Энергетические параметры и характеристики лазерного излучения. Часть 1

Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана

М.В. Таксанц, Л.Н. Майоров

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРНОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ

Часть 1

Методические указания к выполнению лабораторных работ
по курсу «Измерение и контроль параметров лазерного
излучения»

Москва
2014

УДК 517.31
ББК 32.86
Т15
Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/41/book77.html

Факультет “Машиностроительные технологии”

Кафедра “Лазерные технологии в машиностроении”

Рекомендовано Учебно-методической комиссией факультета
“Машиностроительные технологии” МГТУ им. Н.Э. Баумана
Рецензент
канд. техн. наук В.П. Морозов

Таксанц М. В.
T15
Энергетические параметры и характеристики лазерного излучения : метод. указания к выполнению лабораторных работ
по курсу «Измерение и контроль параметров лазерного излучения» / М. В. Таксанц, Л. Н. Майоров. — М. : Изд-во МГТУ
им. Н. Э. Баумана, 2014. — 49, [3] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-3847-1
Даны необходимые указания к выполнению лабораторных работ
по измерению средней мощности и энергии в импульсе лазерного
излучения, приведены методики обработки результатов и расчета неопределенностей измерений.
Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, изучающих курс «Измерение и контроль параметров лазерного излучения».
УДК 517.31
ББК 32.86

ISBN 978-5-7038-3847-1
c⃝ МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014
c⃝ Оформление. Издательство
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Любая отрасль техники не могла бы существовать без развернутой системы измерений, определяющих как все технологические
процессы, контроль и управление ими, так и свойства и качество
выпускаемой продукции.

1. Виды и методы измерений

В зависимости от способа получения результата — непосредственно в процессе измерения или последующим расчетом — различают прямые, косвенные, совокупные, совместные измерения.
Прямые измерения — измерения, при которых искомое значение физической величины определяется непосредственно из опытных данных, по шкале прибора. Например, определение значения
средней мощности лазерного излучения с помощью ваттметра.
Косвенные измерения — измерения, при которых искомое значение величины находят на основании известной зависимости между
этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Примером косвенных измерений можно считать нахождение
средней мощности лазерного излучения по измеренным значениям энергии в импульсе и частоте следования импульсов излучения.
Прибегать к косвенным измерениям приходится, когда отсутствует прибор для прямых измерений данной физической величины с необходимой точностью или когда, используя косвенные
виды измерений, удается уменьшить погрешность измерения по
сравнению с погрешностью, вносимой приборами.

3

Совокупные измерения — измерения, при которых значение искомой величины находят путем решения системы уравнений, получаемых при прямых измерениях нескольких одноименных величин
в различных сочетаниях.
Совместные измерения — проводимые одновременно измерения двух или нескольких разноименных величин для определения
зависимости между ними.
Сущность измерения физических величин измерительными
приборами заключается в сравнении (сопоставлении) их с однородной физической величиной, принятой за единицу. Прежде чем
проводить измерения, необходимо в зависимости от требуемой
точности и наличия измерительных приборов выбрать соответствующий принцип и метод.
Принцип измерений — физическое явление или эффект, положенные в основу измерений.
Метод измерения — совокупность приемов использования
принципов и средств измерений.

2. Неопределенности измерений

2.1. Общие понятия

Результат измерения зависит не только от значения физической
величины и степени воздействия внешних условий на компоненты
процесса измерений, но также от выбранного вида измерения.
Разность Δ между результатами измерения Xизм и истинным
значением Хист измеряемой величины называется погрешностью
измерения:

Δ = Хист − Xизм.
(2..1)

Так как истинное значение может быть получено только в результате бесконечного процесса измерений и требует непрерывного совершенствования методов и средств измерений, оно всегда
остается неизвестным. В практических целях вместо истинного
значения применяется действительное значение измеряемой величины, т. е. значение, полученное экспериментальным путем и

4

настолько близкое к истинному, что в рамках поставленной измерительной задачи может быть использовано вместо него.
В связи с тем что истинное значение измеряемой величины
и погрешности результата измерения неизвестны, а измерениям
подвергается все больше величин, для которых само определение
«физическая величина» неприменимо, в последнее время для оценки качества измерительной информации чаще используется понятие «неопределенность измерений», однако ГОСТ Р 50.2.038–2004
допускает термин «погрешность» для документов, имеющих хождение в России.
Неопределенность измерений — параметр, связанный с результатом измерений и характеризующий рассеяние значений, которые
можно приписать измеряемой величине.

2.2. Классификация погрешностей измерений

Причиной возникновения погрешностей является несовершенство методов измерений, технических средств и органов чувств
наблюдателя. В отдельную группу следует выделить причины, связанные с влиянием условий проведения измерений. Погрешности
измерений могут быть классифицированы по разным признакам.
По способу выражения их делят на абсолютные и относительные погрешности измерений.
Абсолютная погрешность измерений — погрешность, выраженная в единицах измеряемой величины. Так, погрешность Δ
в формуле (2.1) является абсолютной. Недостатком подобного
способа выражения погрешности является невозможность использования для сравнительной оценки точности разных измерительных технологий. Действительно, Δ = 0,05 мм при Xизм = 100 мм
соответствует достаточно высокой точности измерений, а при
Xизм = 1 мм — низкой. Этого недостатка лишено понятие «относительная погрешность», определяемое выражением

δХ = Δ/Xизм.
(2..2)

Относительная погрешность измерений — это отношение абсолютной погрешности измерений к истинному значению измеряемой величины или результату измерений. Относительная погрешность обычно измеряется в долях или процентах.

5

По источнику возникновения погрешности измерений делят на
инструментальные, методические и субъективные.
Инструментальная погрешность измерений — составляющая
погрешности измерений, обусловленная несовершенством применяемого средства измерений (СИ) — отличием реальной функции
преобразования прибора от его калибровочной зависимости, неустранимыми шумами в измерительной цепи, запаздыванием измерительного сигнала при его прохождении в СИ, внутренним сопротивлением СИ и др. Инструментальная погрешность измерений
подразделяется на основную (погрешность измерений при применении СИ в нормальных условиях) и дополнительную (составляющая погрешности измерений, возникающая вследствие отклонения какой-либо величины от номинального значения или выхода
за пределы нормальной области значений).
Методическая погрешность измерений — составляющая погрешности измерений, обусловленная несовершенством метода измерений. К ней относят погрешности, обусловленные отличием
принятой модели объекта измерения от реального объекта, несовершенством способа воплощения принципа измерений, неточностью формул, применяемых при получении результата измерений,
и др.
Субъективная (личная) погрешность измерения — составляющая погрешности измерений, обусловленная индивидуальными
особенностями оператора, т. е. погрешность считывания оператором показаний по шкалам СИ. Она зависит от состояния оператора, несовершенства органов чувств, эргономических свойств СИ.
Характеристики субъективной погрешности измерений определяют с учетом способности «среднего оператора» к интерполяции в
пределах цены деления шкалы измерительного прибора. Наиболее
известная и простая оценка этой погрешности — ее максимально
возможное значение в виде половины цены деления шкалы.
По характеру проявления погрешности могут быть систематическими и случайными.
Систематическая погрешность измерений — составляющая
погрешности, остающаяся постоянной или же изменяющаяся по
известному закону при повторных измерениях одной и той же
величины.

6