系统误差又叫做规律误差。它是在一定的测量条件下,对同一个被测尺寸进行多次重复测量时,误差值的大小和符号(正值或负值)保持不变;或者在条件变化时,按一定规律变化的误差。前者称为定值系统误差,后者称为变值系统误差。
系统误差是与分析过程中某些固定的原因引起的一类误差,它具有重复性、单向性、可测性。即在相同的条件下,重复测定时会重复出现,使测定结果系统偏高或系统偏低,其数值大小也有一定的规律。例如,测定的结果虽然精密度不错,但由于系统误差的存在,导致测定数据的平均值显著偏离其真值。如果能找出产生误差的原因,并设法测定出其大小,那么系统误差可以通过校正的方法予以减小或者消除,系统误差是定量分析中误差的主要来源。
系统误差可以看成对同一待测量进行大量重复测量的平均结果和待测量真值的差值。一般而言,由于测量步骤的不尽完善会引起测量结果的误差,其中有的来自系统误差,有的来自随机误差。随机误差被假设来自无法预测的影响量或影响的随机的时间和空间变异。一些系统误差可以消除,通常可以降低。
系统误差有下列情况:误读、误算、视差、刻度误差、磨损误差、接触力误差、挠曲误差、余弦误差、阿贝误差、热变形误差等。
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,具有重复性、单向性。我们应根据具体的实验条件,系统误差的特点,找出产生系统误差的主要原因,采取适当措施降低它的影响。
系统误差常见的来源:
(1)仪器误差是由于仪器本身的缺陷或没有按规定条件使用仪器而造成的。如仪器的零点不准、仪器未调整好、外界环境(光线、温度、湿度、电磁场等)对测量仪器的影响等所产生的误差。
(2)理论误差(方法误差)是由于测量所依据的理论公式本身的近似性,或实验条件不能达到理论公式所规定的要求,或者是实验方法本身不完善所带来的误差。例如热学实验中没有考虑散热所导致的热量损失,伏安法测电阻时没有考虑电表内阻对实验结果的影响等。
(3)操作误差是由于观测者个人感官和运动器官的反应或习惯不同而产生的误差,它因人而异,并与观测者当时的精神状态有关。
(4)试剂误差指由于所用蒸馏水含有杂质或所使用的试剂不纯所引起的测定结果与实际结果之间的偏差。
系统误差有些是定值的,如仪器的零点不准,有些是积累性的,如用受热膨胀的钢质米尺测量时,读数就小于其真实长度。
需要注意的是,系统误差总是使测量结果偏向一边,或者偏大,或者偏小,因此,多次测量求平均值并不能消除系统误差。
电脑在进行数据处理的过程中,也会有误差,如在处数据型字段的时候,由于处理位数的不一样,所得结果是有误差的,与我们计算中采用四舍五入法得出的结果类似。
可用如下的方法减小系统误差。
(1)采用修正值方法
对于定值系统误差可以采取修正措施。一般采用加修正值的方法。
(2)从产生根源消除
用排除误差源的办法来消除系统误差是比较好的办法。这就要求测量者对所用标准装置、测量环境条件、测量方法等进行仔细分析、研究,尽可能找出产生系统误差的根源,进而采取措施。
(3)采用专门的方法
①交换法:在测量中将某些条件,如被测物的位置相互交换,使产生系统误差的原因对测量结果起相反作用,从而达到抵消系统误差的目的。
②替代法:替代法要求进行两次测量,第一次对被测量进行测量,达到平衡后,在不改变测量条件情况下,立即用一个已知标准值替代被测量,如果测量装置还能达到平衡,则被测量就等于已知标准值。如果不能达到平衡,修整使之平衡,这时可得到被测量与标准值的差值,即:被测量-标准值=差值。
③补偿法:补偿法要求进行两次测量,改变测量中的某些条件,使两次测量结果中,得到误差值大小相等、符号相反,取这两次测量的算术平均值作为测量结果,从而抵消系统误差。
④对称测量法:即在对被测量进行测量的前后,对称地分别对同一已知量进行测量,将对已知量两次测得的平均值与被测量的测得值进行比较,便可得到消除线性系统误差的测量结果。
⑤半周期偶数测量法:对于周期性的系统误差,可以采用半周期偶数观察法,即每经过半个周期进行偶数次观察的方法来消除。
⑥组合测量法:由于按复杂规律变化的系统误差不易分析,采用组合测量法可使系统误差以尽可能多的方式出现在测得值中,从而将系统误差变为随机误差处理。