1.6 Причины наличия ограничений количества информации, получаемой при измерениях

Фундаментальные законы природы устанавливают непреодолимые никакими техническими ухищрениями пределы точности измерений, поэтому истинные значения физических величин измерить без погрешности теоретически нельзя. Это обусловлено, по крайней мере, квантовой природой физической системы. Например, согласно принципу неопределенности Гейзенберга (1927 г.) невозможно одновременно измерить координату и импульс частицы. Это можно объяснить следующим образом. Энергия и импульс частицы квантованы:

; , (1.18)

где - круговая частота;

- циклическая частота;

- волновое число.

Существует зависимость между неопределенностью измерения значений координаты () , импульса () и скорости () частицы:

(1.19)

Таким образом, повышение точности измерения координаты частицы будет сопровождаться снижением точности измерения ее скорости и наоборот. Этот эффект проявляет себя, например, в устройствах с электронно-лучевыми трубками, ограничивая их разрешающую способность.

Рассмотрим пример, поясняющий причину этого явления. Нестабильность генератора частоты и блока развертки в электронном осциллографе составляет , что обусловливает нестабильность скорости полета электрона.

При иполучим:. Соответственно, минимально возможная четкая градация по координате ЭЛТ составит:что обусловит максимально возможное разрешение для ЭЛТ в пределахточек на 1.

Согласно современным знаниям физической природы измеряемых величин можно оценить предельные значения их дискретности.

Например, для:

• абсолютной массы –

• элементарного заряда -

• кванта действия -

• кванта магнитного потока –

• элементарной длины -

• минимально возможного временного интервала -

При современном уровне развития измерительной техники реальные погрешности измерений физических величин существенно уступают предельным, теоретическим значениям градаций. Например, погрешности измерений времени находятся в пределах массы -длины -

Законы распределения случайных составляющих погрешностей средств измерений могут иметь самые разнообразные виды (равномерный, треугольный, арксинусный и др.), существенно отличающиеся от теоретического (нормального), что также нужно учитывать при оценке информативности измерительных устройств.

Причинами, ограничивающим точность измерительных устройств являются шумы, помехи, сопровождающие на всех этапах процессы генерации, преобразования, передачи, обработки и хранения информации. Возникающие шумы в выходном сигнале измерительного устройства могут иметь различную природу. Они могут быть обусловлены различными причинами, быть внешними и внутренними, радиочастотного и промышленного диапазона, атмосферными и космической природы.

В функции времени помехи проявляют себя по разному, в связи с чем, погрешности принято подразделять на случайные и систематические. В зависимости от спектра помехи шумы подразделят на белый шум (физические процессы, характеризующиеся равномерным спектром, отсутствием корреляции).

Шум может быть стационарным и нестационарным во времени, иметь нормальный закон распределения случайных величин, быть аддитивным и мультипликативным. Помехи по форме могут быть гармоническими, импульсными, флуктуационными. Их амплитуда зависит как от мощности источника шума, так и от характеристик измерительного канала.

Внутренние шумы возникают как результат дискретности природы вещества и электричества. Это случайные колебания числа электронов, проходящих по цепи (дробовой эффект), флуктуации напряжения на концах резисторов из-за случайных тепловых перемещений электронов в проводнике (тепловой шум) и др.