CC BY
31
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2015. Том 2
УДК 537.33
УСТРАНЯЕМЫЕ И НЕУСТРАНЯЕМЫЕ ВОЗМУЩАЮЩИЕ ЭФФЕКТЫ
И ВОЗДЕЙСТВИЯ
Ю. В. Слепчук, Д. С. Черепанова Научный руководитель - М. С. Эльберг
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: [email protected]
Описываются методы, ограничивающие предельные значения точности. На квантово-механическом уровне - принципом неопределенности Гейзенберга, на молекулярном уровне - законами термодинамики. Практические ограничения вызываются несовершенством измерительных сигналов, технологией производства средств измерений, технологией измерения, влиянием внешних и внутренних возмущений на измерительные системы. Приведенные принципы указывают на наличие предельных ограничений, накладываемых природой и уровнем развития техники на точность измерений.
Ключевые слова: принцип неопределенности Гейзенберга, принцип неопределенности Найкви-ста, принцип воздействия внешних возмущений на прибор.
ARE FIXED AND PERMANENT PERTURBING EFFECTS AND IMPACT
Y. V. Slepchuk, D. S. Cherepanova
Scientific supervisor - M. S. Е^^
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
Describes the methods, the bounding limits of accuracy. The quantum-mechanical level - the Heisenberg uncertainty principle, at the molecular level - the laws of thermodynamics. Practical limitations are caused by the imperfection of the measuring signals, the technology ofproduction of measuring instruments, measurement technology, the influence of external and internal disturbances on the measuring system. The following guidelines indicate the presence of the limiting constraints of nature and technology on the accuracy of the measurements.
Keywords: the Heisenberg uncertainty principle, the Nyquist uncertainty principle, the principle impact of external disturbances on the device.
Измерительные приборы имеют принципиальные и практические ограничения на точность измерений. Принципиальные ограничения обусловлены дискретностью измеряемых величин (например, нельзя измерить заряд, меньший заряда электрона) или дискретностью вещества и энергии. На кван-тово-механическом уровне предельные точности определяются принципом неопределенности Гей-зенберга, на молекулярном уровне - законами термодинамики. Практические ограничения вызываются несовершенством измерительных сигналов, технологией производства средств измерений, технологией измерения, нестабильностью материалов, влиянием внешних и внутренних возмущений на измерительные системы. Учет этих ограничений базируется на следующих аксиомах теории измерений.
Начнём с принципа неопределенности Гейзенберга. Соотношения неопределённостей Гейзенбер-га являются теоретическим пределом точности одновременных измерений двух некоммутирующих наблюдаемых. Они справедливы как для идеальных измерений, так и для неидеальных измерений.
Согласно принципу неопределённости у частицы не могут быть одновременно точно измерены положение и скорость (импульс). Принцип неопределённости уже в виде, первоначально предложен-
Секция «Метрология, стандартизация и сертификация»
ном Гейзенбергом, применим и в случае, когда не реализуется ни одна из двух крайних ситуаций (полностью определенный импульс и полностью неопределенная пространственная координата - или полностью неопределенный импульс и полностью определенная координата) [1].
2. Принцип неопределенности Найквиста: мощность шума, вызываемого флуктуациями (случайными, хаотическими движениями) элементарных частиц, определяется формулой
Жш = 4kTv ,
где k =1,38 10-23 Дж/K - постоянная Больцмана; T - абсолютная температура в градусах Кельвина; Av - полоса частот измеряемого сигнала (полоса пропускания прибора). Следовательно, мощность сигнала Жс, который может быть измерен, должна удовлетворять неравенству
Жс > Жш.
3. Принцип технологического несовершенства измерительных приборов: невозможно создать прибор, характеристики которого абсолютно точно соответствовали бы проектным характеристикам, вследствие несовершенства технологического процесса изготовления прибора и его элементов [2].
Технологическое несовершенство обусловлено совокупностью параметров и характеристик П(п1, П2, • ••, Пп), таких как неточность: изготовления деталей и элементов; настройки и регулировки прибора; выдерживание режимов тепловой обработки (закалки, отжига, цементации); обработки поверхностей и т. д. Если q(q1,q2, •.., qm) - совокупность элементов, составляющих прибор, то технологическое несовершенство характеризуется выражением q = q(n).
4. Принцип воздействия внешних возмущений на прибор: сигналы в приборах подвергаются влиянию внешних возмущений £2, •.., приводящих к погрешностям измерения; к таким возмущениям, в частности, относятся: воздействия электромагнитных и гравитационных полей, возмущения, вызванные переносным движением основания, на котором установлен измерительный прибор.
5. Принцип генерирования возмущений внутри измерительного прибора: внутри прибора существуют элементы, генерирующие возмущения v(v1, v2, •.., vd), приводящие к возникновению погрешностей измерений; к таким возмущениям, в частности, относятся: трение, электромагнитное поле, тепловыделение, акустическая эмиссия (отделение частиц от элементов, помещенных в вакуум).
6. Принцип несовершенства технологии измерения: любое измерение не может быть абсолютно точным даже в том случае, если прибор является идеальным, изза несовершенства технологии измерений; к таким несовершенствам, в частности, относятся: неточность снятия показаний и установки прибора, конечное время процесса измерения; непостоянство внешних условий.
7. Принцип отсутствия новой информации: без получения новой измерительной информации невозможно создать новые технические системы.
Приведенные принципы указывают на наличие предельных ограничений, накладываемых природой и уровнем развития техники на точность измерений [3].
Библиографические ссылки
1. Элементы [Электронный ресурс]. URL: http://elementy.ru/trefil/21096 (дата обращения 15.04.2015).
2. Студопедия [Электронный ресурс]. URL: http://studopedia.net/7_13353_printsipi-ogranichivayushchie-tochnost.html (дата обращения 15.04.2015).
3. StudFiles [Электронный ресурс]. URL: http://www.studfiles.ru/preview/1698193/page:3/ (дата обращения 15.04.2015).
© Черепанова Д. С., Слепчук Ю. В., 2015
