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Date 2022-09-08
Title 【Karma小學堂】有哪些類型的測量誤差?
有哪些類型的測量誤差?
 
如果有一個每個計量學家、工程師或科學家都熟悉的信條,它可能如下:(物理)測量結果的陳述沒有測量誤差的陳述是毫無價值的。 
儘管這句話聽起來很刺耳,但這是真的。每個量測設備和每個測量都包含誤差源。測量誤差(測量不確定度)的規範提供了有關測量質量的信息,其規範是絕對必要的。例如,如果電壓測量結果為 5 V ± 3 V,則電壓的真實值可高達 8 V 或低至 2 V。如果忽略測量不確定度,則無法給出有關測量值與真實值的偏差的任何信息。
然而,在實踐中,實際上完全省略了測量不確定度的陳述。這僅僅是因為假設不確定性非常小。然而,人們應該始終意識到這一點。然而,測量不確定性並不意味著缺點或負面標準。它們應該被視為一種質量保證,允許對測量值進行某種評估(並指出潛在的改進可能性)。
在測量技術中,存在不同類型的測量誤差。最重要的兩個是系統測量不確定性和隨機(統計)測量不確定性。在這篇文章中,我們將更詳細地了解這兩種不確定性的區別。
系統測量不確定度
系統測量不確定性,有時稱為內置誤差,是系統性發生的不確定性。這意味著,它們會導致測量結果在指定方向上發生偏移。這種轉變也稱為偏移量
系統測量誤差的一個例子是機械時鐘,由於結構缺陷,它總是走得太快。因此,如果您使用這款手錶停止例如馬拉松比賽,您總是會得到錯誤的結果。然而,這個結果可以很容易地調整,因為它具有系統性。如果可以找出這種系統偏差,例如通過將機械鐘與更精確的原子鐘進行比較,則可以簡單地校正測量值。用技術語言稱這種校正
然而,在許多情況下,可以確定自己的量測設備已正確調​​整。儘管如此,可能會出現其他系統測量誤差。為了避免這些,必須了解根本原因。系統測量誤差的原因有很多。您可以在以下列表中找到其中一些:

  • 量測設備的缺失或錯誤調整
  • 溫度變化、老化或磨損等影響
  • 不適合的環境條件:傾斜的表面、潮濕、超過量測設備允許的工作條件
  • 量測設備和測量對象之間的反應或不希望的相互作用
  • 未考慮的因素,例如磁場或摩擦力
統計測量誤差
您確定已排除所有系統測量不確定性,但每次測量的測量結果似乎仍然不同?可能的原因是隨機測量誤差
隨機測量不確定性本質上是隨機的,不能(或幾乎不)受到影響。想像一下,你想用一個非常精確的秒錶來停止馬拉松比賽。手錶是準確的,但你不是。當跑步者越過終點線時,您會(由於您的反應時間)有時會過早讀出時間,有時會過晚讀出時間。對於這個錯誤的偏差的方向是隨機的,因此有時也將其稱為統計偏差
 
隨機誤差和系統誤差的比較
如果將其與整個馬拉松比賽相比,上面的隨機測量誤差可能非常小。然而,在許多情況下,統計不確定性要大得多,甚至可能超過系統誤差。統計不確定性的原因可能是:
  • 無法控制的環境影響,例如溫度波動。
  • 測量儀器的異常行為
  • 被測物體的不可控變化(不是每次馬拉松跑的時間都一樣)
隨機測量誤差與精度的概念密切相關。同樣,您可以在我們關於真實性、精確度和準確性的文章中找到更多信息。
如何指定測量誤差
理論上可以準確確定係統測量不確定度,並為其分配明確的值。因此,它們通常指定絕對誤差限值,例如 5 V ± 3 V。這意味著真實值肯定在 2 V 和 8 V 之間。
這種指示對於隨機測量偏差是不可能的,因為它們是隨機發生的。因此,測量偏差的可能大小不受限制。偏差可以同時假設:非常大和非常小的值。因此,只能指定所謂的σ-信賴區間。這些 σ 信賴區間定義了測量值在上述區間內的概率。你可以在這裡看到幾個例子:

  • 5 V ± 3 V,信賴區間為 1σ ..... 真值(true value)(true value)在 5 V ± 3 V 區間內為 68 %
  • 5 V ± 3 V,2σ 信賴區間 ..... 真值(true value)(true value)在 5 V ± 3 V 區間內為 95 %
  • 5 V ± 3 V,3σ 信賴區間 ..... 真值(true value)(true value)在 5 V ± 3 V 區間內為 99.8 %
為了減少隨機測量誤差,可以簡單地多次執行相同的測量。您執行測量的次數越多,您就越確定真實值(通過測量系列的平均值最好地描述)位於給定的區間內。此外,平均值的不確定性隨著測量次數的增加而降低。
 
具有信賴區間的隨機測量誤差
DEWETRON – 最高精度的測量系統
假設您有一個測量不確定度僅為 0.03 % 的量測設備。如果您要使用此量測設備測量 10 V峰值的電壓,您將只有 ±0.003 V 的極小測量偏差。現在想像一下,您可以輕鬆訂購這樣的量測設備。
我們是 DEWETRON,一家高精度和模組化可定制測量系統的製造商。我們的混合訊號功率分析儀的測量誤差僅為 0.03 %,並配有一系列可互換的 TRION(3) 測量模組。作為我們的混合訊號功率分析儀的一種經濟實惠的替代品,我們創新的PU[REC]也是合適的。PU[REC] 是一款便攜式和可擴展的資料紀錄分析儀,具有高達 200 kS/s 的取樣率和易於使用的 15.6 英寸多點觸控螢幕。
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