Лекция 9

Метод образцовых сигналов заключается в том, что на вход СИ периодически вместо измеряемой величины подаются образцовые сигналы такого же рода, что и измеряемая величина. Разность между реальной градировочной характеристикой и номинальной градировочной характеристикой используется для коррекции чувствительности или для автоматического введения поправки в результат измерения. При этом, как и при методе замещения, устраняются все систематические погрешности, но только в тех точках диапазона измерений, которые соответствуют образцовым сигналам.

Тестовый метод. При использовании этого метода значение измеряемой величины определяется по результатам нескольких наблюдений, при которых в одном случае входным сигналом СИ является сама измеряемая величина Х, а в других – так называемые тесты, являющиеся функциями измеряемой величины, например, х₁ = х + Δх; х₂ = ах; х₃ = (х + Δх)/b, где Δх – известное приращение величины, создаваемое мерой; а и b - постоянные коэффициенты.

Тестовые методы можно использовать для коррекции систематических погрешностей при измерении различных физических величин. Эффективность этих методов зависит от погрешностей воспроизведения величины Δх и наличия случайных погрешностей.

Метод вспомогательных измерений используется для исключения погрешностей из-за влияющих величин и неинформативных параметров входного сигнала.

Для реализации этого метода одновременно с измеряемой величиной Х с помощью вспомогательных измерительных устройств производится измерение каждой из влияющих величин и вычисление с помощью вычислительных устройств, а также формул и алгоритмов поправок V_i к результатам измерения. Широкому использованию метода вспомогательных измерений способствует быстрое развитие средств измерений со встроенными микропроцессорами. Объектами вспомогательных измерений является – не только влияющие величины, но и неинформативные параметры входного сигнала.

Метод симметричных наблюдений заключается в проведении многократных наблюдений через равные промежутки времени и усреднении результатов наблюдений, симметрично расположенных относительно среднего наблюдения. Обычно этот метод применяется для исключения прогрессирующих погрешностей, изменяющихся по линейному закону.

Так, например, при измерении сопротивления резистора путем сравнивания напряжения на измеряемом и образцовом резисторах, включенных последовательно и питаемых от общего аккумулятора, может возникнуть погрешность вследствие разряда источника питания.

Для исключения этой погрешности проводят при измерении падения напряжения: первое – на образцовом резисторе Rо:

Uo₁ = IRo

а затем через равные промежутки времени – на измеряемом резисторе: Ux =(I – ΔI) Rx

и снова на образцовом резисторе

Uo₂ = (I – ΔI₂) Ro

Если ток изменяется во времени по линейному закону, то ΔI₂ = 2 ΔI₁;

I – ΔI₁ = (Uo₁ + Uo₂) (2Ro) и

Метод симметричных наблюдений можно также использовать для устранения других видов погрешностей, например, систематических погрешностей из-за влияющих величин, изменяющихся по периодическому закону. В этом случае симметричные (периодические) наблюдения проводят через половину периода, когда погрешность имеет разные знаки, но одинаковые значения.

Таким образом, например, исключить погрешность из-за наличия четных гармоник при измерении амплитудного значения напряжения при искаженной форме кривой.

Перспективы развития измерений

Современное состояние лабораторных исследований, прецизионных технологических процессов требуют повышения точности измерений, использования таких методов и средств измерений, которые свободны от многих видов погрешностей измерений и которые не требуют применения сложных методов коррекции.

Одним из реальных путей решения этой задачи являются переход от традиционного принципа иерархии метрологического обеспечения к другому – автономному.

Для принципа автономности характерно применение в средствах измерений мер, создаваемых на основе известных с высокой точностью природных констант и обладающих высокой фиксирующей способностью и стабильностью.

Фундаментальные природные константы – это конкретные физические величины (скорость света, масса электрона и др.) или числовые коэффициенты, входящие в формулы основных физических законов (постоянная Планка, постоянная тонкой структуры и др.). Эти константы считаются практически постоянными (неизменными). Они определяются с высокой точностью экспериментально, составляя основу наших физических представлений и достижений фундаментальной метрологии.

В этом смысле реализация принципа автономности не свободна от использования эталонов – главного атрибута иерархического принципа метрологии.

Меры на основе природных констант, точностные характеристики которых близки к эталонным или значительно выше чем у необходимых средств измерений, относят к автономным. Отличительной чертой автономных мер является использование физических эффектов высокой стабильности, строго определенных зависимостей физических величин через значения фундаментальных постоянных. Эти зависимости преимущественно связывают макроскопические явления с квантовыми, поэтому автономные меры основываются на достижениях квантовой электроники. Метрологию, занимающуюся фундаментальными природными константами, называют квантовой.

Автономные меры (по определению) позволяют конструировать высокоточные средства измерений, которые не требуют иерархические поверки. Исправность автономных мер оцениваются по качественным признакам – функционированию. Использование подобных мер в сочетании с микропроцессорной техникой открывает возможность конструирования средств измерений с самокалибровкой.

Главное требование к автономной мере, обладающей высокой стабильностью, состоит в исключении периодической поверки приборов. Постоянное усовершенствование микроэлектронной технологии, криэлектроники и микропроцессорной техники позволит преодолеть трудности массового применения автономных мер, постепенно отпадает необходимость в образцовых средствах измерений и поверке. Эталоны и задачи уточнения значений природных констант, их технического применения надолго сохраняют свою значимость.

Методы квантовой метрологии основаны на использовании стабильных физических и фундаментальных взаимодействий, обусловленных корпускулярно-волновой природой вещества и электромагнитного излучения. Большинство квантовых методов базируется на взаимодействии электромагнитного излучения с атомными частицами (атомами, электронами, протонами, атомными ядрами и др.), находящимися в макроскопических количествах вещества. При этом используют главным образом макроскопические квантовые эффекты, т.е. такие эффекты и явления микромира, которые можно обнаружить на макроуровне.

К ним относятся:

Эффект Зимана, заключающийся в расщеплении энергетических уровней атомных частиц на магнитные подуровни, создаваемые магнитным полем, и основанные на этом эффекте квантовые магниторезонансные явления.

Эффекты Джозефсона и квантования магнитного потока обусловлены макроскопическими квантовыми состояниями свободных электронов (куперовских пар) в сверхпроводниках;

Квантовый эффект Холла, заключающийся в квантовании холловской проводимости (отношение тока через образец к напряжению Холла), имеющий место в сильных магнитных полях;

Эффект Мессбауэра – ядерный гамма-резонанс, обоснованный на резонансном поглощении γ-квантов без отдачи энергии и др.

Важность фундаментальных констант (скорость света , заряд электрона , массы электрона и протона , квант магнитного потока , постоянная Планка , число Авогадро ) состоит в том, что квантовый характер явлений микромира обеспечивает практическую независимость их от условий окружающей среды и наивысшие фиксирующие свойства систем, построенных на их применении.