儀器精度分析與設(shè)計

精度是光電儀器的一項重要技術(shù)指標，在一定程度上決定了儀器的用途和價值。尤其對于計量類光電儀器，精度是功能指標中zui重要的一項。隨著科技的發(fā)展，計量類光電儀器需要達到的精度指標越來越高，以半導體工業(yè)為例，目前個人計算機CPU線寬已達32nm，這就要求半導體的光刻設(shè)備和測量儀器本身的精度至少達到納米量級。毫不夸張地說，儀器測量精度的提高是制造技術(shù)發(fā)展的前提。

為了設(shè)計和實現(xiàn)這樣高精度的光電儀器，首先要對現(xiàn)有儀器進行精度分析，找出誤差產(chǎn)生的根源和規(guī)律，分析誤差對儀器設(shè)備精度的影響，評價該儀器的精度。精度分析一方面是確定已有儀器指標*的步驟，另一方面也有助于提出改進措施，進一步優(yōu)化儀器設(shè)計，提高精度指標。

對于新儀器設(shè)計來說，精度設(shè)計或者精度分配更是重要的內(nèi)容。精度分配是在精度分析的基礎(chǔ)上，針對系統(tǒng)總精度指標，對各個子單元的精度進行分配，遵循一定的設(shè)計原則選擇合理的儀器方案，完成元件選型，設(shè)計正確的補償方式，在保證經(jīng)濟性的基礎(chǔ)上達到高的精度。

本章主要從精度分析和精度設(shè)計兩方面闡述儀器精度理論與方法，主要內(nèi)容包括：各項誤差的來源與特性，誤差的評定和估計方法，誤差的傳遞、轉(zhuǎn)化和合成的規(guī)律；誤差分配的原則和方法，提高儀器精度的設(shè)計原則，誤差補償?shù)乃悸泛头椒ǖ?。由于儀器精度分析和設(shè)計都是實用性很強的理論方法，因此本章結(jié)合若干光電儀器的實例，對其理論方法進行具體說明，便于讀者理解和掌握。

▲儀器的誤差與精度

一、誤差的基本概念

1.誤差的定義

測量誤差△i是指測得值xi與標稱值（或真值）x0之間的差。即

式中，i為測量次數(shù)。

誤差的大小反映了測量值對于標稱值的偏離程度。誤差是客觀存在的，無論測量手段精度多高，誤差都不會為零。多次重復測量某物理量時，各次測定值并不相同，這是誤差不確定性的表現(xiàn)。真實的誤差值是未知的，因為通常真值是未知的。為了能正確表達誤差，人們根據(jù)對誤差認知的準確度和可信度的要求，確定了以下方法來獲得真值：

1)理論真值（即名義值）：設(shè)計時給定的或是用數(shù)學、物理公式計算的理論值，例如零件的名義尺寸等。

2)約定真值：世界各國*的一些幾何量和物理量的zui高基準的量值，如作為長度基準的單位米，其定義為光在真空中1/299792458s時間間隔內(nèi)所經(jīng)路徑的長度。

3)相對真值：當器與準確度高一個等級的儀器比較時，可將該準確度高一個等級的儀器標的測量值視為“真值”，或稱其為相對真值或標準值。

2.誤差的表示方法

誤差可以用誤差和相對誤差兩種方式表達。誤差是指測得值x與被測量真值x0之差。誤差具有量綱，能反映出誤差的大小和方向，但不能反映出測量的精細程度。誤差△可表示為

誤差與被測量真值的比值稱為相對誤差。相對誤差無量綱，但它能反映測量工作的精細程度。相對誤差δ可以表示為

3.誤差分類

按照誤差的數(shù)學特征可以分為：

1)系統(tǒng)誤差（SystematicError):系統(tǒng)誤差的大小和方向在測量過程中恒定不變，或按一定的規(guī)律變化。一般來說，系統(tǒng)誤差是可以用理論計算或?qū)嶒灧椒ㄇ蟮?，可預測它的出現(xiàn)，并可以進行調(diào)節(jié)和修正的。

2)隨機誤差(RandomError)：隨機誤差是由一些獨立因素的微量變化綜合影響造成的。其數(shù)值的大小和方向往往沒有確定性規(guī)律，不可預見，但就其總體來說服從統(tǒng)計規(guī)律。常見的大多數(shù)隨機誤差服從正態(tài)分布。

3)粗大誤差（Gross Error):粗大誤差指明顯超出統(tǒng)計規(guī)律預期的誤差。其產(chǎn)生的原因主要是由于某些突發(fā)性的異常因素或疏忽所致。由于該誤差的數(shù)值一般較大，所以按照一定的準則進行判別，就可以將含有粗大誤差的測量數(shù)據(jù)剔除。

按照被測參數(shù)的時間特性，誤差可以分為：

1)靜態(tài)參數(shù)誤差：不隨時間變化或隨時間緩慢變化的被測參數(shù)稱為靜態(tài)參數(shù)，測定靜態(tài)參數(shù)所產(chǎn)生的誤差稱為靜態(tài)參數(shù)誤差。

2)動態(tài)參數(shù)誤差：被測參數(shù)是時間的函數(shù)，這樣的參數(shù)稱為動態(tài)參數(shù)。測定動態(tài)參數(shù)所產(chǎn)生的誤差稱為動態(tài)參數(shù)誤差。

按照誤差間的關(guān)系可分為：

1)獨立誤差：彼此相互獨立、互不相關(guān)、互不影響昀誤差稱為獨立誤差。

2)非獨立誤差（或相關(guān)誤差）：一種誤差的出現(xiàn)與其他的誤差相關(guān)聯(lián)，這種彼此相關(guān)聯(lián)的誤差稱為非獨立誤差。在進行誤差間的關(guān)聯(lián)計算時，其相關(guān)系數(shù)不為零。

4.多次重復測量數(shù)據(jù)的處理

利用儀器進行物理量的測量時，多次測量的結(jié)果往往不一致，這就是因為每次測量的數(shù)據(jù)中都含有誤差的緣故。在滿足正態(tài)分布的重復測量條件下，假設(shè)進行了n次測量，其結(jié)果分別為xi（i=1，2，…，n)為了合理表示該重復測量的結(jié)果，通常按以下步驟進行：

1)算術(shù)平均值:即所有測量值的算術(shù)平均值，常用來作為該多次測量的*估計。 算術(shù)平均值表示為

2)殘佘誤差:-每個測量值與算術(shù)平均值的差值，反映當次測量與平均結(jié)果的偏差。

3)單次測量的標準差σ:反映多次測量結(jié)果的分散程度，用來衡量隨機誤差的大小。 單次測量的標準差σ表示為

得到單次測量的標準差之后，對測量中出現(xiàn)的粗大誤差可以按統(tǒng)計準則判斷并剔除其中該含有粗大誤差的異常數(shù)據(jù)。例如，在大樣本測量的基礎(chǔ)上，如果隨機誤差服從正態(tài)分布， 殘余誤差分布在± 3σ以外的概率僅為0.3%，就可依據(jù)3σ準則對粗大誤差進行剔除。當 時，認為該次測量xi出現(xiàn)粗大誤差，擬從測量結(jié)果中舍去該次測量的數(shù)據(jù)。不過這一準則是基于樣本數(shù)大于50的正態(tài)樣本數(shù)據(jù)的統(tǒng)計推理的結(jié)果，在測量次數(shù)小于10時，按式（3-5)，可以得知，一個異常數(shù)據(jù)無論如何遠離其他（n-1)個數(shù)據(jù)，都不會出現(xiàn)。對于通常樣本數(shù)小于10的情形，可按誤差理論介紹的諸如格拉布斯準則和狄克遜準則來進行統(tǒng)計判斷。

剔除粗大誤差后按照式(3-5)重新計算標準差σ，得到合理的單次測量均方誤差。

4)算術(shù)平均值的均方誤差σp:得到剔除粗大誤差后的單次測量均方誤差后，再進行m次測量，取算術(shù)平均值，對應的隨機誤差將減小至原來的。這反映的是，多次測量可以減小測量結(jié)果包含的隨機誤差。需要注意的是，系統(tǒng)誤差并不能通過多次測量消除。算術(shù)平均值的均方誤差σp表示為

5)重復測量結(jié)果的極限誤差△max:根據(jù)誤差分布接近正態(tài)的數(shù)學性質(zhì)，按高的置信概率，測量結(jié)果的極限誤差△max常取為

6)重復測量的結(jié)果:由兩部分組成，算術(shù)平均值可視為該測量結(jié)果接近真值的一種*估計，極限誤差則反映了該測量結(jié)果的隨機誤差大小。