Систематические ошибки презентация

1.

Лекция 4
Систематические
погрешности

2.

Лекция 3. Систематические погрешности
Систематические погрешности и их классификация
Факторы, учитывающиеся при оценке систематических погрешностей:
1. Объект измерения – перед измерением он должен быть достаточно хорошо изучен
с целью корректного выбора его модели.
2. Субъект измерения – его вклад в погрешность измерения необходимо уменьшать
путем подбора операторов высокой квалификации и соблюдения требований
эргономики при разработке СИ.
3. Метод и средство измерений – их правильный выбор чрезвычайно важен и
производится на основе априорной информации об объекте измерения.
4. Условия измерения – обеспечение и стабилизация нормальных условий являются
необходимыми требованиями для минимизации дополнительной погрешности,
которая по своей природе является систематической.
2

3.

Лекция 3. Систематические погрешности
Систематические погрешности и их классификация
От характера изменения
Постоянные
Переменные
Прогрессивные
Периодические
3

4.

Лекция 3. Систематические погрешности
Систематические погрешности и их классификация
Постоянные погрешности – погрешности, которые длительное время сохраняют
свое значение, например, в течение времени выполнения всего ряда измерений.
Прогрессивные погрешности – непрерывно возрастающие или убывающие
погрешности.
Периодические погрешности – погрешности, значение которых является
периодической функцией времени или перемещения указателя измерительного
прибора. Обычно эти погрешности встречаются в угломерных приборах с круговой
шкалой.
4

5.

Лекция 3. Систематические погрешности
Систематические погрешности и их классификация
От причин возникновения
Инструментальные
погрешности
Погрешности метода
измерений
Погрешности
из-за изменения
условий измерения
Субъективные
погрешности
5

6.

Лекция 3. Систематические погрешности
Способы обнаружения и устранения
систематических погрешностей
Неисправленные результаты – результаты наблюдений, полученные при
наличии систематической погрешности.
Способы учета и устранения систематических погрешностей:
1. Устранение источников погрешностей до начала измерений;
2. Определение поправок и внесение их в результат измерения;
3. Оценка границ неисключенных систематических погрешностей.
6

7.

Лекция 3. Систематические погрешности
Способы обнаружения и устранения
систематических погрешностей
X i Q i i – результат одного измерения, где Q – истинное значение
физической величины, Δi – i-я случайная погрешность,
Θi – i-я систематическая погрешность.
1 n
1 n
1 n
X X i Q i i – результат усреднения n измерений.
n i 1
n i 1
n i 1
1 n
i n
0 – при большом количестве измерений случайная погрешность
n i 1
устраняется
X Q
– так как в каждом измерении Θi = Θ
7

8.

Лекция 3. Систематические погрешности
Способы обнаружения и устранения
систематических погрешностей
Поверка средства измерений – установление органом государственной
метрологической службы пригодности средства измерения к применению на
основании экспериментально определяемых метрологических характеристик и
подтверждения их соответствия установленным обязательным требованиям.
Поверка средства измерения производится путем сравнения показаний
поверяемого прибора с показаниями образцового средства измерения.
Обнаруженные постоянные инструментальные систематические погрешности
могут быть исключены из результата измерения с помощью введения поправки.
8

9.

Лекция 3. Систематические погрешности
Способы обнаружения и устранения
систематических погрешностей
Поправка – значение величины, вводимое в неисправленный результат
измерения с целью исключения составляющих систематической погрешности.
Значение поправки равно значению абсолютной погрешности, взятой с обратным
знаком:
nX X
Поправку, прибавляемую к номинальному значению меры, называют поправкой
к значению меры; поправку, вводимую в показание измерительного прибора,
называют поправкой к показанию прибора.
Пример задания поправки:
g
nP P
1
9.8066
9

10.

Лекция 3. Систематические погрешности
Способы обнаружения и устранения
систематических погрешностей
Неисключенная систематическая погрешность (неисключенный остаток
систематической погрешности) – составляющая погрешности результата
измерений, обусловленная погрешностями вычисления и введения поправок на
влияние систематических погрешностей или систематической погрешностью,
поправка на действие которой не введена вследствие ее малости.
Неисключенная систематическая погрешность характеризуется ее границами:
N
i , N 3
i 1
K
N
,
i 1
i
N 4
На практике неисключенная систематическая погрешность рассматривается как
случайная и обрабатывается как соответствующими методами.
10

11.

Лекция 3. Систематические погрешности
Способы обнаружения и устранения
систематических погрешностей
Методы устранения постоянных
систематических погрешностей
Метод измерений
замещением
Метод
противопоставления
Метод компенсации
погрешности по знаку
Метод
рандомизации
11

12.

Лекция 3. Систематические погрешности
Способы обнаружения и устранения
систематических погрешностей
Метод измерений замещением основан на замещении измеряемой величины
мерой с известным значением величины, причем так, что при этом в состоянии и
действии всех используемых средств измерений не происходит никаких изменений.
1. На чашу весов помещают взвешиваемое тело массой mx
и отмечают положение указателя N;
2. Взвешиваемое тело замещают гирями такой массы m0,
чтобы вновь добиться прежнего отклонения указателя N;
3. При одинаковых отклонениях указателя будет
выполняться условие mx = m0
Взвешивание на пружинных весах
12

13.

Лекция 3. Систематические погрешности
Способы обнаружения и устранения
систематических погрешностей
Метод противопоставления – измерение выполняется дважды и проводится так,
чтобы в обоих случаях причина постоянной погрешности оказывала на результат
наблюдений разные, но известные по закономерности воздействия.
1. mx · l1 = m0 · l2 – условия равновесия весов;
l1
2. mx m0
– выражение для нахождения
l2
неизвестной массы;
Взвешивание на равноплечных весах
13

14.

Лекция 3. Систематические погрешности
Способы обнаружения и устранения
систематических погрешностей
Метод противопоставления
l2
3. Если l1≠ l2, то при взвешивании возникает систематическая ошибка: m0 1
l
1
4. Для исключения проводят измерения следующим образом:
А) Взвешивают груз mx , уравновешивая его гирями массой m01. При этом
справедливо mx · l1 = m01 · l2 ;
Б) Затем груз mx перемещают на вторую чашу весов, уравновешивая его
гирями массой m02. При этом справедливо mx · l2 = m02 · l1 ;
В) Из двух соотношений условий равновесия весов находим выражение
для неизвестной массы: mx m01 m02
14

15.

Лекция 3. Систематические погрешности
Способы обнаружения и устранения
систематических погрешностей
Метод компенсации погрешности по знаку предусматривает измерение
с двумя наблюдениями, выполняемыми так, чтобы постоянная систематическая
погрешность входила в результат каждого из них с разными знаками:
X
X 1 X 2 (Q ) (Q )
2
2
15

16.

Лекция 3. Систематические погрешности
Способы обнаружения и устранения
систематических погрешностей
Метод рандомизации – наиболее универсальный способ исключения неизвестных
постоянных систематических погрешностей. Суть его состоит в том, что одна и та же
величина измеряется различными методами (приборами). Систематические
погрешности каждого из них для всей совокупности являются разными случайными
величинами. Вследствие этого, при увеличении числа используемых методов
(приборов) систематические погрешности взаимно компенсируются.
16

17.

Лекция 3. Систематические погрешности
Способы обнаружения и устранения
систематических погрешностей
Методы обнаружения переменных и монотонно
изменяющихся систематических погрешностей
Графический метод
Метод симметричных
наблюдений
Статистические методы
17

18.

Лекция 3. Систематические погрешности
Способы обнаружения и устранения
систематических погрешностей
Графический метод – заключается в графическом представлении
последовательности неисправленных значений результатов наблюдений.
На графике через построенные точки проводят плавную кривую, которая
выражает тенденцию в изменении результата измерения, если она существует.
Если тенденция не наблюдается, то переменную систематическую погрешность
считают практически отсутствующей.
18

19.

Лекция 3. Систематические погрешности
Способы обнаружения и устранения
систематических погрешностей
Рассмотрим систематическую погрешность,
изменяющуюся линейно со временем:
X det X 0 Ct – результат измерения
постоянной величины Х0;
Выполним два наблюдения величин X1 и X2
в моменты времени t1 и t2. Тогда искомое
значение измеряемой физической
величины составит:
Линейное изменение систематической
погрешности в графическом методе
X0
X 1t 2 X 2t1
t 2 t1
19

20.

Лекция 3. Систематические погрешности
Способы обнаружения и устранения
систематических погрешностей
Метод симметричных наблюдений. Применяется для исключения прогрессирующего
влияния какого-либо фактора, являющегося линейной функцией времени (например,
постепенного прогрева аппаратуры, падения напряжения в цепи питания, вызванного
разрядом аккумулятора и т.д.). Такая функция может быть изображена в виде графика,
на котором по оси абсцисс отложено время, а по оси ординат – прогрессивная
погрешность. Способ симметричных наблюдений заключается в том, что в течение
некоторого интервала времени выполняется несколько измерений одной и той же
величины постоянного размера и за окончательный результат принимается полусумма
отдельных результатов, симметричных по времени относительно середины интервала.
Рекомендуется использовать данный способ, когда не очевидна возможность
существования прогрессивной погрешности.
20

21.

Лекция 3. Систематические погрешности
Способы обнаружения и устранения
систематических погрешностей
Несколько наблюдений выполняют через
равные промежутки времени и затем
вычисляют средние арифметические
симметрично расположенных отсчетов:
X1 X 3 X 2 X 4 X 3 X 5
,
,
….
2
2
2
Убедившись, что погрешность меняется
по линейному закону, можно вычислить
значение физической величины:
Линейное изменение систематической
погрешности в методе симметричных наблюдений
X0
X 1t 2 X 2t1
t 2 t1
21

22.

Лекция 3. Систематические погрешности
Способы обнаружения и устранения
систематических погрешностей
Статистические методы
Критерий Аббе (способ последовательных разностей)
1. Рассчитывается среднеарифметическое значение результатов измерений:
1 n
X Xi
n i 1
2. Рассчитывается дисперсия результатов наблюдений обычным способом:
1 n
2
(
X
X
)
i
n 1 i 1
2
22

23.

Лекция 3. Систематические погрешности
Способы обнаружения и устранения
систематических погрешностей
Статистические методы
Критерий Аббе (способ последовательных разностей)
3. Рассчитывается дисперсия результатов наблюдений методом последовательных
n 1
разностей :
1
Q 2 [ x]
2(n 1)
2
(
X
X
)
i 1 i
i 1
4. Рассчитывается значение критерия Аббе:
q
Q2[ X ]
2
23

24.

Лекция 3. Систематические погрешности
Способы обнаружения и устранения
систематических погрешностей
Статистические методы
Значения критерия Аббе при различном уровне значимости
24

25.

Лекция 3. Систематические погрешности
Способы обнаружения и устранения
систематических погрешностей
Статистические методы
Критерий Фишера (дисперсионный анализ)
1. Проводят многократные измерения, состоящие из достаточного числа серий,
каждая из которых соответствует определенным (пусть неизвестным, но различным)
значениям влияющего фактора.
2. После проведения N измерений их разбивают на s серий по nj результатов
наблюдений (snj = N) в каждой серии и затем устанавливают, имеется или отсутствует
систематическое расхождение между результатами наблюдений в различных сериях.
25

26.

Лекция 3. Систематические погрешности
Способы обнаружения и устранения
систематических погрешностей
Статистические методы
Критерий Фишера (дисперсионный анализ)
3. Для серий наблюдений рассчитывается дисперсия:
2
ser
1 s
N s j 1
nj
1
(
X
X
)
,
j
Xj
ij
nj
i 1
2
nj
X
i 1
ij
4. Рассчитывается усредненная межсерийная дисперсия:
2
int er
1 s
1
2
n
(
X
X
)
,
X
j
j
N
s 1 j 1
s
n
i 1
j
X
j
26

27.

Лекция 3. Систематические погрешности
Способы обнаружения и устранения
систематических погрешностей
Статистические методы
Критерий Фишера (дисперсионный анализ)
5. Критерием оценки наличия систематических погрешностей является
дисперсионный критерий Фишера:
2
int
F 2 er
ser
Если полученное значение критерия Фишера больше табличного значения Fq (при
заданных q, N и s), то обнаруживается систематическая погрешность, вызываемая
тем фактором, по которому группировались результаты наблюдений.
27

28.

Лекция 3. Систематические погрешности
Способы обнаружения и устранения
систематических погрешностей
Таблица значений критерия Фишера при уровне значимости q=0.05

29.

Лекция 3. Систематические погрешности
Способы обнаружения и устранения
систематических погрешностей
Таблица значений критерия Фишера при уровне значимости q=0.05

30.

Лекция 3. Систематические погрешности
Способы обнаружения и устранения
систематических погрешностей
Таблица значений критерия Фишера при уровне значимости q=0.05

31.

Лекция 3. Систематические погрешности
Способы обнаружения и устранения
систематических погрешностей
Статистические методы
1. Имеется две группы измерений. Результаты измерений первой группы 2, 3, 1,
результаты измерения второй группы: 6, 7, 5. Определить наличие
систематической погрешности.
Группа 1
Группа 2
Среднее значение
2
6
Дисперсия
2
2
31

32.

Лекция 3. Систематические погрешности
Способы обнаружения и устранения
систематических погрешностей
Статистические методы
1. Имеется две группы измерений. Результаты измерений первой группы 2, 3, 1,
результаты измерения второй группы: 6, 7, 5. Определить наличие
систематической погрешности.
4
1
6 2
2
4. Рассчитывается усредненная межсерийная дисперсия: int
er 12
2
3. Для серий наблюдений рассчитывается дисперсия: ser
2
int
5. Критерий Фишера: F 2 er 12
ser
6. Расчетный критерий Фишера превышает табличное значение (7,71),
следовательно, систематическая ошибка присутствует.
32

33.

Лекция 3. Систематические погрешности
Способы обнаружения и устранения
систематических погрешностей
Статистические методы
Критерий Вилкоксона
1. Выполняется серия измерений для двух связанных выборок:
{ X 1 , X 2 … X n } и {Y1 , Y2 …Ym }, причем n m 5
2. Рассчитаются значения разностей пар двух выборок.
3. Ранжируются модули разностей пар в возрастающем порядке.
4. Приписываются рангам знаки соответствующих им разностей.
33

34.

Лекция 3. Систематические погрешности
Способы обнаружения и устранения
систематических погрешностей
Статистические методы
Критерий Вилкоксона
5. Рассчитывается сумма нетипичных рангов R.
6. Гипотеза о наличии систематической ошибки отвергается, если выполняется
неравенство:
n
R
j 1
j
Tcrit
где Tcrit – критическое значение критерия Вилкоксона при заданном уровне
значимости.
34

35.

Лекция 3. Систематические погрешности
Способы обнаружения и устранения
систематических погрешностей
Статистические методы
Таблица критических значений Вилкоксона
35

36.

Лекция 3. Систематические погрешности
Способы обнаружения и устранения
систематических погрешностей
Статистические методы
2.
Сравнить между собой две выборки с помощью критерия Вилкоксона.
36

37.

Лекция 3. Систематические погрешности
Способы обнаружения и устранения
систематических погрешностей
Статистические методы
2.
Сравнить между собой две выборки с помощью критерия Вилкоксона.
1. Вычислить разность между индивидуальными значениями во втором и первом
замерах.
37

38.

Лекция 3. Систематические погрешности
Способы обнаружения и устранения
систематических погрешностей
Статистические методы
2.
Сравнить между собой две выборки с помощью критерия Вилкоксона.
2. Определить типичный сдвиг. В данном случае это отрицательные значения
38

39.

Лекция 3. Систематические погрешности
Способы обнаружения и устранения
систематических погрешностей
Статистические методы
2.
Сравнить между собой две выборки с помощью критерия Вилкоксона.
3. Ранжировать модули полученных разностей по возрастанию, присвоить
каждому значению ранг от меньшего к большему значению.
39

40.

Лекция 3. Систематические погрешности
Способы обнаружения и устранения
систематических погрешностей
Статистические методы
2.
Сравнить между собой две выборки с помощью критерия Вилкоксона.
4. Суммируется значение рангов, соответствующих нетипичным сдвигам. R=26,5
40

41.

Лекция 3. Систематические погрешности
Способы обнаружения и устранения
систематических погрешностей
Статистические методы
2.
Сравнить между собой две выборки с помощью критерия Вилкоксона.
5. Определяется значение значения Tcrit для n=19 при заданном уровне
значимости:
Tcrit = 53 при q=0,05;
Tcrit = 37 при q=0,01.
6. R = 26,5< Tcrit = 37 при q=0,01
7. Вывод: можно утверждать, что зафиксированные в эксперименте изменения
неслучайны и значимы (уровень значимости 1%).
41

42.

Лекция 3. Систематические погрешности
Способы обнаружения и устранения
систематических погрешностей
Исключение систематических погрешностей путем введения поправок
Поправка – значение величины, вводимое в неисправленный результат измерения
с целью исключения составляющих систематической погрешности. Численно равно
абсолютной погрешности, взятой с обратным знаком.
m
X i X i C j – результат i-ого измерения с учетом поправок.
j 1
m
D[ X ] D[ X ] D[C j ] – дисперсия результата измерения с учетом поправок.
j 1
42

43.

Лекция 3. Систематические погрешности
Способы обнаружения и устранения
систематических погрешностей
Исключение систематических погрешностей путем введения поправок
Устранение систематической погрешности путем введения поправки
43

44.

Лекция 3. Систематические погрешности
Способы обнаружения и устранения
систематических погрешностей
Исключение систематических погрешностей путем введения поправок
Пусть при измерении постоянной величины Q получено значение: Q X tS X
После введения поправки С tSC результат измерения:
Q’ ( X С tSC ) tS X X ‘ tSS ,
S S SC2 S X2
Максимальные доверительные значения погрешности результата измерения
до и после введения поправки равны соответственно:
D1 1 tS X , D2 2 tSC 1 C t SC2 S X2
44

45.

Лекция 3. Систематические погрешности
Способы обнаружения и устранения
систематических погрешностей
Исключение систематических погрешностей путем введения поправок
Поправку имеет смысл вводить до тех пор, пока D1 < D2. Отсюда следует, что
2
S
C
1 tS X 1 C t S S , C tS X 1 2 1
SX
SC2
За редким исключением S C S X , т.е. C 0,5 2
SX
2
C
2
X
Вывод: если S C 0 , то поправку имеет смысл вводить всегда.
45

46.

Лекция 3. Систематические погрешности
Обработка результатов
прямых многократных измерений
Прямые многократные измерения
Равноточные
Неравноточные
Равноточными называются измерения, которые проводятся средствами измерений
одинаковой точности по одной и той же методике при неизменных внешних условиях.
ГОСТ Р 8.736-2011 Государственная система обеспечения единства измерений
(ГСИ). Измерения прямые многократные. Методы обработки результатов
измерений. Основные положения
46

47.

Лекция 3. Систематические погрешности
Обработка результатов
прямых многократных измерений
1. Определение точечных оценок закона
распределения результатов измерений.
— Расчет среднего арифметического значения, оценка СКО результата измерения,
оценка СКО среднего арифметического значения по формулам:
n
1 n
1 n
1
2
X Xi , SX
(Xi X ) , SX
( X i X )2 ;
n i 1
n 1 i 1
n(n 1) i 1
— Исключение промахов в соответствии с рассмотренными критериями;
— Повторный расчет среднего арифметического значения, оценка СКО результата
измерения, оценка СКО среднего арифметического значения.
47

48.

Лекция 3. Систематические погрешности
Обработка результатов
прямых многократных измерений
2. Определение закона распределения результатов измерений
или случайных погрешностей измерений
— Построение вариационного ряда, в котором все значения Xi ранжированы от
минимального значения к максимальному:
Y1…Yn : Y1 min{ X i }, Yn max{ X i }
— Разбиение полученного ряда на равные интервалы длинной h. Для определения
оптимального числа интервалов используется эмпирическая формула Стерджесса:
m 1 [3.3 lg n]
48

49.

Лекция 3. Систематические погрешности
Обработка результатов
прямых многократных измерений
2. Определение закона распределения результатов измерений
или случайных погрешностей измерений
— Определяются интервалы группирования экспериментальных данных в виде:
1 (Y1 , Y1 h), 2 (Y1 h, Y1 2h), …, m (Yn h, Yn )
— Рассчитывается число попаданий nk (частоты) результатов измерений в каждый
интервал группирования. Сумма частот должна равняться числу измерений. По
полученным значениям рассчитываются вероятности попадания результатов измерений
в каждый из интервалов группирования по формуле pk = nk/n , где k =1, 2… m.
— На основании полученных результатов строится гистограмма, полигон и
кумулятивная кривая.
49

50.

Лекция 3. Систематические погрешности
Обработка результатов
прямых многократных измерений
2. Определение закона распределения результатов измерений
или случайных погрешностей измерений
Построение гистограммы по результатам наблюдений
50

51.

Лекция 3. Систематические погрешности
Обработка результатов
прямых многократных измерений
2. Определение закона распределения результатов измерений
или случайных погрешностей измерений
Полигон — ломаная кривая,
соединяющая середины
верхних оснований каждого
столбца гистограммы.
Построение полигона по результатам наблюдений
51

52.

Лекция 3. Систематические погрешности
Обработка результатов
прямых многократных измерений
2. Определение закона распределения результатов измерений
или случайных погрешностей измерений
Кумулятивная кривая – график
статистической функции распределения.
k
1 k
Fk pk nk
n k 1
k 1
Fk – кумулятивная частость.
Построение кумулятивной кривой по результатам наблюдений
52

53.

Лекция 3. Систематические погрешности
Обработка результатов
прямых многократных измерений
3. Оценка закона распределения по статистическим критериям
— При числе наблюдений n > 50 для идентификации закона распределения
используется критерий Пирсона χ2 (хи-квадрат) или критерий Мизеса-Смирнова (ω2);
— При 50 > n >15 для проверки нормальности закона распределения применяется
составной критерий (d-критерий);
— При n <15 принадлежность экспериментального распределения к одному из
стандартных не проверяется. Решение принимается на основании анализа априорной
информации
53

54.

Лекция 3. Систематические погрешности
Обработка результатов
прямых многократных измерений
3. Оценка закона распределения по статистическим критериям
Критерий согласия Пирсона χ2 (хи-квадрат)
— Разбиение размаха варьирования выборки на интервалы равной длины и
определение числа наблюдений (частоты) nj для каждого из e интервалов. Число
интервалов зависит от объема выборки: при n = 50 e = 5 ÷ 8, при n = 100 e = 10 ÷ 15,
при n = 200 e = 15 ÷ 20, при n = 400 e = 25 ÷ 30, при n = 1000 e = 35 ÷ 40;
— Интервалы, содержащие менее пяти наблюдений, объединяют с соседними. Однако,
если число таких интервалов составляет менее 20% от их общего количества,
допускаются интервалы с частотой nj ≥ 2.
54

55.

Лекция 3. Систематические погрешности
Обработка результатов
прямых многократных измерений
3. Оценка закона распределения по статистическим критериям
Критерий согласия Пирсона χ2 (хи-квадрат)
e (n np ) 2
j
j
2
,
— Статистикой критерия Пирсона служит величина:
np j
j 1
где pj — вероятность попадания изучаемой случайной величины в j-ий интервал,
вычисляемая в соответствии с гипотетическим законом распределением f(x).
— Если выполняется неравенство tab при заданном уровне значимости и числу
степеней свободы k = e1 – m – 1 (e1 — число интервалов после объединения; m —
число параметров, оцениваемых по рассматриваемой выборке), то гипотеза о
принадлежности выборки гипотетическому закону распределения F(x) верна.
55
2
2

56.

Лекция 3. Систематические погрешности
Обработка результатов
прямых многократных измерений
3. Оценка закона распределения по статистическим критериям
Критерий Мизеса-Смирнова (ω2)
— Результаты наблюдений Xi располагают в вариационном ряду от минимального к
максимальному;
— Статистикой критерия Мизеса-Смирнова служит величина:
n
0,4 0,6 1
1
2
F ( X i ) W
2 1
n
n n
12n i 1
2
где F(Xi) — значения предполагаемой теоретической функции распределения,
W
2i 1
— накопленная частость;
2n
56

57.

Лекция 3. Систематические погрешности
Обработка результатов
прямых многократных измерений
3. Оценка закона распределения по статистическим критериям
Критерий Мизеса-Смирнова (ω2)
2
— Если выполняется неравенство 2 tab
при заданном уровне значимости, то
гипотеза о принадлежности выборки гипотетическому закону распределения F(x)
верна.
Статистика критерия для нормального распределения, расположив результаты в
вариационном ряду, рассчитывается следующим образом:
n
1
1
2
F ( X i ) W 1
12n i 1
2n
2
57

58.

Лекция 3. Систематические погрешности
Обработка результатов
прямых многократных измерений
3. Оценка закона распределения по статистическим критериям
Составной критерий (d-критерий)
n
— Находят коэффициент d: d
где S *
n
X
1
i 1
n
i
S
*
X
,
1
2
— смещенная оценка среднего квадратического отклонения.
(
X
X
)
i
n i 1
— Проверяется выполнение условия: d min d d max
Значения величин dmin и dmax при заданном уровне значимости
являются табличными.
58

59.

Лекция 3. Систематические погрешности
Обработка результатов
прямых многократных измерений
3. Оценка закона распределения по статистическим критериям
Составной критерий (d-критерий)
d d max не выполнятся, гипотеза о принадлежности выборки
1. Если условие d min
к нормальному распределению отвергается;
2. Проверяются все разности: X i X z p / 2 S X , где zp/2 — верхний квантиль
распределения нормированной функции Лапласа при заданном уровне
значимости.
— Если критерий выполняется для (n – m) разностей, то гипотеза о принадлежности
выборки к нормальному распределению принимается.
При 10<n<20 m=1;
При 20<n<50 m=2;
59

60.

Лекция 3. Систематические погрешности
Обработка результатов
прямых многократных измерений
4. Определение доверительных интервалов случайной погрешности
— При числе наблюдений n ⩾ 15-20 и нормальном распределении границы
доверительных интервалов определяют с помощью Z-распределения при
заданному уровне доверительной вероятности;
zpSX
— При числе наблюдений n < 10-15 и нормальном распределении границы
доверительных интервалов определяют с помощью t-распределения при
заданному уровне доверительной вероятности;
tS X
60

61.

Лекция 3. Систематические погрешности
Обработка результатов
прямых многократных измерений
5. Определение границ неисключенной систематической
погрешности Θ результата измерений
Неисключенная систематическая погрешность характеризуется ее границами:
N
i , N 3
i 1
K
N
,
i 1
i
N 4
К — коэффициент, определяемый принятой доверительной вероятностью, числом
составляющих неисключенных систематических погрешностей и их соотношением
между собой.
61

62.

Лекция 3. Систематические погрешности
Обработка результатов
прямых многократных измерений
5. Определение границ неисключенной систематической
погрешности Θ результата измерений
Для доверительной вероятности 0,95 коэффициент принимают равным 1,1.
Для доверительной вероятности 0,99 коэффициент принимают равным 1,4.
Доверительную вероятность для вычисления границ неисключенной
систематической погрешности принимают той же, что при вычислении
доверительных границ случайной погрешности результата измерения.
62

63.

Лекция 3. Систематические погрешности
Обработка результатов
прямых многократных измерений
6. Определение доверительной границы погрешности результата измерения ∆p
— При / S X 0,8 неисключенной систематической погрешностью можно пренебречь
и принять границы погрешности результата равным z p S X ( tS X )
— При / S X 8 случайной погрешностью можно пренебречь и принять границы
погрешности результата равным
— При 0,8 / S X 8 вычисляют СКО результата как сумму неисключенной
систематической погрешности и случайной составляющей и границы погрешности
результата измерения:
2
m
z p (t ) S X
i
2
S
S X , KS , K
m
i2
i 1 3
SX
i 1 3
63

64.

Лекция 3. Систематические погрешности
Обработка результатов
прямых многократных измерений
7. Запись результата измерения
Результат измерения записывается в виде X X p при доверительной
вероятности P = PД. При отсутствии данных о функциях распределения
составляющих погрешности результаты измерений представляют в виде
X ; S ; n; при доверительной вероятности P = PД.
X
64

Презентация ПРОБЛЕМЫ СИСТЕМАТИЧЕСКИХ И СЛУЧАЙНЫХ ОШИБОК онлайн

1


Систематическиепогрешности Систематические погрешности Q / [Q] = X; Данное уравнение называют уравнением измерения. Q – размер измеряемой физической величины, [Q] – размер физической величины, принятой за единицу. X – оценка физической величины Истинное значение физической величины Q Действительное значение физической величины X Δ = X – Q Δ — погрешность результата измерения Δ = Δ с + Δ сл Δ с – систематическая составляющая погрешности Δ сл – случайная составляющая погрешности

2


Погрешности измерений Грубые промахи СистематическиеСлучайные определяемыенеопределяемыеотбрасываемые исключаемые путем коррекции НСП Содержатся в результате измерений Не содержатся в результате измерений

3


Систематическая погрешность измерений – составляющая погрешности результата измерения, остающаяся постоянной или же закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же физической величины. Систематические погрешности могут быть предсказаны, обнаружены и исключены из результата измерений (уменьшены) путем введения соответствующих поправок. Аддитивные систематические погрешности Мультипликативные систематические погрешности

4


Задача обеспечения правильности измерений должна предусматривать обнаружение, оценку и уменьшение (или полное исключение) систематических погрешностей. Правильность измерений – качество измерений, отражающее близость к нулю систематической погрешности.

5


В зависимости от причин возникновения: 1. инструментальные 2. внешние 3. личные 4. погрешности метода (методические погрешности) По характеру проявления: 1. Постоянные 2. Переменные 3. Дрейфовые Систематическиепогрешности Систематические погрешности

6


n Vi=Xi-X Скорее всего СП отсутствует n Vi=Xi-X СП зависит от условий наблюдений; какой-то из приборов вносит СП n Vi=Xi-X Присутствует прогрессивно убывающая СП

7


Методы исключения и компенсации систематических погрешностей Неисправленный результат измерения – это значение физической величины, полученное в результате измерения до введения поправок. Исправленный результат измерения – это значение физической величины, полученное в результате измерений и уточненное путем введения в него необходимых поправок. РМГ 29-99: поправка – это значение величины, вводимое в неисправленный результат измерения с целью исключения составляющих систематической погрешности. Q = X + C a (Численное значение С а может быть как со знаком «+», так и со знаком « » ). РМГ 29-99: поправочный множитель – это числовой коэффициент, на который умножают неисправленный результат измерения с целью исключения влияния систематической погрешности. Q = C m X, где C m – поправочный множитель.

8


При оценке и исключении систематических погрешностей в первую очередь рассматриваются систематические эффекты, возникающие вследствие влияния: 1) объекта измерения, 2) субъекта, 3) средств измерения, 4) методов и способов измерения, 5) условий измерения.

9


До начала измерений рекомендуется: 1. тщательно устанавливать нулевое показание и калибровать СИ; 2. применять только предварительно поверенные СИ. 3. прогревать приборы в течение времени, указанного в инструкции по эксплуатации; 4. применять при сборке короткие соединительные провода, а на высоких частотах коаксиальные кабели; 5. прибегать при необходимости к экранированию и термостатированию, осуществлять амортизацию прибора, чтобы устранить вибрации и сотрясения; 6. правильно размещать СИ (устанавливать в рабочее положение, размещать вдали от источников тепла и электромагнитных полей и т.п.),

10


Методы исключения систематических погрешностей 1. Метод замещения Сравнение производится путем замены измеряемой величины известной величиной, воспроизводимой мерой, таким образом, чтобы воздействие известной величины привело средство измерения в то же состояние, которое оно имело при воздействии измеряемой величины. MxMx MNMN

11


2. Метод компенсации погрешности по знаку измерение проводят дважды таким образом, чтобы систематическая погрешность (неизвестная по абсолютному значению, но известная по своей природе) входила в результаты наблюдений с противоположными знаками. Тогда полусумма результатов измерений будет свободна от этой погрешности. Q 1 = Q + Θ;Q 2 = Q – Θ; Q = 0,5 (Q 1 + Q 2 ). Q 1 и Q 2 – результаты двух измерений, Θ –систематическая погрешность, Q – значение измеряемой величины, свободное от погрешности. систематическая погрешность входит в показания средства измерений с одинаковым знаком, но сам эксперимент ставится так, что меняет знак искомое значение Q, оставаясь неизменным по абсолютной величине. Q 1 = Q + Θ;Q 2 = -Q + Θ; Q = 0,5 (Q 1 — Q 2 ).

12


3. Метод противопоставления (перестановки) измерения проводят два раза, причем причина, вызывающая погрешность при первом измерении, оказывает противоположное действие на результат второго измерения. Если L 1 L 2 Δ с = M N [ (L 2 /L 1 ) — 1] M x L 1 = M N1 L 2 M N2 L 1 = M x L 2 L1L1 L2L2 MxMx MNMN M x L 1 = M N L 2 условие равновесия M x = M N1 M N2

13


4. Метод исключения погрешностей, изменяющихся по линейному закону Для исключения погрешности достаточно выполнить два измерения Q 1 и Q 2 при фиксированных значениях времени t 1 и t 2. Q1Q1 Q0Q0 Q2Q2 t2t2 t1t1 Δ c = A t (A=const) Q t =Q 0 + At Q 1 = Q 0 + At 1 Q 2 = Q 0 + At 2 Q 1 t 2 – Q 2 t 1 Q0Q0 = t 2 — t 1 Результат свободен от систематической погрешности

14


5. Метод симметричных наблюдений Измерения проводят последовательно через одинаковые интервалы времени. За окончательный результат принимается среднее значение любой пары симметричных наблюдений относительно середины интервала измерений. Q t2t2 t1t1 t3t3 t4t4 Q 1 – Q 2 Q = 2 6. Метод рандомизации Перевод систематических погрешностей в случайные Q2Q2 Q1Q1

15


Случайные погрешности Случайные погрешности неопределенны по своему значению и знаку и поэтому не могут быть исключены из результатов измерений, как систематические погрешности. Случайной называют такую величину, которая в результате опыта может принимать то или иное значение, неизвестно заранее какое именно. Дискретные случайные величины – принимающие отделенные друг от друга значения, которые можно заранее перечислить. Непрерывные случайные величины — величины, возможные значения которых непрерывно заполняют некоторый промежуток.

16


x =xixi N i=1 x 1, x 2, x 3, … x N n 1, n 2, n 3, … n m x = x i n k m k=1 N nknk m k=1 = N FkFk nknk N = При N FkFk p k pkpk m k=1 = 1 p k – вероятность появления значения дискретной случайной величины

17


Законом распределения (законом распределения вероятности) случайной величины называется всякое соотношение, устанавливающее связь между возможными значениями случайной величины и соответствующими им вероятностями. XX1X1 X2X2 X3X3 …XmXm pp1p1 p2p2 p3p3 …pmpm pkpk xkxk xmxm x2x2 x1x1

18


Числовыехарактеристикислучайнойвеличины Числовые характеристики случайной величины: Математическое ожидание оценкой математического ожидания является среднее арифметическое Дисперсия — математическое ожидание квадрата отклонения случайной величины от ее математического ожидания Среднее квадратическое отклонение (СКО) M(x) = x 1 p 1 + x 2 p 2 + …+ x N p N =xi pixi pi N i=1 D(x) = M [X – M(x)] 2 = [x i — M (x)] 2 p i N i=1 σ x = D

Слайды презентации