Una guida completa all'errore di misurazione

La misurazione è essenziale in tutti i tipi di esperimenti fisici e processi di sviluppo tecnologico e, finché il risultato della misurazione, l'errore di misurazione è inevitabile. L'errore influisce sull'accuratezza della misurazione, quindi il personale tecnico interessato deve apprendere e padroneggiare la teoria dell'errore, avere una comprensione completa e sistematica delle caratteristiche, della natura e della classificazione dell'errore e infine trovare un modo ragionevole e scientifico per eliminarlo.

★ Qual è la definizione di valore di verità ed errore di misurazione?

Il valore di verità, noto anche come valore teorico, è un valore oggettivo, reale, che riflette le caratteristiche di qualcosa in determinate condizioni di tempo e spazio. Nella misurazione, c'è una certa deviazione, più o meno, tra il risultato misurato e il valore di verità, e questa deviazione è l'errore di misurazione.

Il valore di verità è un concetto ideale e, in senso stretto, non può essere ottenuto mediante misurazione effettiva e quindi l'errore non può essere ottenuto con precisione. Nel processo di valutazione dell'errore effettivo, il valore di verità convenzionale viene spesso utilizzato come valore di verità, che può essere di per sé impreciso e quindi è possibile ottenere solo una stima dell'errore.

Ad esempio, un metro standard è definito come la distanza percorsa dalla luce in 1/299792458 secondi nel vuoto. A causa dell'invarianza della velocità della luce, un metro standard è il valore di verità convenzionale, ma in pratica non lo misuriamo con la velocità della luce, ma con l'aiuto di una scala. Quindi la lettura della scala è il valore misurato e la sua deviazione da un metro standard è l'errore di una particolare misurazione.

★ Perché c'è un errore di misurazione?

La misurazione si basa su determinate teorie o metodi, utilizzando determinati strumenti, in un determinato ambiente ed eseguita da persone specifiche. L'influenza di fattori quali approssimazioni nella teoria sperimentale, difficoltà nel raffinamento metodologico, limitazioni nella sensibilità e nel potere risolutivo degli strumenti sperimentali e instabilità nell'ambiente circostante. Tutte queste condizioni di osservazione indesiderabili sono la causa principale dell'errore.

Nello specifico, gli errori di misurazione derivano dalle seguenti quattro fonti principali.

1 Errore di misurazione dello strumento

Gli strumenti nel processo di elaborazione e assemblaggio, non possono garantire che la struttura dello strumento possa soddisfare una varietà di relazioni geometriche, tali strumenti porteranno inevitabilmente errori alla misurazione. Come il punto zero o le specifiche dello strumento non sono accurate.

2 Errore di misurazione impatto ambientale

Si riferisce principalmente all'ambiente di osservazione nella temperatura, pressione atmosferica, umidità dell'aria e chiarezza, vento e rifrazione atmosferica e altri fattori di cambiamento costante, con conseguente risultati di misurazione con errori.

Si riferisce principalmente alla temperatura, alla pressione dell'aria, all'umidità e alla chiarezza dell'aria, al vento e alla rifrazione atmosferica e ad altri fattori di cambiamento costante nell'ambiente di osservazione, che si traduce in errori di misurazione.

3 Errore di misurazione del metodo di prova

Ciò è dovuto all'approssimazione delle formule teoriche su cui si basa la misurazione stessa, o al mancato rispetto delle condizioni di prova ai requisiti stabiliti nelle formule teoriche, o all'imperfezione del metodo di prova stesso. Ad esempio, il test termico non tiene conto della perdita di calore causata dalla dissipazione del calore, il metodo voltammetrico di misurazione della resistenza non tiene conto dell'influenza della resistenza interna del contatore elettrico sui risultati del test, ecc.

4 Errore di misurazione dell'essere umano

A causa dei limiti della discriminazione sensoriale dell'osservatore e dei diversi livelli di competenza tecnica, che possono portare a deviazioni durante l'allineamento, il livellamento e la mira dello strumento, varia da persona a persona ed è correlata allo stato mentale dell'osservatore in quel momento.

★ Tipi di errori nella misurazione

Gli errori di misurazione sono suddivisi in tre categorie principali: errori sistematici, errori casuali ed errori grossolani.

1 Errore sistematico

L'errore sistematico è anche chiamato errore regolare, è in determinate condizioni di misurazione, i risultati del test mostrano sempre uno schema simile quando lo stesso oggetto viene misurato più volte.

Le caratteristiche dell'errore sistematico: nelle stesse condizioni di misurazione, i risultati delle misurazioni ripetute sono sempre grandi o piccoli, misurazioni multiple per la media non possono eliminare l'errore sistematico. Dovremmo identificare le principali cause dell'errore sistematico in base alle condizioni di prova specifiche e alle caratteristiche dell'errore sistematico e adottare misure appropriate per ridurne l'impatto.

Ci sono molte ragioni per errori sistematici, inclusi errori dello strumento, errori teorici, errori operativi, ecc. Alcuni di questi errori sistematici sono costanti, come l'imprecisione del punto zero dello strumento, e alcuni sono cumulativi, ad esempio, quando misurati con un scala in acciaio che è stata soggetta a dilatazione termica, la lettura è piccola.

2 Errore casuale

L'errore casuale, noto anche come errore casuale, anche nella situazione ideale di eliminazione completa dell'errore sistematico, misurando ripetutamente lo stesso oggetto di misurazione molte volte, sarà comunque dovuto a una varietà di interferenze accidentali e imprevedibili di incertezza e di errore di misurazione, chiamato errore casuale.

La dimensione dell'errore casuale, il più o il meno dell'errore casuale non sono fissi, ma più misurazioni scopriranno che il valore assoluto dello stesso errore casuale positivo e negativo appare approssimativamente con la stessa probabilità, quindi possono spesso annullarsi a vicenda, da la legge di distribuzione dell'errore casuale può essere vista, aumentare il numero di misurazioni e, secondo la teoria statistica, i risultati della misurazione possono essere elaborati per ridurre l'errore casuale.

I fattori di errore casuale sono molto complessi, come il campo elettromagnetico della micro-variazione, parti dell'attrito, gioco, fluttuazioni termiche, disturbi dell'aria, variazioni della pressione e dell'umidità dell'aria, i cambiamenti fisiologici negli organi sensoriali del personale di misurazione e il loro impatto combinato può diventare un fattore nella generazione di errori casuali.

3 Errore lordo

In determinate condizioni, il risultato della misurazione si discosta notevolmente dal valore di verità, ovvero dall'errore che distorce nettamente il risultato della misurazione. Le principali cause di errori grossolani sono le seguenti.

Motivi oggettivi: sbalzi di tensione, shock meccanico, vibrazioni esterne, interferenze elettromagnetiche (elettrostatiche), guasto dello strumento, ecc. causati dal valore di misurazione dello strumento di prova anomalo o dal movimento relativo della posizione dell'oggetto misurato, generando così un errore grossolano.
Cause soggettive: utilizzo di manometri difettosi; negligenza e incuria nel funzionamento; errori di lettura, registrazione, calcolo, ecc. Inoltre, i cambiamenti perversi e improvvisi delle condizioni ambientali sono fattori che producono questi errori.

L'errore grossolano non è compensatore, è presente in tutti gli esperimenti scientifici e non può essere completamente eliminato, ma solo attenuato in una certa misura. È un valore anomalo e distorce seriamente la realtà, quindi dovrebbe essere rimosso durante l'elaborazione dei dati, altrimenti avrà un grave impatto sulla deviazione standard e sulla deviazione media.

★ Come ridurre gli errori di misurazione?

Poiché gli errori grossolani distorcono la situazione reale, dovrebbero essere eliminati durante l'elaborazione dei dati, mentre gli errori casuali, che sono il risultato di innumerevoli fattori sconosciuti che influenzano la misurazione, si conformano a una distribuzione normale e possono essere ridotti aumentando il numero di misurazioni ed elaborazioni i risultati secondo la teoria statistica.

La discussione principale qui è come ridurre l'errore sistematico.

1 Correzione nei risultati della misurazione

Per errori sistematici noti a valore fisso, i risultati della misurazione possono essere corretti con il valore di correzione; per errori sistematici di valore variabile, cercare di scoprire il modello di variazione degli errori e correggere i risultati della misurazione con la formula di correzione o la curva di correzione; per errori sistematici sconosciuti, vengono trattati come errori casuali.

2 Eliminare le cause alla radice degli errori sistematici

Prima di misurare, controllare attentamente lo strumento, regolarlo e installarlo correttamente, prevenire interferenze esterne, scegliere una buona posizione di osservazione per eliminare la parallasse, scegliere un momento in cui le condizioni ambientali sono più stabili per la lettura, ecc.

3 Correzione del feedback in tempo reale

Grazie all'applicazione della tecnologia di misurazione automatizzata e dei computer, la correzione del feedback in tempo reale può essere utilizzata per eliminare modifiche complesse in un errore sistematico. Durante il processo di misurazione, il sensore verrà utilizzato per convertire questi cambiamenti in errore in una qualche forma di una grandezza fisica (generalmente elettricità), in modo tempestivo in conformità con la sua relazione funzionale, attraverso il computer per calcolare il valore dell'errore che interessa i risultati della misurazione e per effettuare la correzione automatica in tempo reale dei risultati della misurazione.

Esistono anche metodi specificamente adattati a diverse situazioni, come metodo alternativo, metodo di sostituzione, metodo di compensazione, misurazione simmetrica, misurazione combinata, ecc.

Poiché esistono errori in tutte le misurazioni, è essenziale discutere gli errori di misurazione e comprenderne le leggi, la natura, le fonti e l'entità. L'analisi degli errori di misurazione è importante per le persone per migliorare i propri esperimenti, aumentare la precisione e l'accuratezza delle misurazioni e persino nuove scoperte.