仪器精度分析与精度设计示例PPT课件
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随机误差不能用实验方法加以修正，可以通过多次测 量来减小它对测量结果的影响。 2．系统误差
误差的大小和符号在测量过程中具有一定规律变化称 系统误差。
系统误差虽然有着确定的规律性，但它的规律性常常 不易为我们所认识，多次重复测量不能减少它对测量精度 的影响。
2．系统误差
（1)已定系统误差 误差的大小和符号在测量过程中可用明确的函数式表
但大小和符号有一个不确定
3.2.2 误差的性质
1. 随机误差的性质
（1）随机误差的特性 最常见的典型的误差分布为正态分布，其曲线方程式为：
y()12exp222
随机误差具有的几个重要特性： 1) 随机误差的对称性 ； 2) 随机误差的单极值性 ； 3) 随机误差的抵消性； 4) 随机误差的有界性
总体精度分析的意义并不在于使总误差越小越好。 仪器总体精度分析的最终目的是以最低的成本达到仪器 所需要的精度。
仪器的精度分析意义：一方面可以预估仪器的总精 度能否达到技术指标，另一方面找出影响精度的各种误 差因素，研究其特征和规律，从而提出获得高精度的方 法和途径，所以精度分析往往作为光电仪器设计过程中 一个重要环节。
在多次测量中无抵偿性；在累次测量中具有累积性。
3.3 光电仪器的误差来源
3.3.1 影响光电仪器精度的主要因素
外部因素：温度、湿度、大气湍流、振动、杂光、 电磁干扰以及操作者的误差。
仪器内部因素：仪器的原理误差、仪器的制造误 差、被测目标的起始误差；因作用力、重力、热应力 和内应力而产生的弹性变形和形变：运动构件之间的 摩擦和磨损。
3.1.2 精度分析的两个过程
完成总体精度分析的任务可以解决以下一些问题：
(1)设计新产品时，可预估该仪器可能达到的精度，避免 盲目性，防止不应有的浪费。
(2)在某些以精度为主要指标的产品改进设计中，通过 精度分析，可以找出影响总体精度的主要误差因素，因而 能有效地提高产品的精度。
(3)在精密仪器中，精度和稳定性为仪器的基本功能， 通过精度分析和成本的计算，为选择最佳方案提供依据。
达。
它包括：线性的系统误差、非线性系统误差、周期 性系统误差。例如，在光学测角仪中，最典型的周期误 差是偏心误差 ：
P()e'' rsin
常数误差是已定系统误差的一种 。如，在经纬仪中 竖直度盘的指标差。常数误差可以发现，也易校正
（2)未定系统误差 已知误差的变化规律(尚不能用方程式完整表达)，
(4)把允许的总误差合理地分配到各误差源，为制定公 差、工艺、装调等技术条件提供依据。
(5)在鉴定测量仪器时，通过总体精度分析，可以合理 地制定鉴定大纲，选用合适的鉴定手段，并由实际测得的 仪器中各主要零、部件的误差综合为仪器的总误差。
3.1.3 测量误差和仪器误差
一般光电仪器和精密仪器的精度可分为仪器精度与测
量精度。
测量精度：包括仪器精度、测量条件、测量方法、测量者 本人的状态的影响以及被测对象起始误差等有关的综合精 度。
仪器误差：指仪器本身的固有误差，它是由于仪器在原理 上、结构上、制造与装调等方面的不完善所造成。
仪器精度越高，测量精度也越高，但是，仪器精度只
是测量精度的一部分。仪器精度有时并不完全决定测量精
常数误差属于系统误差。
（2）按误差的 静态误差 时间特性来分
动态误差
3.2.1 误差分类
1．随机误差
误差的单个出现其符号和大小均无一定的规律性，但 就误差的群体而言服从统计规律。
例如在测量过程中，温度的微量变化，室内气流的不 稳定，大气的湍流，外界的振动以及机构内间隙和摩擦力 的变化，零件的微量变形等等都属于随机误差。
(4)仪器精度分析中除研究误差综合外，还进行误 差分配。而测量精度分析只需根据各误差的数值综 合成总测量误差。
3.2 误差的基本概念和误差的性质
3.2.1 误差分类
（1）根据误 差的性质分为
随机误差
系统误差
已定系统误差 未定系统误差
过失误差
为分析误差方便，把误差分为：系统误差、随机误差 两大类。
度。
仪器误差与测量误差的主要区别：
(1) 仪器误差易于控制。 (2) 仪器误ห้องสมุดไป่ตู้因素比较清楚。而引起测量误差的因
素与测量结果之间的关系不明显。
（3）仪器误差的高低一般取决于正确的设计和仪 器制造工业的技术水平。而测量误差的大小由多种 学科技术水平和操作人员的受训程度来决定。
例如，体视测距仪的操作人员必须经过严格训 练才能操作，否则将出现大误差，甚至不能使用。
3.2.2 误差的性质
（2）随机误差的评定
目前世界各国大多趋向于采用 作为评定随机误差的尺
度。其原因：
1)采用 正好符合概率论原理，又与最小二乘法相一
致。
2) 对大的随机误差很敏感，因而能更准确地说明测
量的精度。 3)极限误差与均方偏差的关系明确简单。 4)计算比较简便。
2. 系统误差的性质
光电仪器的误差还可归结为两大类：
1）设计过程中的原理误差，基本属于系统误差； 2）制造和使用过程中的原始误差，多数属于随机 误差。
3.3.2 原理误差
凡由于理论、方案、方法不完善而产生的误差 称原理误差。
光电仪器中常见的原理误差有：理论误差、方 案误差、技术原理误差、机构原理误差、零件原 理误差和电路系统的原理误差等。 （一）理论误差：是由于应用的工作原理的理 论不完善或采用了近似理论所造成的误差。 如激光光学系统中，激光光束在介质中的传播 形式呈高斯光束，当仍用几何光学原理来设计时， 则会带来理论误差。
3.1.2 精度分析的两个过程
1.精度分配：
从仪器总体精度和给定的技术要求出发进行误差分配， 确定光电仪器的结构参数和尺寸；拟定合理的工作方法和 零、部件的精度要求；合理地选择配合精度和公差大小； 制定零、部件的技术条件，这个过程又称为精度设计。
2.精度综合：
根据现有的技术水平和工艺条件，尽量采用先进技术， 先确定各零、部件的精度，再进行误差的综合而求得仪器 的总精度，这个过程又称为误差综合。
第三章 仪器精度分析 与精度设计示例
3.1 概 述 3.2 误差的基本概念和误差的性质 3.3 仪器的误差来源 3.4 仪器的精度 3.5 仪器的精度计算方法 3.6 仪器的精度设计
3.1 概 述
3.1.1 精度分析的意义
所谓光电仪器的总体精度分析，就是对整台仪器中 光、机、电各部分的误差进行科学的定性、定量分析和 综合的过程。
误差的大小和符号在测量过程中具有一定规律变化称 系统误差。
系统误差虽然有着确定的规律性，但它的规律性常常 不易为我们所认识，多次重复测量不能减少它对测量精度 的影响。
2．系统误差
（1)已定系统误差 误差的大小和符号在测量过程中可用明确的函数式表
但大小和符号有一个不确定
3.2.2 误差的性质
1. 随机误差的性质
（1）随机误差的特性 最常见的典型的误差分布为正态分布，其曲线方程式为：
y()12exp222
随机误差具有的几个重要特性： 1) 随机误差的对称性 ； 2) 随机误差的单极值性 ； 3) 随机误差的抵消性； 4) 随机误差的有界性
总体精度分析的意义并不在于使总误差越小越好。 仪器总体精度分析的最终目的是以最低的成本达到仪器 所需要的精度。
仪器的精度分析意义：一方面可以预估仪器的总精 度能否达到技术指标，另一方面找出影响精度的各种误 差因素，研究其特征和规律，从而提出获得高精度的方 法和途径，所以精度分析往往作为光电仪器设计过程中 一个重要环节。
在多次测量中无抵偿性；在累次测量中具有累积性。
3.3 光电仪器的误差来源
3.3.1 影响光电仪器精度的主要因素
外部因素：温度、湿度、大气湍流、振动、杂光、 电磁干扰以及操作者的误差。
仪器内部因素：仪器的原理误差、仪器的制造误 差、被测目标的起始误差；因作用力、重力、热应力 和内应力而产生的弹性变形和形变：运动构件之间的 摩擦和磨损。
3.1.2 精度分析的两个过程
完成总体精度分析的任务可以解决以下一些问题：
(1)设计新产品时，可预估该仪器可能达到的精度，避免 盲目性，防止不应有的浪费。
(2)在某些以精度为主要指标的产品改进设计中，通过 精度分析，可以找出影响总体精度的主要误差因素，因而 能有效地提高产品的精度。
(3)在精密仪器中，精度和稳定性为仪器的基本功能， 通过精度分析和成本的计算，为选择最佳方案提供依据。
达。
它包括：线性的系统误差、非线性系统误差、周期 性系统误差。例如，在光学测角仪中，最典型的周期误 差是偏心误差 ：
P()e'' rsin
常数误差是已定系统误差的一种 。如，在经纬仪中 竖直度盘的指标差。常数误差可以发现，也易校正
（2)未定系统误差 已知误差的变化规律(尚不能用方程式完整表达)，
(4)把允许的总误差合理地分配到各误差源，为制定公 差、工艺、装调等技术条件提供依据。
(5)在鉴定测量仪器时，通过总体精度分析，可以合理 地制定鉴定大纲，选用合适的鉴定手段，并由实际测得的 仪器中各主要零、部件的误差综合为仪器的总误差。
3.1.3 测量误差和仪器误差
一般光电仪器和精密仪器的精度可分为仪器精度与测
量精度。
测量精度：包括仪器精度、测量条件、测量方法、测量者 本人的状态的影响以及被测对象起始误差等有关的综合精 度。
仪器误差：指仪器本身的固有误差，它是由于仪器在原理 上、结构上、制造与装调等方面的不完善所造成。
仪器精度越高，测量精度也越高，但是，仪器精度只
是测量精度的一部分。仪器精度有时并不完全决定测量精
常数误差属于系统误差。
（2）按误差的 静态误差 时间特性来分
动态误差
3.2.1 误差分类
1．随机误差
误差的单个出现其符号和大小均无一定的规律性，但 就误差的群体而言服从统计规律。
例如在测量过程中，温度的微量变化，室内气流的不 稳定，大气的湍流，外界的振动以及机构内间隙和摩擦力 的变化，零件的微量变形等等都属于随机误差。
(4)仪器精度分析中除研究误差综合外，还进行误 差分配。而测量精度分析只需根据各误差的数值综 合成总测量误差。
3.2 误差的基本概念和误差的性质
3.2.1 误差分类
（1）根据误 差的性质分为
随机误差
系统误差
已定系统误差 未定系统误差
过失误差
为分析误差方便，把误差分为：系统误差、随机误差 两大类。
度。
仪器误差与测量误差的主要区别：
(1) 仪器误差易于控制。 (2) 仪器误ห้องสมุดไป่ตู้因素比较清楚。而引起测量误差的因
素与测量结果之间的关系不明显。
（3）仪器误差的高低一般取决于正确的设计和仪 器制造工业的技术水平。而测量误差的大小由多种 学科技术水平和操作人员的受训程度来决定。
例如，体视测距仪的操作人员必须经过严格训 练才能操作，否则将出现大误差，甚至不能使用。
3.2.2 误差的性质
（2）随机误差的评定
目前世界各国大多趋向于采用 作为评定随机误差的尺
度。其原因：
1)采用 正好符合概率论原理，又与最小二乘法相一
致。
2) 对大的随机误差很敏感，因而能更准确地说明测
量的精度。 3)极限误差与均方偏差的关系明确简单。 4)计算比较简便。
2. 系统误差的性质
光电仪器的误差还可归结为两大类：
1）设计过程中的原理误差，基本属于系统误差； 2）制造和使用过程中的原始误差，多数属于随机 误差。
3.3.2 原理误差
凡由于理论、方案、方法不完善而产生的误差 称原理误差。
光电仪器中常见的原理误差有：理论误差、方 案误差、技术原理误差、机构原理误差、零件原 理误差和电路系统的原理误差等。 （一）理论误差：是由于应用的工作原理的理 论不完善或采用了近似理论所造成的误差。 如激光光学系统中，激光光束在介质中的传播 形式呈高斯光束，当仍用几何光学原理来设计时， 则会带来理论误差。
3.1.2 精度分析的两个过程
1.精度分配：
从仪器总体精度和给定的技术要求出发进行误差分配， 确定光电仪器的结构参数和尺寸；拟定合理的工作方法和 零、部件的精度要求；合理地选择配合精度和公差大小； 制定零、部件的技术条件，这个过程又称为精度设计。
2.精度综合：
根据现有的技术水平和工艺条件，尽量采用先进技术， 先确定各零、部件的精度，再进行误差的综合而求得仪器 的总精度，这个过程又称为误差综合。
第三章 仪器精度分析 与精度设计示例
3.1 概 述 3.2 误差的基本概念和误差的性质 3.3 仪器的误差来源 3.4 仪器的精度 3.5 仪器的精度计算方法 3.6 仪器的精度设计
3.1 概 述
3.1.1 精度分析的意义
所谓光电仪器的总体精度分析，就是对整台仪器中 光、机、电各部分的误差进行科学的定性、定量分析和 综合的过程。