Введение

1 Характеристика измерения

Для того чтобы оценить количественную характеристику физического явления, необходимо произвести измерение данной физической величины. Измерение -- это познавательный эксперимент, заключающийся в сравнении измеряемой величины с некоторым значением, принятым за единицу, или градуированной шкалой. Единица измерения устанавливается в каждой стране соответствующим законодательством, которое учитывает международные соглашения, регулирующие общность используемых единиц в международном масштабе. В России введен государственный стандарт, устанавливающий использование систем единиц СИ «Единицы физических величин» во всех областях науки, техники и народного хозяйства. Он предусматривает в качестве основных семь единиц: метр, килограмм, секунда, ампер, градус Кельвина, кандела, моль. Эталоны основных единиц хранятся и эксплуатируются в научных институтах метрологии. По этим эталонам поверяются образцовые меры и образцовые приборы, по которым в свою очередь поверяются все рабочие измерительные приборы. Измерение ряда физических величин не может быть произведено путем непосредственного сравнения интересующей нас физической величины с единицей измерения или градуированной шкалой с помощью органов чувств человека. Органы чувств оказываются или недостаточно совершенными, или вообще не приспособленными для восприятия таких физических величин как электрический ток, частота электрических колебаний и всех радиотехнических параметров сигналов.

В этих случаях ставится вопрос о преобразовании физической величины с помощью измерительного преобразователя. В процессе преобразования физической величины измерительным преобразователем существенным является не преобразование одного вида энергии в другой, не преобразование одного вещества в другое, а передача информации о количественной характеристике интересующего нас физического явления с минимальными потерями. Величина потерь количественной информации в измерительном преобразователе данного прибора характеризует погрешность прибора.

В настоящее время результаты измерения не только воспринимаются человеком, но довольно часто вводятся непосредственно в вычислительную машину для последующей обработки, поэтому общую формулировку понятия измерения можно дать следующим образом. [2]

• Измерение --это эксперимент по приему и преобразованию информации об измеряемой величине с целью получения количественного результата о ней путем сравнения с единицей измерения. Информация на выходе представляется в виде, удобном для дальнейшего использования человеком или вычислительным устройством.

2. Классификация измерений. Основные методы

В зависимости от способа получения результата, измерения можно разделить на прямые, косвенные, совместные и совокупные.

• Прямые измерения характеризуются тем, что искомое значение физической величины получают непосредственно. В процессе измерения эта величина может претерпеть ряд преобразований, после чего будет непосредственно оцениваться ее количественная характеристика.

• Косвенные измерения характеризуются тем, что определение искомого значения физической величины получают на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной. Косвенные измерения применяются в тех случаях, когда применить прямые измерения или невозможно, или неудобно, например, измерение мощности по падению напряжения на известном сопротивлении.

• Совокупные измерения являются результатом одновременного измерения нескольких одноименных величин, искомые значения которых определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях различных сочетаний этих величин.

• Совместные измерения предусматривают одновременное проведение измерений двух или нескольких неодноименных величин для определения зависимости между ними.

Совокупные и совместные измерения можно рассматривать как разновидность косвенных.

Прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с эталонной в соответствии с принципом измерений, представляющие последовательность преобразований информации о физической величине и определенный порядок их для получения результата измерений, называют методом измерения.

В зависимости от способа преобразования различают следующие методы измерений:

1. Метод непосредственной оценки, когда после преобразования измеряемая величина непосредственно отсчитывается по градуированной шкале прибора.

3. Нулевой (компенсационный)--метод сравнения с градуированной мерой, которой разностный эффект воздействия на прибор сравнения доводят до нуля.

4. Метод замещения (модуляционный) --метод, в котором измеряемую величину последовательно замещают измеряемой градуированной величиной воспроизводимой мерой. При модуляционном методе замещение измеряемой величины мерой производят периодически с помощью автоматического коммутатора.

5.Метод совпадений -- это метод, в котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадения отметок эталонных шкал или периодических сигналов (например, электронный или механический нониус).

Добавим два метода, применяемых в аналого-цифровых преобразователях:

1.Метод уравновешивающего преобразования характеризуется тем, что используются две цепи преобразования: цепь прямого и цепь обратного преобразования, в которую включается набор эталонов, уравновешивающих измеряемую величину. В качестве примера таких приборов можно привести автоматические мосты.

2.Метод развертывающего преобразования --когда входная величина преобразуется при постоянной скорости развертки в длину пути. Примером такого прибора может служить эхолот, измеряющий расстояние по времени прохождения звука от излучателя до отражающей поверхности и обратно, при известной скорости звука в воде. Развертка производится при движении электронного луча на экране осциллографа, а длина пути определяется по старт и стоп импульсам. Эталоном будет стабильность скорости развертки.

Любой метод реализует принцип измерения: сравнения измеряемой величины с мерой или эталонной величиной, воспроизводящей единицу измерения. В радиотехнике используются две основные единицы измерения: силы электрического тока -- ампер, единица времени -- секунда и целый ряд вспомогательных, которые являются производными. Ампер -- сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и малого круглого сечения, расположенными на расстоянии 1м один от другого в вакууме, вызвал бы между проводниками силу, равную на каждый метр длины. Секунда—время, равное 9192631770 периодам излучения, соответствующего периоду между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Квантовые меры времени на основе молекулярного генератора описаны в главе 4, как пример успешного применения радиотехники в метрологии. Современные первичные эталоны тока реализуются с помощью достижений физики: эталона напряжения на основе эффекта Джозефсона и эталона сопротивления на основе эффекта Холла.