Шпора на экзамен по предмету физические основы измерений - файл n1.doc

приобрести
Шпора на экзамен по предмету физические основы измерений
скачать (640 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc640kb.08.07.2012 17:27скачать

n1.doc

  1   2
1. Основные понятия и термины: физ св-во, физ. величина, размерность, измерение, результат измерения. Основное уравнение измерений.

Измерения являются одним из важнейших путей познания природы человеком. Измерение-нахождение значения физической величины опытным путём с помощью специальных технических средств. Объем измерений во всём мире увеличивается с каждым годом, например, только в странах СНГ ежедневно производится десятки миллиардов измерений. Доля затрат на измерительную технику достигает 25% от затрат на оборудование в машиностроении, в самолётостроении, радиотехнической, химической и др. областях промышленности.

Физическая величина - в соответствии с ГОСТ 16263 -это свойство общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта. Единица физ. величины - это физическая величина, которой по определению присвоено численное значение, равное единице. Основной задачей измерений является получение информации о значении физ. величины в виде некоторого числа принятых для неё единиц. Истинное значение физ. величины - значение физ. величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношении соответствующие свойства объекта. Размерность-выражение, определяющее связь величины с основными величинами системы, в котором коэффициент пропорциональности равен единице. Выражение для размерности длины и времени: dim(l)=L dim (t)=T.

Существуют основные или производные величины.

Основные: dim(l)=L

dim (t)=T

dim (m)=M.

Производные: скорость dim(v)= dim(l)/dim(t)=L/T.

Размерная физ. величина-величина, в размерности которой хотя бы одна из основных величин возведена в степень неравную нулю. Безразмерная физ. величина - отношение данной физ. величины к одноимённой физ. величине, примененная в кач-ве исходной или опорной. Единица физ. величины должна быть материальна, т. е. воспроизводима т.о., чтобы её размер был постоянен во времени и при наличии внешних воздействий. Результатом измерения является значение физ. величины, т. е. количественная оценка измеряемой величины, которая должна быть не просто числом, а числом именованным. Результат должен быть в единицах, принятых для данной физ. величины. Основное уравнение измерений: X=N где Х-именованное числовое значение величины, -минимальная ступень единицы величины, N-числовое значение. Измерения основываются на возможности точного экспериментального восприятия единиц величин и создания спец. технических ср-в, реализующих эту задачу. Результат измерения даёт только оценку истинного значения физ. величины с некоторой погрешностью.


3.Основные и производные физические величины. Определения: размерность, система единиц. Формула образования размерности производных величин.

Физическая величина в соответствии с ГОСТ 16263 – это свойство, общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном – индивидуально для каждого объекта. По условной зависимости от других величин физические величины делятся на основные (условно независимые физ вел) и производные (усл зависимые физ вел)

В системе СИ 7 основных единиц физ вел: кг (масса), м (длина), с (время), А (сила тока), К (температура), Кн (сила света), моль (количество вещества).

Также есть 2 дополнительные единицы: радиан, стерадиан. И свыше ста производных величин.

Например dim(l)=L dim(t)=T - эти величины основные. Производная величина dim(V)=dim(l)/dim(t)=L/T.

Включенные в СИ единицы физ вел не охватывают всего многообразия объектов, явлений и процессов, поэтому в развивающихся областях науки возникает необходимость в определении новых физ вел. Например, атомная и ядерная физика, лазерная техника и т.д.

Размерностьэто качественная характеристика, дающая представление и виде величины. Размерность определяет количественное содержание величины или единицы.

Примеры размерности:

ВЕЛИЧИНА

ЕДИНИЦА

наименование

размерность

наименование

размерность

Длина

L

Метр

м

Площадь

L2

Квадр метр

м2

Лин скорость

L/T

Метр в сек

м/c

Сила

LM/T2

Ньютон

H


Системой единиц называют совокупность основных и производных единиц измерения, охватывающих все или только некоторые области измерения (механические, электрические, световые, тепловые и т.д.).

В стандарте на физические единицы измерения принят способ записи размера производных единиц в виде произведения степеней основных единиц:

L?M?T?, L – длина, M – масса, Т – время.

?,?,?- показатели степени, которые в зависимости от принятой системы уравнения, связывающей величины, могут быть положительными или отрицательными, целыми или дробными, или равными нулю.
5. Определения: информация, измерительная информация, сигнал измерительной информации и его параметры.

Информация – совокупность сведений, уменьшающих начальную неопределенность знаний об объекте.

Информацию о значении измеряемых физических величин называют измерительной информацией.

Материальным носителем информации является сигнал, который представляет функцию пространства, протекающую во времени.

Сигнал имеет хотя бы один информационный параметр (параметр функционально связанный с измеряемой величиной). Параметры сигнала, не связанные с измеряемой величиной называют неинформационными.
6. Классификация мер физических величин.

  1. одноканальная нерегулируемая мера воспроизводит величину одного неизменного размера; обозначение




  1. одноканальная регулируемая мера воспроизводит в данный момент величину одного размера, а в последующие моменты этот размер можно изменять; обозначение


Например, переменный резистор.

  1. многоканальная нерегулируемая мера воспроизводит одновременно несколько величин с неизменными размерами.


Например, линейка (пространственное разделение величин).

  1. многоканальная регулируемая мера воспроизводит одновременно несколько величин с размерами, которые могут одновременно изменяться.




Например, многоканальный переменный резистор (пространственно-временное разделение).


11. Погрешности измерения, их классификация по причинам возникновения

Погрешность измерения оценивают, исходя из свойств средства измерения, условий проведения эксперимента и анализа полученных данных (результат).

В зависимости от причин возникновения погрешности.

1. методологические, обусловлены несовершенством метода измерений и несоответствием принятой модели реальному объекту.

2. инструментальные:

а) основная погрешность средств измерения обусловлена неидеальностью свойств средства измерения в нормальных условиях.

б) дополнительная погрешность обусловлена реакцией средств измерения на изменение внешних влияющих величин относительно их нормальных значений.

3. погрешности вычислений, при обработке промежуточных вычислений с помощью вычислительной техники проводящие расчеты могут вносить свою составную погрешность из-за неточности выполнения вычислительных операций.

4. погрешности, вносимые оператором.

Из этих составных складывается суммарная погрешность измерений.

Динамический режим имеет место при измерениях переменной во времени величины, либо в течении некоторого времени при измерении постоянных величин с момента подачи этой величины на вход средства измерения до момента окончания возникающего при этом переходного процесса выходная величина средства измерения достигает постоянного значения и динамический режим сменяется статическим.

Переходный процесс обусловлен инерциальностью средств измерения. В связи

С этим в зависимости от режима работы средств измерения различают статическую погрешность в динамическом режиме.

9. Виды измерений

1. Способ классификации по наличию размерности у величин: - размерный (абсолютный); - относительный.

2. По наличию предварительного преобразования: - непосредственные - с предварительным преобразованием.

3. По мерности величин:- одномерные; - многомерные.

4. В зависимости от способа обработки экспериментальных данных: - прямые; - косвенные; -совокупные; - совместные.

5. По соотношению между числом измеряемых величин и количеством уравнений: - избыточные; - безизбыточные:

• по способу осуществления избыточности:

- многократные; - многоканальные.

6. По характеру закона измерения сигнала во времени:

- измерения параметров квазидетерменированных сигналов; - измерение параметров случайных сигналов.

7. В зависимости от режима работы применяемых средств измерений: - статистические; - динамические.

Абсолютные измерения – результаты представлены в виде размерного именованного числа.

Относительные измерения – результат - безразмерный непосредственный, входная величина сравнивается без преобразования с выходной величиной однородной меры.

Измерения с предварительным преобразованием – входная величина (измеряемая ) предварительно преобразуются в величину, однородной с величиной, которая может быть воспроизведена мерой с заданной точностью и размером.

Прямое измерение – искомое значение находится непосредственно из опытных данных: x = m ∙ ∆x, где m – числовое значение величины, ∆x – цена деления шкалы или единицы младшего разряда цифрового отсчетного устройства.

Косвенные измерения – искомое значение находится на основании известной зависимости между ним и величинами подвергаемые прямым измерениям, значения получают путем решения уравнения измерения: Y = F (x1, x2, x3, …, xn) (можно посчитать объем, плотность)

Совместные измерения–одновременное измерение нескольких неодномерных величин для нахождения зависимости между ними:

F (Y1, Y2, Y3, …, Yn, x1?, x2?, x3?, …, xn?) = 0, где Y - искомые величины; x? - измеряемые величины.

Статические измерения – средства измерения работает в таком режиме, когда входной сигнал средства измерения остается постоянным в течение времени использования выходного сигнала.

Динамические измерения – входной сигнал средства измерения существенно меняется во время измерения и при получении результата измерения необходимо учитывать это измерение.


  1. Измерительное преобразование и измерительные преобразователи.

Измерительное преобразование – операция преобразования входного сигнала измеряемой величины в выходной, обладающего такими свойствами, при которых возможно последующее измерение его информативного параметра с заданной точностью.

Измерительный преобразователь - средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме удобной для передачи дальнейшего преобразования и (или) хранения, но не поддающееся непосредственному восприятию наблюдателя.

Измерительный преобразователь, к которому непосредственно подключена измерительная величина называется первичным преобразователем. Физической сущностью измерительного преобразователя является преобразование и передача энергии в частности преобразование одного вида энергии в другой.
13. Этапы процесса измерения (метрологического эксперимента), и их значение.

При проведении любых измерений целью является:

1 – получение значения физической величины в виде некоторого числа принятых для неё единиц;

2 – определение степени достоверности результатов измерения.

Этапы процедуры измерения:

1. Принятие модели объекта измерения.

2. Выбор метода измерения.

3. Выбор средства измерения.

4. Проведение эксперимента для получения численного результата.

Всем этапам присущи недостатки, которые приводят к тому, что результат измерений отклоняется от истинного значения, то есть возникает погрешность.

∆x=x-xn – абсолютная погрешность.

Точность измерения - это качество измерения отражающих близость результата к истинному значению. Так, как истинное значение не известно, то практически используют понятие действительное значение величины. Она может быть определена экспериментально с помощью образцовых средств измерения и стремится к истинному значению и может быть использована вместо него.

Погрешность измерения оценивают исходя из свойств средств измерения, условий проведения эксперимента и анализа получения данных (результат).
15. Классификация инвариантов линейных динамических систем

Инварианты ЛДС:

1) Часть системы: 1.1. Инварианты матрицы А, 1.2. Инварианты пары матриц A, b, 1.3. Инварианты пары матриц A, c, 1.4. Вход-выходные инварианты

2) Тип преобразования: 2.1. Подобное 2.2. Конгруэнтное 2.3. Каскадно-эквивалентное 2.4. Преобразование Бруновского

3) Тип инвариантов:

3.1. Конечные J принадлежит К: линейность, устойчивость, наблюдаемость, управляемость, грубость

3.2. Целочисленные J принадлежит Z: dim S; n , m ; инварианты управляемости и наблюдаемости; индекс Коши; индексы Жордана

3.3. Вещественные J принад. R: trA, |A|; ?1, а1; h1, m1; ?1, ?1; A, B, C; R, D Wc, Wb; Нормы ЛДС

3.4. Функциональные J принадлежит С: АЧХ, ФЧХ; ИВФ, МДФ, 1-ые интегралы; ап-ая избыточность.

По первому признаку различают инварианты с конечным множеством значений, целочисленные, вещественные и функциональные (соответствующие множества на рис 3 обозначены К, Z, R и С). Конечные инварианты обычно характеризуют качественные свойства си­стемы, такие как устойчивость, управляемость, наблюдаемость, минимальность и др. Вычисление этих инвариантов, принимающих, как правило, одно из двух значений (типа «да» - «нет»), сводится обычно к проверке положительности некоторых чисел (определителей Гурвица, коэффициентов Рауса), либо невырожденности некоторых матриц (управляемости, наблюдаемости).

Целочисленные инварианты принимают значения из множества натуральных или целых чисел. Они характеризуют структурные свойства системы, такие как ее размерность, управляемость и наблюдаемость. К ним относятся число нулей и полюсов системы и их кратность (индексы Жордана), инвариантные показатели управляемости и наблюдаемости, максимальные из которых известны как индексы наблюдаемости т0., и управляемости n0, системы, индекс Коши системы и др. Иногда эти инварианты называются арифметическими.

Наиболее многочисленную группу составляют вещественные инварианты, называемые также алгебраическими. Они принимают значения из множества действительных чисел j Е R и характеризуют различные параметры системы - коэффициенты усиления, постоянные времени, собственные числа и т.п., не зависящие от выбора базиса в пространстве состояний.

Четвертую группу инвариантов образуют функциональные инварианты, которые, в отличие от предыдущих, принадлежат множеству С непрерывных функций. Характерными примерами функциональных инвариантов могут служить амплитудно- и фазочувствительные характеристики системы, ее импульсная весовая функция, матричная передаточная функция, а также различные первые интегралы, как изначально присущие системе, так и получаемые в результате введения аналитической избыточности.

Второй признак классификации (правая часть рис. 3) отражает вид преобразования, по отношению к которому обеспечивается инвариантность. Обычно основное внимание уделяется инвариантности по отношению к замене переменных Х = ТХ.

Т.о., стационарные линейные динамические системы обладают богатым запасом алгебраических инвариантов, которые могут использоваться в качестве метрологических параметров, а также в качестве нормируемых показателей при выполнении процедур контроля, калибровки, поверки, сертификации, аттестации и др.

Методы и понятия теории инвариантов удобно использовать при построении моделей, выборе и анализе метрологических параметров, описании метрологических процедур. В частности, задача выбора измеряемых параметров требует отыскания и систематизации функционально полных наборов инвариантов системы, и задача разработки методов диагностики и метрологии связана с разработкой экспериментальных способов определения различных инвариантов. Необходимым условием успешного применения теории инвариантов для решения метрологических задач является знание набора инвариантов исследуемого класса объектов.

14. Общие методы уменьшения погрешностей.

Наиболее распространенные методы уменьшения систематической погрешности заключается в выявлении и устранении причин возникновения погрешности:

1. теплоизоляция и термостатирование средства измерения или отдельных его узлов.

2. применение экранов для защиты от внешних полей.

3. стабилизация источников питания.

4. амортизация и предохранение приборов от вибрации, толчков и т.д.

5. устранение ист влияющих воздействий от ср-в изм и объектов изм

Другим способом исключения погрешностей является поверка средств измерением непосредственно перед применением в аналогичных условиях для определения поправок и результатов измерений в виде таблиц, измерения, графов.

1. Метод замещения – является наиболее универсальным и дает возможность устранить большинство случайных погрешностей.

2. Метод противопоставлений, измерения выполняются 2 раза, таким образом, чтобы в обоих случаях причиной постоянных погрешностей оказались равными по значению и противоположными по закономерностям воздействия на результаты измерения.

3. Метод компенсации погрешностей по знаку, используется для исключения известных по природе, но неизвестных по значению, источники которых имеют направленное действие, например термоЭДС, погрешность магнитного поля. Измерения проводят дважды, т.о. чтобы погрешность входила в результат измерений, а в качестве окончательного результата берется среднее арифметическое.

4. Метод периодических наблюдений, применяется для случаев, когда систематическая погрешность меняется по периодическому закону.

Производят 2 наблюдения через пол периода и получают равные погрешности противоположные по знаку.

При любых измерениях невозможно полностью исключить систематическую составляющую погрешности измерения, всегда останется, какая то часть, которая будет систематической составляющей погрешность измерений. Так как результат всякого измерения содержит в себе случайную погрешность, необходимо указать не только полученный результат измерений, но и оценку качества, и степень его достоверности.

16. Адиабатические инварианты. Задачи, которые необходимо решить при применении теории инвариантов.

Адиабатические инварианты - физические величины, остающиеся практически неизменными при медленном (адиабатическом), но не обязательно малом изменении внешних условий, в которых находится система, либо самих характеристик системы. Отмеченное изменение должно происходить за времена, значительно превышающие характерные периоды движения системы.

В классической механике адиабатическими инвариантами являются переменные действия, где pk - обобщенный импульс, qk - ­обобщенная координата, интегрирование производится по периоду (или квазипериоду).

Физически важным примером адиабатического инварианта служит первый адиабатический инвариант, представляющий собой магнитный момент, создаваемый током заряженной частицы при ее движении в медленно меняющемся (в пространстве или во времени) магнитном поле ,

где р- - проекции импульса заряженной частицы на плоскость, перпендикулярную направлению магнитного поля (Н) в данной точке пространства.

Количество адиабатических инвариантов не превышает числа степеней свободы системы.

Строго говоря, адиабатический инвариант может изменяться в значительных пределах, если во временной зависимости внешних условий присутствуют частоты, кратные частотам самой системы (параметрический резонанс). Если не рассматривать такие ситуации, то адиабатический инвариант сохраняется с точностью большей, чем любая степень малого параметра.

Задачи, которые необходимо решить при применении теории инвариантов

1. Систематизация известных и отыскание новых алгебраических инвариантов для различных классов объектов.

2 Формирование функционально полных базисных наборов параметрических инвариантов

3. Оценка информативности свойств найденных параметрических инвариантов.

4. Разработка способов аналитического и экспериментального определения различных параметрических инвариантов.
10. Методы измерения параметров квазидетерменированных сигналов.

В зависимости от способа применения меры известной величины различают:

1. метод непосредственной оценки;

2. метод сравнения с мерой.

При первом методе значение измеряемой величины определяется непосредственно на отсчетном устройстве измерительного прибора прямого преобразования, шкала которого проградуирована с помощью многозначной меры воспроизводящей известные значения измеряемой величины в приборе прямого преобразования. Наблюдением в процессе измерения производится сравнением положения указателя отсчетного устройства и шкалой, по которой производится отсчет.

Большая группа методов измерения носит название методов сравнения, их отличительной чертой является непосредственный учет меры:

  1. нулевой;

  2. дифференциальный;

  3. замещения;

  4. совпадения.

Нулевой метод: разность соизмеримых величин или разность производимых ими эффектов сводится к нулю.

НИ – нуль индикатор.

Пример:

Мостовой метод измерения сопротивления:

Rx ∙ Ru = R2 ∙ R3

Измерением известного сопротивления Ru добиваются нулевых показаний ноль индикатора. (простой пример: весы).

Дифференциальный метод: разность измеряемой и известной величины воспроизводимой мерой измеряется измерительным прибором.

Неизвестная величина определяется суммированием известной величины и измеренной разности. В отличие от предыдущего метода происходит неполное уравновешивание измеряемой величины известной величиной. Метод обеспечивает высокую точность, если точна мера и разность между величинами мала. В примере показано изменение неизвестного напряжения с помощью дискретного делителя напряжения.

Метод замещения: поочередное подключение на вход прибора измеряемой и известной величины воспроизводимой мерой. По показаниям оценивающегося значения неизвестной величины, т. к. оба измерения производятся одним прибором, при одинаковых условиях, значительно уменьшается погрешность результата измерения.

Метод совпадения: основан на том, что обычно погрешность прибора в разных точках шкалы не одинакова и максимальная точность достигается при одинаковых показаниях отсчетного устройства. Метод является разветвлением предыдущего метода.

Пример: измерение малого напряжения в высокочувствительном гальванометре. Этапы работы:

  1. подключение неизвестного напряжения;

  2. определение и запоминание показателей отсчетного устройства;

  3. подключение регулир-ого источника известного напряжения;

  4. регулировка источника добив-ся совпадения положения отклонения показателя;

  5. периодичное сравнение величин.


  1. Операции, входящие в процесс измерения и средства их реализации.

Основные операции, проводимые в процессе измерения:

Метрологические операции:

Для реализации измерения в простейшем случае необходимы операции воспроизведения и сравнения. Воспроизведение величин с известными размерностями из множества x1…xn с одинаковым интервалом между соседними величинами ∆x реализуется последовательно либо в пространстве, либо во времени.

Сравнение служит для выявления знака разности размеров величин и однородной измеряемой величины из ряда с известными параметрами xn. знаковая функция:Y = sign (x-x0)




0, x < 0

sign = 1, x ? 0.

Операция сравнения реализуется путем обработки ступенчатым изменением известной величины xn последовательными шагами. В зависимости от способа обработки шаг может быть равномер и неравномер. Обработка продолжается до тех пор, пока разность измеряемой величины и известной величины xn не станет меньше минимальной ступени ∆x.

Средства реализации операций измерений.

Все операции измерения выполняются специальными техническими средствами. Элементарные средства измерений – это средство измерения, осуществляющие одну из операций измерения.

Операция измерения

Элементарное средство

Условное обозначение

Воспроизводство

величины заданного

размера

Мера

xN = Nx*∆xn

Nх xN

Сравнение


Устройство сравнения

(компаратор)

x ∆x




Измерительное преобразование

Измерительный

преобразователь

хвых(Р) = W(Р)*хвх

хвх хвых

Масштабное преобразование

Масштабный преобразователь

хвых= К*хвх

хвх хвых

Воспроизведение – создание выходного сигнала с заданным размером информационного параметра. Ходом меры следует считать численное значение величины Nх , а выходом является величина заданного размера xN.

Сравнение – определение соотношения между однородными величинами с целью получения ответа(> ,< ,?). Сравнения осуществляются путем вычитания.

Измерительное преобразование – операция преобразования входного сигнала измеряемой величины в выходной, обладающего такими свойствами, при которых возможно последующее измерение его информативного параметра с заданной точностью.

Масштабирование – это создание выходного сигнала однородного с входным сигналом, причем размеры информационного параметра выходного сигнала пропорционально размеру информационного параметра входного сигнала.


12. Погрешности измерения, их классификация по способу выражения и характеру изменения.

Абсолютная погрешность измерения - это разность между результатами измерений и истинным значением измеряемой величины, выраженная в единицах измеряемой величины.

Относительная погрешность – это отношение абс погрешности к истинному значению измеряемой величины выраженное в %:

Относительная погрешность является более наглядной характеристикой при сравнении различных типов измерений.

В зависимости от характера измерений различают систематические и случайные погрешности.

Систематическая погрешность – это составляющая погрешности , остающаяся постоянной при повторных измерениях одной и той же величины.

Случайная погрешность – меняется случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины.

Наличие систематической погрешности может быть обнаружено путём анализа условий проведения эксперимента или повторными измерениями одного и того же значения измеряемой величины различными методами или приближениями. Систематическая погрешность может быть в значительной степени уменьшена благодаря устранения источников погрешности , введения поправок и т.д.

Случайные погрешности обычно вызваны большим числом факторов трудно-поддающихся анализу, либо известными причинами, имеющими хаотический характер. В общем случае, влияние случайной погрешности на результат измерения уменьшают путём проведения многократных измерений, одного и того же значения величины и последующей обработки результатов, методами теории вероятностей и математической статистики, встречается грубая погрешность измерения, наз промах. Она значительно превышает ожидаемую погрешность при данных условиях. Промахи выявляются при обработке результатов измерений и отбрасываются т.к. результат измерений всегда содержит систематическую случайную погрешность, то погрешность результатов измерения ? считают случайной величиной. При этом систематическая погрешность ?с представляет собой ожидание случайной величины, а случайная погрешность ? представляет собой центрированную случайную величину.?=?с+?

Деление погрешности на систематические и случайные являются приёмом для анализа и разработки методов уменьшения их влияния на результат измерения для повышения точности измерений. Способы уменьшения для этих типов погрешности различны, а значит сначала необходимо различить погрешности и только за тем принимать меры по их уменьшению.

2.Процесс познания и его связь с измерениями.

Познание окружающего мира происходит формально-логическим образом, путём восприятия объекта измерения человеком, его органами чувств, анализа этих ощущений и их логической обработки сознательно или бессознательно в мозгу человека. Глубина такого логического анализа зависит от уровня развития техники, средств и методики измерения, априорной информации об объекте и от развития наблюдателя. Факторы, влияющие на процесс измерения:

  1. Ограниченность органов чувств человека и степень его тренированности (Тренированный глаз шлифовальщика способен видеть разницу в размерах предмета до 0,3мкм, художник способен различать до 40000 оттенков цветов, нетренированный человек 400-500 оттенков; обычный человек хорошо слышит в диапазоне 16Гц-16кГц, музыканты до 17 кГц, гидроакустики чётче различают низкочастотные звуки до 0,5 Гц).

  2. Взаимосвязь с объектом и органами чувств человека может проводиться путём использования непригодных для этого средств измерения. В ходе эволюционного развития органы чувств человека настолько хорошо приспособились к восприятию окружающего мира, что при минимальной тренировке их можно использовать в качестве измерительного инструмента.

  3. Особенности развития логического анализатора мозга человека.

  4. Особенности воспитания человека, которые закладываются при его обучении и жизни в конкретном обществе.

  5. Характеристики физических измерений. Физ. измерение характеризуется рядом параметров, число которых, вид и значимость существенно зависят от вида измеряемой величины, цели измерений и требуемой точности измерений:

4.Классификация физических величин.

Физические величины имеют несколько классификаций по ряду признаков. По отношению к сигналу измерительной информации физические величины делятся на активные и пассивные.

Активные величины – которые без использования вспомогательных источников энергии могут быть преобразованы в сигнал измерительной информации, то есть в сигнал, функционально связанный с измеряемой величиной. Такими величинами является температура, сила, напряжение и сила электрического тока и т.д.

Для измерения пассивных величин (электрическое сопротивление, индуктивность, масса и т.д.) необходимо использовать вспомогательный источник энергии, при помощи которого создается сигнал измерительной информации, при этом измеряемый пассивные величины преобразуются в активные величины, которые собственно измеряются.

Хотя существуют очень точные меры измерения пассивных величин (емкость, активное сопротивление и т.д.) непосредственное сравнение измеряемой пассивной величины с единицей этой величины невозможно.

По признаку аддитивности физические величины делятся на аддитивные (экстенсивные) и неаддитивные (интенсивные).

Аддитивные физические величины обычно являются физическими или энергетическими свойствами объекта. К ним применима операция суммирования и вычитания. Такие величины (длина, масса, сила, время и т.д.) можно измерять по частям, а также точно воспроизводить с помощью многозначной меры, основанной на суммировании размеров отдельных мер. Так, токи суммируются, если несколько проводов соединено в узел. Сопротивление – при последовательном соединении, а проводимость – при параллельном.

Неаддитивные величины (магнитная восприимчивость, плотность, вязкость и др.) непосредственно не измеряются, а преобразуются в непосредственно измеряемые величины или измеряются путем косвенных измерений. Воспроизведение неаддитивных величин связано со сложностью создания высокоточных эталонов и мер таких величин.

По условной зависимости от других величин физические величины делятся на основные (условно независимые физ вел) и производные (усл зависимые физ вел)

В системе СИ 7 основных единиц физ вел: кг (масса), м (длина), с (время), А (сила тока), К (температура), Кн (сила света), моль (количество вещества).

Также есть 2 дополнительные единицы: радиан, стерадиан. И свыше ста производных величин.

Например dim(l)=L dim(t)=T - эти величины основные. Производная величина dim(V)=dim(l)/dim(t)=L/T.

Включенные в СИ единицы физ вел не охватывают всего многообразия объектов, явлений и процессов, поэтому в развивающихся областях науки возникает необходимость в определении новых физ вел. Например, атомная и ядерная физика, лазерная техника и т.д.

17. Случаи, когда целесообразно применять теорию инвариантов.

Можно указать ряд направлений в общей теории измерений и метрологии, где целесообразно использование инвариантов. Во-первых, рассматривая используемую шкалу измеряемой физической величины как числовую систему гомоморфно отображающую фрагмент объективной действительности в виде системы объектов с некоторыми отношениями, мы видим, что сопоставление этих двух систем производится с точностью до допустимых преобразований выбранной шкалы:

группы перестановок (пермутационной группы) для номинальной шкалы и шкалы классификации;

изотонической группы (группы положительных монотонных

преобразований) для ординальной шкалы (шкалы порядка); общей линейной группы для шкалы интервалов;

группы тождественных преобразований для абсолютной шкалы, которые, по существу, являются инвариантами шкал

Во-вторых, поскольку наивысшая точность достигается для постоянных величин, т. е. для измерений в статике, а в природе такие величины отсутствуют в чистом виде, то в метрологии стремятся обеспечить инвариантность измеряемой величины или какого-либо параметра переменной величины во времени, другими словами, предполагают, что допустимые преобразования описываются группой сдвига для временного аргумента физической величины или ее параметра.

В-третьих, информативные параметры используемых в системе обеспечения единства измерений эталонов, мер, реперных точек, стандартных образцов, а также мер, встроенных в средства измерений, по их метрологическому статусу должны быть инвариантны как к сдвигу во времени, так и к изменению характеристик окружающей среды (влияющих факторов).

В-четвертых, в качестве инвариантов можно рассматривать сигналы, величины, тесты, устройства или связи, используемые для калибровки (самокалибровки), бездемонтажной поверки (самоповерки) и технической диагностики средств измерений и других метрологических систем.

В-пятых, теория подобия, широко используемая для моделирования, и теория размерностей, являющаяся основополагающей в метрологии, основаны на классической теории инвариантов и могут рассматриваться как ее прикладные разделы.


19. Метод компенсации погрешностей по знаку. Метод периодических наблюдений.

Метод компенсации погрешностей по знаку используется для исключений известных по природе, но не известных по значению погрешностей, источники которых имеют направленной действие (термоЭДС, погрешности от магнитного поля). Измерения проводят дважды, таким образом, чтобы погрешность входила в результат измерения с противоположным знаком, а в качестве окончательного результата берется среднее арифметическое.

Метод периодических наблюдений применяется для случаев, когда систематическая составляющая погрешности меняется по периодическому закону. Проводят два наблюдения через полпериода и получают равные погрешности противоположные по знаку. При любых измерениях невозможно полностью исключить систематическую составляющую погрешности измерения. Всегда останется часть, которая будет системной составляющей погрешности измерения, так как результат всякого измерения содержит в себе случайную погрешность. Следовательно, необходимо указать не только получившийся результат, но и оценку качества этого измерения, степень его достоверности. Одним из важнейших показателей точности является среднеквадратическое отклонение с указанием закона распределения.

21. Создание современной эталонной базы с использованием физических эффектов: эффект Зеемана.

ЗЕЕМАНА ЭФФЕКТ, расщепление линий атомных и молекулярных спектров под действием магнитного поля. В 1926 г. В. Гейзенберг и П.Иордан, пользуясь методами квантовой механики, проанализировали эффект Зеемана и вывели формулу Ланде из основных принципов теории. Это исчерпывающее объяснение эффекта Зеемана явилось одним из первых триумфов новой атомной теории. Совр научные методы позв исп эфф З для идентификации атомных и ядерных состояний. Ф-лы типа ф-лы Ланде, связывающие зеемановское расщепление в спектрах атомов, молекул и ядер с из вращательным движением, позволяют по данным измерения эффекта Зеемана в спектрах, обусловленных неизвестными атомными конфигурациями, выяснить характер этих конфигураций. Эффект Зеемана обычно исследуют методами спектроскопии или методами атомных и молекулярных пучков.

Атомно-абсорбционный анализатор КВАНТ-2А

Спектрометр предназначен для элементного анализа жидких проб различного происхождения и состава на уровне концентраций, измеряемых в мкг/л - нг/л. Основные области применения спектрометра – экология, пищевая промышленность, геология, металлургия, другие отрасли промышленности, научные исследования, криминалистика.

Общая характеристика прибора.

Высокая чувствительность, надежность, автоматизация и простота обслуживания позволяют быстро получать достоверные результаты.

Корректор фона, осн на эффекте З, устраняет влияние дрейфа ламп и компенсирует фоновое поглощение, что позволяет повысить точность и экспрессность анализа, и делает данный спектрометр незаменимым при анализе проб со сложным составом матрицы.

Впервые в мире (прибор защищен тремя патентами) реализована конструкция продольно нагреваемой в продольном магнитном поле графитовой печи. Она нагревается очень быстро, что обеспечивает рекордно низкие характеристики массы и пределы обнаружения элементов.

Программное обеспечение использует термины, понятные для любого аналитика, сохраняет результаты работы и продолжает её с момента окончания предыдущего сеанса, помогает составить отчёт.

Сертификат №1918. В Государственном реестре средств измерений РФ №14981-95.

КВАНТ-2А

Основные параметра и характеристики спектрометра.

Спектральный диапазон 190…850 нм

До 50 измерений в час;

Расход образца – 10 мкл/ измерение;

Система коррекции фона обратный эффект Зеемана

Защитный газ аргон

Температура нагрева атомизатора 50…2800°С

27. Абсолютные шкалы. Шкалы порядков (рангов).

Шкала физической величины – это упорядоченная последовательность значений физической величины, принятая на основании результатов точных измерений.

Шкала порядка (шкала рангов).

Данная шкала предполагает упорядочение объектов относительно какого-то определенного их свойства, т.е. расположение их в порядке убывания или возрастания данного свойства. Полученный при этом упорядоченный ряд называют ранжированным рядом, а саму процедуру ранжированием. Ранжированный ряд может дать ответ на вопросы типа «что больше/меньше» или «что лучше/хуже». Более подробную информацию на сколько больше или меньше, во сколько раз лучше или хуже - шкала порядка дать не может.

В шкалах порядка может существовать или не существовать нуль, Принципиально нельзя ввести единицы измерения, так как для них не установлено отношение пропорциональности. По шкале порядка сравнивают между собой однородные объекты, у которых значения интересующих нас свойств неизвестны. Результаты оценивания по шкале порядка также не могут подвергаться никаким арифметическим действиям.

Часто на практике, когда уровень познания явления не позволяет точно установить точно отношения между величинами определенной характеристики, либо применение шкалы удобно и достаточно для практики, используют условные (эмпирические) шкалы порядка. Условная шкала – это шкала физической величины, исходные значения которой выражены в условных единицах.

Широко распространены шкалы порядка с нанесенными на них реперными точками. Для этого, расположив объекты в порядке возрастания (убывания) того или иного свойства, некоторые точки ранжированного ряда фиксируют в качестве отправных (реперных). Совокупность реперных точек образует шкалу возможных проявлений соответствующего свойства. Реперным точкам могут быть поставлены в соответствие цифры, называемые баллами, и, таким образом, появляется возможность оценивания «измерения» данного свойства в баллах, по натуральной шкале. По натуральным шкалах до сих пор оценивают интенсивность землетрясений, морское волнение, твердость минералов и некоторые другие величины.

Абсолютные шкалы.

Под абсолютными шкалами понимают шкалы, обладающие всеми признаками шкал отношений (интервальные шкалы с естественным началом), но дополнительно имеющие естественное однозначное определение единицы измерения и не зависящие от принятой системы единиц измерения. Такие шкалы соответствуют относительным величинам: коэффициенту усиления, ослабления и т.д.

23. Общая характеристика квантовых методов измерения и эталонов на их основе.

Квантовые методы и соответствующие средства измерений отличаются высоким метрологическими характеристиками и уникальными свойствами, которые обусловлены стабильностью физических явлений, лежащих в их основе. Функции преобразования квантовых измерительных преобразователей и приборов базируются на фундаментальных законах микромира и квантово-механических соотношениях. Поэтому во многих случаях в качестве коэффициентов преобразования таких средств измерений выступают фундаментальные физические константы, обычно известные с высокой точностью, или коэффициенты, поддающиеся точному теоретическому расчету. Это кроме высокой точности преобразования обеспечивает переход к абсолютным измерениям и повышение метрологической надежности средств измерений, поскольку такие средства измерения не нуждаются в градуировке и периодической поверке.

Использование физических явлений, происходящих на атомном или ядерном уровнях, т.е. в недрах атома, позволяет создать высокочувствительные средства измерений с порогом чувствительности, равным кванту энергии одной или небольшого ансамбля атомных частиц. По этой же причине метрологические характеристики квантовых приборов мало или вообще не зависят от изменений внешних факторов. При этом, чем более глубинные явления используются, тем меньше эта зависимость. Квантовые преобразователи обычно не искажают состояния объекта исследования. В качестве информативного параметра выходного сигнала квантовых средств измерений во многих случаях выступает частота, являющаяся наиболее точно измеряемой физической величиной, которую легко, без искажений можно передавать на большие расстояния. Это позволяет сделать общедоступной высокую точность измерения не только в метрологической практике, но и при технических измерениях.

Квантовые методы уже нашли применение в метрологии для создания естественных эталонов единиц ряда физических величин. На их основе уже созданы эталоны единиц длины, времени и частоты, электрического напряжения, магнитной индукции, вторичный эталон температуры. Проводятся исследования по созданию естественных эталонов единиц массы на основе уточнения значения числа Авогадро, электрического сопротивления на основе квантового эффекта Холла, силы тока на основе ядерного магнитного резонанса и др.

Совершенствование квантовых методов и их сочетание с современной элементной базой позволяют на их основе создавать не только высокоточные эталоны единиц физических величин, но также образцовые и рабочие средства измерений с уникальными характеристиками, которые не могут быть получены на основе применения классических методов. Уже созданы усилители и аналого-цифровые преобразователи с порогом чувствительности 10-14 В, тесламетра и градиентометры с порогами чувствительности соответственно 10-15 Тл-Гц-1/2 и 10-13 Тл-Гц-1/2 на основе эффекта Джозефсона, точные килоамперметры, бесконтактные расходометры и концентратометры на основе ядерного магнитного резонанса, измерители сверхмалых линейных и угловых размеров с порогами чувствительности соответственно 10-12 и 0,001`` на основе рентгеновской интерферометрии, лазерные интерферометры, обеспечивающие измерение в производственных условиях линейных размеров с погрешностью 2·10-7, концентратометры и измерители сверхмалых скоростей на основе эффекта Мессбауэра и др.

Многие квантовые методы, в частности основанные на явлениях магнитного резонанса, ядерного квадрупольного резонанса, эффекте Мессбауэра, относятся к категории резонансных, поскольку в их основе лежит резонансное взаимодействие электромагнитного излучения с системой атомных частиц. Их применение позволяет создавать высокоточные средства измерения, обладающие высокой чувствительностью, свойственной резонансным методам.


26. Аппроксимирующие измерительные системы

Если нужно количественно оценить и при необходимости восстановить исходную входную величину, являющуюся функцией некоторого аргумента, то имеется принципиально 2 пути выполнения измерения. Первый, чаще используемый, заключается в измерении дискрет этой величины, расположенных через определенный интервал аргумента, и в восстановлении ее с помощью многочленов невысокой степени. Второй путь связан с измерением коэффициентов многочлена, характеризующих исходную функцию на всем интервале ее анализа. При этом порядок аппроксимирующего многочлена должен быть более высоким. При соответствующем выборе типа приближающего многочлена имеется возможность не только количественного описания поведения изучаемой величины в любой точке интервала, но и одновременного получения информации о некоторых свойствах этой величины. В частности, при использовании ряда Фурье знание его коэффициентов позволяет судить о частном составе изучаемой функции (о ее спектре). Измерительной системы, позволяющие измерить коэффициенты приближающих многочленов, называются аппроксимирующими измерительными системами. Аппроксимирующие измерительные системы относятся к системам, предназначенных для количественного описания величин, являющихся функциями времени, пространства или др аргумента и их обобщающих параметров, определенных видом приближающего многочлена
29. Определение шкалы физических величин. Шкалы наименований (классификаций).

На практике необходимо проводить измерения различных физических величин, характеризующих свойства веществ, тел, явлений и процессов. Некоторые свойства проявляются только количественно, другие – качественно. Количественные или качественные проявления любого свойства отражаются множествами, которые образуют шкалы измерения этих свойств. Шкала измерений количественного свойства является шкалой физической величины. Шкала физической величины – это упорядоченная последовательность значений физической величины, принятая на основании результатов точных измерений.

В соответствии с логической структурой проявления свойств шкалы измерений делятся на пять основных типов: наименований, порядка, интервалов, отношений и абсолютные шкалы.

Шкала наименований (шкала классификации). Такая шкала основана на приписывании объекту цифр (знаков), играющих роль простых имен. Данное приписывание цифр выполняет на практике ту же функцию, что и наименование. Чаще всего эти шкалы используются для классификации эмпирических объектов, свойства которых проявляются только в отношении эквивалентности. Эти свойства нельзя считать физическими величинами, поэтому шкалы такого вида не являются шкалами физических величин. Нумерация объектов по шкале наименований осуществляется по принципу: «не приписывай одну и ту же цифру разным объектам». Поэтому с цифрами, используемыми только как специфические имена, нельзя проводить никаких арифметических действий. Если, например, одни из резисторов обозначен в электрической схеме R2, а другой R1, то из этого нельзя сделать вывод, что значения их сопротивлений отличаются вдвое, а может лишь установить, что оба они относятся к классу резисторов.

Так как эти шкалы характеризуются только отношениями эквивалентности, то в них отсутствует понятие «больше» нуля или «меньше» и единицы измерения.
30. Классификация методов измерения. Принцип дополнительности

Метод измерений – согласно ГОСТ 16263-70 эта совокупность приёмов использования принципов и средств измерений.

В этом же ГОСТе принцип измерения определяется как совокупность физических явлений на которых основаны измерения.

Основываясь на приведённом определении методы измерений классифицируют по разным признакам:

  1. по способу сравнения измеряемой величины с единицей физической величины

  2. по физическим явлениям или закономерностям положенных в основу измерения

  3. по видам измерительных преобразований

  4. по способу взаимодействия средства измерения с объектом

  5. по способам воспроизведения величин заданного размера

  6. по видам применяемых средств измерений

  7. по информативному параметру, сигналу измерительной информации и по неиспользуемым свойствам объекта исследования

Средства измерений рассматривается как воплощение одного или нескольких методов измерений знание которых способствует правильной организации и проведению процесса измерения.

В зависимости от способа применения меры известной величины различают

1. Метод непосредственной оценки

2. Метод сравнения с мерой

При первом методе значение измеряемой величины определяется непосредственно на отсчётном устройстве измерительного прибора прямого преобразования, шкала которого проградуирована с помощью многозначной меры, воспроизводящей известные значения, величины в приборе прямого преобразования.

Наблюдение в процессе измерения производится сравнение положения указателя отсчётного устройства и шкалой по которой производится отсчёт.

Большая группа методов измерения носит название методов сравнения их относительной чертой является непосредственный учёт меры:

  1. Нулевой – разность соизмеримых величин или разность производимых ими эффектов сводится к нулю.

  2. дифференциальный метод – разность измеряемой и известной величины воспроизводимой меры измеряется измерительным примером;

неизвестная величина определяется суммированием известной величины и измеряемой разности. В отличии от нулевого метода происходит неполное уравновешивание измеряемой величины известной величиной. Метод обеспечивает высокую точность, если точна мера и разность между величинами мала

  1. Метод замещения - поочерёдное подключение на вход прибора измеряемой и известной величины воспроизводимой меры, по показаниям оценивается значение неизвестной величины, т. к. оба измерения производятся одним прибором при одинаковых условиях значительно уменьшается погрешность результата измерения

  2. Метод совпадения основан на том, что обычно погрешность прибора в разных точках шкалы неодинаковы и максимальная точность достигается при одинаковых показаниях отсчётного устройства, метод является развитием метода замещения
  1   2


1. Основные понятия и термины: физ св-во, физ. величина, размерность, измерение, результат измерения. Основное уравнение измерений
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации