1.2 Объекты электронных измерений

Объектами электронных измерений являются значения физических величин, параметры и характеристики электрических сигналов, электронных цепей, компонентов и режимов этих цепей. Понятие цепи в современной электронике и радиотехнике трактуется очень широко: оно включает технические устройства для преобразования, передачи и приема сигналов.

Важной составной частью процедуры измерения параметров или характеристик исследуемого сигнала является предварительная его классификация. Признаки классификации весьма многообразны.

Обычно сигналы различают:

- по характеру их изменения, детерминированные и случайные;

- по роду тока создающего сигналы, постоянный, переменный, импульсный;

-по функции, выполняемой в канале связи: несущие, модулирующие, модулированные, шумы, смеси сигнала с шумом.

Следует четко представлять, что нельзя говорить об измерении сигналов вообще. Измерять можно только их определенные параметры или характеристики. Например, при измерении напряжения на выходе некоторого устройства требуется найти конкретное значение параметра напряжения: среднее, среднеквадратическое и т. п. Также неопределенно звучит задание «измерить импульс»— речь может идти об измерении того или иного параметра импульса (последовательности импульсов): максимального (пикового) значения, длительности, временного сдвига относительно опорного импульса и т. п.

Таким образом, измерения параметров сигналов базируются на определенной априорной информации. Часто об ожидаемых значениях судят по общим характеристикам и назначению источника исследуемого сигнала, теоретическим расчетам, результатам сопоставлений с аналогичными источниками.

На основе априорных данных (обычно дополненных предположениями) строится модель исследуемого сигнала. Она может быть математической, представляющей собой строгое (формальное) аналитическое идеализированное определение сигнала, или упрощенной физической. Несоответствие реального сигнала выбранной модели служит причиной погрешности измерений, называемой погрешностью классификации сигнала. В равной мере сказанное относится к электронным и радиотехническим цепям. Измерению их параметров и характеристик также должен предшествовать выбор модели.

1.3 Основные операции процесса измерения.

Несмотря на то, что измерения непрерывно развиваются и становятся все более сложными, метрологическая сущность остается неизменной и сводится к основному уравнению измерения:

Q =N[Q]

где Q – измеряемая величина;

N – числовое значение измеряемой величины в принятой единице измерения;

[Q] – выбранная для измерения единица измерения.

В зависимости от того, на какие интервалы разбита шкала, один и тот же размер N представляется по-разному. Допустим, измеряется длина отрезка прямой в 10 см с помощью линейки, имеющей деления в сантиметрах и миллиметрах.

Для первого случая Q₁ = 10 см при N₁ = 10 и [Q₁]= 1 см.

Для второго случая Q₂ = 100 мм при N₂ = 100 и [Q₂]= 1 мм.

При этом Q₁ = Q₂, так как 10 см = 100 мм.

Применение различных единиц в процессе измерения приводит только к изменению численного значения результата измерения.

Суть простейшего измерения состоит в сравнении размера физической величины X с размерами выходной величины регулируемой многозначной меры N[Q]. Условием реализации процедуры прямого измерения является выполнение следующих элементарных операций:

• измерительного преобразования измеряемой физической величины Х в другую физическую величину Q, однородную или неоднородную с ней;

• воспроизведения физической величины заданного размера Qм=N[Q], однородной с преобразованной величиной Q=F(X);

• сравнения однородных физических величин: преобразованной Q и воспроизводимой мерой Qм.

Для получения результата измерения необходимо обеспечить выполнение условия:

∆ =F(X) -N(Q)=min

При этом погрешность сравнения величин Q и Qм будет минимизирована. В этом случае результат измерений находится как

, (1.1)

где – операция, обратная операции F, осуществляемой при измерительном преобразовании.

Уравнение (1.1) называют основным уравнением измерений, т.к. оно описывает измерение как процесс сравнения физической величины с её единицей измерения

Пример: - измерение температуры Т при помощи термометра расширения. В этом случае ФВ температура (X) преобразовывается в другую ФВ длину (Q) - измерительное преобразование Q=F(Х). Шкала термометра это многозначная мера N[Q] и эта многозначная мера Qм=N[Q] сравнивается с ФВ длиной столбика ртути (длина сравнивается с длиной). Затем при помощи шкалы ФВ длина преобразовывается в значение ФВ температура (обратное преобразование ).

Рис.1.1. Структурная схема измерения.

Конечным результатом измерения является нахождение значения физической величины. Для достижения этой цели в метрологии используют понятия истинного и действительного значения физической величины.

Истинное значение физической величины – это значение физической величины, которое идеальным образом характеризует в качественном и количественном отношении соответствующую физическую величину. Такое значение физической величины считается неизвестным и применяется в теоретических исследованиях.

Действительное значение физической величины – это значение физической величины, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него.

Результат любого измерения отличается от истинного значения измеряемой величины на некоторое значение, зависящее от точности средств и метода измерения, квалификации оператора, условий, при которых производится измерение. Отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины называется погрешностью измерения. Это теоретическое определение погрешности, т.к. как истинное значение величины неизвестно. При метрологических работах вместо истинного значения используют действительное значение, за которое принимают обычно показание эталонов. В практике несовпадение действительного (истинного) значения измеряемой величины и получаемого результата измерения принято характеризовать тремя видами погрешностей:

1. Абсолютная погрешность (или ошибка измерения);

2. Относительная погрешность;

3. Приведенная погрешность.

Абсолютная погрешность – это разность между измеренным ( Хи ) и

действительным ( Хд ) значениями величины:

Δ= Хи - Хд .

Абсолютная погрешность имеет наименование измеряемой величины, и может быть положительной или отрицательной. Абсолютная погрешность не всегда является достаточной или наглядной информацией о точности измерения. Во многих случаях абсолютную погрешность полезно соотнести с размером самой измеряемой величины. Тогда используется понятие относительная погрешность измерения. Она выражается в процентах и вычисляется по формуле:

При необходимости охарактеризовать точность какого-нибудь прибора, а особенно при желании сравнить различные приборы между собой по обеспечиваемой ими точности измерения, абсолютная погрешность также оказывается недостаточно информативной. Если соотнести ее с размахом шкалы прибора (диапазоном измерения Д), то получается новая характеристика, удобная для прямого сравнения приборов по точности измерения. Эта характеристика получила название приведенная погрешность - γ . Единицами ее измерения являются проценты (%):

,

где Хн и Хк - начальная и конечная точки шкалы прибора.

Д - диапазон измерений.