Меню

Формула случайных погрешностей при прямых измерениях



Формула случайных погрешностей при прямых измерениях

Погрешности прямых измерений. Промах. Систематическая погрешность. Случайная погрешность. Полная погрешность. Погрешности косвенных измерений. Запись результата измерений

  1. Оценка погрешности прямых измерений

Измерить физическую величину – это значит сравнить ее с однородной величиной, принятой за единицу меры.

Различают прямые и косвенные измерения.

Если измеряемая величина непосредственно сравнивается с мерой, то измерения называются прямыми. Например, измерения линейных размеров тел с помощью масштабной линейки и т.д.

Если измеряется не сама искомая величина, а некоторые другие величины, связанные с ней функциональной зависимостью, то измерения называются косвенными. Например, измерения объема, ускорения и т.д.

Из-за несовершенства средств и методик измерения, органов чувств при любом измерении неизбежны отклонения результатов измерений от истинных величин. Эти отклонения называются погрешностями измерений.

Погрешности измерений делятся на систематические, случайные и промахи.

1.1. Промахи, связанные с неправильными отсчетами по прибору, неправильными записями и т.д., приводят к очень большой по абсолютной величине погрешности. Они, как правило, не укладываются в общую закономерность измеренных величин. Обнаруженный промах следует отбросить.

1.2. Систематическими погрешностями Δxсист называются погрешности, которые сохраняются при повторных измерениях одной и той же величины x или изменяются по определенному закону.

Систематические погрешности подразделяются на несколько групп. Отметим только приборную погрешность.

Систематическая приборная погрешность определяется по классу точности прибора, который указывается на приборе следующими цифрами: 0,01; 0,02; 0,05; 1,0; 2,5; 4,0. Класс точности показывает предельно допустимое значение систематической погрешности, выраженной в процентах от верхнего предела на выбранном диапазоне измерений. Например, предел измерения вольтметра с классом точности 0,5 равен 200 В. Систематическая погрешность равна 0,5% от 200В. Следовательно, систематическая погрешность вольтметра равна 1 В.

Если на приборе класс точности не указан, то погрешность равна половине цены наименьшего деления шкалы прибора.

1.3. Случайными называются погрешности, которые изменяются беспорядочно при повторных измерениях одной и той же физической величины при одинаковых условиях.

Оценим случайную погрешность. Пусть при измерении какой-либо физической величины было произведено N измерений и были получены значения x1, x2, … xN. Тогда наиболее вероятным значением измеряемой величины является ее среднее арифметическое значение

Результаты измерений x1, x2, … xN «рассеиваются» вокруг среднего. В качестве меры «рассеяния» результатов наблюдения вокруг среднего служит среднее квадратичное отклонение

Пусть a будет истинным, но неизвестным значением измеряемой величины x. Доказано, что вероятность попадания результатов измерения величины x в интервал значений от (aS) до (a + S) оказывается равной α = 0,68.

Вероятность попадания результатов наблюдений в более широкие интервалы (a – 2S, a + 2S) и (a – 3S, a + 3S) равна α = 0,95 и α = 0,99 соответственно.

Вероятность попадания в заданный интервал значений величины x называется доверительной вероятностью, а сам интервал – доверительным интервалом.

Однако, таким образом полученный доверительный интервал справедлив при большом значении N. В учебных лабораториях, как правило, приходится ограничиваться небольшим числом измерений. В этом случае доверительный интервал находят с помощью коэффициента Стьюдента, который зависит от числа измерений N и доверительной вероятности α. В таблице 1 приведены коэффициенты Стьюдента для различного числа наблюдений при доверительных вероятностях α = 0,68; 0,95; 0,99.

Источник

Вычисление случайных погрешностей при прямых измерениях

При прямых измерениях значение искомой величины получают непосредственно по показаниям измерительного прибора. Так, например, длина измеряется линейкой, время по часам и т. д.

Читайте также:  Измерения шума эми вибрации

При проведении измерений величины х, из-за наличия случайных ошибок, получаем n различных значений: х1, х2, х3… хn

Истинным значением некоторой величины х принято считать среднее арифметическое значение этой величины.

,

.

Разность между средним значением и результатом i – го измерения называют абсолютной погрешностью отдельного измерения величины х

Средняя абсолютная погрешность измерения величины х

.

Для характеристики точности измерений служит относительная ошибка, которую принято выражать в процентах или в частях целого

ּ .

Доверительный интервал – интервал значений величины х, внутри которого с определенной вероятностью, называемой доверительной, находится величина хист:

.

Для нахождения доверительного интервала и доверительной вероятности необходимо установить закон, которому подчиняются случайные отклонения измеряемой величины от ее среднего арифметического значения. Этот закон – функция распределения, или плотность вероятности величины х.

.

Зная , можно определить вероятность того, что непрерывная случайная величина будет иметь значение в интервале от до .

.

Кривая нормального распределения и ее физический смысл

В лабораторном эксперименте проведено n измерений одной и той же физической величины и получены ее значения х1, х2, х3. хn. Отложив эти значения в виде точек на оси абсцисс (рис.1), получим на этой оси множество точек (если число измерений достаточно велико), причем их плотность в одних местах будет больше, в других меньше. Выделим на оси абсцисс равные интервалы Δx = d, и сосчитаем, сколько точек попало в каждый интервал. Построив над каждым интервалом прямоугольник с высотой, равной количеству точек в данном интервале, получим ступенчатую кривую (гистограмму).

Например, в выделенный интервал, заключенный между значениями хi и хi + d, попало ki точек и высота прямоугольника 1 равна ki.

Отношение площади выделенного прямоугольника к площади всех прямоугольников, т.е. kid/[(k1 + k2+ . + kn)d] = kid/nd = ki/n, определяет вероятность того, что при проведении единичного измерения его результат окажется в интервале между хi и xi + d.

Гистограмму строят так, чтобы сумма площадей всех прямоугольников была равна единице (такая процедура называется нормировкой). Тогда вероятность попадания результата измерения в интервале от х1 до х2 равна суммарной площади прямоугольников, заключенных между х1 и х2.

Если неограниченно увеличивать число измерений n, а интервал d устремить к нулю, то в пределе нормированная гистограмма перейдет в непрерывную кривую (рис.2), которую называют кривой нормального распределения. Функция распределения определяется формулой Гаусса

Физический смысл остается тем же: площадь под любым участком кривой нормального распределения равна вероятности «попадания» результата измерения в интервал х, ограниченный этим участком.

Входящую в формулу Гаусса величину s называют стандартным отклонением, а s 2 — дисперсией измерения.

При достаточно большом числе измерений стандартное отклонение (или средняя квадратичная ошибка) определяется по формуле

Средняя квадратичная ошибка s используется, когда необходимо знать надежность полученных результатов.

В случае выполнения серии измерений, необходимо рассчитать средние арифметические каждого отдельного измерения и их средние квадратичные погрешности s, а затем определить среднюю квадратичную погрешность серии независимых прямых измерений одной и той же величины по формуле

или средняя квадратичная ошибка среднего значения

где: s — средняя квадратичная ошибка каждого отдельного измерения, n – число измерений.

При выполнении лабораторных работ студенты могут использовать как среднюю абсолютную ошибку, так и среднюю квадратичную. Какую из них применять указывается непосредственно в каждой конкретной работе (или указывается преподавателем).

Читайте также:  Измерение длины световой волны при помощи дифракционной решетки спектрогониометр

Обычно если число измерений не превышает 3 – 5, то можно использовать среднюю абсолютную ошибку. Если число измерений порядка 10 и более, то следует использовать более корректную оценку с помощью средней квадратичной ошибки.

| следующая лекция ==>
Аппроксимация экспериментальных данных | Учет систематических ошибок

Дата добавления: 2017-10-09 ; просмотров: 558 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Определение погрешностей при прямых измерениях

Измерение физических величин и классификация погрешностей

В физическом практикуме каждая из лабораторных работ посвящается воспроизведению опытов для наблюдения физических явлений или законов, изучению различных свойств веществ. Свойства тел или физических явлений, которые количественно могут отличаться у разных тел или изменяться у одного и того же тела, называются физическими величинами. К таким величинам относятся масса, объем, длина, температура, давление, скорость, ускорение, плотность и т.д.

Как правило, при выполнении лабораторных работ необходимо производить измерения той или иной физической величины, характеризующей рассматриваемое явление, закон или свойство изучаемого вещества. Измерить какую-либо физическую величину — это значит узнать, сколько раз заключается в ней однородная величина, принятая за единицу измерения. Измерения разделяют на прямые и косвенные.

При прямых измерениях определяемая величина сравнивается с единицей измерения непосредственно или при помощи измерительного прибора проградуированного в соответствующих единицах. Примерами прямых измерений является измерение длины линейкой или штангенциркулем, измерение времени секундомером, величины электрического тока амперметром, напряжения вольтметром, сопротивления омметром, температуры термометром и т.д.

При косвенных измерениях определяемая величина находится из результатов прямых измерений тех величин, которые связаны с определяемой величиной функциональной зависимостью. Например, чувствительность осциллографа определяется выражением:

,

где l — длина светящейся линии на экране осциллографа, расположенная вдоль оси X или Y; Uэф — эффективное напряжение, подаваемое на соответствующий вход (X или Y) прибора. Параметры l и Uэф можно определить прямыми измерениями, используя линейку и вольтметр, а величину S — из указанной выше функциональной зависимости.

Физическую величину невозможно измерить абсолютно точно, поскольку любое измерение сопровождается той или иной ошибкой(погрешностью).Погрешности измерений бывают систематические и случайные.

Погрешность, сохраняющая величину и знак от опыта к опыту, называется систематической. Систематическая погрешность может оставаться постоянной и закономерно изменяться как при изменении одной и той же величины, так и при изменении в некотором диапазоне, например, в диапазоне измерения прибора. По происхождению систематические погрешности можно классифицировать на следующие:

1. Методические (теоретические) погрешности, связанные с недостаточно точным обоснованием самого метода измерения, с допущениями при выводе формул, с зависимостью измеряемой величины от параметров приборов и т.д.

2.Инструментальные погрешности, связанные с конструктивными недостатками прибора, неисправностью или неправильной градуировкой прибора и т.д.

3. Погрешности установки, возникающие из-за неправильной установки прибора и неточной установки стрелки на ноль.

4. Личные погрешности(субъективные), проявляющиеся из-за индивидуальных особенностей экспериментатора при отсчете измеряемой величины (из-за неправильного расположения экспериментатора относительно прибора, неточность интерполяции показания в пределах одного деления и т.д.).

5. Погрешности, вызываемые изменением внешних условий (изменение температурных, магнитных и электрических полей, частоты, напряжения, давления, влажности, ускорения и т.д.).

Погрешность, которая непредсказуемым образом изменяет свою величину и знак от опыта к опыту, называется случайной. Случайная погрешность является результатом действия большого числа случайных причин на каждое измерение, величина и природа которой остается неопределенной. Случайный характер этих погрешностей проявляется в том, что при многократном повторении опыта в одинаковых условиях и с одинаковой тщательностью получаются различные результаты. Погрешности, возникающие в результате неправильного отсчета по шкале прибора, неверной записи отсчетов, грубых нарушений условий измерения и т.д., называются промахами.Измерения, содержащие промахи, не учитываются. В подобных случаях делается повторное (контрольное) измерение.

Читайте также:  Чем измерить расстояние отверстия от края

В основе теории определения погрешностей лежат два положения, подтвержденные опытом.

1. При большом числе измерений физической величины случайные погрешности одинаковой величины, но разного знака встречаются одинаково часто.

2. Погрешности большие по абсолютной величине встречаются реже, чем малые, т.е. вероятность появления погрешности уменьшается с ростом величины погрешности.

Допустим, что мы произвели n прямых измерений некоторой физической величины А, истинное значение которой нам неизвестно. Обозначим через А1, А2, А3, . . . Аn результаты отдельных измерений. Абсолютнуюпогрешность DАn n-го измерения, представляющую собой разность между истинным значением А и измеряемой величиной Аn, можно записать следующим образом: DАn=А-Аn, тогда результаты отдельных измерений можно представить в виде:

, , …, (1)

Абсолютные погрешности DА1, DА2, . . . DАn могут принимать как положительные, так и отрицательные значения. Суммируя левую и почленно правую стороны равенства (1), получаем:

(2)

Разделив обе стороны равенства (2) на число n и учитывая,что среднеарифметическая величина:

(3)

(4)

после перестановки членов получим:

(4)

Так как в серии большого числа измерений всякой положительной погрешности можно сопоставить равную ей по абсолютной величине отрицательную погрешность, то на основании положения 1, указанного выше,

(5)

(5)

Тогда из уравнения (4) следует:

при (6)

(6a)

При ограниченном числе измерений (n¹¥) среднеарифметическое значение будет отличаться от истинного значения А, т.е. равенство (6) будет приближенным:

(6а)

(7)

В этом случае необходимо оценить величину этого расхождения. Как показывают соответствующие расчеты, вместо приближенного равенства (6а), можно записать:

(7)

(7a)

или

(7а)

где определяется выражением (3), а для определения используется формула:

(8)

Отношения называются относительными ошибками отдельных измерений.

Отношение средней абсолютной ошибки результата к среднему значению дает среднюю относительную ошибку измерений

(9)

Так как относительную ошибку принято выражать в процентах, то

(9а)

(9a)

Из уравнения (7) и (7а) видно, что знаки “+” и ”-” показывают не наличие двух истинных значений измеряемой величины, а интервал, в котором находится единственное значение этой величины.

Более точную формулу для вычисления абсолютной ошибки результата дает теория вероятностей:

(10)

Абсолютная ошибка, определяемая уравнением (10), называется наиболее вероятной ошибкой.

Окончательное значение измеряемой физической величины в этом случае записывается следующим образом:

(11)

Окончательный результат (11) можно записать с учетом среднеквадратичной ошибки, которая определяется уравнением:

(12)

Пример.Определить абсолютную и относительную погрешность диаметра свинцового шарика по пяти измерениям, результаты которых указаны ниже.

d,мм 1,47 1,46 1,43 1,45 1,44

Среднее из пяти найденных значений:

Абсолютные ошибки отдельных измерений:

Средняя абсолютная ошибка результатов:

Результат измерений:

Аналогично можно произвести обработку результата измерений с наиболее вероятной ошибкой или с учетом средней квадратичной ошибки, используя формулу (10) или (12).

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник