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王伟东:测量结果好坏的几个指标术语剖析

作者:王伟东    |    发布日期:2012年08月11日
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物理量的测量,有直接测量,也有间接测量的。由于仪器、实验条件、环境等因素的限制,测量不可能无限精确,物理量的测量值与客观存在的真实值之间总会存在着一定的差异,这种差异就是测量误差。由于被测物的真值是理论上的概念,一般说来是不知道的,工业测量中常用实际值或修正过的算术平均值来代替真值。有关测量结果好坏的几个指标术语,精密度、准确度、精确度在不同的文献中有不同的含义。

一 测量误差的分类

误差的产生可根据误差产生的原因及性质可分为系统误差偶然误差两类。

1.系统误差

由于仪器结构上不够完善或仪器未经很好校准等原因会产生误差。例如,各种刻度尺的热胀冷缩,温度计、表盘的刻度不准确等都会造成误差。由于实验本身所依据的理论、公式的近似性,或者对实验条件、测量方法的考虑不周也会造成误差。由于测量者的生理特点,例如反应速度,分辨能力,甚至固有习惯等也会在测量中造成误差。系统误差的特点是测量结果向一个方向偏离,其数值按一定规律变化。

2.偶然误差

在相同条件下,对同一物理量进行多次测量,由于各种偶然因素,会出现测量值时而偏大,时而偏小的误差现象,这种类型的误差叫做偶然误差。产生偶然误差的原因很多,例如读数时,视线的位置不正确,测量点的位置不准确,实验仪器由于环境温度、湿度、振动等因素的影响而产生微小变化,等等,这些因素的影响一般是微小的,而且难以确定某个因素产生的具体影响的大小,因此偶然误差难以找出原因加以排除。但是实验表明,大量次数的测量所得到的一系列数据的偶然误差都服从一定的统计规律。在确定的测量条件下,对同一物理量进行多次测量,并且用它的算术平均值作为该物理量的测量结果,能够比较好地减少偶然误差。

二 测量误差的衡量指标——精密度、准确度、精确度

测量误差通常同时包含偶然误差和系统误差。偶然误差和系统误差两者综合的误差称为综合误差。

偶然误差、系统误差、综合误差的大小是通过几个指标来衡量的。当前有两类不同的名词术语来描述测量的各项误差[i] (1):

反映的测量指标

1类名词术语

2类名词术语

偶然误差

精密度precision

精密度precision

系统误差

准确度

精确度

综合误差

精确度

准确度

1

大学物理实验的教材和一些科技书籍中用第1类名词术语来表示各项误差的大小,国家计量部门出版的有关文献资料中用第2类名词术语表示各项误差的大小。在1990年国家技术监督局组织制定的《测量误差与数据处理技术规范》中,规定用第2类名词术语来表示各项误差的大小。考虑到大学物理实验教材使用范围广、时间长,本文仍采用第一类名词术语来表示各项误差的大小。

精密度一般是指区分接近相等的两个值的能力的一种度量,反映仪器偶然误差大小的程度,反映测量结果离散程度;用准确度反映系统误差大小的程度,反映测量值偏离真实值的大小;用精确度反映综合误差的大小,测量精确度高,则测量值较集中,并且在真实值附近[ii]。为了更好地说明测量误差的几个指标之间的联系和不同,其含义用图表示(如图1

王伟东:测量结果好坏的几个指标术语剖析

1  星号表示实际值,黑点表示测量值

精度常常出现在描述测量误差的句子里。这一术语用得较广泛,含义也较乱,其含义大致有两个,说到仪器的精度时,指仪器的精密度;说到测量结果的精度,则是指精确度,是精密度和准确度的综合,用于比较测量结果与被测长度实际值的一致程度。游标卡尺的精度指游标卡尺的最小分度值,反映仪器测量出的结果的离散程度,也就是精密度的含义。

游标卡尺的原理包含两个原理,即卡的原理和游标细分原理。游标卡尺的发明分为卡的发明和游标原理的发明,我国只是发明了卡尺,还没有证据证明发明了游标读数装置。测微除了放大的方法外,还有细分的方法。游标的作用不是放大,而是细分,是在另一处宽敞的地方分散过密的刻度。游标卡尺的精度指精密度,反映仪器偶然误差大小的程度,反映仪器测量出的测量结果的离散程度。游标卡尺的精度由主尺最小刻度值和细分份数决定(Δxyn  ;Δx表示精度,y表示主尺最小刻度值,n表示细分份数或分度数)。要想获得精确度高的测量值除了仪器精密度高以外,还要校正仪器,正确操作(准确度高)。
 


[i]李化平.物理测量的误差评定[M].北京:高等教育出版社,1993,1-6.

[ii]王平,怀其才.谈精密度准确度和精确度[J].济南教育学院学报,2002,(06):49.