Методы измерений можно классифицировать по различным признакам. Для общеметрологического анализа важными являются традиционные классификации, основанные на следующих признаках:
- физический принцип, положенный в основу измерения;
- режим взаимодействия средства измерений с объектом;
- вид применяемых средств измерений;
- вид хранителя единицы физической величины и характер измерительных операций.
По первому признаку все методы измерений делятся на электрические, магнитные, акустические, оптические и т.д. По режиму взаимодействия их можно разделить на статические и динамические, контактные и бесконтактные методы. По виду применяемых средств измерений – на аналоговые и цифровые.
По последнему признаку выделяют следующие основные методы измерений :
- метод отклонений:
- простой метод отклонений;
- дифференциальный метод отклонений;
- нулевой метод:
- компенсационный метод;
- метод замещения.
Конкретному методу измерений соответствуют определенные измерительные действия, структура построения измерительной системы, а также алгоритм определения результата измерения.
Рассмотрим структуры измерительных систем, реализующие перечисленные методы измерения.
Простой метод отклонений это метод измерений, в котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия, заранее градуированного в единицах измеряемой физической величины. На рис.2.1. представлена структура измерительной системы для измерения по простому методу отклонений (здесь ИП – измерительный преобразователь).
Этому методу соответствует измерительное уравнение вида:
x = y[X],
где x – измеряемая величина; y – числовое значение величины; [X] – единица физической величины.
Примерами измерительных систем, реализующих простой метод отклонений, являются измерительная линейка, пружинный динамометр, стрелочный прибор для измерения силы электрического тока или напряжения и др. В этом случае измерительный прибор выступает в качестве хранителя единицы физической величины.
Сущность дифференциального метода отклонений состоит в том, что на измерительный прибор воздействует разность между измеряемой величиной и известной величиной, воспроизводимой мерой. Под мерой в метрологии понимают средство измерения, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью. На рис.2.2. показана структура измерительной системы, в основе которой лежит дифференциальный метод отклонений.
В структурную схему измерительной системы по этому методу добавлен источник эталонной величины Xэт (ИЭВ) и средство сравнения однородных величин (компаратор). Задачей последнего является получение разности между измеряемой величиной и известной величиной эталонного источника. Измерительным уравнением в данном случае будет выражение вида:
x – xэт = y·[X].
Примером реализации данного метода измерений является измерительная система с применением дифференциальной термопары для измерения температуры объекта исследования. Один спай такой термопары устанавливается на объекте измерений, а второй в термостат с известной температурой, например, сосуд Дъюара с кубиками тающего льда. Здесь термопара играет роль и измерительного преобразователя и суммирующего элемента. Термо-э.д.с., вырабатываемая такой термопарой, будет прямо пропорциональна разности температур между объектом измерения и термостатом.
К нулевым относят методы, в которых результирующий эффект воздействия измеряемой и эталонной величин на компаратор измерительной системы доводят до нуля. При этом балансировки измерительной системы может осуществляться либо программно, либо адаптивно.
На рис.2.3 представлена структура измерительной системы, реализующей нулевой компенсационный метод.
Структурная схема измерительной системы включает компаратор, детектор балансировки (ДБ), балансировочное устройство (БУ), источник эталонной величины (ИЭВ) и выходную ступень. С помощью балансирующего устройства и детектора балансировки источник эталонной величины настраивают таким образом, чтобы разность (x – xэт) стремилась к 0. При выполнении этого условия измеряемая величина x будет равна xэт. Выходная ступень измерительной системы реализует измерительное уравнение
xэт = y·[X].
Примерами реализации компенсационного метода являются рычажные весы с гирями, мост Уитстона для измерения электрического сопротивления. Для расширения возможностей измерительной системы с использованием компенсационного метода в последнюю вводят дополнительное числовое множество К, называемое делителем или аттенюатором. При этом измерительная система приводится к нулю изменением К или ИЭВ (рис. 2.4).
В компенсационном методе сравнение x и xэт ведется непосредственно и одновременно.
На рис.2.5 представлена структура измерительной системы, реализующей нулевой метод замещения.
В этом методе измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой. Сравнение x и xэт в данном случае не осуществляется непосредственно и одновременно.
Примером данного метода может являться взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов.
По общим приёмам получения результатов измерений можно разделить на прямые, косвенные, совместные и совокупные. При этом основным признаком является вид уравнения измерения, связывающего измеряемую и непосредственно наблюдаемые величины.
При прямом измерении измеряемая величина Y пропорциональна непосредственно наблюдаемой X:
Y = cX,
где с – заданный коэффициент.
Примерами прямых измерений могут служить измерение тока амперметром, напряжения – вольтметром, сопротивления – омметром, мощности – ваттметром и т.п.
Косвенное измерение – это измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Например, нахождение значения электрического сопротивления по показаниям амперметра и вольтметра; удельного сопротивления проводника – по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения; площади – по форме и размерам геометрической фигуры и т.п.
При косвенном измерении величина Y является известной функцией от непосредственно наблюдаемых аргументов X1, …, Xm:
Y = F(Х1, Х2,… Хm).
При косвенном измерении предварительно находят значения величин Xi, а потом, подставляя их в выражение, определяют значение величины Y.
Совокупные измерения – это производимые одновременно измерения одноименных величин, при которых искомые значения величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.
При совокупных измерениях значения набора одноименных величин Х1, Х2,…, Хk как правило, определяют путем измерений сумм или разностей этих величин в различных сочетаниях:
где коэффициенты cij принимают значения ±1 или 0.
Совместные измерения – это проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимости между ними.
Примером совместных измерений является определение температурных коэффициентов и начального сопротивления для терморезисторного преобразователя. Пусть зависимость сопротивления платиновой проволоки от температуры выражается формулой
где 
– сопротивление терморезисторного преобразователя при повышении начальной температуры на 
К, Ом; 
– сопротивление преобразователя при начальной температуре, Ом; 
– превышение температуры преобразователя над начальной температурой, К; 
– температурный коэффициент, К-1; 
– температурный коэффициент, К-2.
Пусть проведено измерение сопротивления преобразователя при трех различных температурах:
и 
. Система уравнений для неизвестных 
имеет вид
Переходя к переменным можно получить систему уравнений, линейную относительно переменных X1, Х2, Х2.
По точности измерений измерительные средства можно разделить на: эталоны, образцовые и рабочие средства измерений.
Эталон единицы – это средство измерений, обеспечивающее воспроизводство и (или) хранение единицы физической величины с целью передачи ее размера образцовым и рабочим средствам измерений.
Образцовое средство измерений – мера или измерительное устройство, служащие для поверки по ним других средств измерений и утвержденные в качестве образцовых.
Рабочее средство измерений – средство применяемое для измерений, не связанных с передачей размера единицы.
По способу обработки сигнала измерительной информации приборы делятся на аналоговые и цифровые. В аналоговых приборах показания являются непрерывной функцией размера измеряемой величины, т.е. могут, как и измеряемая величина, принимать бесконечное множество значений.В цифровых приборах непрерывная измеряемая величина дискретизируется по времени, квантуется по уровню, кодируется и в виде цифрового кода отображается на цифровом отсчетом устройстве. В результате показания цифрового прибора могут принимать лишь конечное число значений.Цифровые средства измерения обеспечивают, как правило, большую точность и быстродействие. Однако не всегда цифровое устройство лучше аналогового. При большом числе одновременно измеряемых величин (контроль сложного объекта) или при динамическом изменении входной величины показания аналоговых приборов воспринимаются легче, обеспечивая оперативность анализа контролируемого процесса. Поэтому для повышения информативности отсчетные устройства современных цифровых приборов могут дополняться, так называемыми, линейными шкалами – определенным образом расположенными сегментами на цифровом индикаторе.
По способу отображения результата измерения аналоговые и цифровые приборы принято разделять на показывающие, допускающие только отсчитывание показаний, и регистрирующие, в которых предусмотрена возможность автоматической и (или) ручной регистрации показаний.
По способу применения и по конструкции измерительные устройства делятся на: щитовые, переносные (портативные) и стационарные.
Объекты исследований и измерений
Объекты исследований характеризуются различными значениями физических величин, неразрывно связанных с объектом. Объектами электрорадиоизмерений являются значения физических величин, параметры и характеристики сигналов электрорадиоцепей, компонентов и режимов этих цепей. Например, объект исследования – резистор, объекты измерений – сопротивление резистора постоянному току и мощность рассеивания резистора.