№1. Измерения и их классификация

Измерение – это процесс, заключающийся в определении значения физической величины опытным путем с помощью технических средств. В соответствии с целью, для которой они проводятся, измерения бывают диагностические, контрольно-испытательные, управленческие, социально-экономические.

По связи с объектом можно разделить измерения на контактные, при которых датчики физических величин имеют непосредственный (механический) контакт с исследуемым объектом или средой, и бесконтактные, в ходе которых измерительные приборы не соприкасаются с объектом (средой). Следует отметить, что приборы для осуществления контактных измерений, будучи, как правило, более простыми с технической точки зрения, в тоже время могут оказывать влияние на исследуемый объект и тем самым вносить ошибку в результаты измерения. Так достаточно тяжелый датчик вибрации, закрепленный на некоторой конструкции, может изменить собственную частоту ее колебаний, для измерения которой он и был установлен.

По способу получения результатов все измерения делят на четыре основных вида: прямые, косвенные, совокупные и совместные [1,2]. Прямыми называют измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных (например, измерение длины проградуированной линейкой). Косвенными называются измерения, результат которых определяют на основании прямых измерений величин, связанных с измеряемой величиной известной зависимостью. Примером может служить определение электрического сопротивления по закону Ома с применением источника питания, амперметра (прибора для измерения тока) и вольтметра, измеряющего падение напряжения на сопротивлении (см. рис. 1.1).

Рис. 1. 1. Схема косвенного измерения сопротивления.

В настоящее время в технике наиболее широко распространены именно косвенные измерения. Их доля в общем обьеме измерений доходит до 80 – 90%.

Совокупные измерения заключаются в измерении нескольких однородных величин в различных сочетаниях с последующим решением системы уравнений. Например, совокупными являются измерения, при которых массы отдельных гирь набора находят по известной массе одного из них, и по результатам сравнений масс различных сочетаний гирь. Целью совместных измерений является установление зависимостей между одновременно измеряемыми разнородными величинами (например, температурная зависимость электрического сопротивления, измеренная по результатам измерения тока и напряжения, и применения закона Ома).

По характеру зависимости измеряемой величины от времени, измерения разделяются на:

• статические, при которых измеряемая величина остается постоянной во времени,

• динамические, в процессе которых измеряемая величина изменяется и является непостоянной во времени.

Статическими измерениями являются, например, измерения размеров тел, постоянного давления и т.д., динамическими – измерения пульсирующих давлений, вибраций, давление пороховых газов, положение и скорость снаряда в процессе выстрела.

По точности измерения можно разделить на равноточные, которые обеспечиваются применением приборов одинаковой точности в одинаковых условиях, и неравноточные. Примером неравноточных измерений могут служить радиолокационные траекторные измерения, в ходе которых часть времени летящий объект проходит сквозь дождевое облако, что влечет за собой ухудшение условий радиолокационного наблюдения и увеличение ошибок в определении текущего положения.

По числу измерений выделяют однократные и многократные измерения. При многократных измерениях результат получается путем усреднения результатов нескольких однократных измерений.

По способу представления результатов измерения делят на абсолютные и относительные. Абсолютные измерения выражены в соотвествующих размерных единицах (килограммах, метрах, градусах). В относительных измерениях результатом обычно является отношение значения измеряемой величины к одноименной величине, принимаемой за исходную или отношение изменения физической величины к исходному значению.

Существует классификация измерений по видам измерений, а именно:

• измерения времени и частоты. В этом виде измерений достигнута наивысшая точность, например, погрешность определения времени достигает 10^-13с (цезиевый стандарт частоты).

• Линейно-угловые измерения, включающие в себя статические и динамические измерения таких величин, как линейный размер, двух и трехмерные размеры обьектов, включая нанообьекты, углы, линейные и угловые скорости и ускорения, и др.. Наиболее точными измерениями в этой области являются линейные измерения, а также измерения в нанообласти.

• Измерения механических величин, такие как масса, сила, давление, и др..

• Измерения тепловых величин, таких как температура, калориметрия, расходометрия, тепловой поток, теплофизические характеристики веществ (температуропроводность, теплопроводность, теплоемкость).

• Измерения электрических и магнитных величин, например, Эл. Напряжения, тока, сопротивления, магнитных величин.

• Оптические измерения, включая волоконно-оптические.

• Ионизирующие измерения.

• Электромагнитные измерения

• Гравитационные и гравиметрические.

• Специальные виды измерений.

(слайд)

Измерения и их классификация

Измерение – это процесс, заключающийся в определении значения физической величины опытным путем с помощью технических средств.

По связи с объектом можно разделить измерения

на контактные и бесконтактные.

По способу получения результатов измерения делят

на прямые и косвенные.

Схема косвенного измерения сопротивления

По характеру зависимости измеряемой величины от времени, измерения разделяются на: статические и

Динамические.

По точности измерения можно разделить на равноточные, которые обеспечиваются применением приборов одинаковой точности в одинаковых условиях, и неравноточные.

По числу измерений выделяют однократные и многократные измерения.

По способу представления результатов измерения делят на абсолютные и относительные

Классификация измерений по видам измерений:

• Измерения времени и частоты (в этом виде измерений достигнута наивысшая точность. Погрешность определения времени достигает 10^-13с (цезиевый стандарт частоты).

• Линейно-угловые измерения.

• Измерения механических величин, такие как масса, сила, давление, и др..

• Измерения тепловых величин.

• Измерения электрических и магнитных величин.

• Оптические измерения.

• Ионизирующие измерения.

• Электромагнитные измерения

• Гравитационные и гравиметрические.

• Специальные виды измерений.

№2 Погрешности измерений и виды измерений,необходимые для арт.испытаний

Погрешности измерений

Все рассмотренные в предыдущем параграфе измерения сопровождаются погрешностями, т.е. отклонением результатов от истинных значений измеряемой величины Х . По своему характеру погрешности бывают систематическими и случайными. (В соответствии с современной общепринятой международной классификацией (стандарт ISO 9000) для высокоточных средств измерений [1] может встретиться английское обозначение погрешности – неопределенность измерения – measurement uncertainty. Случайная погрешность тогда обозначается как неопределенность типа А – uncertainty of type A. Систематическая погрешность, соответственно, обозначается как неопределенность типа В – uncertainty of type B).

1.3.1 Систематическая погрешность – составляющая погрешности результата измерения, постоянная для данного ряда измерений или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях. Иными словами, характер погрешности может быть постоянным (сбита шкала прибора на определенную величину) или прогрессирующим (разряжается аккумулятор, что увеличивает погрешность во времени). Таким образом, систематические погрешности при повторных измерениях остаются постоянными, или меняются по определенному закону. Они не зависят от числа измерений.

В связи с различными причинами появления выделяют несколько видов систематических погрешностей:

• инструментальная погрешность, которая связана с отклонением метрологических свойств или параметров средств измерения от номинальных (например, в результате старения материалов);

• методическая погрешность, связанная с неверным выбором измерительного прибора или с неправильной организацией самого процесса измерения (например, неправильной установки средства измерения);

• субъективная погрешность, обусловленная индивидуальными особенностями оператора (например, оператор может запаздывать со считыванием показаний приборов при совместном измерении нескольких изменяющихся величин);

• дополнительная погрешность, возникающая из-за отклонения условий проведения измерений от предусмотренных в программе испытаний (другая температура воздуха, сильный ветер и т.д.).

Для количественной характеристики систематической погрешности используют понятие границы неисключенной погрешности Q.

Систематическую погрешность можно частично уменьшить, отрегулировав измерительный прибор с помощью эталона, или образцового средства измерения, который имеет в 3-5 раз меньшую погрешность (по сравнению с поверяемым прибором). Кроме того, существуют способы выявления и учета систематических погрешностей, а или их исключения [1].

А как определить систематическую погрешность у эталона? Как ее исправить? Ведь для него нет более точного прибора? Рассмотрим на примере линейных измерений. Существует в разных странах национальные эталоны единицы длины. Так, в России есть такой эталон, причем его суммарная погрешность (которую мы можем определить) составляет 0.07 мкм. Однако здесь не учтена та систематическая погрешность, которая существует, но которую мы не знаем, и не знаем, как ее определить. Так же и на других национальных эталонах. Для учета «неизвестных» систематических погрешностей национальных эталонов, проводятся международные сравнение результатов измерений одной и той же величины на разных эталонах. После этого, результаты измерений на разных эталонах усредняются, и это принимается за точный результат измерений.

1.3.2 Случайные погрешности возникают по причине неконтролируемых изменений условий измерений, поэтому результаты измерений не остаются постоянными даже для двух последовательных измерений. В каждый момент времени каждый из множества источников погрешностей измерения изменяется по-своему, что приводит к случайному характеру изменения условий измерения, и, как следствие, к возникновению случайной погрешности в результате измерения.

Снижение влияния случайных факторов на результат измерения достигается проведением не одного, а целой серии измерений. В этом случае при усреднении результатов случайные погрешности частично компенсируются. Если систематическая погрешность измерения полностью устранена, то при повторном проведении большого числа измерений (наблюдений), среднее значение результата стремится к истинному значению измеряемой физической величины, так как случайная погрешность в этом случае будет стремиться к нулю.

Случайные погрешности характеризуются размахом, дисперсией σ² или среднеквадратическим отклонением, или же предельным значением, которое не будет превышено с заданной вероятностью.

В процессе измерения с помощью измерительных приборов факторы, приводящие к случайной погрешности, удается свести к достаточно незначительному уровню. Однако некоторые из этих факторов могут проявиться неожиданно сильно (например, внезапное падение напряжения в электросети, или неверным отсчетом показаний). В результате этого, погрешность измерения резко возрастет. Такие случайные погрешности называются грубыми, или промахами. Ниже будет описано, как устранять такие промахи из результатов измерений.

Как и сами измерения, по способу выражения погрешности могут быть абсолютными, выраженными в тех же единицах, что и измеряемая величина, и относительными, заданными в процентах от значения измеряемой величины. По способу обработки они могут быть средними арифметическими или средними квадратическими.

По скорости изменения измеряемой величины погрешности делятся на статические и динамические.