Sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống

Mọi quy trình đo lường đều có các lỗi liên quan và điều quan trọng là phải biết rằng các lỗi là một phần của quy trình đo lường. Trong khoa học và công nghệ, sai số hoặc độ không đảm bảo của một phép đo được gọi là sai số thực nghiệm hoặc sai số quan sát.

Có hai loại lỗi hoặc sự không chắc chắn : lỗi ngẫu nhiên và lỗi hệ thống. Các lỗi ngẫu nhiên xảy ra không thể đoán trước trong mỗi phép đo, trong khi các lỗi hệ thống có cùng tỷ lệ xảy ra trong mỗi phép xác định được thực hiện. Cả hai loại sai số đều là bản chất của bất kỳ quy trình đo lường nào, nhưng sai số ngẫu nhiên có thể được xử lý theo thống kê và đưa ra các phép xác định tập trung xung quanh giá trị thực, trong khi sai số hệ thống đôi khi có thể được giảm thiểu bằng cách hiệu chuẩn thiết bị đo, nhưng điều quan trọng là phải xử lý chúng tính đến vì nếu chúng không được hiệu chỉnh, chúng có thể gây ra các phép đo không chính xác ảnh hưởng đến kết luận của nghiên cứu đang được thực hiện.

lỗi ngẫu nhiên

Nếu một số phép đo có cùng độ lớn được thực hiện, bạn sẽ thấy rằng các giá trị bạn thu được được nhóm xung quanh một giá trị nhất định; do đó, sai số ngẫu nhiên chủ yếu ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo . Sai số ngẫu nhiên thường ảnh hưởng đến chữ số có nghĩa cuối cùng của phép đo.

Các lý do chính gây ra lỗi ngẫu nhiên có liên quan đến giới hạn của thiết bị, các yếu tố môi trường và các thay đổi nhỏ trong quy trình đo. Hãy xem một số ví dụ:

• Khi cân trên cân, vật cần cân được định vị khác nhau mỗi lần thực hiện phép đo.
• Khi đo thể tích trên bình, bạn có thể đọc giá trị từ một góc độ khác nhau mỗi khi nhìn vào thang chia độ.
• Phép đo khối lượng của mẫu trên cân phân tích có thể khác nếu nó bị ảnh hưởng bởi các luồng không khí .
• Việc đo chiều cao của một người bị ảnh hưởng bởi những thay đổi về tư thế.
• Việc đo tốc độ gió phụ thuộc vào độ cao và thời điểm thực hiện phép đo; một số bài đọc phải được thực hiện và các giá trị thu được được tính trung bình để có được phép đo đại diện, vì gió giật và thay đổi hướng gió làm thay đổi từng phép xác định cụ thể.
• Các số đọc phải được ước tính khi chúng nằm giữa các điểm trên thang đo hoặc khi tính đến độ dày của vạch đo.

Bởi vì các lỗi ngẫu nhiên luôn xảy ra và không thể dự đoán được, điều quan trọng là phải đưa vào quy trình đo lường một số lần đọc dữ liệu, sau đó lấy giá trị trung bình của chúng để xác định chính xác giá trị thực của tham số và đồng thời biết nó là gì. sự thay đổi của các phép đo.

lỗi hệ thống

Các lỗi hệ thống có thể dự đoán được và luôn có tỷ lệ mắc như nhau. Các nguyên nhân điển hình của lỗi hệ thống bao gồm lỗi quan sát, hiệu chuẩn thiết bị không hoàn hảo và tỷ lệ các yếu tố môi trường. Hãy xem một số ví dụ:

• Quên cân bì hoặc cân bằng 0. Điều này tạo ra các phép đo khối lượng luôn sai lệch với giá trị thực tế theo cùng một lượng (trùng với giá trị bì trong trường hợp này). Một lỗi gây ra do không đưa về 0 một thiết bị trước khi sử dụng được gọi là lỗi bù.
• Không đọc mặt khum trên thang chia độ ở ngang tầm mắt để đo thể tích. Điều này sẽ luôn dẫn đến việc đọc sai. Giá trị quan sát được sẽ đánh giá thấp hơn hoặc cao hơn phép đo chính xác, tùy thuộc vào việc giá trị đọc được thực hiện ở trên hay dưới nhãn hiệu.
• Đo chiều dài bằng thước kim loại sẽ cho kết quả khác nhau tùy thuộc vào nhiệt độ môi trường, do sự giãn nở nhiệt của vật liệu.
• Nhiệt kế đã hiệu chuẩn có thể cho kết quả chính xác trong một phạm vi nhiệt độ nhất định , nhưng có thể trở nên không chính xác ở nhiệt độ cao hơn hoặc thấp hơn, vì tất cả hiệu chuẩn đều hợp lệ trong một phạm vi biến đổi nhất định của tham số.
• Khoảng cách đo được khác nhau khi sử dụng thước dây mới so với phép xác định được thực hiện bằng thước dây cũ, đã kéo dài. Trong loại tình huống này, sai số tỷ lệ thuận với phép đo và được gọi là sai số hệ số tỷ lệ.
• Các phép đo của thiết bị điện tử có xu hướng thay đổi theo thời gian do nhiệt độ linh kiện thay đổi. Chúng được cho là dễ bị trôi dạt. Các phép đo thu được với các loại dụng cụ khác cũng có thể bị ảnh hưởng khi thiết bị nóng lên.

Sau khi xác định được nguyên nhân, tỷ lệ lỗi hệ thống có thể giảm đến một mức độ nào đó và có thể được giảm thiểu bằng cách hiệu chuẩn thiết bị thường xuyên, ví dụ bằng cách đưa các biện pháp kiểm soát vào thí nghiệm, đưa thiết bị về nhiệt độ hoạt động mà tại đó hiệu chuẩn được thực hiện. trước khi đọc, hoặc bằng cách so sánh các phép đo với các tiêu chuẩn.  

Mặc dù có thể giảm thiểu sai số ngẫu nhiên bằng cách tăng số lần xác định và lấy trung bình các kết quả, nhưng sẽ luôn có độ không đảm bảo đo liên quan đến tính biến thiên nội tại của tham số hoặc quy trình đo. Trong trường hợp sai số hệ thống, cách tốt nhất để giảm thiểu chúng là làm quen với những hạn chế của thiết bị, có kinh nghiệm sử dụng đúng cách và thiết lập các quy trình đo lường cũng như tuân thủ nghiêm ngặt các quy trình đó.

Đài phun nước

David A. Freedman. Mô hình thống kê: Lý thuyết và thực hành . Nhà xuất bản Đại học Cambridge, 2005.