Основы измерений

д.ф.-м.н. Э.В. Девятов

Аннотация

Этот курс лекций в значительной мере имеет ознакомительный характер - студенты впервые знакомятся с экспериментальной техникой. Следует отметить, что лабораторное оборудование, внешний вид лабораторий и навыки, необходимые экспериментатору, радикально изменились на жизни одного поколения. Из лабораторий практически полностью исчезли стеклянные приборы, медь в низкотемпературном оборудовании заменена нержавеющей сталью, пайку заменила сварка, появилась и исчезла ламповая измерительная радиотехника. Скорее всего, прогресс лабораторной техники и далее будет происходить столь же быстро.

1. Введение. Наука фундаментальная и прикладная. Что такое «измерение» и какие измерения бывают.
   Определение измерения как отображение элементов эмпирического множества на элементы абстрактного воображаемого множества, осуществляемое по определенным правилам преобразования.


2. Определения и эталоны. Единицы и системы единиц.
   На протяжении веков определение единиц изменялось. Скажем метр, определялся как доля гринвичского меридиана, а в настоящее время определяется как путь, проходимый светом в вакууме за 1/299792458 сек. Уже из этого примера видно стремление определить единицу измерений так, чтобы на базе определения можно было построить так называемый первичный эталон.


3. Методы измерений. Стратегия измерений. Ошибки измерений.
   Каждое измерение имеет ограниченную точность – сопровождается определенной погрешностью. Поэтому всегда имеется различие между истинным значением измеряемой величины и измеренным значением. Как мы помним, погрешности измерений бывают систематическими и случайными.


4. Характеристики измерительных систем. Описание измерительных систем с помощью дифференциальных уравнений.
   Чувствительность. Порог чувствительности Разрешающая способность. Чувствительность к форме сигнала. Нелинейность измерительных систем. Пределы измерений и динамический диапазон.


5. Обратное влияние измерительной системы на измеряемый объект: согласование. Шумы и помехи. Источники помех.
   Измерительная система, для того, чтобы получить информацию об измеряемом объекте, либо отбирает у него часть энергии, либо, наоборот, вводит избыточную энергию и исследует отклик объекта. И в том и в другом случае система возмущает измеряемый объект, что приводит к ошибкам в измерении.


6. Структура измерительных систем. Измерительные датчики.
   Структура измерительной системы зависит от того, является измеряемый объект активным или пассивным. Измерительная система должна содержать блок преобразования сигнала. блок обработки. регистрации, индикации и управления.


7. Преобразование измеряемого сигнала. Идеальный операционный усилитель. Синхронный усилитель (Lock-in Amplifier). Нелинейная обработка сигнала.
   Синхронными усилителями называются усилители, чувствительные только к определенной частоте и выходной сигнал которых пропорционален сигналу выбранной частоты, находящемуся в фазе с опорным сигналом. Синхронный усилитель состоит из собственно усилителя (с расширеным частотным диапазоном), синхронного детектора и генератора опорной частоты.


8. Цифро – аналоговое преобразование. Аналогово-цифровые преобразователи.
   Цифро – аналоговое преобразование сводится к построению напряжения, пропорционального числу, заданному в двоичном коде. Аналого-цифровые преобразователи выполняют обратную задачу. АЦП последоваетельного приблиэжения и АЦП параллельного типа


9. Обмен информацией между отдельными приборами и/или компьютером.
   Для обмена данными между отдельными приборами, входящими в измерительную установку, используется интерфейсный канал в стандарте IEEE-488.


10. Криогенные жидкости. Криостаты.
    Наиболее распространенными в лабораторной практике криогенными жидкостями являются жидкий азот и жидкий Не4. При атмосферном давлении температура кипения жидкого азота составляет 79К, а жидкого Не4 – 4.2К. Криогенные жидкости транспортируют в специальных сосудах - сосудах Дьюара.


11. Вакуумные уплотнения. Насосы.
    Для удаления газа и создания не очень хорошего вакуума (остаточное давление 10-2 -10-3 мм рт. ст.) используются форвакуумные насосы. Более высокий вакуум (до 10-6 мм рт.ст.) может быть получен, например, с помощью диффузионных паромасляных насосов. Более современной версией высоковакуумных насосов являются насосы турбомолекулярные Вакуум, получаемый с помощью турбомолекулярных насосов достигает 10-10 мм рт. ст..


12. Магнитное поле.
    Условно диапазон магнитных полей, достижимых в лаборатории, можно разделить на три области: поля слабые (от нуля до 0.01Т) поля средней величины (примерно до 1.5-2 Т) и поля сильные (до 60Т).


13. Лазеры.
    Чрезвычайно важным лабораторным устройством в последние десятилетия стали источники света высокого качества –лазеры, которые обеспечивают когерентный поток монохроматического света.


14. Техника сверхвысоких частот.
    К сверхвысоким частотам (СВЧ) относят обычно частоты, отвечающие длинам волн от 3 см и короче, вплоть до инфракрасного света. Волны этого диапазона генерируются либо специальными радиолампами (магнетронами, клистронами и лампами обратной волны), либо специальными полупроводниковыми диодами (диод Гана).

Конспект лекций «Основы Измерений»:

 Основы Измерений (конспект лекций В.Т. Долгополова).

 Основы Измерений (презентация Э.В. Девятова).

 Основы Измерений (контрольные вопросы).