[科普中国]-系统偏差

概述

误差是实验科学术语。指测量结果偏离真值的程度。对任何一个物理量进行的测量都不可能得出一个绝对准确的数值，即使使用测量技术所能达到的最完善的方法，测出的数值也和真实值存在差异，这种测量值和真实值的差异称为误差。数值计算分为绝对误差和相对误差。也可以根据误差来源分为系统误差（又称可定误差、已定误差）、随机误差（又称机会误差、未定误差）和毛误差(又称粗差)。1

分类绝对误差和相对误差绝对误差（Absoluteerror）=测量值-真值。是测量值（单一测量值或多次测量值的均值）与真值之差。若测量结果大于真值时，误差为正，反之为负。

相对误差（RelativeError）=绝对误差÷真值。为绝对误差与真值的比值（可以用百分比(%)、千分比(ppt)、百万分比(ppm)表示，但常以百分比表示）。一般来说，相对误差更能反映测量的可信程度。

例如，测量者用同一把尺子测量长度为1厘米和10厘米的物体，它们的测量值的绝对误差显然是相近的，但是相对误差前者比后者大了一个数量级，表明后者测量值更为可信。2

系统误差、随机误差和毛误差误差的来源可以分为系统误差（又称可定误差）、随机误差（又称未定误差）和毛误差（又称过失误差）。
系统误差(Systemerror)分为固定误差与比例误差，原因可能有仪器本身误差(instrumentalerrors)、采用方法的误差(methoderrors)、个人误差(personalerrors)、环境误差（Environmentalerror）。理论上系统误差可以通过一定的手段(如：校正)来消除。举例而言，天平的两臂应是等长的，可实际上是不可能完全相等的；天平配置的相同质量的砝码应是一样的，可实际上它们不可能达到一样。3

随机误差(Randomerror)，无法控制的变因，会使得测量值产生随机分布的误差。它服从统计学上所谓的“正态分布”或称“高斯分布”，它是不可消除的，在这个意义上，测量对象的真值是永远不可知的，只能通过多次测量获得的均值尽量逼近。系统误差以相同的方式影响所有测量值，将它们推向同一个方向；随机误差，则随着不同次的测量而变化，有时候向上或向下。

毛误差(Grosserror)，毛误差主要是由于测量者的疏忽犯下不应有的错误造成的。例如读数错误、记录错误、测量时发生未察觉的异常情况等等，这种误差是可以避免的(如：舍弃有关数据重新测量)。

系统误差中的个人误差(personalerrors)与毛误差(Grosserror)的差别。

个人误差又称人员误差，是由于测定人员的分辨力、反应速度的差异和固有习惯引起的误差。这类误差往往因人而异，因而可以采取让不同人员进行分析，以平均值报告分析结果的方法予以限制。
毛误差主要是由于测量者的疏忽所造成的。

用等式可以表达，随机误差中可能存在的结果为，单独测量值=精确值+随机误差。

而系统误差中，则结果为：单独测量值=精确值+偏度+随机误差。

误差特征误差的分布情况具有如下性质：

误差的绝对值有一定的限值；

绝对值较小的误差比绝对值较大的误差多；

绝对值相等的正负误差的个数相近。4

系统偏差的特征在同一条件下，多次测量同一量值时，误差的绝对值和符号保持不变，或者在条件改变时，误差按一定的规律变化，故多次测量同一量值时，系统误差不具有抵偿性，这是系统偏差与随机误差的本质区别。

根据系统偏差在测量过程中所具有的不同变化特性，将系统偏差分为恒定系统偏差和可变系统偏差两大类。

恒定系统偏差在整个测量过程中，误差大小和符号均固定不变的系统偏差。

某量块的公称尺寸为10mm，实际尺寸为10.001mm，误差为-0.001mm，若按公称尺寸使用，则始终会存在-0.001mm的系统误差 。

某千分尺零位位置不指零，也会在使用过程中造成对每次测量量值读数的一个常量的零值误差 。2

可变系统偏差在整个测量过程中，误差的大小和符号随着测量位置或时间的变化而发生有规律的变化。

1.线性变化系统偏差。

2.周期性变化系统偏差。

3.复杂规律变化系统偏差。