Погрешности измерений

Важное место в экспериментальных исследованияхзанимают измерения. Измерение - это нахождение фи­зической величины опытным путем с помощью специ­альных технических средств. Суть измерения составляетсравнение измеряемой величины с известной величиной,принятой за единицу (эталон).

Теорией и практикой измерения занимается метро­логия - наука об измерениях, методах и средствах обе­спечения их единства и способах достижения требуемойточности. Важнейшие значения в метрологии отводятсяэталонам и образцовым средствам измерений. К этало­нам относятся средства измерений (или комплекс средствизмерений), обеспечивающих воспроизведение и хране­ние единицы с целью передачи ее размера нижестоящимсредствам измерения. Эталоны выполнены по особойспецификации. Образцовые средства измерений служатдля проверки по ним рабочих (технических) средств из­мерения, постоянно используемых непосредственнов исследованиях. Передача размеров единиц от эталоновили образцовых средств измерений рабочим средствамосуществляется государственными и ведомственнымиметрологическими органами, составляющими метроло­гическую службу Российской Федерации.

Методы измерений можно подразделить на прямыеи косвенные. При прямых измерениях искомую величинуустанавливают непосредственно из опыта, при косвен­ных - функционально от других величин, определенныхпрямыми измерениями. Различают также абсолютныеи относительные измерения. Абсолютные - это прямыеизмерения в единицах измеряемой величины; относи­тельные измерения представляют собой отношение из­меряемой величины к одноименной величине, играющейроль единицы или измерения этой величины по отноше­нию к одноименной, принимаемой за исходную.

В исследованиях применяются совокупные и со­вместные измерения. При совокупных измерениях одно­временно измеряются несколько одноименных величин,а искомую величину при этом находят путем решениясистемы уравнений. При совместных измерениях одно­временно проводят измерения неодноименных величиндля нахождения зависимости между ними

Выделяют несколько основных методов измерения:

1. Метод непосредственной оценки соответствуетопределению значения величины непосредственно по от-счетному устройству измерительного прибора прямого дей­ствия (например, измерение массы на циферблатных весах).

2. При использовании метода сравнения с мерой из­меряемую величину сравнивают с величиной, воспроиз­водимой мерой (например, измерение массы на рычаж­ных весах с уравновешиванием гирями).

3. При методе противопоставления осуществляетсясравнение с мерой (измеряемая величина и величина, вос­производимая мерой, одновременно воздействуют на при­бор, с помощью которого устанавливается соотношениемежду этими величинами, как, например, при измерениимассы на равноплечных весах с помещением измеряемоймассы и гирь на двух противоположных чашках весов).

4. При дифференциальном методе на измеритель­ный прибор воздействует разность измеряемой и извест­ной величины, производимой мерой (например, измере­ния, выполняемые при проверке мер длины сравнениемс образцовой мерой на компараторе).

5. При нулевом методе результирующий эффектвоздействия величины на прибор доводят до нуля (на­пример, измерение электрического сопротивления мо­стом с полным его уравновешиванием).

6. При методе замещения измеренную величину за­мещают известной величиной, воспроизводимой мерой(например, взвешивание с поочередным помещением из­меряемой массы и гири на одну и ту же чашку весов).

7. При методе совпадений разность между измеря­емой величиной и величиной воспроизводимой меройизмеряется с использованием совпадения отметок шкалили периодических сигналов.

Неотъемлемой частью экспериментальных иссле­дований являются средства измерений, т.е., совокуп­ность технических средств, имеющих нормированныепогрешности, которые дают необходимую информациюдля экспериментатора. К средствам измерений относятмеры, измерительные приборы, установки и системы.

Измерительные приборы характеризуются вели­чиной погрешности и точности, стабильностью изме­рений и чувствительностью. Погрешность средства из­мерения - одна из важнейших его характеристик. Онавозникает вследствие недоброкачественных материалов,комплектующих изделий, применяемых для приготовле­ния приборов; плохого качества изготовления приборов;неудовлетворительной эксплуатации и др. Существенноевлияние оказывают градуировка шкалы и периодическаяпроверка приборов. Кроме этих систематических погреш­ностей возникают случайные, обусловленные сочетания­ми различных случайных факторов - ошибками отсчета,параллаксом, вариацией и т.д. Таким образом, необходи­мо рассматривать не какие-либо отдельные, а суммарныепогрешности приборов. Погрешности приборов бываютабсолютными и относительными. Суммарные погрешно­сти, установленные при нормальных условиях, называютосновными погрешностями прибора.

Диапазоном измерений называют ту часть диапазо­на показаний прибора, для которой установлены погреш­ности прибора (если известны погрешности прибора,то диапазон измерений и показаний прибора совпадает).

Разность между максимальным и минимальным по­казаниями прибора называют размахом или диапазономизмерений. Если эта величина непостоянна, т. е., если приобратном ходе имеется увеличение или уменьшение хода,то эту разность называют вариацией показаний W. Вели­чина W- это простейшая характеристика погрешностиприбора. Другой характеристикой прибора является егочувствительность, т.е. способность отсчитывающегоустройства реагировать на изменения измеряемой вели­чины. Под порогом чувствительности прибора понима­ют наименьшее значение измеренной величины, вызы­вающее изменение показания прибора, которое можнозафиксировать.

Основной характеристикой любого измерительно­го прибора является его точность. Она характеризуетсясуммарной погрешностью. Средства измерения делятсяна классы точности. Класс точности - это обобщеннаяхарактеристика, определяемая пределами основной и до­полнительных допускаемых погрешностей, влияющихна точность.

Стабильность (воспроизводимость) прибора - этосвойство отсчетного устройства обеспечивать постоян­ство показаний одной и той же величины. Со временемв результате старения материалов стабильность показа­ний приборов нарушается.

Все средства измерения проходят периодическуюпроверку на точность. Такая проверка предусматриваетопределение и по возможности уменьшение погрешно­стей приборов. Проверка позволяет установить соответ­ствие данного прибора регламентированной степени точ­ности и определяет возможность применения для данныхизмерений

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Какие основные принципы классификации экспе­риментов вы знаете?

2. Что такое планирование эксперимента?

3. Какие основные положения должна содержатьметодика проведения экспериментальных исследований?

4. Каким основным статистическим требованиямдолжны отвечать результаты экспериментов?

5. Что в теории планирования эксперимента приня­то называть факторами?

6. Каковы основные требования, предъявляемыек совокупности факторов?

7. Назовите основные этапы планирования экспери­мента.

8. Какие методы обработки экспериментальныхданных вам известны?

9. Что такое корреляционная зависимость?

10. Сколько уровней значимости существует припроверке значимости уравнений регрессии и чем они от­личаются?

11. Назовите существующие методы проведения из­мерений.

12. Назовите основные характеристики средств из­мерения.