5. Методы измерений

Решение любой измерительной задачи связано с реализацией того или иного принципа измерений.

Принцип измерений – физическое явление или эффект, положенный в основу измерений. Примерами принципов измерений являются:

– применение эффекта Джозефсона для измерений электрического напряжения;

– применение эффекта Доплера для измерения скорости;

– использование силы тяжести при измерении массы взвешиванием.

Однако выбором принципа измерений не исчерпывается определение метода измерений. Это гораздо более общее понятие, характеризующее способ решения измерительной задачи.

Метод измерения – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Метод измерений обычно обусловлен устройством средств измерений.

М етоды измерений можно классифицировать по различным признакам (рис. 1.3).

В зависимости от способа применения меры различают методы непосредственной оценки и методы сравнения.

При измерении методом непосредственной оценки искомое значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству средства измерения, которое проградуировано в соответствующих единицах.

Метод сравнения с мерой – метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (например, сравнение массы на рычажных весах). Отличительной чертой методов сравнения является непосредственное участие меры в процедуре измерения, в то время как в методе непосредственной оценки мера в явном виде при измерении не присутствует, а ее размеры перенесены на отсчетное устройство (шкалу) средства измерения заранее, при его градуировке. Обязательным в методе сравнения является наличие сравнивающего устройства.

Метод сравнения с мерой имеет несколько разновидностей: нулевой метод, дифференциальный метод, метод замещения, метод дополнения и метод совпадений.

Нулевой метод (или метод полного уравновешивания) – метод сравнения с мерой, в котором воздействие измеряемой величины и встречное воздействие меры на сравнивающее устройство сводят к нулю результирующий эффект.

П ример. Измерение массы на равноплечих весах, когда воздействие на весы массы m_x полностью уравновешивается массой гирь m₀ (рис.1.4,а).

При дифференциальном методе полное уравновешивание не производят, а разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, отсчитывают по шкале прибора.

Пример. Измерение массы на равноплечих весах, когда воздействие массы m_x на весы частично уравновешивается массой гирь m₀, а разность масс отсчитывается по шкале весов, проградуированных в единицах массы (рис. 1.4, б). В этом случае значение измеряемой величины m_x=m₀+Δm, где Δm – показания весов.

Метод замещения – метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой.

Пример. Взвешивание на пружинных весах. Измерение производят в два приема. Вначале на чашу весов помещают взвешиваемую массу m_x и отмечают положение указателя весов; затем массу m_x замещают массой гирь m₀, подбирая ее так, чтобы указатель весов установился точно в том же положении, что и в первом случае. При этом m_x= m₀ (рис. 1.4, в).

Метод измерений дополнением – метод сравнения с мерой, в котором значение измеряемой величины дополняется мерой этой же величины с таким расчетом, чтобы на прибор сравнения воздействовала их сумма, равная заранее заданному значению. Например, в некоторых случаях может оказаться более точным измерение массы, при котором уравновешивают гирю, значение которой известно с высокой точностью, измеряемой массой и набором более легких гирь, помещенными на другую чашку весов.

В методе совпадений разность между измеряемой величиной и величиной воспроизводимой мерой измеряют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов.

Пример. Измерение числа оборотов вала с помощью стробоскопа – вал периодически освещается вспышками света, и частоту вспышек подбирают так, чтобы метка, нанесенная на вал, казалась наблюдателю неподвижной.

Метод совпадений, использующий совпадения основной и нониусной отметок шкал, реализуется в штангенприборах, применяемых для измерения линейных размеров.