系统误差的发现和消减

  Alu ·  2007-09-19 20:46  ·  57817 次点击
测量结果的不确定度应当在尽可能消除和修正了系统误差的基础上进行,因此发现和消减系统误差也是实验工作的重要组成部分之一。在实验工作中发现和消减系统误差相对来说是一件较难的工作,它既需要有理论指导又需要有丰富的实验工作经验,由于对系统误差的分析很难脱离具体实验,所以对系统误差的发现和消减只作原则性介绍。1系统误差的发现要发现系统误差,就必须仔细研究测量理论和方法中的具体细节,检验或校准每一件仪器,分析实验理论和仪器所要求的条件是否满足要求,考虑实验中各种因素对实验的影响等。1)实验对比包括实验方法的对比,即用不同的测量原理、方法和仪器测量同一物理量,改变某项实验条件、实验参数等进行对比。在对比中如果发现实验结果有明显差异,即说明实验中存在系统误差。2)理论分析包括分析实验所依据的理论公式要求的条件与实际情况有无差异,分析仪器所要求的使用条件是否满足等。3)数据分析人们知道随机误差服从一定的统计分布规律,如果数据不遵从这种规律,则说明存在系统误差。如按测量次序记录的数据的偏差具有单向或周期性变化的特性,说明存在固定的或周期性的系统误差。2系统误差的修正和消减能掌握的系统误差一般可通过引入修正值修正。例如对千分尺的零点修正、利用较高级的电表对低级电表作出修正曲线等。但实际中,有时不易找出确切的系统误差值,则常在测量中设法抵消它的影响。下面介绍几种典型的在测量中抵消系统误差的方法。1)替换法在测量装置上对某一待测量进行测量后,立即用一标准量替换待测量,再次进行测量,并调到同样的情况,从而得出待测量等于标准量。例如,用电桥测量电阻时,调平衡后,把被测电阻用可变标准电阻替换,调标准电阻值使电桥再次达到平衡,则标准电阻的示值即为被测电阻的阻值。这样可消除用此电桥测量电阻时可能存在的固定系统误差。2)异号法使误差在测量过程中出现一次为正值,另一次为负值,取其平均值以消除系统误差。例如:使用电位差计测微弱电动势E的电路中,若有温差电动势E0的干扰,测出的数值E1实为两电动势之差,即E1=E-E0。若将E反向后,再测量,则测量值E2=E+E0。将两次测量结果平均,温差电动势引入的误差就被排除了。3)交换法例如,用滑线式惠斯通电桥测电阻时,把待测电阻与标准电阻交换位置再次测量,取两次测量值的平均值就可消减滑线电阻丝不均匀引进的误差。4)对称观测法若有随时间线性变化的系统误差,可将观测程序对某时刻对称地再做一次。例如一只灵敏电流计零点随时间有线性漂移,在测量读数前记下一次零点值,测量读数后再记一次零点值,取两次零点值的平均来修正测量值。又如,测电阻温度系数的实验,测电阻前记录一次温度,测电阻后再记录一次温度,取两次平均值作为该点温度值等。由于很多随时间变化的误差在短时间内均可近似认为是线性变化,因此对称观测法是一种能够消除随时间变化的系统误差的常用方法。5)半周期偶数观测法对周期性误差,可以每经过半个周期进行偶数次观测。例如测角计刻度盘偏心带来的角度测量误差是以360°为周期,就采取相距180°的一对游标,每次测量读两个数,则两个角位置之间的夹角是两个游标上分别算出的夹角的平均值。以上仅仅列举了几种减小或消除某些简单系统误差的方法,实际上,许多系统误差的出现常常是由于实验所用的理论不完善,或理论背后还隐藏着未被发现的某些规律性。如果因理论公式的近似性等原因所造成的系统误差,常常可从理论上加以估计和修正。例如用伏安法测电阻,当电流表内接时产生正的系统误差,外接时产生负的系统误差,可用下式加以修正:电流表内接http://202.113.13.85/webclass/physics/syjx/jxnr/cha1/f5/gs1.gif电流表外接http://202.113.13.85/webclass/physics/syjx/jxnr/cha1/f5/gs2.gif式中:RA、RV分别为电流表和电压表的内阻。系统误差的随机化处理也是消除系统误差的一个原则,如用测距仪器的不同部位多次测量,取其平均,这样就将标尺刻度或螺距不均匀造成的系统误差随机化。

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