Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
эл.измерения(шпоры).doc
Скачиваний:
1
Добавлен:
07.08.2019
Размер:
8.3 Mб
Скачать

Билет 1. Что такое метрология, электрические измерения

Метрология—наука об измерениях физических величин, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов с заданной точностью и достоверностью. Средством метрологии является совокупность измерений и метрологических стандартов, обеспечивающих требуемую точность. Метрология состоит из 3 разделов:

Теоретическая Рассматривает общие теоретические проблемы (разработка теории и проблем измерений, физических величин, их единиц, методов измерений).

Прикладная Изучает вопросы практического применения разработок теоретической метрологии. В её ведении находятся все вопросы метрологического обеспечения.

Законодательная Устанавливает обязательные технические и юридические требования по применению единиц физической величины, методов и средств измерений.

Цели и задачи метрологии

Создание общей теории измерений; образование единиц физических величин и систем единиц; разработка и стандартизация методов и средств измерений, методов определения точности измерений, основ обеспечения единства измерений и единообразия средств измерений (так называемая «законодательная метрология»); создание эталонов и образцовых средств измерений, поверка мер и средств измерений. Приоритетной подзадачей данного направления является выработка системы эталонов на основе физических констант.

Также метрология изучает развитие системы мер, денежных единиц и счёта в исторической перспективе.

Аксиомы метрологии

1)Любое измерение есть сравнение.

2)Любое измерение без априорной информации невозможно.

3)Результат любого измерения без округления значения является случайной величиной.

Единство измерений – состояние измерений, при котором их результаты выражены в допущенных к применению в Российской Федерации единицах величин, а показатели точности измерений не выходят за установленные границы.Физическая величина – одно из свойств физического объекта, общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.Измерение – нахождение значения физической величины опытным путем с помощью технических средств.Средство измерений – техническое средство, предназначенное для измерений.Погрешность измерения — отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.Погрешность средства измерения — разность между показанием средства измерений и истинным значением измеряемой физической величины.Точность средства измерений — характеристика качества средства измерений, отражающая близость его погрешности к нулю.Лицензия — это разрешение, выдаваемое органам государственной метрологической службы на закрепленной за ним территории физическому или юридическому лицу на осуществление ему деятельности по производству и ремонту средств измерения.

По способу получения измерения:

Прямые — когда физическая величина непосредственно связывается с её мерой;

Косвенные — когда искомое значение измеряемой величины установлено по результатам прямых измерений величин, которые связаны с искомой величиной известной зависимостью;

Совокупные — когда используются системы уравнений, составляемых по результатам измерения нескольких однородных величин.

Совместные — производятся с целью установления зависимости между величинами. При этих измерениях определяется сразу несколько показателей.

По характеру изменения измеряемой величины:

Статические — связаны с такими величинами, которые не изменяются на протяжении времени измерения.

Динамические — связаны с такими величинами, которые в процессе измерений меняются (температура окружающей среды).

По количеству информации:

Однократные;

Многократные (> 3);

По отношению к основным единицам измерения:

Абсолютные (используют прямое измерение одной основной величины и физической константы).

Относительные – базируются на установлении отношения измеряемой величины, применяемой в качестве единицы. Такая измеряемая величина зависит от используемой единицы измерения.

Билет 5. Понятие сертификация

Средства измерений – весы и линейка, штангенциркуль и термометр. К этому классу относятся все приборы, приспособления, механизмы для измерения времени, веса, длины и других физических величин, которые имеют нормированные воспроизводимые метрологические характеристики и эталоны, образцы стандартные, например, образцы твердости. Средства измерений делят по функциональному назначению: - меры измерений (эталоны, стандартные образцы и образцовые вещества); - измерительные приборы и механизмы для получения информации об измеряемой величине в форме, доступной для восприятия человеком; - преобразователи (измерительный преобразователь тока, термометр сопротивлений).

По предмету измерений подразделяют на средства измерений: - неэлектрических величин (тепловые преобразователи); - времени (электрические и механические); - геометрических величин (длин и углов; выдается сертификат в соответствии с ГОСТ 8.050-73); - механических величин (давления, массы, силы; например, весы; выдается сертификат по ГОСТ 25678-83); - тепловых величин (например, термометр); - электрических величин (ГОСТ 22261-94).

По точности измерений средства измерений можно разделить на эталоны, образцовые приборы и рабочие средства измерений. По конструкции и использованию – на щитовые, переносные (портативные) и стационарные. Классификация средств измерений осуществляется и по другим признакам: по видам измеряемых величин, по виду шкалы, по связи с объектом измерения (контактные или бесконтактные) и т.д. Так, по принципу измерений различают электроизмерительные и радиоизмерительные приборы. Термин «сертификация» впервые был применен международной организацией по стандартизации ИСО в 1982г. В документе общие термины и определения в области стандартизации, сертификации и аккредитации испытательных лабораторий. «Сертификация — это действие третьей стороны, доказывающая о соответствии продукции, процесса или услуги стандарту или нормативному акту».

Билет 8. Методы измерений

Измерение — совокупность операций для определения отношения одной (измеряемой) величины к другой однородной величине, принятой за единицу, хранящуюся в техническом средстве (средстве измерений). Получившееся значение называется числовым значением измеряемой величины, числовое значение совместно с обозначением используемой единицы называется значением физической величины. Измерение физической величины опытным путём проводится с помощью различных средств измерений — мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, систем, установок и т. д. Измерение физической величины включает в себя несколько этапов: 1) сравнение измеряемой величины с единицей; 2) преобразование в форму, удобную для использования (различные способы индикации).

Принцип измерений — физическое явление или эффект, положенное в основу измерений.

Метод измерений — приём или совокупность приёмов сравнения измеряемой физической величины с её единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Метод измерений обычно обусловлен устройством средств измерений.

Характеристикой точности измерения является его погрешность или неопределённость. Примеры измерений:

1)В простейшем случае, прикладывая линейку с делениями к какой-либо детали, по сути сравнивают её размер с единицей, хранимой линейкой, и, произведя отсчёт, получают значение величины (длины, высоты, толщины и других параметров детали).

2)С помощью измерительного прибора сравнивают размер величины, преобразованной в перемещение указателя, с единицей, хранимой шкалой этого прибора, и проводят отсчёт.

В тех случаях, когда невозможно выполнить измерение (не выделена величина как физическая, или не определена единица измерений этой величины) практикуется оценивание таких величин по условным шкалам, например, Шкала Рихтера интенсивности землетрясений, Шкала Мооса — шкала твёрдости минералов.

Наука, предметом изучения которой являются все аспекты измерений, называется метрологией.

По видам измерений

Прямое измерение — измерение, при котором искомое значение физической величины получают непосредственно.

Косвенное измерение — определение искомого значения физической величины на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной.

Совместные измерения — проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноимённых величин для определения зависимости между ними.

Совокупные измерения — проводимые одновременно измерения нескольких одноимённых величин, при которых искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях.

По методам измерений

Метод непосредственной оценки — метод измерений, при котором значение величины определяют непосредственно по показывающему средству измерений.

Метод сравнения с мерой — метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.

Нулевой метод измерений — метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля.

Метод измерений замещением — метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины.

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.

Дифференциальный метод измерений — метод измерений, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины, и при котором измеряется разность между этими двумя величинами.

Билет 12. Методы исключения систематических погрешностей

В теоретической метрологии принято считать, что систематические погрешности можно обнаружить и исключить из результата измерения. Однако в реальных условиях полностью исключить систематическую составляющую погрешности невозможно. Всегда остаются какие-то не исключенные факторы, которые нужно учитывать и которые будут вызывать систематическую погрешность измерения. Это значит, что систематическая погрешность тоже случайна и ее определение обусловлено лишь установившимися традициями обработки и представления результатов измерения.  Для результата измерения не обнаруженная систематическая составляющая погрешности гораздо опаснее случайной погрешности: если случайная составляющая вызывает вариацию (разброс) результатов, то систематическая — устойчиво их искажает (смещает результаты измерений, содержащие систематическую погрешность, относятся к неисправленным. В любом случае отсутствие или незначительность (пренебрежение) систематической погрешности надо доказать.  Постоянные систематические погрешности можно обнаружить только путем сравнения результатов измерений с другими, по­дученными с использованием более точных методов и средств измерения. В ряде случаев систематическую погрешность можно исключить путем устранения источников погрешности до начала измерений (профилактика погрешности), а в процессе измерений — внесением известных поправок в результаты измерений. Профилактика — наиболее рациональный способ снижения погрешности, который заключается в устранении влияния, например, температуры (термостатированием и термоизоляцией), магнитных полей (магнитными экранами), вибраций . Сюда же относятся регулировка, ремонт и поверка средств измерений.

Метод замещения обеспечивает наиболее полную компенсацию постоянной систематической погрешности. Суть данного метода состоит в такой замене измеряемой величины хи известной величиной Δ, получаемой с помощью регулируемой меры, чтобы показание измерительного прибора сохранилось неизменным. Значение измеряемой величины считывают в этом случае по указателю меры. При использовании данного метода погрешность неточного измерительного прибора устраняют, а погрешность измерения определяют только погрешностью самой меры и погрешностью отсчета измеряемой величины по указателю меры.

Пример 4.2. Омметром малой точности измерялось сопротивление резистора Rx. Результат измерения равен х Rx + Δс, где х и Δс — соответственно показание омметра и систематическая погрешность измерения.  Решение. Заменив Rxмагазином сопротивлений и отрегулировав его так, чтобы сохранилось показание омметра, получимх = RM + Δс. Из двух приведенных выражений для х следует, что Rx = RмМетод компенсации погрешности по знаку используют для устранения постоянной систематической погрешности, у которой в зависимости от условий измерения изменяется только знак. При этом методе выполняют два измерения, результаты которых соответственно есть х1 = хu + Δс и х2 хи - Δс, где хu— измеряемая величина Среднее значение из полученных результатов 1 + х2)/2 = хu представляет собой окончательный результат измерения, не содержащий погрешности ± Δс. Данный метод наиболее часто применяют при измерении экстремальных значений (максимума и нуля) неизвестной физической величины..

Билет 13. Электрические преобразователи и приборы применяются для измерения неэлектрических величин.

Для того, чтобы неэлектрические величины можно было измерить с помощью электрической измерительной аппаратуры, необходимы устройства. которые преобразовывали бы измеряемую величину сначала в нескорую промежуточную электрическую величину, а затем в окончательный результат измерения. Устройства, осуществляющие однозначную функциональную зависимость одной неэлектрической или электрической величины от другой, называются измерительными преобразователями. Наиболее важную роль в технике электрических измерений неэлектрических величин играют преобразователи неэлектрических величин в электрические (например, термопара, развивающая Э.Д.С. пропорциональную температуре; фотоэлемент, дающий величину электрического тока, пропорциональную падающего на него светового потока) Кроме этого, в аппаратуре для измерения неэлектрических величин применяются чисто неэлектрические преобразователи (рычажные и зубчатые передачи, пружины, мембраны, сильфоны), чисто электрические преобразователи (линии связи, делители напряжения и тока, мосты, усилители, выпрямители), а также так называемые обратные преобразователи, то есть преобразователи электрических величин в неэлектрические. Принцип построения измерительных устройств Составление структурной схемы измерительного устройства рассмотрим на примере, где схематично показана конструкция электрического устройства для измерения уровня бензина в баке автомобиля. Высота измеряемого уровня бензина х воспринимается поплавком 1, который с помощью рычажной передачи 2 перемещает движок реостата R. Таким образом эта часть устройства обеспечивает однозначную функциональную зависимость перемещения от измеряемой величины х. Реостат с равномерной намоткой (реостатный измерительный преобразователь) дает однозначную зависимость. Электрическая измерительная цепь (при постоянстве напряжения Е источника питания и всех сопротивлений цепи, кроме сопротивления реостата) осуществляет однозначную зависимость тока I от сопротивления R. Поэтом шкала электроизмерительного прибора (указателя), по которой отсчитываются показания "n" может быть отградуирована непосредственно в значениях измеряемого уровня бензина х. Таким образом, все измерительные преобразования, используемые в уровнемере, могут быть представлены последовательной цепью где преобразование есть снятие отсчета и регистрация показаний, производимые при использовании визуального указателя человеком-оператором, а в регистрирующих приборах осуществляемые автоматически без участия человека. Приборы для измерений как электрических, так и неэлектрических величин конструктивно чаще всего разделяются на три самостоятельных узла: "датчик; "измерительное устройство; "указатель(регистратор), которые могут размещаться отдельно друг от друга и соединяются между собой лишь кабелем. Датчиком прибора для измерения той или иной величины называется конструктивная совокупность ряда измерительных преобразователей, размещаемых непосредственно у объект измерения. Требования и эксплутационные условия на объекте измерения, как правило, более суровы (повышенная температура, вибрации, влажность), чем в месте отсчета при регистрации. Поэтому непосредственно в точку пространства, в которой необходимо произвести измерение, помещается минимум измерительных преобразователей, которые могут воспринимать информацию о значении измеряемой величины и преобразовывать её в вид, пригодный для передачи хотя бы на небольшое расстояние. Используя возможность дистанционной передачи, остальную часть измерительной аппаратуры (измерительные цепи, усилители, источники питания), называемую обычно измерительными устройством, выполняют в виде отдельного самостоятельного конструктивного узла, который может быть размещен в более благоприятных условиях и не отягощать объект измерения. К последнему конструктивному узлу измерительного прибора - устройству представления информации (указателю результата измерения), - вновь предъявляются специфические требования по его размещению, на приборных щитках операторах, доступных для визуального наблюдения. Раздельное конструктивное выполнение датчиков, измерительных устройств и указателей обеспечивает большую гибкость, взаимозаменяемость, быстрый ремонт и универсальность электрической аппаратуры. Из структурной схемы прибора на рис. 9 видно, что датчиком этого прибора, вынесенным непосредственно на объект измерения, является конструктивная совокупность двух первых преобразователей структурной схемы: предварительного преобразователя, воспринимающего измеряемый уровень - поплавка с рычажной передачей, и основного - реостатного измерительного преобразователя. Измерительное устройство прибора включает в себя остальные звенья структурной схемы и соединяется с датчиком и указателем только линией связи. Однако основной принцип, заключающийся в том, что любое измерительное устройство представляет собой канал приема и преобразования информации о размере измеряемой величины, образованной последовательной цепью более простых и сложных измерительных преобразователей, всегда остается справедливым. Классификация измерительных преобразований неэлектрических величин. Существующие преобразователи электрических величин в неэлектрические основаны на различных физических явлениях. Одним из основных классификационных признаков является физический принцип, построены в основу построения преобразователей. Потенциометрические (реостатные) преобразователи. В основу их построения заложено преобразование измеряемой физической величины в изменение омического сопротивления. При этом измеряемая механическая величина предварительно преобразуется в линейное или угловое перемещение. Электромагнитные преобразователи. К этой группе относятся преобразователи, использующие взаимодействие магнитных потоков, создаваемых протекающим по контурам электрическим током. В свою очередь электромагнитные преобразователи подразделяются на:индуктивные;трансформаторные (взаимоиндуктивные);индукционные. Тензорезисторные (тензометрические) преобразователи. В основе их работы лежит явление тензоэффекта, сущность которого состоит в изменении активного сопротивления проводника (тензорезистора) при его механической деформации. Термоэлектрические преобразователи. Основаны на явлении возникновения термозависимой ЭДС в спаянных или сваренных разнородных проводниках (электродах). Механотронные преобразователи - электронный преобразователь механических величин в электрический сигнал.

Билет 18. Принцип действия интерференционных покрытий

Билет 2. Измерительные шкалы величин

Шкала́ (лат. scala лестница) — часть показывающего устройства средства измерений, представляющая собой упорядоченный ряд отметок вместе со связанной с ними нумерацией. Шкалы могут располагаться по окружности, дуге или прямой линии. Показания отсчитываются невооружённым глазом при расстояниях между делениями до 0,7 мм, при меньших — при помощи лупы или микроскопа, для долевой оценки делений применяют дополнительные шкалы — нониусы.

Следует заметить, что термин «шкала» в метрологической практике имеет, по крайней мере, два различных значения. Во-первых, шкалой или точнее шкалой измерений (шкалой физической величины) называют принятый по соглашению порядок определения и обозначения всевозможных проявлений (значений) конкретного свойства (величины). Во-вторых, шкалой называют отсчетные устройства аналоговых средств измерений, это значение используется в данной статье.

Круговую шкалу часов, курвиметров и некоторых других приборов называют циферблатом.

Элементы шкалы

Отметка шкалы — знак на шкале (чёрточка, зубец, точка и др.), соответствующий некоторому значению физической величины

Числовая отметка шкалы — отметка шкалы, у которой проставлено число

Нулевая отметка — отметка шкалы, соответствующая нулевому значению измеряемой величины

Деление шкалы — промежуток между двумя соседними отметками шкалы

Длина деления шкалы — расстояние между осями (или центрами) двух соседних отметок шкалы, измеренное вдоль воображаемой линии, проходящей через середины самых коротких отметок шкалы

Цена деления шкалы — разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы

Длина шкалы — длина линии, проходящей через центры всех самых коротких отметок шкалы и ограниченной начальной и конечной отметками. Линия может быть реальной или воображаемой, кривой или прямой

Виды шкал

Односторонняя шкала — шкала с нулевой отметкой, расположенной в начале или в конце шкалы.

Двустороняя шкала — шкала с нулевой отметкой, расположенной между начальной и конечной отметками. Различают двусторонние шкалы: симметричные — начальная и конечная отметки соответствуют одинаковым значениям измеряемой величины и несимметричные — начальной и конечной отметкам соответствуют разные значения.

Свойства шкал

Начальное значение шкалы — Наименьшее значение измеряемой величины, которое может быть отсчитано по шкале средства измерений. Во многих случаях шкала начинается с нулевой отметки, однако, могут быть и другие значения, например, у медицинскоготермометра это 34,3 °C;

Конечное значение шкалы — Наибольшее значение измеряемой величины, которое может быть отсчитано по шкале средства измерений;

Характер шкалы — функциональная зависимость a = f(x) между линейным (или угловым) расстоянием a какой-либо отметки от начальной отметки шкалы, выраженным в долях всей длины шкалы, и значением x измеряемой величины, соответствующим этой отметке:

Равномерная шкала — шкала, отметки на которой нанесены равномерно;

Неравномерная шкала — шкала, отметки на которой нанесены неравномерно;

Логарифмическая или гиперболическая шкала — шкала с сужающимися делениями, характеризуемыми тем, что отметка, соответствующая полусумме начального и конечного значений расположена между 65 и 100 процентами длины шкалы. Следует заметить, что выражение «логарифмическая шкала» используется и по отношению к другому значению слова шкала (см. Шкала физической величины,Логарифмический масштаб);

Степенная шкала — шкала с расширяющимися или сужающимися делениями, но не подпадающая под определение логарифмической (гиперболической) шкалы.

Билет 6. Меры электрических величин в электроизмерительной технике Электроизмерительные приборы — класс устройств, применяемых для измерения различных электрических величин. В группу электроизмерительных приборов входят также кроме собственно измерительных приборов и другие средства измерений — меры, преобразователи, комплексные установки. Ме́ра физи́ческой величины́ (мера величины, мера) — средство измерений в виде какого-либо тела, вещества или устройства, предназначенное для воспроизведения и хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.

Виды мер

Однозначная мера — мера, воспроизводящая физическую величину одного размера (например, гиря 1 кг)

Многозначная мера — мера, воспроизводящая физическую величину разных размеров (например, штриховая мера длины)

Набор мер — комплект мер разного размера одной и той же физической величины (например, набор концевых мер длины)

Магазин мер — набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство (например, магазин электрических сопротивлений)

Стандартный образец — мера в виде вещества, при помощи которой размер физической величины воспроизводится как свойство или как состав вещества, из которого изготовлен стандартный образец.

Билет 9. Классы погрешностей.

Погрешность измерения — оценка отклонения измеренного значения величины от её истинного значения. Погрешность измерения является характеристикой (мерой) точности измерения. В зависимости от характеристик измеряемой величины для определения погрешности измерений используют различные методы. Метод Корнфельда, заключается в выборе доверительного интервала в пределах от минимального до максимального результата измерений, и погрешность как половина разности между максимальным и минимальным результатом измерения:

Средняя квадратическая погрешность:

Средняя квадратическая погрешность среднего арифметического:

По форме представления

Абсолютная погрешность — ΔX является оценкой абсолютной ошибки измерения. Величина этой погрешности зависит от способа её вычисления, который, в свою очередь, определяется распределением случайной величины Xmeas. При этом неравенство:

ΔX > | Xmeas − Xtrue | , где Xtrue — истинное значение, а Xmeas — измеренное значение, должно выполняться с некоторой вероятностью близкой к 1. Если случайная величина Xmeas распределена понормальному закону, то, обычно, за абсолютную погрешность принимают её среднеквадратичное отклонение. Абсолютная погрешность измеряется в тех же единицах измерения, что и сама величина. Относительная погрешность — погрешность измерения, выраженная отношением абсолютной погрешности измерения к действительному или измеренному значению измеряемой величины (РМГ 29-99):

.

Относительная погрешность является безразмерной величиной, либо измеряется в процентах.

Приведённая погрешность — погрешность, выраженная отношением абсолютной погрешности средства измерений к условно принятому значению величины, постоянному во всем диапазоне измерений или в части диапазона. Вычисляется по формуле

,*100 %

где Xn — нормирующее значение, которое зависит от типа шкалы измерительного прибора и определяется по его градуировке:

— если шкала прибора односторонняя, то есть нижний предел измерений равен нулю, то Xn определяется равным верхнему пределу измерений;

— если шкала прибора двухсторонняя, то нормирующее значение равно ширине диапазона измерений прибора.

Приведённая погрешность является безразмерной величиной, либо измеряется в процентах.

По причине возникновения

Инструментальные / приборные погрешности — погрешности, которые определяются погрешностями применяемых средств измерений и вызываются несовершенством принципа действия, неточностью градуировки шкалы, ненаглядностью прибора. Методические погрешности — погрешности, обусловленные несовершенством метода, а также упрощениями, положенными в основу методики. Субъективные / операторные / личные погрешности — погрешности, обусловленные степенью внимательности, сосредоточенности, подготовленности и другими качествами оператора. В технике применяют приборы для измерения лишь с определённой заранее заданной точностью — основной погрешностью, допускаемой нормали в нормальных условиях эксплуатации для данного прибора. Если прибор работает в условиях, отличных от нормальных, то возникает дополнительная погрешность, увеличивающая общую погрешность прибора. К дополнительным погрешностям относятся: температурная, вызванная отклонением температуры окружающей среды от нормальной, установочная, обусловленная отклонением положения прибора от нормального рабочего положения, и т. п. За нормальную температуру окружающего воздуха принимают 20 °C, за нормальное атмосферное давление 101,325 кПа. Обобщённой характеристикой средств измерения является класс точности, определяемый предельными значениями допускаемых основной и дополнительной погрешностей, а также другими параметрами, влияющими на точность средств измерения; значение параметров установлено стандартами на отдельные виды средств измерений. Класс точности средств измерений характеризует их точностные свойства, но не является непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с помощью этих средств, так как точность зависит также от метода измерений и условий их выполнения. Измерительным приборам, пределы допускаемой основной погрешности которых заданы в виде приведённых основных (относительных) погрешностей, присваивают классы точности, выбираемые из ряда следующих чисел: (1; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0)*10n, где показатель степени n = 1; 0; −1; −2.

По характеру проявления

Случайная погрешность — погрешность, меняющаяся (по величине и по знаку) от измерения к измерению. Случайные погрешности могут быть связаны с несовершенством приборов (трение в механических приборах и т. п.), тряской в городских условиях, с несовершенством объекта измерений (например, при измерении диаметра тонкой проволоки, которая может иметь не совсем круглое сечение в результате несовершенства процесса изготовления), с особенностями самой измеряемой величины (например при измерении количества элементарных частиц, проходящих в минуту через счётчик Гейгера). Систематическая погрешность — погрешность, изменяющаяся во времени по определённому закону (частным случаем является постоянная погрешность, не изменяющаяся с течением времени). Систематические погрешности могут быть связаны с ошибками приборов (неправильная шкала, калибровка), неучтёнными экспериментатором. Прогрессирующая (дрейфовая) погрешность — непредсказуемая погрешность, медленно меняющаяся во времени. Она представляет собой нестационарный случайный процесс. Грубая погрешность (промах) — погрешность, возникшая вследствие недосмотра экспериментатора или неисправности аппаратуры (например, если экспериментатор неправильно прочёл номер деления на шкале прибора или если произошло замыкание в электрической цепи).

По способу измерения

Погрешность прямых измерений - вычисляются по формуле

где : t = Sxαs - Sx - средняя квадратическая погрешность, а αs - коэффициент Стьюдента, а А - число, численно равное половине цены деления измерительного прибора.

Погрешность косвенных воспроизводимых измерений — погрешность вычисляемой (не измеряемой непосредственно) величины:

Если F = F(x1,x2...xn), где xi — непосредственно измеряемые независимые величины, имеющие погрешность Δxi, тогда:

Погрешность косвенных невоспроизводимых измерений - вычисляется по принципу прямой погрешности, но вместо xi ставится значение полученное в процессе расчётов.

Билет 11. Вероятное описание случайных погрешностей.

О природе случайных погрешностей, их источниках и путях возникновения известно мало, можно лишь сказать, что существует много причин, вызывающих появление этих погрешностей. Каждая из них незаметно воздействует на результат измерения, но суммарное их воздействие может вызывать заметные погрешности. В каждый данный момент эти причины проявляют себя по-разному, без закономерной связи между собой, независимо друг от друга. Как следствие, заметные погрешности появляются без закономерной связи с предыдущими и последующими погрешностями. Теория вероятностей разрабатывает математические методы изучения свойств случайных событий в больших совокупностях. Теория погрешностей, использующая математический аппарат теории вероятностей, основывается на аналогии между появлением случайных погрешностей при многократно повторяемых измерениях и совершением случайных событий. Недостаточное знание природы и происхождения случайных погрешностей ни в коей мере не ограничивает эффективность применения вероятностных методов. Случайной называют такую величину, которая в результате опыта может принять то или иное значение, неизвестно заранее — какое именно. Случайные величины, принимающие только отделенные друг от друга значения, которые можно заранее перечислить, называются прерывными, или дискретными, случайными величинами. Такими величинами являются, например, возможное число очков при бросании кости, возможное число попаданий при ста выстрелах, возможное число горошин в одном килограмме. Величины, возможные значения которых не отделены друг от друга и непрерывно заполняют некоторый промежуток, называются непрерывными случайными величинами. Промежуток, который заполняют подобные величины, может иметь как резко выраженные границы, так и границы неопределенные, расплывчатые. Непрерывными случайными величинами являются длина отрезка линии, промежуток времени, интервал температуры. Необходимо отметить, что граница между дискретными и непрерывными величинами далеко не так четко определена, как это может показаться на первый взгляд. Некоторое количество воды в стакане может рассматриваться как величина непрерывная. Но вода состоит из отдельных молекул, и количества ее могут отличаться одно от другого на целое число молекул, то есть при возможности подсчета отдельных молекул количество воды можно было бы рассматривать как дискретную величину. Обычно при измерении принимают допущение о том, что измеряемые величины являются непрерывными. Часто это связано с недостаточной чувствительностью имеющихся средств измерения, которые не дают возможности привести измерения к счету частиц, как в примере с водой. В большинстве случаев такая точность и не требуется. Измеряемую величину можно считать непрерывной, если известно о существовании более точного метода (методики) измерения. С другой стороны, непрерывные величины иногда представляются искусственно как дискретные, то есть изменяющиеся равными ступенями, и измерения производят подсчетом этих ступеней.

 Дискретные и непрерывные случайные величины Для полной характеристики дискретной случайной величины необходимо и достаточно знать все возможные ее значения и вероятность появления каждого из этих значений. Предположим, что при помощи цифрового омметра с дискретностью отсчета 1 Ом получены десять значений: 26, 24, 26, 28, 23, 24, 25, 24, 26, 25 Ом. Для лучшего восприятия информации полученные значения располагают в порядке возрастания: 23, 24, 24, 24, 25, 25, 26, 26, 26, 28 Ом. Затем можно просто указать, что значение 24 было получено три раза и т. д. Другими словами, можно записать различные полученные значения хi случайной величины Х вместе с числом, указывающим, сколько раз получено каждое значение, как это сделано в табл. 2.1. В ней введен символ хk (k = 1, 2, …, m), чтобы обозначить полученные значения: х1 = 23; х2 = 24; х3 = 25 и т. д. Величины nk (k = 1, 2, …, m) обозначают числа, показывающие, сколько раз было получено соответствующее значение.

Билет 15. Принцип действия электромеханических измерительных преобразовательных приборов.

Билет 17. Оптические фотометрические

Фотометри́ческая величина́ — аддитивная физическая величина, определяющая временно́е, пространственное, спектральное распределение энергии оптического излучения и свойств веществ, сред и тел как посредников переноса или приемников энергии (определение взято из ГОСТ 26148—84). Фотометрические величины используются в фотометрии и других отраслях науки. По количественному выражению фотометрические величины можно разделить на следующие группы:

Энергетические фотометрические величины

Фотонные фотометрические величины

Редуцированные фотометрические величины

Световые величины

Распределения фотометрических величин во времени, пространстве и по спектру описываются с помощью:

Распределения фотометрической величины во времени

Индикатрисы фотометрической величины

Спектрального распределения фотометрической величины

Фотометрические величины

величины, характеризующие Оптическое излучение. Различают Энергетические фотометрические величины и Редуцированные фотометрические величины. Первые из них характеризуют излучение безотносительно к его действию на какой-либо приёмник излучения (См. Приёмники излучения); они выражаются в единицах, образованных на основе единиц энергии: джоуля (См. Джоуль) (система СИ), Эрга или калории (См. Калория).

Редуцированные, или эффективные, Ф. в. оценивают излучение по его действию на те или иные селективные приёмники излучения. Если в качестве такого приёмника служит человеческий глаз, соответствующие Ф. в. называются световыми величинами (См. Световые величины). Для характеристики излучения по его действию на др. селективные приёмники (бактерии, растения и т.д.) предложены и применяются др. системы редуцированных Ф. в.: бактерицидные Ф. в., фитовеличины.

Билет 19. Оптические приёмники

Оптоэлектроника — раздел физики и техники, связанный с преобразованием электромагнитного излученияоптического диапазона в электрический ток и обратно.

Приборы оптоэлектроники:

1)Для преобразования света в электрический ток — фото-сопротивления (фоторезисторы), фотодиоды (pin,лавинный), фототранзисторы фототиристоры, пироэлектрические приёмники, приборы с зарядовой связью(ПЗС), фотоэлектронные умножители (ФЭУ).

2)Для преобразования тока в световое излучение — различного рода лампы накаливания,электролюминесцентные индикаторы, полупроводниковые светодиоды и лазеры (газовые, твердотельные, полупроводниковые).

3)Для изоляции электрических цепей (последовательного преобразования «ток-свет-ток») служат отдельные устройства оптоэлектроники — оптопары — резисторные, диодные, транзисторные, тиристорные, оптопары на одно-переходных фототранзисторах и оптопары с открытым оптическим каналом.

4)Для применения в различных электронных устройствах служат оптоэлектронные интегральные схемы —интегральные микросхемы, в которых осуществляется оптическая связь между отдельными узлами или компонентами с целью изоляции их друг от друга (гальванической развязки).

Билет 3. Характеристики единиц СИ

СИ (SIфр. Le Système International d'Unités), (Система Интернациональная) — международная система единиц, современный вариант метрической системы. СИ является наиболее широко используемой системой единиц в мире, как в повседневной жизни, так и в науке и технике. Тем не менее, в большинстве научных работ поэлектродинамике используется Гауссова система единиц, из-за ряда недостатков системы СИ. В частности, в системе СИ напряжённость (В/м) и смещение (кулон на м² (L−2TI)) имеют разную размерность: возникает т. н.диэлектрическая проницаемость вакуума, что лишено физического смысла. В настоящее время СИ принята в качестве основной системы единиц большинством стран мира и почти всегда используется в области техники, даже в тех странах, в которых в повседневной жизни используются традиционные единицы. В этих немногих странах (например, в США) определения традиционных единиц были изменены — они стали определяться через единицы СИ.

Основные единицы: килограмм, метр, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела. В рамках СИ считается, что эти единицы имеют независимую размерность, т. е. ни одна из основных единиц не может быть получена из других.

Производные единицы получаются из основных с помощью алгебраических действий, таких как умножение и деление. Некоторым из производных единиц в СИ присвоены собственные названия, например радиану.

Билет 4. Определение стандартизация

Стандартизация в метрологии – определение и использование правил для организации метрологического обеспечения деятельности всех сторон участвующих в производственном процессе. Стандартизация в метрологии при производстве продукции должна решить следующие задачи: определить полный комплекс мер обеспечивающих качество продукта на всех стадиях его производства, обеспечить полное соответствие конечного продукта требованиям заказчика, обеспечить высокую производительность труда персонала и оборудования, оптимизировать расход  исходных материалов, затраты энергии на производство, обеспечить безопасность труда при производстве продукции и дальнейшей эксплуатации изделий, а также оптимизировать время затраченное на производство продукции. Объектами стандартизации в метрологии являются всё, что можно отнести к изделию. Это нормативные документы содержащие все правила и нормы допусков при производстве продукции. Это нормативные документы содержащие требования к качеству продукции и методы достижения этого качества. Но основная идея стандартизации в метрологии это то, что разрабатываемые стандарты могут многократно использоваться в других областях деятельности человека и различных отраслях государственного хозяйства.

В зависимости от формы руководства мы имеем: Государственную стандартизацию; Национальную стандартизацию; Международную стандартизацию.

Государственная стандартизация – стандартизация в метрологии которую проводят государственные органы власти. Они же разрабатывают и перспективные планы стандартизации. Национальная стандартизация – это форма стандартизации в метрологии которая также проводится в государственном масштабе, но государственные органы власти не оказывают прямого руководства. Международная стандартизация  осуществляется международными организациями специально созданными для этих целей. Как правило такие организации создаются несколькими государствами для решения вопросов торговли, совместных научных разработок, обеспечения совместной обороны и других вопросов взаимодействия. Основные нормативно-технические документы используемые при стандартизации в метрологии  это сам стандарт и технические условия. Стандарт – нормативно-технический документ, в котором содержатся основные требования, разработаны и определены правила и нормы к объекту стандартизации. Стандарт обязательно должен быть утвержден уполномоченным на это органом. Технические условия (ТУ) – нормативно-технический документ, в котором изложены требования к конкретным видам продукции. При производстве продукции ТУ является основным документом в комплексе документации на конкретное изделие.

Билет 7. Классификации средств измерения. Классы точности

Средство измерений — техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени. ЗакономРФ «Об обеспечении единства измерений» средство измерений определено как техническое средство, предназначенное для измерений. Формальное решение об отнесении технического средства к средствам измерений принимает Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии.

Классификация средств измерений

По техническому назначению:

мера физической величины — cредство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью;

измерительный прибор — средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне;

измерительный преобразователь — техническое средство с нормативными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи;

измерительная установка (измерительная машина) — совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенная для измерений одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте

измерительная система — совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта и т. п. с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях;

измерительно-вычислительный комплекс — функционально объединенная совокупность средств измерений, ЭВМ и вспомогательных устройств, предназначенная для выполнения в составе измерительной системы конкретной измерительной задачи.

По степени автоматизации:

автоматические; автоматизированные; ручные.

По стандартизации средств измерений:

стандартизированные; нестандартизированные.

По положению в поверочной схеме:

эталоны; рабочие средства измерений.

По значимости измеряемой физической величины:

основные средства измерений той физической величины, значение которой необходимо получить в соответствии с измерительной задачей;

вспомогательные средства измерений той физической величины, влияние которой на основное средство измерений или объект измерений необходимо учитывать для получения результатов измерений требуемой точности.

По измерительным физико- химическим параметрам:

для измерения температуры; давления; расхода и количества; концентрации раствора; для измерения уровня.

Класс точности — основная метрологическая характеристика прибора, определяющая допустимые по стандарту значения основных и дополнительных погрешностей, влияющих на точность измерения. Погрешность может нормироваться, в частности, по отношению к: результату измерения (по относительной погрешности) в этом случае, по ГОСТ 8.401-80 (взамен ГОСТ 13600-68), цифровое обозначение класса точности (в процентах) заключается в кружок. длине (верхнему пределу) шкалы прибора (по приведенной погрешности) Для электроизмерительных стрелочных приборов принято указывать класс точности, записываемый в виде числа, например, 0,05 или 4,0. Это число дает максимально возможную погрешность прибора, выраженную в процентах от наибольшего значения величины, измеряемой в данном диапазоне работы прибора. Так, для вольтметра, работающего в диапазоне измерений 0 — 30 В, класс точности 1,0 определяет, что указанная погрешность при положении стрелки в любом месте шкалы не превышает 0,3 В. Соответственно, среднее квадратичное отклонение s прибора составляет 0,1 В. Относительная погрешность результата, полученного с помощью указанного вольтметра, зависит от значения измеряемого напряжения, становясь недопустимо высокой для малых напряжений. При измерении напряжения 0,5 В погрешность составит 20 %. Как следствие, такой прибор не годится для исследования процессов, в которых напряжение меняется на 0,1 — 0,5 В. Обычно цена наименьшего деления шкалы стрелочного прибора согласована с погрешностью самого прибора. Если класс точности используемого прибора неизвестен, за погрешность s прибора всегда принимают половину цены его наименьшего деления. Понятно, что при считывании показаний со шкалы нецелесообразно стараться определить доли деления, так как результат измерения от этого не станет точнее. Следует иметь в виду, что понятие класса точности встречается в различных областях техники. Так в станкостроении имеется понятие класса точности металлорежущего станка, класса точности электроэрозионных станков (по ГОСТ 20551). Обозначения класса точности могут иметь вид заглавных букв латинского алфавита, римских цифр и арабских цифр с добавлением условных знаков. Если класс точности обозначается латинскими буквами, то класс точности определяется пределами абсолютной погрешности. Если класс точности обозначается арабскими цифрами без условных знаков, то класс точности определяется пределами приведённой погрешности и в качестве нормирующего значения используется наибольший по модулю из пределов измерений. Если класс точности обозначается арабскими цифрами с галочкой, то класс точности определяется пределами приведённой погрешности, но в качестве нормирующего значения используется длина шкалы. Если класс точности обозначается римскими цифрами, то класс точности определяется пределами относительной погрешности.

Билет 10. Правила округления результатов измерений.

Поскольку погрешности измерений определяют лишь зону неопределенности результатов, их не требуется знать очень точно. В окончательной записи погрешность измерения принято выражать числом с одним или двумя значащими цифрами, Эмпирически были установлены следующие правила округления рассчитанного значения погрешности и полученного результата измерения.  1. Погрешность результата измерения указывается двумя значащими цифрами, если первая из них равна 1 или 2, и одной — если первая цифра равна 3 или более.  2. Результат измерения округляется до того же десятичного знака, которым оканчивается округленное значение абсолютной погрешности. Если десятичная дробь в числовом значении результата измерений оканчивается нулями, то нули отбрасываются до того разряда, который соответствует разряду числового значения погрешности.  3. Если цифра старшего из отбрасываемых разрядов меньше 5, то остальные цифры числа не изменяются. Лишние цифры в целых числах заменяются нулями, а в десятичных дробях отбрасываются.  4. Если цифра старшего из отбрасываемых разрядов больше или равна 5, но за ней следуют отличные от нуля цифры, то последнюю оставляемую цифру увеличивают на единицу.  5. Если отбрасываемая цифра равна 5, а следующие за ней цифры неизвестны или нули, то последнюю сохраняемую цифру числа не изменяют, если она четкая, и увеличивают на единицу, если она нечетная.  6. Округление производится лишь в окончательном ответе, а все предварительные вычисления проводят с одним-двумя лишними знаками.  Если руководствоваться этими правилами округления, то количество значащих цифр в числовом значении результата измерений дает возможность ориентировочно судить о точности измерения. Это связано с тем, что предельная погрешность, обусловленная округлением, равна половине единицы последнего разряда числового значения результата измерения.  Для оценки влияния округления результата измерения Y представим его в виде    де А1 ..., Аs— десятичные цифры и старшая цифра A1 ≠ 0; R, P, S — целые числа, причем R - Р = S - 1.  Абсолютная погрешность, обусловленная округлением, D = 0,5×10P. В качестве оценки относительной предельной погрешности округления рекомендуется принять    поскольку деление абсолютной погрешности лишь на первый член суммы (4.4) ведет к увеличению числового значения оценки погрешности. Поскольку значения A1 могут находиться в пределах от 1 до 9, то при одной значащей цифре (S = 1) предельная погрешность округления может находится в пределах от 6 до 50%. При двух значащих цифрах она составит от 0,6 до 5%, при трех — от 0,06 до 0,5%.  Оцененные границы погрешности округления характеризуют влияние округления на точность результата измерения. Кроме того, эти данные позволяют ориентироваться в минимально необходимом для записи результата измерений числе значащих цифр при его заданной точности.

Билет 14. Виды масштабных измерительных преобразователей

Измерительный преобразователь (ИП) — СИ, предназначенное для преобразования измеряемой величины в другую величину или сигнал измерительной информации, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи. По расположению в измерительной цепи различают первичные и промежуточные измерительные преобразователи.

Первичный измерительный преобразователь, называемый также датчиком, — это тот измерительный преобразователь, на который непосредственно действует измеряемая величина.Остальные измерительные преобразователи называют промежуточными. Они расположены после первичногоизмерительного преобразователя и могут выполнять различные операции преобразования измерительного сигнала.

Как правило, к ним относятся:

•  изменение физического рода величины;

•  масштабное (линейное или нелинейное) преобразование;

•  масштабно-временное преобразование;

•  аналого-цифровое преобразование;

•  цифро-аналоговое преобразование;

•  функциональное   преобразование   (любые   математические операции над значениями величины).

Следует иметь в виду, что указанная классификация достаточно условна. Во-первых, в одном СИ может быть несколько первичных измерительных преобразователей (например, термопара в цепи термоэлектрического термометра). Во-вторых, специфика аналитических измерений также приводит к нарушению указанного принципа классификации.

Аналитические измерения представляют собой преобразование измеряемой величины, являющейся информативным параметром анализируемой среды (информативный параметр — параметр, несущий информацию о измеряемой величине), и сравнением ее с мерой. Обычно они проводятся с помощью совокупности измерительных преобразователей, включающей следующие виды измерительных преобразователей:

•ИП1: измерительный преобразователь типа состав - состав, обеспечивающие масштабные преобразования анализируемой пробы. Проба характеризуется информативным параметром С(содержанием измеряемого компонента) и комбинациейнеинформативных параметров Сн, к которым относятся содержание неопределяемых (мешающих) компонент и термодинамические параметры анализируемой среды. При прохождении через ИП1происходят процессы очистки, сушки, изменения температуры и давления смеси до требуемых величин и, после этих преобразований анализируемой среды, отбор ее требуемого количества. ИП1 обычно называют блоком отбора и подготовки пробы;

• ИП2: измерительный преобразователь типа состав - свойство, обеспечивающие преобразование измеряемой величины С в то или иное физико-химическое свойство, удобное для последующего измерения и регистрации. Во многих случаях это преобразование идет в два этапа: получение промежуточного продукта в жидкой либо твердой фазе с содержанием компонента Ynpом(C), а затем его преобразование в свойство Ф(Ynpом)

• ИП3: измерительный преобразователь типа свойство - выходной сигнал, обеспечивающие преобразование измеряемой величины в выходной измерительный сигнал W.Обычно это преобразование также осуще­ствляется в два этапа: в промежуточный сигнал Wnpом(Ф) и затем в выходной сигнал W(Wnpом). При этом преобразованиеWnpом в W— это преобразование одной электрической величины в другую.

Получив с помощью совокупности измерительных преобразователей выходные сигналы от анализируемого объекта, по калибровочной зависимости произво­дят сравнение измеряемой величины с мерой и вырабатывают оценочные значения С*  измеряемой величины С.

Эта совокупность измерительных преобразователей не укладывается в приведенную классификацию, т. к. измеряемая величина непосредственно воздействует не только на первый измерительный преобразователь измерительной цепи, но и на их совокупность, включающую ИП1, ИП2 и первый преобразователь группы ИП3. При этом только второй преобразователь группы ИП3 является промежуточным. Отсюда следует, что в аналитических приборах роль первичного измерительного преобразователя выполняет совокупность измерительных преобразователей, осуществляющаяпоследовательное, в несколько этапов, преобразование измеряемой величины в измерительный сигнал.

Билет 16. Способность измерительной аппаратуры. Критерий Рэлея.

Лорд Рэлей — один из ярких представителей поколения британских «ученых-джентльменов» Викторианской эпохи. Изучая феномен рассеяния света, Рэлей сформулировал весьма важный критерий различимости источников света в оптических приборах, который теперь носит его имя. Предположим, вы едете ночью по прямому неосвещенному шоссе. Навстречу вам едет другая машина с включенным дальним светом фар. Сначала вы видите вдали размытое световое пятно. Однако по мере ее приближения вы начинаете различать два отдельных источника света. Тут самое время вспомнить, что свет фар встречной машины вы наблюдаете через тонкий оптический прибор, коим является человеческий глаз: свет фар вы воспринимаете благодаря поступлению оптических лучей через линзу хрусталика на сетчатку глазного дна. Вопрос: как близко должна находиться встречная машина, чтобы мы начали воспринимать две фары по отдельности? Согласно классической теории дифракции, луч света от удаленного источника, попадая в круглый окуляр, формирует изображение, состоящее из ряда светлых и темных концентрических полос вокруг яркой центральной точки, — так называемую дифракционную картину. Законы оптики говорят нам, что реальный источник света в нашем восприятии будет размыт, и такое размытие наблюдается в любом оптическом приборе. Если мы наблюдаем два близких источника света, их размытые образы накладываются один на другой. Рэлей как раз и показал, что если центральное световое пятно дифракционной картины одного источника света удалено от центрального светового пятна другого источника света на расстояние не менее радиуса первой темной дифракционной полосы, то мы начинаем воспринимать два источника света раздельно: это расстояние называется линейным разрешением оптического прибора. Если два источника света удалены друг от друга на расстояние d, расстояние от них до нас равно D, длина световой волны равна λ, а диаметр окуляра равен А, то, согласно критерию Рэлея, условием оптического разрешения двух источников в окуляре будет:  d/D > 1,22 λ/A Иными словами, если точечные источники света разнесены на расстояние не меньше d, наблюдатель, находясь на удалении D, сможет различить их в окуляре диаметром А как раздельные, в противном случае они сольются. Отношение d/D представляет собой угловую меру в радианах (для перевода в градусы нужно умножить ее на 57,3) между направлениями на два источника света. Критерий Рэлея, таким образом, устанавливает границы углового разрешения для любого оптического инструмента, будь то телескоп, фотоаппарат или человеческий глаз. (Коэффициент 1,22 определен математически и требует, чтобы размер окуляра и длина световой волны были измерены в одних и тех же единицах.) Согласно критерию Рэлея, оптическое разрешение человеческого глаза равняется 25 угловым секундам, а это меньше одной сотой градуса! Но это в идеале. На практике же даже самые зоркие люди способны различать источники света с разрешением от 3 до 5 угловых минут — то есть на порядок хуже. И виновата в этом сетчатка — ее строение не обеспечивает полного использования возможностей хрусталика. Таким образом, возвращаясь к исходному примеру, в идеале две фары на прямом шоссе можно было бы различить как два отдельных источника света с расстояния около 10 км. На практике же человеческий глаз начинает различать их лишь с расстояния около 1 км. Реальный водитель, скорее всего, будет просто ослеплен и постарается сосредоточиться на дороге, в результате чего воспримет свет двух встречных фар раздельно с еще меньшего расстояния.

Билет 20. Классификация источников оптического излучения

Видимое излучение (оптическое) Видимое, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение составляет так называемую оптическую область спектра в широком смысле этого слова. Выделение такой области обусловлено не только близостью соответствующих участков спектра, но и сходством приборов, применяющихся для её исследования и разработанных исторически главным образом при изучении видимого света (линзыи зеркала для фокусирования излучения, призмы, дифракционные решётки, интерференционные приборы для исследования спектрального состава излучения и пр.).

Частоты волн оптической области спектра уже сравнимы с собственными частотами атомов и молекул, а их длины — с молекулярными размерами и межмолекулярными расстояниями. Благодаря этому в этой области становятся существенными явления, обусловленные атомистическим строением вещества. По этой же причине, наряду с волновыми, проявляются и квантовые свойства света.

Самым известным источником оптического излучения является Солнце. Его поверхность (фотосфера) нагрета до температуры 6000 градусов по Кельвину и светит ярко-белым светом (максимум непрерывного спектра солнечного излучения расположен в «зелёной» области 550 нм, где находится и максимум чувствительности глаза). Именно потому, что мы родились возле такой звезды, этот участок спектра электромагнитного излучения непосредственно воспринимается нашими органами чувств.

Излучение оптического диапазона возникает, в частности, при нагревании тел (инфракрасное излучение называют также тепловым) из-за теплового движения атомов и молекул. Чем сильнее нагрето тело, тем выше частота, на которой находится максимум спектра его излучения (см.: Закон смещения Вина). При определённом нагревании тело начинает светиться в видимом диапазоне (каление), сначала красным цветом, потом жёлтым и так далее. И наоборот, излучение оптического спектра оказывает на тела тепловое воздействие (см.: Болометрия).

Оптическое излучение может создаваться и регистрироваться в химических и биологических реакциях. Одна из известнейших химических реакций, являющихся приёмником оптического излучения, используется в фотографии. Источником энергии для большинства живых существ на Земле является фотосинтез — биологическая реакция, протекающая в растениях под действием оптического излучения Солнца.

21.Спектрофотометры, импульсные фотометры.

Спектрофотометр (от спектр и фотометр) — прибор для исследования спектрального состава по длинам волн электромагнитных излучений в оптическом диапазоне, нахождения спектральных характеристик излучателей и объектов, взаимодействовавших с излучением, а также для спектрального анализа и фотометрирования.Спектрофотометры могут работать в различных диапазонах длин волн — от ультрафиолетового до инфракрасного. В зависимости от этого приборы имеют разное назначение.

Конструкция.На рисунках приведены две основные схемы спектрофотометров, измеряющих спектральный апертурный коэффициент отражения данного объекта относительно рабочего стандарта с известной спектральной характеристикой:

22. Чем характеризуются свойства и точность оптических приборов.

23. Лазерные измерители дальности и пеленгов до объектов, створы.

Лазерный дальномер - электронно-оптический прибор, используемый для определения дальности между различными предметами, может работать, как в помещениях, так и на открытом пространстве. Погрешность измерений лазерной рулетки колеблется от 3 до 1 мм на 10 м. Некоторые модели могут производить вычисления объемов и площадей помещений, вычислять длину недостающего катета (по теореме Пифагора) и т.д. Принцип действия дальномеров основан на измерении промежутка времени между посылкой лазерного импульса и приемом отраженного от предмета сигнала. Электронные лазерные дальномеры помогают производить замеры в неудобных местах и из углов помещений. Максимальная дальность определения расстояния может составлять до 150 м и более.

24.Оптико-физические средства исследования природных и техногенных сред.

25. Оптический канал: направленный и ненаправленный.

Опти́ческое волокно́ — нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.

Волоконная оптика — раздел прикладной науки и машиностроения, описывающий такие волокна. Кабели на базе оптических волокон используются в волоконно-оптической связи, позволяющей передавать информацию на бо́льшие расстояния с более высокой скоростью передачи данных, чем в электронных средствах связи. В ряде случаев они также используются при создании датчиков.

Материалы.Стеклянные оптические волокна делаются из кварцевого стекла, но для дальнего инфракрасного диапазона могут использоваться другие материалы, такие как флуоро-цирконат, флуоро-алюминат и халькогенидные стекла. Как и другие стекла, эти имеют показатель преломления около 1,5.

В настоящее время развивается применение пластиковых оптических волокон.Конструкция

Оптическое волокно имеет круглое сечение и состоит из двух частей — сердцевины и оболочки. Для обеспечения полного внутреннего отражения абсолютный показатель преломления сердцевины несколько выше показателя преломления оболочки. Например, если показатель преломления оболочки равен 1,474, то показатель преломления сердцевины — 1,479.Луч света, направленный в сердцевину, будет распространяться по ней, испытывая многократные переотражения от границы раздела «сердцевина — оболочка».

Все оптические волокна, используемые в телекоммуникациях, имеют диаметр 125±1 микрон. Диаметр сердцевины может отличаться в зависимости от типа волокна и национальных стандартов.Классификация

Профиль показателя преломления различных типов оптических волокон: слева вверху — одномодовое волокно, слева внизу — многомодовое ступенчатое волокно, справа — градиентное волокно с параболическим профилем.

Оптические волокна могут быть одномодовыми и многомодовыми. Диаметр сердцевины одномодовых волокон составляет от 7 до 9 микрон. Благодаря малому диаметру достигается передача по волокну лишь одной моды электромагнитного излучения, за счёт чего исключается влияние дисперсионных искажений. В настоящее время практически все производимые волокна являются одномодовыми.[1]

Существует три основных типа одномодовых волокон:

Одномодовое ступенчатое волокно с несмещённой дисперсией (стандартное) (англ. SMF — Step Index Single Mode Fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.652 и применяется в большинстве оптических систем связи.

Одномодовое волокно со смещённой дисперсией (англ. DSF — Dispersion Shifted Single Mode Fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.653. В волокнах DSF с помощью примесей область нулевой дисперсии смещена в третье окно прозрачности, в котором наблюдается минимальное затухание.

Одномодовое волокно с ненулевой смещённой дисперсией (англ. NZDSF — Non-Zero Dispersion Shifted Single Mode Fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.655.

Многомодовые волокна отличаются от одномодовых диаметром сердцевины, который составляет 50 микрон в европейском стандарте и 62,5 микрон в североамериканском и японском стандартах. Из-за большого диаметра сердцевины по многомодовому волокну распространяется несколько мод излучения — каждая под своим углом, из-за чего импульс света испытывает дисперсионные искажения и из прямоугольного превращается в колоколоподобный.

Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые и градиентные. В ступенчатых волокнах показатель преломления от оболочки к сердцевине изменяется скачкообразно. В градиентных волокнах это изменение происходит иначе — показатель преломления сердцевины плавно возрастает от края к центру. Это приводит к явлению рефракции в сердцевине, благодаря чему снижается влияние дисперсии на искажение оптического импульса. Профиль показателя преломления градиентного волокна может быть параболическим, треугольным, ломаным и т. д.] Волоконно-оптическая связь

Основное применение оптические волокна находят в качестве среды передачи на волоконно-оптических телекоммуникационных сетях различных уровней: от межконтинентальных магистралей до домашних компьютерных сетей. Применение оптических волокон позволяет оперировать с чрезвычайно высокими скоростями передачи, измеряемыми терабитами в секунду.Волоконно-оптический датчик

Оптическое волокно может быть использовано как датчик для измерения напряжения, температуры, давления и других параметров. Малый размер и фактическое отсутствие необходимости в электрической энергии, даёт волоконно-оптическим датчикам преимущество перед традиционными электрическими в определённых областях.

Оптическое волокно используется в гидрофонах в сейсмических или гидролокационных приборах. Созданы системы с гидрофонами, в которых на волоконный кабель приходится более 100 датчиков. Системы с гидрофоновым датчиком используются в нефтедобывающей промышленности, а также флотом некоторых стран. Немецкая компания Sennheiser разработала лазерный микроскоп, работающий с лазером и оптическим волокном[2].

Волоконно-оптические датчики, измеряющие температуры и давления, разработаны для измерений в нефтяных скважинах. Они хорошо подходят для такой среды, работая при температурах, слишком высоких для полупроводниковых датчиков.

Разработаны устройства дуговой защиты с волоконно-оптическими датчиками, основными преимуществами которых перед традиционными устройствами дуговой защиты являются: высокое быстродействие, нечувствительность к электромагнитным помехам, гибкость и лёгкость монтажа, диэлектрические свойства.

Оптическое волокно применяется в лазерном гироскопе, используемом в Boeing 767 и в некоторых моделях машин (для навигации). Специальные оптические волокна используются в интерферометрических датчиках магнитного поля и электрического тока. Это волокна, полученные при вращении заготовки с сильным встроенным двойным лучепреломлением.Другие применения оптического волокна

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.