МИНОБРНАУКИ РОССИИ
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
А. И. КРАСНОВА
МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ И ОЦЕНКИ ПОГРЕШНОСТЕЙ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ ПРИ ОДНОФАКТОРНОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ
Учебно-методическое пособие
Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
2019
УДК 621.3.088.6(07):551.511.639(07) ББК В 192.1я7 + Ж04я7
К78
Краснова А. И.
К78 Методы обработки и оценки погрешностей результатов измерений при однофакторном эксперименте: учеб.-метод. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2019. 39 с.
ISBN 978-5-7629-2551-8
Содержит основные сведения о методах обработки и оценки погрешностей результатов измерений при однофакторном эксперименте. Приведены задания для выполнения практической работы по дисциплине «Планирование измерительного эксперимента».
Предназначено для магистрантов направления подготовки 12.04.01 «Приборостроение», также может быть полезно инженерно-техническим работникам этой области знаний.
УДК 621.3.088.6(07):551.511.639(07) ББК В 192.1я7 + Ж04я7
Рецензент канд. техн. наук, доцент О. В. Тихоненкова (Санкт-Петербург- ский университет аэрокосмического приборостроения).
Утверждено редакционно-издательским советом университета
в качестве учебно-методического пособия
ISBN 978-5-7629-2551-8 |
© СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2019 |
Экспериментальные исследования широко применяются на всех стадиях разработки, производства и эксплуатации различных технических объектов, в частности средств информационно-измерительной техники. При создании электронных и электротехнических устройств основные затраты приходятся на их настройку и испытания.
Теория планирования эксперимента формулирует приемы и способы оптимальной организации исследовательской работы. Овладение основами теории планирования эксперимента и практическими приемами ее использования повышает эффективность работы исследователя, позволяет с наименьшими затратами решать многие практически важные исследовательские задачи: построение по опытным данным математической модели объектов, оптимизацию процессов, проверку различных предположений.
Основная цель данного пособия – изучение основных методов оценки погрешностей результатов измерений при однофакторном эксперименте для решения исследовательских, проектных и технологических задач в приборостроении.
Учебно-методическое пособие предназначено для магистрантов, обучающихся по направлению подготовки 12.04.01 «Приборостроение».
В первой части работы рассмотрены вопросы, связанные с общими понятиями погрешностей измерений; вторая часть посвящена введению в планирование эксперимента; в третьей части изучаются методы оценки погрешностей при однофакторном эксперименте; четвертая часть посвящена практическим заданиям по дисциплине «Планирование измерительного эксперимента».
Пусть x – результат измерения некоторой величины, x0 – ее истинное
значение, которое неизвестно.
Погрешность измерения – это отклонение результата измерений x от x0 – истинного (действительного) значения измеряемой величины.
В зависимости от формы представления различают абсолютную, относительную и приведенную погрешности измерений.
Абсолютная погрешность измерения – это разность между истинным и измеренным значениями физической величины ∆x = x0 − x , которая может
3
быть положительной или отрицательной в зависимости от уменьшения или увеличения результата измерения по отношению к истинному значению.
Относительная погрешность – это отношение абсолютной погрешности к истинному значению или к результату измерения, чаще всего выраженное в процентах [%]:
δ = ± |
∆x |
100 |
или δ = ± |
∆x |
100 . |
|
x |
|
|
x |
|
|
|
|
|
0 |
|
Приведенная погрешность – это отношение абсолютной погрешности к нормированному значению (xн), выраженное в процентах [%]:
γ = ± ∆x100. xн
Вкачестве нормированного значения может быть взято, например, максимальное значение измеряемой величины xн = xmax.
Взависимости от характера проявления, причин возникновения и возможностей устранения различают систематическую и случайную составляющие погрешности измерения, а также грубые погрешности (промахи).
Систематические погрешности (ошибки) – это погрешности, которые сохраняют значение и знак от опыта к опыту при равноточных измерениях. Типичными источниками систематических погрешностей бывают:
– несовершенство используемой измерительной аппаратуры;
– несовершенство используемого метода измерений;
– плохая настройка измерительной аппаратуры;
– недостаточное постоянство условий опыта;
– влияние окружающей среды;
– постоянные ошибки экспериментатора;
– неучтенные влияния других факторов.
Систематические погрешности считаются потенциально устранимыми. Случайные погрешности (ошибки) – это погрешности, которые изменяют значение и знак от опыта к опыту при измерениях, выполненных одина-
ковым образом и при одинаковых условиях.
Случайные погрешности обусловлены большим числом случайных причин, действующих в каждом отдельном измерении различным, заранее неизвестным образом. К числу таких причин относятся, например:
– случайные вибрации отдельных частей прибора;
4
–различные изменения во внешней среде (температурные, оптические, электрические, магнитные воздействия; изменение влажности, колебание воздуха; трение);
–физиологическое изменение органов чувств экспериментатора (утомление) и т. п.
Предсказать случайную погрешность для одного измерения в принципе невозможно. Поэтому необходимо повторять измерения несколько раз, а полученную совокупность экспериментальных результатов обрабатывать с помощью методов теории вероятностей и математической статистики, которые являются основой так называемой теории погрешностей.
Промахи или грубые погрешности (ошибки) – это ошибочные измерения или наблюдения, возникающие:
–в результате небрежности при отсчете по прибору или неразборчивой записи показаний;
–при неправильном включении прибора;
–при нарушении условий, в которых должен проводиться опыт (например, изменение напряжения, загрязнение материала и т. д.).
Такие ошибочные данные следует отбросить или сделать повторные (контрольные) измерения.
Если влияния систематических погрешностей и грубых промахов на полученные в эксперименте результаты так или иначе можно избежать или уменьшить, то случайные погрешности являются неустранимыми.
Независимо от цели эксперимента его планирование необходимо осуществлять с учетом набора комбинаций уровней всех факторов, воздействующих на измеряемую величину и участвующих в формировании результата измерения.
Согласно ГОСТ 24026–80 «Исследовательские испытания. Планирование эксперимента. Термины и определения» план эксперимента – это совокупность данных, определяющих число, условия и порядок реализации опытов, планирование эксперимента – это выбор плана эксперимента, удовлетворяющего заданным требованиям.
Фактор – это фиксированная величина, предположительно влияющая на ход эксперимента, отклик – это наблюдаемая случайная переменная, предположительно зависящая от факторов. Показатель зависимости изменения эф-
5