- •Введение
- •Основные понятия и определения
- •Виды и методы измерений Виды измерений
- •Классификация физических величин
- •Размер физических величин. “Истинное значение” физических величин
- •Основной постулат и аксиома теории измерений
- •Теоретические модели материальных объектов, явлений и процессов
- •Физические модели
- •Математические модели
- •Единицы, системы единиц.
- •3. Системы единиц физических величин
- •3.1. Система Гаусса
- •3.2. Система сгс
- •3.3. Система мкгсс
- •3.4. Система мтс
- •3.5. Международная система единиц физических величин
- •3.5.1. Важнейшие достоинства Международной системы единиц
- •3.5.2. Основные единицы си и их определения
- •3.5.3. Принцип построения производных единиц си
- •3.5.4. Десятичные кратные и дольные единицы си и правила их образования
- •3.5.5. Относительные и логарифмические единицы си
- •3.5.6. Единицы количества информации си
- •3.5.7. Внесистемные единицы си
- •3.5.8. Правила написания наименований и обозначений единиц си
- •Погрешности измерений
- •Причины возникновения и способы исключения систематических погрешностей
- •Основные характеристики измерительных приборов и преобразователей
- •Обшие сведения об измерительных системах
- •Классификация сигналов и помех.
- •Классификация помех
- •Эффект Доплера для звуковых волн.
- •Фотоэффект
- •Кристаллическое состояние Отличительные черты кристаллического состояния
- •Физические типы кристаллических решеток
- •Дефекты в кристаллах
- •Теплоемкость кристаллов
- •Эффект Холла
- •Эффект Джозефсона.
- •Туннельный эффект
- •Стационарный эффект Джозефсона
- •Нестационарный эффект Джозефсона Туннелирование куперовских пар при электрическом напряжении
- •Нестационарный эффект Джозефсона в фундаментальных физических экспериментах
- •Квантовая интерференция
- •Сверхпроводниковые квантовые интерферометры
- •Сверхпроводниковый суперкомпьютер
Виды и методы измерений Виды измерений
Измерение физической величины – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, заключающаяся в сравнении измеряемой величины с ее единицей.
Для измерения физической величины необходимо создать ряд условий: возможность выделения измеряемой величины среди других величин; возможность установления единицы, необходимой для измерений выделенной величины; возможность материализации (воспроизведения и хранения) установленной единицы техническими средствами; возможность сохранения неизменным размер единицы (в пределах установленной точности) как минимум на срок, необходимый для измерений.
Целью измерения является получение значения этой величины в форме, наиболее удобной для пользования.
По отношению к изменению измеряемой величины измерения подразделяются на статические и динамические (рис. 5.1).
Статические измерения – измерения, при которых измеряемая величина остается постоянной на протяжении времени измерения (например, измерение геометрических параметров детали при нормальной температуре).
Динамические измерения – измерения, при которых измеряемая величина изменяется в момент измерения. Быстрое изменение размера требует ее измерения с точной фиксацией момента времени (например, измерение пульсирующих давлений, вибраций, расстояний до быстро двигающихся машин, самолетов и т.д.).
По общим приемам получения результатов измерения делятся на прямые, косвенные, совокупные и совместные.
Прямые измерения – измерения, при которых искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных либо по отсчетному устройству прибора, либо по значению меры (например, измерение температуры воздуха – термометром, измерение напряжения – вольтметром).
Косвенное измерение – это такое измерение, при котором искомое значение величины определяют на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям, путем вычисления по формуле (например, определение объема тела по прямым измерениям его геометрических размеров, определение удельного сопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения).
Совокупные измерения – это производимые одновременно измерения нескольких однородных величин, при которых искомую величину определяют решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин (например, определение массы отдельных гирь набора (калибровка) по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний гирь).
Совместные измерения – это производимые одновременно измерения двух или нескольких неоднородных величин для нахождения зависимостей между ними (например, измерение сопротивления при 20 °С и температурных коэффициентов измерительного резистора по данным прямых измерений его сопротивления при различных температурах).
По метрологическому назначению измерения подразделяются на измерения максимально возможной точности, метрологические и технические.
Измерения максимально возможной точности, достижимой при существующем уровне техники, применяют для получения стандартных справочных данных, установления физических констант, например абсолютного значения ускорения свободного падения, для эталонных измерений.
Метрологические измерения – это измерения при помощи эталонов, образцовых средств измерения с целью воспроизведения единиц физических величин или передачи их размера рабочим средствам измерения. К ним относятся измерения, выполняемые лабораториями государственного надзора за внедрением и соблюдением стандартов, состоянием измерительной техники.
Технические измерения – это измерения при помощи рабочих средств измерения, погрешность результата определяется характеристиками средств измерения. Применяются для контроля параметров изделий, технологических процессов, для управления движением различных видов транспорта и т.д.
По выражению результата измерения делятся на абсолютные и относительные.
Абсолютные измерения – это измерения, которые основаны на прямых измерениях одной или нескольких величин или на использовании значений физических констант (например, определение длины предмета в метрах, силы тока в амперах).
Относительные измерения – это измерение отношения значения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную (например, измерение относительной влажности воздуха).
По числу измерения делятся на многократные и однократные.
Однократное измерение – измерение, выполненное не более трех раз.
Многократное измерение – измерение одной и той же физической величины, результат которого получают из нескольких следующих друг за другом измерений. Уже после четырех измерения называются многократными. За результат многократного измерения обычно принимают среднее арифметическое значение из результатов однократных измерений, входящих в ряд.
Совокупность приемов использования принципов и средств измерений называется методом измерений.
Методы измерения подразделяют на метод непосредственной оценки и метод сравнения.
Метод непосредственной оценки характеризуется тем, что отсчет значения измеряемой величины производится непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора. Так, измерение сопротивления омметром является примером прямого измерения методом непосредственной оценки.
Метод сравнения предполагает операцию сравнения измеряемой величины с мерой в каждом из актов измерения. Сравнение можно проводить различными способами, поэтому метод распадается на ряд разновидностей, из которых наиболее употребительны следующие.
1. Нулевой метод, при котором результирующий эффект воздействия измеряемой величиной и известной величиной (мерой) на прибор сравнения доводят до нуля. В качестве примера нулевого метода можно привести измерение активного сопротивления мостом постоянного тока с полным его уравновешиванием.
2. Дифференциальный метод, при котором на измерительный прибор воздействует разность между измеряемой величиной и известной, воспроизводимой мерой. Таким образом, в отличие от нулевого метода в этом случае измеряемая величина уравновешивается не полностью. Точность дифференциального метода повышается при уменьшении разности между измеряемой и известной величинами.
3. Метод замещения, при котором измеряемая величина замещается известной величиной, воспроизводимой мерой. Примером использования этого метода является определение емкости конденсатора, включенного в колебательный контур. Изменением частоты напряжения, поступающего на колебательный контур, добиваются резонанса, а затем вместо конденсатора с неизвестной емкостью включают переменный образцовый конденсатор и вновь добиваются резонанса изменением значения емкости образцового конденсатора.
Достоинством метода сравнения является высокая точность измерений, а недостатком — сложность. Метод непосредственной оценки, но недостаток – малая точность. Он получил наибольшее распространение в производственной практике, в то время как метод сравнения используется в основном при лабораторных измерениях. Однако в связи с интенсивным развитием автоматизации измерений, которое происходит в настоящее время, следует ожидать, что метод сравнения будет находить все большее применение и на производстве.