Радиоизмерения. Метрология и радиоизмерения
 Скачать 3.68 Mb.
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации Сибирский федеральный университет 60-летию Военной академии Воздушно-космической обороны им. Маршала Советского Союза Г.К. Жукова посвящается МЕТРОЛОГИЯ И РАДИОИЗМЕРЕНИЯ Допущено ВУНЦ ВВС ВВА в качестве учебника для обучения кур- сантов военных учебных центров, обучающихся по укрупненной группе подготовки специалистов 11.00.00 «Электроника, радиотехника и системы связи»; 11.05.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы»; 11.05.02 «Спе- циальные радиотехнические системы», рег. номер 015 от 08.11.2016 г. Под общей редакцией доктора технических наук Д.С. Викторова Красноярск СФУ 2016 УДК 621.396.96:006.91(07) ББК 30.10я73 М546 Авторы: И.В. Лютиков, А.Н. Фомин, В.А. Леусенко, Д.С. Викторов, А.А. Филонов, Л.И. Лященко, В.А. Копылов М546 Метрология и радиоизмерения : учебник / И.В. Лютиков, А.Н. Фомин, В.А. Леусенко [и др.] ; под общ. ред. Д.С. Викторова. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2016. – 508 с. ISBN 978-5-7638-3477-2 В учебнике изложены основы теории погрешностей, методы измерения радиотехнических величин, принципы построения и правила применения наиболее распространенных радиоизмерительных средств измерений. Учебник предназначен для студентов вузов, обучающихся по укрупнен- ной группе подготовки специалистов 11.00.00 «Электроника, радиотехника и системы связи»; 11.05.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы»; 11.05.02 «Специальные радиотехнические системы», а также может быть по- лезен инженерно-техническому составу, интересующемуся методами и сред- ствами измерений. Электронный вариант издания см.: УДК 621.396.96:006.91(07) http://catalog.sfu-kras.ru ББК 30.10я73 ISBN 978-5-7638-3477-2 © Сибирский федеральный университет, 2016 Предисловие 3 ПРЕДИСЛОВИЕ Современный специалист в своей повседневной деятельности неразрывно связан с проведением большого числа измерений на основе самых разнообраз- ных средств измерений, отличающихся по виду измеряемых величин, принципу действия, точности, сложности, условиям работы и т. д. С помощью средств измерений при эксплуатации технических устройств может решаться широкий круг измерительных задач: контроль функционирова- ния, работоспособности и исправности устройств (систем); поиск отказов и не- исправностей; диагностирование и прогнозирование технического состояния устройств (систем); измерение параметров и характеристик устройств при инже- нерном анализе и др. Особенностью развития измерительной техники на современном этапе яв- ляется улучшение технико-экономических характеристик средств измерений. Существенно возросла точность измерительных приборов, повысилось их быст- родействие, расширился диапазон измерения, увеличилось количество измеряе- мых величин. Указанные тенденции нашли отражение в предлагаемом учебнике. В нем изложены основы теории погрешностей, методы измерения радиотехни- ческих величин, принципы построения и правила применения наиболее распро- странённых радиоизмерительных средств измерений. Учебник предназначен для студентов вузов, обучающихся по укрупненной группе подготовки специалистов 11.00.00 «Электроника, радиотехника и системы связи»; 11.05.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы»; 11.05.02 «Специаль- ные радиотехнические системы», а также может быть полезен инженерно- техническому составу, интересующемуся методами и средствами измерений. Данный учебник представляет собой труд преподавательского коллектива кафедры «Основы построения радиоэлектронных средств и систем» Военной академии Воздушно-космической обороны имени Маршала Советского Союза Г.К. Жукова и Военно-инженерного института Сибирского федерального уни- верситета (СФУ). Глава 1 подготовлена ведущим инженером лаборатории ра- диолокации и метрологии ВА ВКО (Военной академии Воздушно-космической обороны им. Маршала Советского Союза Г.К. Жукова, г. Тверь) Л.И. Лященко; глава 2 написана профессором кафедры АСУ и связи ВА ВКО, доктором техни- ческих наук доцентом А.А. Филоновым; главы 3 и 4 разработаны начальником учебного военного центра СФУ, кандидатом технических наук В.А. Копыловым; главы 5 и 6 подготовлены доцентом учебного военного центра, кандидатом тех- нических наук В.А. Леусенко; главы 7 и 8 написаны профессором учебного во- енного центра, кандидатом технических наук, доцентом И.В. Лютиковым; главы 9 и 10 подготовлены профессором учебного военного центра, кандидатом техни- ческих наук, доцентом А.Н. Фоминым, а главы 11–15 – профессором кафедры основ построения радиоэлектронных средств и систем ВА ВКО, доктором тех- нических наук Д.С. Викторовым. Общее редактирование проведено Д.С. Викто- ровым. Раздел 1. Теоретические основы метрологии 4 Раздел 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ Глава 1. ОСНОВЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ 1.1. История развития метрологии Термин «метрология» образован из двух греческих слов: «метрон» – мера и «логос» – учение. В дословном переводе «метрология» – это учение о мерах или, как принято определять в настоящее время это понятие, – наука об измерениях. Потребность в измерениях возникла в незапамятные времена. Из глубины веков дошли до нас следующие единицы веса: единица веса драгоценных камней – карат, что в переводе с языков древнего юго-востока означает «семя боба», «горошина»; единица аптекарского веса – гран, что в переводе с латинского, французского, английского, испанского означает «зерно». Уже в древности проводились измерения времени, расстояния между поселениями, веса (массы) физических тел, площади земельных участков и т. д. Как правило, при этом использовались антропологические единицы измерений, т. е. единицы измерений, связанные с человеком и размерами его тела. Например, в России использовались следующие меры: перст – ширина указательного пальца (в метрической системе мер около 2 см); вершок – ширина сложенных вместе двух пальцев, указательного и среднего (около 4,4 см); пядь малая – расстояние между концами вытянутых большого и указательного пальцев руки (около 19 см); пядь великая – от кончика мизинца до кончика большого пальца, растянутых по одной линии (от 22 до 23 см); косая сажень – расстояние от носка левой ноги до конца пальцев правой руки, вытянутой по диагонали (от 216 до 248 см). Древнее происхождение имеют и «естественные» меры. Первыми из них, получившими повсеместное распространение, стали меры времени. На основе астрономических наблюдений древние вавилоняне установили Глава 1. Основы обеспечения единства измерений 5 год, месяц, час. Впоследствии 1/86 400 часть среднего периода обращения Земли вокруг своей оси получила название секунды. Наряду с этим уже на заре цивилизации люди пришли к пониманию ценности так называемых вещественных мер и единиц измерений. Так, в Вавилоне в XI в. до н.э. время измерялось в минах. Мина равнялась промежутку времени (равному, примерно, двум астрономическим часам), за который из принятых в Вавилоне водяных часов вытекала «мина» во- ды, масса которой составляла около 500 г. В дальнейшем мина сократи- лась и превратилась в привычную для нас минуту. Со временем водяные часы уступили место песочным, а затем более сложным маятниковым ме- ханизмам. Гюйгенс, посвятивший созданию и усовершенствованию маятнико- вых часов почти 40 лет и считавший это главным делом своей жизни, в 1664 г. писал: «... я нашел легкий и удобный способ регулировки часов. К этому, однако, присоединяется то, что я считаю еще более ценным, а именно: благодаря своему открытию я смог дать абсолютно устойчивое определение для постоянной, верной для всех времен меры длины». Речь идет об использовании свойства изохронности колебаний математического маятника, подмеченного Галилеем еще в 1583 г. При малых отклонениях маятника период его колебаний равен g: T = 2π L, где L – длина маятника; g – ускорение свободного падения. Это позволяет выразить меру длины через естественную меру времени. В 1824 г. в Англии был принят закон, установивший единицу длины ярд через длину секундного маятника. Ни в древнем мире, ни в средние века не существовало метрологиче- ской службы, но имеются сведения о применении образцовых мер и хра- нении их в церквях и монастырях, а также о ежегодных поверках средств измерений. Так, «золотой пояс» великого князя Святослава Ярославича (1070-е гг.) служил образцовой мерой длины, а в «Уставе новгородского князя Всеволода о церковных судах, людях и мерилах торговых» (пример- но ХIII в.) записано, что меры надлежит «на всякий год взвешивать». Важнейшим метрологическим документом является Двинская грамо- та Ивана Грозного (1550 г.). В ней регламентированы правила хранения и передачи размера новой меры объема сыпучих тел – осьмины. Ее медные экземпляры рассылались по городам на хранение выборным людям – ста- ростам, целовальникам. С этих мер надлежало сделать клейменые дере- вянные копии для городских померщиков, а с тех, в свою очередь, – дере- вянные копии для использования в обиходе. Образцовые меры, с которых снимались первые копии, хранились централизованно в приказах Москов- Раздел 1. Теоретические основы метрологии 6 ского государства. Таким образом, можно говорить о начале создания при Иване Грозном государственной системы обеспечения единства измерений и государственной метрологической службы. Развитие торговли и расширение внешних экономических связей требовало не только уточнения мер, но и установления их соотношения с «заморскими», а также унификации мер и более четкой организации кон- трольно-поверочной деятельности. Еще в договоре Великого Новгорода с немецкими городами и Готландом (1269 г.), наряду с взаимными обяза- тельствами, приведены соотношения между мерами договаривающихся сторон. Статьи Соборного уложения 1649 г., Таможенного устава 1653 г., Новоторгового устава 1667 г. и других документов установили соответст- вие различных «весов» фунту и размер сажени. Московские указы, касавшиеся введения единых мер в стране, отсы- лались на места вместе с образцами казенных мер. За злоумышленную порчу контрольных мер грозило наказание – вплоть до смертной казни. Работу по надзору за мерами и их поверку проводили два столичных уч- реждения: Померная изба и Большая таможня. Они же разрешали кон- фликты, возникавшие при торговых операциях. В провинции надзор был поручен персоналу воеводских и земских изб, а также старостам, цело- вальникам и другим «верным людям». Метрологической реформой Петра I к обращению в России были до- пущены английские меры, получившие особенно широкое распростране- ние на флоте и в кораблестроении – футы, дюймы. Для облегчения вычис- лений были изданы таблицы мер и соотношений между русскими и ино- странными мерами. Начинают выделяться некоторые метрологические центры. Коммерц-коллегия занялась вопросами единства мер и метрологиче- ского обслуживания в области торговли. Адмиралтейств-коллегия заботилась о правильном применении уг- ломерных приборов, компасов и соответствующих мер. Берг-коллегия опекала измерительное хозяйство горных заводов, рудников и монетных дворов. Основанная в 1725 г. Петербургская академия наук занялась воспро- изведением угловых единиц, единиц времени и температуры. Она имела в своем распоряжении образцовые меры и копии эталонов туаза и фунта. Назревала необходимость создания в стране единого руководящего метро- логического центра. В 1736 г. по решению Сената была образована Комиссия весов и мер под председательством главного директора Монетного двора графа М. Г. Головкина. В состав комиссии входил Л. Эйлер. В качестве исход- ных мер длины комиссия изготовила медный аршин и деревянную сажень, Глава 1. Основы обеспечения единства измерений 7 за меру жидких тел приняла ведро московского Каменномостского питей- ного двора. Важнейшим шагом, подытожившим работу комиссии, было создание русского эталонного фунта. Работы начались в 1736 г. и завер- шились в 1747 г. изготовлением бронзовой золоченой гири, узаконенной в качестве первичного образца (государственного эталона) русских мер ве- са. Этот фунт почти 100 лет оставался единственным эталоном в стране. Сведения о старинных русских мерах приведены в табл. 1.1. Таблица 1.1 Старинные русские меры длины, массы и объёма Единица длины Единица массы Единица объема 1 точка = 0,254 мм 1 доля = 44,434940 мг 1 чарка = 1/100 ведра = = 0,122994 дм 3 1 линия = 2,54 мм 1 золотник = 4,265542 г 1 бутылка водочная = = 1/20 ведра = 0,61497 дм 3 1 сотка = 2,1336 см 1 лот = 12,797262 г 1 бутылка винная = = 1/16 ведра = 0,768712 дм 3 1 дюйм = 2,54 см 1 фунт = 0,40951741 кг 1 штоф = 1/10 ведра = = 1,22994 дм 3 1 вершок = 4,445 см 1 пуд = 16,380496 кг 1 ведро = 12,2994 дм 3 1 фут = 30,48 см 1 четверть = 0,262387 м 3 (для сы- пучих материалов) 1 аршин = 0,7112 м 1 сажень = 2,1336 м 1 верста = 1 066,8 м В комиссии рассматривались (но из-за отсутствия денежных средств и специалистов не были осуществлены) проекты создания системы мер, основанной на физических постоянных (определение сажени через длину меридиана Земли, фунта – через вес определенного количества чистой во- ды), введение десятичной системы образования кратных и дольных единиц и др. Эти прогрессивные идеи получали в Европе в ту пору все большее распространение. Идея построения системы измерений на десятичной основе принад- лежит французскому астроному Г. Мутону, жившему в XVII в. во Фран- ции, где феодалы имели право пользоваться своими собственными мерами, содержать таможни и собирать пошлину. Вопрос о рациональной системе мер стоял особо остро. Учредительное собрание Франции 8 мая 1790 г. приняло декрет о реформе системы мер и поручило Парижской академии наук разработать соответствующие предложения. Раздел 1. Теоретические основы метрологии 8 Комиссия академии, руководимая Лагранжем, рекомендовала деся- тичное подразделение кратных и дольных единиц, а другая комиссия, в со- став которой входил Лаплас, предложила принять в качестве единицы длины одну сорокамиллионную часть земного меридиана. На основе этой единственной единицы – метра – строилась вся система, получившая на- звание метрической. За единицу площади принимался квадратный метр, за единицу объема – кубический метр, за единицу массы – килограмм – масса кубического дециметра чистой воды при температуре 4 °С. Метрическая система с самого начала была задумана как международная. Её единицы не совпадали ни с какими национальными единицами, а наименования единиц и десятичных приставок были произведены от слов «мёртвых» языков (латинского и древнегреческого). По мере совершенствования физики и математики появилась про- блема измерения нового класса физических величин. Так, при развитии теории электричества встал вопрос, как быть с единицами электромагнит- ных величин? С одной стороны, новый класс явлений подсказывал необ- ходимость введения новых единиц и величин. С другой – исходно была ус- тановлена связь между электромагнитными явлениями и эффектами меха- ническими – законы Кулона и Био – Савара – Лапласа. Точки зрения наиболее авторитетных ученых по этому поводу также разделились. Неко- торые считали, что «рассмотрение (электромагнитных явлений) будет бо- лее плодотворным, если ввести четвертую, не зависящую от механических единицу» (А. Зоммерфельд). Другие, напротив, считали различные прояв- ления свойств материи единым целым и были противниками введения не- зависимых электрических величин и единиц. В результате в практике поя- вились системы единиц физических величин, имеющие различное число основных, т. е. произвольно выбранных, физических величин. Подробно эти вопросы будут изложены в разделе, посвященном единицам физиче- ских величин. С исторической точки зрения интересно обратить внимание на сло- жившуюся практику образования дольных (более мелких) и кратных (более крупных) единиц физических величин. В настоящее время мы пользуемся в основном десятичной системой счета и действующая международная сис- тема единиц физических величин предписывает образовывать дольные и кратные единицы, домножая размер основной единицы на множитель, кратный десяти. Тем не менее история знает использование самых разнооб- разных множителей кратности. Например, сажень как мера длины равнялась трем аршинам, 1 фут равнялся 12 дюймам, 1 аршин – 16 вершкам, 1 пуд – 40 фунтам, 1 золотник – 96 долям, 1 верста – 500 саженям и т. д. Такая исторически сложившаяся практика образования дольных и кратных величин оказалась крайне неудобной. Поэтому при принятии Глава 1. Основы обеспечения единства измерений 9 международной системы единиц СИ на эту проблему обращалось особое внимание. По большому счету десятичная система оказалась неудобной только при исчислении времени, так как единицы одноименной величины разного размера оказались кратными 12 (соотношение года и месяца) и 365,25 (соотношение года и суток). Эта кратность обусловлена скоро- стью вращения Земли и фазами Луны и является наиболее естественной. Дальнейшая замена кратности в соотношении час/секунда час/минута и с 60 на кратное 10 уже особого смысла не имела. Из других часто упот- ребляемых физических величин и единиц отступление от десятичной сис- темы сохранилось в градусной мере угла, когда окружность делится на 360 градусов, а градус – на минуты и секунды. Совершая исторический экскурс в метрологию, не следует забывать, что все сказанное в полной мере относится только к странам-участницам Метрической конвенции. Во многих странах до настоящего времени со- храняется своя особая, иногда экзотическая система физических величин и единиц. Среди этих стран, как это ни странно, находятся Соединенные Штаты Америки – современная супердержава. Внутри этой страны до на- соящего времени используются величины и единицы старой Англии. Даже температуру там принято измерять в градусах Фаренгейта. Таким образом, ознакомление с системами единиц, отличными от системы СИ, знакомство с различными системами счета единиц при изме- рениях носит не только познавательный характер. При расширении меж- дународных контактов может оказаться, что знание альтернативных сис- тем величин и единиц сослужит пользователю добрую службу. 1.2. Роль отечественных учёных в развитии метрологии В развитии отечественной метрологии за последние 200 лет можно выделить несколько этапов. |