Классификация ошибок измерений

Результаты измерений отличаются от истинного значения измеряемой величины. Разность между результатом измерения l и истинным значением измеряемой величины х называется абсолютной ошибкой (погрешностью) результата измерения Δ.

Δ = l – x.

По характеру действия и свойствам ошибки подразделяются на: грубые, систематические и случайные.

Грубые ошибки, или промахи происходят в результате невнимательности исполнителя работ. К грубым относятся ошибки, которые превышают допустимую величину. Для исключения грубых ошибок выполняются повторные измерения.

Систематические ошибки возникают по определенным причинам и характеризуются постоянством своей величины и знака (+ или –). Делятся на постоянные (неизменные по знаку и величине) и переменные (изменяющие величину по определенному закону). Причинами их появления могут быть инструментальные ошибки (неточности в юстировке измерительных приборов, нарушение геометрических условий приборов и др.) и условия среды (изменение температуры прибора).

Величина и знак систематических ошибок устанавливается путем компарирования прибора, т. е. сравнения показаний рабочего прибора с показаниями прибора, принятого в качестве эталона. Систематические ошибки должны быть обнаружены, изучены и исключены из результатов измерений путем введения поправок или использования соответствующей методики измерений.

Под случайными понимаются ошибки, знак и размер которых не имеют закономерности своего появления, их возникновение не подчиняется определенным математическим законам, т. е. носят случайный характер. Они подчиняются статистическим закономерностям массовых случайных величин. Поэтому от случайных ошибок нет возможности полностью освободить результаты измерений.

Свойства случайных ошибок

Если одну и ту же величину, истинное значение х которой известно, многократно определить с равной точностью, то получим ряд измерений l₁, l₂, … l_n. Каждое измерение будет иметь свою случайную ошибку Δ₁, Δ₂, … Δ_n, т. е. l₁- х = Δ₁; l₂- х = Δ₂; …; l_n- х = Δ_n.

Полученный ряд случайных ошибок обладает определенными статистическими свойствами:

1. Свойство симметричности, т. е. равные по абсолютной величине, но разные по знаку ошибки встречаются в рядах результатов измерений одинаково часто.

2. Свойство унимодальности или сосредоточения, т. е. малые по абсолютному значению ошибки встречаются чаще чем большие.

3. Свойство ограниченности, т. е. абсолютное значение случайных ошибок результатов измерений не может быть больше некоторого известного предела (предельной погрешности) Δ_i£ Δ _пред. Величина предельной погрешности устанавливается инструментами.

4. Свойство компенсации, т. е. среднее арифметическое из всех случайных ошибок ряда измерений при неограниченном увеличении числа измерений, стремится к нулю , где Δ – случайные ошибки, n – количество измерений.

Если суммы обозначить квадратными скобками [ ] (символ сумм Гаусса), то можно записать .

Если на оси ординат (рис. 4.1) отложить величины случайных ошибок, а на оси абсцисс – число ошибок ряда измерений и через полученные точки провести кривую линию, то получим график распределения случайных ошибок, который характеризует указанные свойства. Из графика случайных ошибок следует, что большее число случайных ошибок расположено в пределах их значений от –1 до +1.

Приведем пример, подтверждающий свойства случайных ошибок. В результате 10-кратного измерения расстояния мерной лентой получили следующие случайные ошибки (табл. 4.1).

Таблица 4.1

Измерения
Ошибки, см	-1	+2	-1	+1	+2	-2	-3	+4	-1	+6

Из данного ряда результатов измерений можно отметить, что ошибок по абсолютному значению от 0 до 2 см – семь, от 3 до 4 см – две, свыше 4 см – одна. Среднее арифметическое из десяти ошибок равняется 0,7 см.