466 + 30.458 + 30.469 + 30.458 + 30.458 = 456.900$ - 然后,根据公式计算算术平均值:
$\bar{x} = \frac{1}{15} \sum_{i=1}^{15} x_i = \frac{456.900}{15} = 30.460 \, \text{mm}$
- 首先,将$15$次测量值相加:
- 计算标准偏差:标准偏差用于衡量测量值的离散程度,反映了测量的精密度。计算公式为$s = \sqrt{\frac{1}{n - 1} \sum_{i=1}^{n} v_i^2}$,其中$v_i = x_i - \bar{x}$是第$i$次测量的残差。
- 计算每次测量的残差$v_i$:
$v_1 = 30.457 - 30.460 = -0.003$
$v_2 = 30.458 - 30.460 = -0.002$
$\cdots$
$v_{15} = 30.458 - 30.460 = -0.002$ - 计算残差的平方和$\sum_{i=1}^{15} v_i^2$:
$\sum_{i=1}^{15} v_i^2 = (-0.003)^2 + (-0.002)^2 + \cdots + (-0.002)^2 = 0.000260$ - 最后,根据公式计算标准偏差:
$s = \sqrt{\frac{1}{15 - 1} \sum_{i=1}^{15} v_i^2} = \sqrt{\frac{0.000260}{14}} \approx 0.0043 \, \text{mm}$
- 计算每次测量的残差$v_i$:
- 判断粗大误差:采用$3\sigma$准则判断是否存在粗大误差,即若$\max |v_i| > 3s$,则认为该测量值存在粗大误差,应予以剔除。
- 计算$3s$的值:
$3s = 3 \times 0.0043 = 0.01293 \, \text{mm}$ - 找出残差绝对值的最大值$\max |v_i|$:
通过比较各次测量的残差绝对值,可得$\max |v_i| = 0.009$ - 比较$\max |v_i|$和$3s$的大小:
因为$0.009 < 0.01293$,即$\max |v_i| < 3s$,所以所有测量值均符合$3\sigma$准则,无需剔除。
- 计算$3s$的值:
- 确定测量结果:测量结果通常表示为算术平均值加上或减去标准偏差,即$x = \bar{x} \pm s$。
将算术平均值$\bar{x} = 30.460 \, \text{mm}$和标准偏差$s = 0.0043 \, \text{mm}$代入公式,可得测量结果为$x = 30.460 \, \text{mm} \pm 0.0043 \, \text{mm}$。