70848

ОБРАБОТКА И ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ СЕРИИ ПРЯМЫХ ИЗМЕРЕНИЙ С МНОГОКРАТНЫМИ НАБЛЮДЕНИЯМИ

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Ознакомление с методикой обработки и представления результатов измерений для группы равнорассеянных многократных наблюдений. Получение навыков обработки результатов наблюдений и оценивания погрешностей результатов измерений. Ознакомиться с видами и методами измерений.

Русский

2014-10-28

418.5 KB

5 чел.

12

Рис.1.6.2 Схема соединения приборов при выполнении работы

делитель

напряжения

УИП

цифровой вольтметр

«+»

«–»

«+»

«–»

РАБОТА № 1.6. ОБРАБОТКА И ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ СЕРИИ ПРЯМЫХ ИЗМЕРЕНИЙ С МНОГОКРАТНЫМИ НАБЛЮДЕНИЯМИ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомление с методикой обработки и представления результатов измерений для группы равнорассеянных многократных наблюдений. Получение навыков обработки результатов наблюдений и оценивания погрешностей результатов измерений.

2. ЗАДАНИЕ ДЛЯ ДОМАШНЕЙ ПОДГОТОВКИ

1. Ознакомиться с видами и методами измерений.

2. Ознакомиться с видами погрешностей измерений.

3. Ознакомиться со способами исключения систематических погрешностей.

4. Ознакомиться со способами учета неисключенного остатка систематической погрешности;

5. Ознакомиться с методами обработки результатов наблюдений и оценивания случайных погрешностей результатов измерений.

6. Ознакомиться с методами проверки гипотез о виде закона распределения результатов наблюдений.

7. Ознакомиться с методами обнаружения и исключения грубых погрешностей.

8. Ознакомиться с правилами суммирования погрешностей.

9. Ознакомиться с показателями точности измерений и формами представления результатов измерений.

10. Ознакомиться с принципом действия, устройством и характеристиками цифрового вольтметра.

3. СВЕДЕНИЯ, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

В практике измерений часто встречаются ситуации, когда многократные наблюдения проводятся несколькими сериями. При этом перед каждой серией наблюдений зачастую приходится заново настраивать измерительную аппаратуру, от серии к серии могут меняться параметры внешней среды и т.д.

В этом случае мы получаем к групп по  (j=1, 2, …,к) результатов наблюдений в каждой. Группы наблюдений называются равнорассеянными, если оценки среднего арифметического  и оценки дисперсии для ряда наблюдений  во всех группах статистически одинаковы, т.е. являются оценками одного и того же истинного значения измеряемой величины и одной и той же дисперсии результатов наблюдений для генеральной совокупности. Если группы результатов наблюдений являются равнорассеянными, их можно объединить в один ряд и обрабатывать по правилам, описанным в работах №№ 1.3 и 1.4.

Равнорассеянность групп наблюдений проверяется методами математической статистики, известными под общим названием дисперсионного анализа.

Для проверки равнорассеянности дисперсий, вычисленных по данным нескольких выборок, выдвигается гипотеза, что эти дисперсии статистически неразличимы, при этом конкурирующая гипотеза состоит в обратном утверждении, т.е. что эти дисперсии статистически значимо отличаются друг от друга.

Для сравнения дисперсий используется F – критерий Фишера. Если при выбранном уровне значимости  (уровень значимости при проверке гипотезы, выбирается обычно равным 0,05) окажется, что:

,    (1.6.1)

где , а  и  – число степеней свободы для 1-ой и 2-ой дисперсии соответственно, то дисперсии считаются статистически неразличимыми, т.е. являются независимыми оценками одной и той же дисперсии. В противном случае  гипотезу о равенстве выборочных дисперсий отвергают. Значения  распределения Фишера приведены в таблице 1.6.1.

Таблица 1.6.1.

Значения  при уровне значимости.

1

2

3

4

5

6

12

24

1

164,4

199,5

215,7

224,6

230,2

234,0

244,9

249,0

254,3

2

18,5

19,2

19,2

19,3

19,3

19,3

19,4

19,5

19,5

3

10,1

9,6

9,3

9,1

9,0

8,9

8,7

8,6

8,5

4

7,7

6,9

6,6

6,4

6,3

6,2

5,9

5,8

5,6

5

6,6

5,8

5,4

5,2

5,1

5,0

4,7

4,5

4,4

6

6,0

5,1

4,8

4,5

4,4

4,3

4,0

3,8

3,7

7

5,6

4,7

4,4

4,1

4,0

3,9

3,6

3,4

3,2

8

5,3

4,5

4,1

3,8

3,7

3,6

3,3

3,1

2,9

9

5,1

4,3

3,9

3,6

3,5

3,4

3,1

2,9

2,7

10

5,0

4,1

3,7

3,5

3,3

3,2

2,9

2,7

2,5

12

4,8

3,9

3,5

3,3

3,1

3,0

2,7

2,5

2,3

15

4,5

3,7

3,3

3,1

2,9

2,8

2,5

2,3

2,1

20

4,4

3,5

3,1

2,9

2,7

2,6

2,3

2,1

1,8

30

4,2

3,3

2,9

2,7

2,5

2,4

2,1

1,9

1,6

3,8

3,0

2,6

2,4

2,2

2,1

1,8

1,5

1,0

Гипотезу о равнорассеянности результатов наблюдений проверяют в два этапа.

  1.  Вначале проверяется гипотеза о равенстве дисперсий  во всех группах наблюдений. Для этого их располагают в вариационный ряд в порядке возрастания  и проверяют значимость отношения . Если это отношение незначимо, то незначимы и все остальные. Тогда гипотеза о том, что рассеяние результатов наблюдений относительно средних значений во всех группах статистически одинаково принимается. В противном случае признается, что дисперсии и  статистически отличны друг от друга и проверяется значимость отношений других дисперсий из вариационного ряда.
    1.  При равенстве дисперсий в группах проверяется гипотеза о равенстве в них математических ожиданий. Эта гипотеза может быть проверена несколькими методами. В частности, при нормальном распределении результатов наблюдений равенство математических ожиданий можно проверять попарно с помощью критерия Стьюдента.

В этом случае вычисляется величина:

 (1.6.2)

Если при выбранном уровне доверительной вероятности  (доверительная вероятность при проверке гипотезы выбирается обычно равной 95%) окажется, что , где  выбирается по таблице t – распределения Стьюдента при числе степеней свободы, равном , то гипотеза о равенстве математических ожиданий принимается.

Если имеется более двух групп результатов наблюдений, причем часть из них равнорассеянные, а часть нет, то совместную обработку проводят только для первой части результатов наблюдений. Методы обработки неравнорассеянных результатов в данной работе не рассматриваются.

4. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

Лабораторный стенд представляет собой персональный компьютер, на рабочем столе которого находятся модели цифрового вольтметра, делителя напряжения и источника постоянного напряжения (рис. 1.6.1).

Рис. 1.6.1. Вид экрана лабораторного стенда при проведении работы №1.6.

В процессе выполнения работы измеряется постоянное напряжение, значение которого лежит в диапазоне от 2 до 30 мВ. В этом случае для проведения измерений может подойти или цифровой вольтметр или компаратор (потенциометр). Однако выполнять серию из нескольких десятков наблюдений с помощью компаратора крайне неудобно. Поэтому в работе используется цифровой вольтметр, а для уменьшения трудоемкости измерений используется автоматический режим работы цифрового вольтметра, и привлекаются средства LabVIEW, с помощью которых выполняются операции по обработке результатов. Измеряемое напряжение имеет нестабильность, которая с одной стороны определяется нестабильностью выходного напряжения УИП, а с другой – влиянием внешних факторов. В работе эти обстоятельства моделируются путем приложения случайного шума к входу цифрового вольтметра.

Модель цифрового вольтметра используется для измерения постоянного напряжения на выходе делителя напряжения. Пределы допускаемых значений основной погрешности цифрового вольтметра при измерении постоянного напряжения равны:                            ,

где  - конечное значение установленного предела измерений;

U – значение измеряемого напряжения на входе.

Схема включения  приборов при выполнении измерений приведена на рис. 1.6.2.

Манипуляция органами управления ВП производится с помощью мыши в таком же порядке, как это предусмотрено при работе с реальными средствами измерений.

5. РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ

1. Изучите описание работы и рекомендованную литературу. Запустите программу-оболочку лабораторного практикума, нажав кнопку RUN (“стрелка направо” в левом верхнем углу окна программы), и выберите  лабораторную работу №6 «Обработка и представление результатов серии прямых измерений с многократными наблюдениями» в группе работ «Обработка и представление результатов измерений».

2. При необходимости еще раз почитайте описание работы, ответьте на вопросы коллоквиума и получите допуск к выполнению работы. После сдачи коллоквиума на рабочем столе автоматически появится окно лицевой панели ВП и окно лабораторного журнала, созданного в программе MS Excel. В лабораторный журнал в процессе выполнения работы будут вноситься данные, необходимые для последующего составления отчета.

3. Приготовьте к работе проверенную на отсутствие вирусов, отформатированную 3,5-дюймовую дискету и вставьте её в дисковод.

4. Приступите к выполнению лабораторной работы.

6. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. После сдачи коллоквиума откроется страница, на которой предлагается выбрать число многократных наблюдений в ряде 1 и в ряде 2. После этого необходимо нажать кнопку «Продолжить».

2.1. На первоначально открывшейся странице изображен лабораторный стенд с уже включенными средствами измерения. На источнике питания УИП установите напряжение в диапазоне от 1 В до 15 В с помощью регулятора выходного напряжения. Соответственно на выходе делителя напряжение будет в пятьсот раз меньше.

2.2. Нажмите на кнопку «Произвести наблюдения ряда 1», после чего  цифровой вольтметр произведет установленное число измерений.  Эти измерения будут отображены на первом графическом экране.

2.3. Нажмите на кнопку «Произвести наблюдения ряда 2», после чего  цифровой вольтметр произведет установленное число измерений.  Эти измерения будут отображены на втором графическом экране.

2.3. Изучите полученные ряды наблюдений, а затем нажмите на кнопку «Перейти к обработке».

3.1. На открывшейся странице производится проверка гипотезы о равнорассеянности двух рядов при доверительной вероятности 0,95.

3.2. Для первого и второго ряда наблюдений программа рассчитывает средние арифметические и оценки среднеквадратического отклонения. Эти значения необходимо внести в лабораторный журнал.

3.3. Для проверки гипотезы дисперсионное отношение (см. формулу 1.6.1) сравнивается со значением критерия Фишера, а затем величина t1-2 (см. формулу 1.6.2) – со значением критерия Стьюдента. Если в обоих случаях значения критериев оказываются больше, то гипотеза о равнорассеянности двух рядов принимается, в противном случае – отвергается.

3.4. Если гипотеза о равнорассеянности двух рядов принята, то следует нажать кнопку «Объединить ряды». Тогда дальнейшая обработка будет проводиться для объединенного ряда.

Если гипотеза о равнорассеянности двух рядов отвергнута, то кнопку «Объединить ряды» нажимать не надо. Тогда дальнейшая обработка будет проводиться для первого ряда наблюдений.

4.1. На следующих страницах проводится стандартная обработка ряда наблюдений. Методика стандартной обработки приведена в методических указаниях к работе №1.3  

4.2. На открывшейся странице в соответствии с методикой вычисляется среднее арифметическое результатов наблюдений, оценка среднего квадратического отклонения результатов наблюдений и оценка среднего квадратического отклонения результата измерения.

4.3. Рассчитанные значения следует внести в лабораторный журнал. Затем нажмите кнопку «Продолжить».

5.1. На следующей странице проводится проверка гипотезы о нормальном распределении. На графическом экране строится гистограмма, над которой индицируется минимальное, максимальное значение ряда наблюдений и количество интервалов.

5.2. Произведите проверку гипотезы о нормальном распределении по критерию Пирсона. Для этого выберите уровень значимости и число степеней свободы, а затем нажмите кнопку «Проверить».

5.3. Сравните значение критерия хи-квадрат с критическим значением и сделайте вывод, проходит ли гипотеза о нормальном распределении или нет. Занесите эти значения в лабораторный журнал и затем нажмите кнопку «Продолжить».

6.1. На отрывшейся странице программа производит расчет доверительных границ случайной погрешности результата измерений.

6.2. Для определения доверительных границ необходимо выбрать доверительную вероятность и затем нажать кнопку «Вычислить».

6.3. Внесите значения доверительной вероятности, квантиля распределения Стьюдента и доверительные границы случайной погрешности в лабораторный журнал и нажмите кнопку «Продолжить».

7. На следующей странице обработки данных осуществляется вычисление доверительных границ неисключенной систематической погрешности результата измерения на основе сведений о цифровом вольтметре, сравниваются значения систематической и случайной погрешностей и рассчитываются доверительные границы результата измерения. Составляющие систематической погрешности, вносимые УИП и делителем напряжения не учитываются.

Эти значения необходимо занести в лабораторный журнал и нажать кнопку «Продолжить».

8.1. На основании приведенной методики запишите результат измерений в лабораторный журнал.

8.2. При необходимости измените имена файлов ряда наблюдений и гистограммы и сохраните эти файлы на дискете, нажимая соответствующие кнопки.

8.3. Завершите лабораторную работу, нажав кнопку СТОП.

9. Сохраните файл лабораторного журнала на дискете для завершения дома отчета о проделанной лабораторной работе.

7. ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА

При оформлении лабораторного отчета необходимо полностью заполнить имеющиеся в распоряжении студента таблицы, находящиеся лабораторном журнале.

Помимо заполненных таблиц в отчете, выполняемом в программе MS Excel, должны содержаться:

- сведения о цели и порядке выполнения работы;

- схема лабораторной установки;

- данные о характеристиках использованных приборов с указанием источника информации;

- примеры расчетов, выполнявшихся при заполнении таблиц;

- результаты расчетов по каждому из этапов обработки;

- выводы по результатам проделанной работы.

8. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое измерение? Какие измерения называются прямыми? В чем их отличие от косвенных измерений?

2. Дайте определение следующих понятий: результат измерений, абсолютная погрешность измерений, относительная погрешность измерений, доверительная вероятность.

3. Дайте определение следующих понятий: неисключенный остаток систематической погрешности измерения, доверительная граница случайной погрешности измерения, промах.

4. Что такое доверительный интервал?

5. Что принимают за результат измерений с многократными наблюдениями? Какие измерения Вы выполняли в данной работе?

6. Назовите основные числовые характеристики ряда наблюдений.

7. Как обнаружить грубые погрешности и устранить их влияние на результат измерений?

8. Когда проводится стандартная процедура обработки результатов измерений с многократными наблюдениями, в чем она заключается?

9. Чем отличается дисперсия ряда наблюдений от дисперсии результата измерений?

10. Что такое гистограмма? Как она строится?

11. Какие критерии согласия Вы знаете? Для чего они служат?

12. В каких случаях для повышения точности результата измерений можно совместно обрабатывать результаты нескольких серий независимых многократных наблюдений? Как это делается?

13. Всегда ли для повышения точности результата измерений стоит проводить многократные наблюдения? Как оценить желательное количество таких наблюдений в отдельно взятой серии?

14. Что такое инструментальная погрешность измерений? Всегда ли она оказывает влияние на результаты измерений? Когда ее влиянием можно пренебречь?

15. Как представить результаты измерений с многократными наблюдениями? От чего зависит выбор способа представления результатов? Как оценить методическую составляющую погрешности?

16. Как вычислить результирующую погрешность измерений, если на результаты одновременно влияют:

- неисключенный остаток систематической погрешности и случайная составляющая погрешности?

- две и более систематических составляющих?

17. Как исключаются систематические погрешности из ряда наблюдений? Как оценить неисключенный остаток систематической погрешности? Всегда ли надо учитывать его влияние на результат измерений?

18. Как представить результат измерения в соответствии с ГОСТ 8.011-72 ?

19. Какими вольтметрами лучше измерять постоянное напряжение, если для получения результата измерений предполагается использовать многократные наблюдения? Почему?

20. Что такое цифровой вольтметр? Когда им следует пользоваться?

21. Как устроен и для чего служит магазин сопротивлений? Можно ли считать магазин сопротивлений средством измерения?


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

34099. Право пользования земельным участком собственником недвижимости. Последствия утраты собственником недвижимости права пользования земельным участком 93 KB
  В случае когда земельные участки находящиеся в государственной или муниципальной собственности предоставляются за плату наряду с решением органа государственной власти или местного самоуправления о предоставлении земельного участка юридический состав образует также договор куплипродажи земельного участка. При наследовании земельного участка по наследству переходят также находящиеся в границах этого земельного участка поверхностный почвенный слой замкнутые водоемы находящиеся на нем лес и растения. Раздел земельного участка...
34100. Права и обязанности субъектов, использующих землю. Защита их прав 52.5 KB
  Взаимосвязанные между собой права и обязанности субъектов земельных правоотношений составляют суть содержания любого правоотношения. Права субъектов земельных правоотношений можно классифицировать на две основные группы: 1. Право на действия субъектов земельных правоотношений можно подразделить на: а виды действий. Право на бездействие субъектов земельных правоотношений можно подразделить на: а полное бездействие.
34101. онятие и особенности ответственности в области использования и охраны земель 25.5 KB
  Ответственность за земельные правонарушения. Ответственность нужно понимать в двояком смысле: юридическая ответственность как правовой институт в объективном смысле – это совокупность юридических норм устанавливающих неблагоприятные последствия за совершение правонарушения в области использования и охраны земель и порядок их возложения на правонарушителя; в субъективном смысле юридическая ответственность – это обязанность лица виновного в совершении правонарушения претерпеть неблагоприятные последствия предусмотренные законом...
34102. Земельно-правовая ответственность. Дисциплинарная ответственность в области использования и охраны земель 29 KB
  Специфической санкцией земельноправовой ответственности является земельного участка у собственника либо принудительное прекращение прав на земельный участок. 45 и 47 ЗК орган государственного земельного контроля налагает административное взыскание и одновременно выносит предупреждение о необходимости устранения нарушения; в этом предупреждении указывается допущенное правонарушение его содержание суть устанавливается срок для устранения допущенного правонарушения; разъясняются права земледельца землепользователя в случае...
34103. Гражданско-правовая ответственность за правонарушения в области использования и охраны земель 31.5 KB
  И хотя в настоящее время имущественная ответственность еще не нашла своего подобающего места среди других форм юридической ответственности будущее за ней неоспоримо так как ухудшение качества земель и всей окружающей среды влечет как правило имущественные последствия предполагающие возможность возмещения вреда восстановления земель и нарушенных экологических систем. Гражданским законодательством предусматривается ряд правил выработанных за тысячелетия: вред причиненный личности организации или имуществу подлежит возмещению в...
34104. Административная ответственность за правонарушения в области использования и охраны земель 37 KB
  АДМИНИСТРАТИВНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ Согласно Кодексу РФ об административных правонарушениях КоАП от 30 декабря 2001 г. Кроме того в официальных кругах стала преобладать концепция отмирания социалистического государства и уменьшения административных принудительных средств воздействия на правонарушителей необходимости перехода к добровольному исполнению своих обязанностей перед обществом повышения моральных стимулов. Основным органом наложения административных взысканий стала административная комиссия при исполнительных комитетах...
34105. Уголовная ответственность за регистрацию незаконных сделок с землей (ст. 170 УК РФ) 22 KB
  Уголовная ответственность за регистрацию незаконных сделок с землей ст. 254 УК; государственная регистрация незаконных сделок. Государственная регистрация незаконных сделок с земельными участками ст.
34106. Уголовная ответственность за порчу земель (ст. 254 УК РФ) 22.5 KB
  Уголовная ответственность за порчу земель ст. Порча земель ст. За порчу земель предусмотрена как административная так и уголовная ответственность в зависимости от последствий. Порча земель – это ухудшение физических и биологических свойств почвы снижение ценности земли.
34107. Порядок установления и взимания земельного налога 32 KB
  Существует две формы платы за землю: земельный налог; арендная плата. Земельный налог. Земельный налог относится к категории местных налогов. Земельный налог устанавливается исключительно нормативноправовыми актами органов местного самоуправления либо законами представительных органов Москвы и СанктПетербурга.