Лекция 1. ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ

Методические указания к лекционному занятию

- Изучите лекционный материал.

- После окончания изучения лекции ответьте на контрольные вопросы в конце лекции.

- Сохраните ответы в файле .DOC или .TXT. В имени файла укажите свою группу, фамилию и номер лекции.

- Файл с ответами отправьте на электронный адрес filipok_@mail.ru

Лекция 1

ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ

Общие сведения

Развитие новых направлений радиотехники и телекоммуникационных систем, бурный рост радиоэлектронной промышленности, внедрение компьютеров, автоматизация производства невозможны без совершенствования метрологического обеспечения и измерительной аппаратуры, создания новых методов измерений и средств контроля. На всех этапах исследования, разработки, производства и эксплуатации радиоэлектронных устройств работа инженеров связана с большим числом измерений радиотехнических величин. От того, насколько правильно и быстро проводятся измерения, зависят сроки разработки, качественные показатели и надежность аппаратуры, а также затраты на ее создание и использование.

Достаточно высокий уровень знаний современных методов измерений и приборов, умение произвести измерения быстро и с наивысшей в данных условиях точностью, обойдясь оптимальным количеством приборов, характеризуют квалификацию радиоинженера. Особенно необходимы специалисту такого профиля знания по основам теории погрешностей, по цифровым методам измерений, методам исследования статистических характеристик случайных процессов.

Качественно новое развитие различных направлений радиоэлектроники предъявляет все более высокие требования к метрологическому обеспечению и уровню радиоизмерений и вызывает разработку новых методов и приборов. В этой связи для метрологии характерны следующие направления:

• разработка современных методов измерений и приборов с использованием новейших физических принципов или радиотехнологий, необходимых для перспективных направлений науки и техники;

• повышение точности измерений и расширение пределов измеряемых величин;

• создание комплексных полуавтоматических и автоматических измерительных систем, обладающих высокой точностью, быстродействием и надежностью.

Перед изучением этой дисциплины возникает вопрос: в чем отличие радиоизмерений от электроизмерений? В радиотехнике, как и в электротехнике, измеряются однотипные электрические величины — напряжение, сила тока, форма, частота и период колебаний, мощность и пр., — что является следствием общности электромагнитных явлений, на которых базируются эти области науки и техники.

Большинство методов, измерительных схем и устройств, применяемых в течение многих лет в электроизмерительных приборах, получили свое дальнейшее развитие и лежат в основе современной радиоизмерительной аппаратуры. Например, компенсационный метод, позволяющий получить максимальную точность измерения электрических величин, используется в современных цифровых приборах, находящих широкое применение при радиотехнических измерениях. Можно сказать, что различия электро- и радиоизмерений проявляются в основном в диапазонах значений измеряемых величин и в подходе, определяемом конечной целью измерения.

Главные задачи радиотехники (и радиоэлектроники) непосредственно связаны с передачей, приемом, обработкой, преобразованием и хранением информации. Поэтому для радиотехники характерно исследование колебаний весьма широкого диапазона частот, при этом очень важно бывает не только определить значения измеряемых величин, но и получить данные о форме и спектре сигналов.

Перечислим основные особенности, характерные для радиоизмерений.

1. Чрезвычайно широкий диапазон измеряемых величин, например по мощности — от долей микроватт до сотен киловатт, по напряжению — от долей микровольт до сотен тысяч вольт, по частоте — от 10^-2 Гц до 3*10¹² Гц и более, по величине сопротивления — от 10^-6 Ом до 10¹² Ом и т.д. Вследствие этой особенности методы измерения одного и того же параметра могут отличаться в зависимости от диапазона частот, на которых производится измерение. От диапазона исследуемых частот зависит даже сам перечень параметров, подлежащих измерению. Так, если в диапазоне радиочастот обычно измеряется напряжение сигнала, то в диапазоне СВЧ, как правило, измеряется его мощность. При этом геометрические размеры объектов измерения многократно отличаются друг от друга (изделия микроэлектроники и изделия антенной техники).

По причине все того же широкого частотного диапазона измеряемых величин возникают серьезные трудности при устранении влияния подключаемых измерительных приборов на работу исследуемого устройства.

2. Поскольку основной объект исследования в устройствах телекоммуникационных систем — электрический сигнал — является носителем используемой информации, возникает необходимость наблюдения формы и спектра электрических колебаний, а также генерирования их копий и образцов.

Этим вызвано широкое применение в практике радиоизмерений приборов для наблюдения и регистрации колебаний (осциллографов, анализаторов спектров) и источников электрических колебаний (измерительных генераторов).

1. Вследствие сложности структуры современных радиотехнических систем и устройств и большого количества всевозможных параметров, описывающих их работу, характерно разнообразие измерений даже в одном эксперименте, необходимость комплексного их проведения, быстродействие, точность, а следовательно, автоматизация при современном . статистическом характере измерений.

Типовая схема измерения параметров сложного радиотехнического устройства работает следующим образом. Найденные значения параметров объекта измерения в виде электрических сигналов могут быть представлены прямо на устройстве отображения, т.е. измерены непосредственно. В другом случае эти же электрические сигналы, характеризующие измеряемые параметры объекта, подаются в компьютер. Сюда же заводятся заданные параметры объекта и внешней среды. После обработки по одному из способов сравнения (рассмотрены далее) результирующий сигнал подается на устройство отображения. В последнем случае можно сказать об автоматизированной системе измерения, управляемой компьютером. Очевидно, что точность измерений в этом случае будет значительно выше.

Как уже упоминалось, ГОСТом введен ряд метрологических терминов и определений, рассмотренных ниже.

Любой объект окружающего мира характеризуется своими свойствами. Свойство — философская категория, выражающая такую сторону объекта (процесса, явления), которая обусловливает его общность |или различие с другими объектами (процессами, явлениями) и обнаруживается в его отношениях к ним. По своей сути свойство — категория качественная. Для количественного описания различных свойств процессов и физических тел вводится понятие величины. Величина — свойство чего-либо, которое может быть выделено среди других свойств и оценено тем или иным способом, в том числе и количественно. Величина не существует сама по себе, она имеет место лишь постольку, поскольку существует объект со свойствами, выраженными равной величиной. Анализ величин позволяет разделить их на два вида: идеальные и реальные.

Идеальные величины главным образом относятся к области математики и являются обобщением (моделью) конкретных реальных понятий. Они вычисляются тем или иным способом.

Реальные величины, в свою очередь, делятся на физические и нефизические. Физическая величина в общем случае может быть определена как величина, свойственная материальным объектам (процессам, явлениям), (изучаемым в естественных (физика, химия) и технических науках. К не-физическим следует отнести величины, присущие общественным (нефизическим) наукам — философии, социологии, экономике и т.д.

Физическая величина — свойство, общее в качественном отношении для множества объектов, физических систем, их состояний и происходящих в них процессов, но индивидуальное в количественном отношении для каждого из них. Качественная сторона понятия «физическая величина» определяет «род» величины (например, электрическое сопротивление как общее свойство проводников электричества), а количественная — ее «размер» (сопротивление конкретного проводника). Не вызывает сомнения тот факт, что числовое значение результата измерения будет зависеть от выбора единицы физической величины. В частности, в популярном детском мультфильме при измерении длины удава в качестве единицы длины была выбрана длина попугая. Если же за единицу длины выбрать общепринятую единицу — метр, то числовое значение длины удава будет иным, хотя размер его остался прежним. Следует отметить, что размер физической величины существует объективно, независимо от того, определили мы его или не определили.

С развитием науки, техники и разработкой новых технологий измерения охватывают все новые и новые физические величины, существенно расширяются диапазоны измерений как в сторону измерения сверхмалых значений, так и в сторону очень больших значений физических величин. Практически все электрические и радиотехнические величины, методы и средства измерения которых рассматриваются в настоящем курсе, являются характерными примерами физических величин.

Физические величины целесообразно разделить на измеряемые и оцениваемые. Измеряемые физические величины можно выразить количественно в виде определенного числа установленных единиц измерения. Физические величины, для которых по каким-либо причинам не может быть введена единица измерения, могут быть только оценены. Оценивание — операция приписывания данной физической величине определенного числа принятых для нее единиц, проведенная по установленным правилам.

Нефизические величины, для которых единица измерения в принципе не может быть введена, могут быть только оценены. Следует отметить, что оценивание нефизических величин не входит в задачи метрологии и радиоизмерений.

По принадлежности к различным группам физических процессов физические величины делятся на электрические и магнитные, акустические, световые, пространственно-временные, тепловые, механические, физико-химические, ионизирующих излучений, атомной и ядерной физики.

Значение физической величины — оценка физической величины в принятых единицах измерения (например, 10 А — значение силы тока, причем само число 10 — это числовое значение). Именно этот термин следует применять для выражения количественной стороны рассматриваемого свойства. Неправильно, например, говорить и писать «величина тока», «величина напряжения» и т.д., поскольку ток и напряжение сами являются величинами (правильным будет применение терминов «значение силы тока», «значение напряжения» и пр.).

При выбранной оценке физической величины, как объективно существующим свойством объекта в данный момент времени, ее можно охарактеризовать истинным, действительным и измеренным значениями.

Нахождение истинного значения измеряемой физической величины является главной проблемой метрологии. Одним из постулатов метрологии является положение о том, что истинное значение физической величины существует, однако определить его путем измерения невозможно.

Истинным значением физической величины называется значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта. Определить экспериментально его невозможно вследствие неизбежных погрешностей измерения. Погрешность — это отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Положим, что измеряется диаметр круглого диска. Не вызывает сомнения положение, что измерение диаметра диска можно проводить со все более и более высокой точностью, стоит лишь выбрать средство измерений соответствующей точности. Но когда погрешность средства измерения достигнет размеров молекулы, обнаружится как бы размывание краев диска, обусловленное хаотическим движением молекул. Вследствие этого за некоторым пределом точности само понятие диаметра диска потеряет первоначальный смысл и дальнейшее повышение точности измерения бесполезно. Следовательно, понятие «истинного» значения диаметра в данном случае приобретает вероятностный смысл и можно лишь с определенной вероятностью установить интервал значений, в котором оно находится.

В связи с тем, что истинное значение физической величины определить невозможно, в практике измерений оперируют понятием действительного значения, степень приближения которого к первому зависит от точности измерительного средства и погрешности самих измерений.

Действительным значением физической величины называется значение физической величины, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него. Для действительного значения физической величины всегда можно указать границы более или менее узкой зоны, в пределах которой с заданной вероятностью находится истинное значение физической величины. Действительное значение физической величины определяют по образцовым мерам и приборам, погрешностями которых можно пренебречь по сравнению с погрешностями применяемых средств измерения.

Под измеренным значением понимается значение величины, отсчитанное по отсчетному устройству средства измерения.

Приведем еще ряд терминов, используемых в метрологии и относящихся к понятию физическая величина.

Влияющая физическая величина — физическая величина, непосредственно не измеряемая средством измерения, но оказывающая влияние на него или на объект измерения таким образом, что это приводит к искажению результата измерения. Так, например, при измерении параметров транзистора влияющей величиной может быть температура, если эти параметры зависят от температуры.

Постоянная физическая величина — физическая величина, размер которой по условиям измерительной задачи можно считать не изменяющимся за время, превышающее длительность измерения.

Переменная физическая величина — физическая величина, изменяющаяся по размеру в процессе измерения

Физический параметр — физическая величина, характеризующая частную особенность измеряемой величины. Например, при измерении напряжения переменного тока в качестве параметров напряжения могут выступать его амплитуда, мгновенное, средневыпрямленное (постоянная составляющая) или среднеквадратическое значения и пр.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение, что такое «Физическая величина»

2. Почему в практике измерений оперируют понятием действительного значения?

3. Приведите постулат метрологии о нахождении истинного значения измеряемой физической величины

4. Что такое значение физической величины? Какими значениями можно охарактеризовать физическую величину?

5. Что называется действительным значением физической величины?