2.4. Систематические погрешности

Систематическая погрешность измерения - это составляющая погрешности результата измерения, остающаяся постоянной или же закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же ФВ. В зависимости от характера изменения систематические погрешности подразделяются на постоянные, прогрессивные и погрешности, изменяющиеся по более сложным законам, например, периодические.

Постоянные систематические погрешности в течение длительного времени сохраняют свое значение, например, в течение заданного временного интервала. Они встречаются наиболее часто. Например, погрешность, возникающая из-за того, что характеристика детектора считается квадратичной во всем диапазоне входных напряжений, в то время как показатель степени зависит от амплитуды входного напряжения.

Прогрессивные погрешности - это непрерывно возрастающие или убывающие погрешности. Например, погрешности, связанные с систематическим износом узлов средства измерений, с прогревом измерительных приборов и т. п. Простейший бытовой пример - это определение момента времени при помощи часов с постоянной систематической погрешностью хода. В этом случае с каждым днем погрешность определения времени возрастает.

Периодические погрешности чаще всего проявляются при наличии внешних циклических воздействий или при измерении циклических величин (измерения разности фаз синусоидальных колебаний). Простейший пример - башенные часы с люфтом стрелок. Очевидно, что под воздействием силы тяжести, действующей на стрелки, при наличии люфта возникает периодическая систематическая погрешность отсчета времени. Другой пример - измерение распределения поля в раскрыве антенны. При движении зонда и измерении при его помощи интенсивности поля возникает периодическая интерференционная погрешность, обусловленная переотражением сигнала между антенной и зондом.

В зависимости от причин появления систематические погрешности подразделяют на погрешности метода измерений (методические), погрешности из-за отклонений внешних условий от установленных, инструментальные погрешности (погрешности средства измерений), субъективные погрешности.

К методическим относят погрешности, возникающие из-за несовершенства метода измерений.

Инструментальные – это погрешности результата измерений, обусловленные несовершенством применяемых средств измерения. Например, конечная разрешающая способность измерительного прибора ограничивают возможности уменьшения погрешности измерений.

Субъективные (мнимые) погрешности связаны с индивидуальными особенностями наблюдателя (оператора).

По возможностям учета и исключения (уменьшения) систематические погрешности разделяют на три группы. Первая группа - это погрешности, природа которых известна и численное значение также известно. В этом случае в результат измерения обычно можно внести поправку. Поправка - это значение ФВ, одноименной с измеряемой, вводимое в неисправленный результат измерения с целью исключения одной из систематических составляющих погрешности. Например, при измерении мощности и энергии оптического квантового генератора (лазера) приемником излучения (например, фотодиодом) часть энергии, падающей, на вход приемника, отражается. Измерив коэффициент отражения приемника, можно ввести поправку на значение отраженной энергии и учесть таким способом составляющую систематической погрешности из-за отражения. Поправка равна абсолютной систематической погрешности с обратным знаком. Другой способ исправления результата измерений - это умножение результата измерения на поправочный множитель. В приведенном примере можно поступить по другому, а именно - определить коэффициент поглощения приемника излучения и умножить результат на поправочный множитель, равный обратному коэффициенту поглощения. Поправочный множитель - это числовой коэффициент, на который умножают неисправленный результат измерения с целью исключения (уменьшения) влияния систематической погрешности. Ввести поправку можно только при выполнении следующих необходимых условий:

• имеются априорные сведения об объекте измерения, принципе и методе измерения, средстве измерения, достаточные для построения модели;

• проведен теоретический расчет составляющих систематической погрешности на модели и определены численные значения поправок;

• проведены эксперименты по определению численных значений поправок (поправочных множителей).

Вторую группу систематических погрешностей составляют такие, природа которых известна, однако их значение и (или) знак неизвестны, так что поправка не может быть введена. Эти погрешности называют неисключенными систематическими. Они остаются неиcключенными до тех пор, пока не придуманы и не реализованы способы их учета, то есть пока не выполнены необходимые процедуры, перечисленные выше. Указывают обычно границы неисключенной систематической погрешности как значение суммы всех отдельных ее составляющих.

Третью группу составляют систематические погрешности, природа которых неизвестна, то есть мы не подозреваем об их существовании в силу ограниченности наших знаний о процессах, происходящих в измерительных средствах, о характере взаимодействия средства измерений и объекта измерений.

Изучение и исключение систематических погрешностей измерения является одной из наиболее сложных научных задач в области метрологии, поскольку требует глубокого понимания не только принципа работы средств измерений, но и физических явлений, происходящих в объекте измерения, а также при взаимодействии объекта и средства измерений. Поэтому весьма желательный перевод систематических погрешностей из третьей группы в первую сопряжен с постоянной инженерной и исследовательской творческой работой.