Полупроводниковые лазеры > Раздел для новичков
Измерения и результаты экспериментов
Gall:
Распространенные промахи любителей и ошибки приборов.
Цифровые мультиметры и аналогичные им цифровые щитовые приборы 3.5 и 4.5 разряда, кроме самых дорогих, переменное напряжение и ток измеряют не по среднеквадратичному значению, а косвенно, по амплитуде, причем только одной полуволны. Если форма колебаний не синусоидальна или если присутствует постоянная составляющая, многие приборы показывают чушь.
Те же мультиметры врут, когда в них начинает садиться батарейка. Врать могут в 100 раз и более (например, показывать 700 вольт на "пальчиковой" батарейке).
Те же мультиметры врут, если в сигнале присутствуют высокие частоты или рядом находится генератор высокочастотной помехи (генератора на одном транзисторе на 100 МГц вполне достаточно). Например, у меня цифровой индикатор тока в блоке питания на 0-3 А при питании от него лестницы Иакова показывал ток -19 А (то есть ошибся даже в направлении тока). Поведение приборов при таких помехах совершенно неадекватно, вплоть до того, что срабатывает звуковой сигнал в тех режимах измерений, в которых звуковой сигнал никогда не используется.
Те же мультиметры часто имеют плохой контакт в переключателе пределов измерений или в проводах.
Стрелочные мультиметры могут измерять переменное напряжение только по одной полуволне и давать чушь при наличии постоянной составляющей. Плохой контакт бывает и у них.
Любые мультиметры неверно измеряют сопротивление, если в цепи присутствует хотя бы малейший источник напряжения. Бывает достаточно даже эффекта Зеебека в соединениях проводов или светодиода в схеме (см. ниже).
Любые мультиметры измеряют параметры транзисторов по коллекторному току, поэтому на транзисторах с высоким Iкб0 завышают показания по h21Э в десятки раз. Измерять h21Э германиевых транзисторов (особенно старых) такими приборами вообще бесполезно.
Транзисторы, диоды и светодиоды меняют характеристики в зависимости от температуры. Старые транзисторы со стеклянными изоляторами, диоды в стеклянном корпусе и особенно светодиоды реагируют на свет и вырабатывают при этом ЭДС. (Светодиод можно иногда даже использовать вместо фотодиода). Это может быть причиной ошибок измерений.
Любые полупроводники меняют характеристики при нагреве, в том числе от собственного тепла.
Конденсаторы на основе сегнетокерамики могут иметь микрофонный эффект. Те же конденсаторы имеют небольшую нелинейность. Электролитические конденсаторы имеют очень сильную температурную зависимость и большой дрейф параметров, в том числе в зависимости от напряжения и срока службы.
Многие пленочные и бумажные конденсаторы, электролитические конденсаторы, почти все проволочные и многие непроволочные резисторы на высоких частотах резонируют. Я наблюдал амплитуду напряжения в 50 вольт на резисторе сопротивлением 0.1 Ом при небольшом высокочастотном токе.
Любые стеклянные приборы (радиолампы, ФЭУ и др.) могут иметь микрофонный эффект. Кварцевые резонаторы, керамические резонаторы - тоже.
Дешевые фоторезисторы могут иметь паразитный эффект фотодиода и вырабатывать небольшую ЭДС. Они же могут быть нелинейными.
Источники питания могут создавать помехи сами (импульсные) или протаскивать их из сети (линейные).
Переменные резисторы имеют шумы перемещения, у старых резисторов они бывают огромны.
Радиопомехи, в том числе от вещательных радиостанций и энергосберегающих ламп, могут влиять на результат измерений. Наводки на провода приборов неожиданно велики и требуют специальных мер для подавления. Экранирования недостаточно!
Провода, особенно экранированные, могут образовывать в схеме "земляные петли" и приводить к сильным помехам.
Любые измерительные приборы имеют сопротивление и емкость и могут при своем подключении влиять на схему. Особенно это относится к осциллографам в высокочастотных цепях.
Большие напряжения. Резисторы, особенно углеродистого типа, при больших (>200В) напряжениях могут понижать свое сопротивление, как варисторы. При измерении больших напряжений используются малые токи, возможна утечка по поверхности изоляции мимо деталей. При измерении высоких напряжений "по длине искры" нельзя забывать, что вторично по тому же месту искра пробивает легче из-за ионизации воздуха. Длина, до которой искра растягивается, не значит вообще ничего. Искра проскакивает тем легче, чем острее электроды, поэтому измерять ее длину можно только при пробое между гладкими шарами.
Маленькие напряжения и токи. Необходимо помнить не только про наводки, но и про утечки по поверхности платы (применять грамотные защитные кольца) и про эффект Зеебека.
Схемы с маленькими токами очень сильно чувствуют электрические потенциалы извне, в том числе руки экспериментатора. Это относится и к высокочастотным схемам. Обычно это бывает из-за неопытности разработчика.
Температура. Многие дешевые спиртовые термометры врут (т.е. имеют систематическую погрешность больше, чем указано в паспорте). Почти все электронные термометры врут, включая большинство медицинских. Некоторые дешевые ртутные медицинские термометры врут. Лучше используйте только термометры с действительным поверочным сертификатом.
Термопара мультиметров всегда очень неточна.
При измерении температуры термометр погружается до метки. Для точных измерений необходимо учитывать расширение части столбика термометра, оставшейся снаружи.
Длины и расстояния. Пластиковые ученические линейки часто имеют неправильную шкалу, от истинной могут отличаться на 1-2 мм на всей длине. Не пользуйтесь ими. Измеряйте с помощью стальной разметочной линейки с выгравированными делениями (из магазина слесарных инструментов) или с помощью хорошей чертежной.
Дешевые штангенциркули, особенно цифровые, часто бывают кривыми (т.е. в прямом смысле изогнуты дугой на 1-2 мм). Пользоваться такими штангенциркулями нельзя. Вероятно, дуга возникает из-за усадки клея при приклеивании печатной платы индуктосинного датчика.
При точных измерениях размеров усилием пальцев можно деформировать деталь на сотые доли миллиметра. Поэтому используйте не штангенциркуль, а микрометр с трещоткой, дающей одинаковое усилие при любых измерениях. Пылинки имеют размеры порядка точности измерений - будьте аккуратны.
Изготовление точных деталей. Помните, что инструмент (сверло, резец, фреза) может слегка деформироваться. Помните про тепловое расширение и про нагрев деталей при обработке, используйте СОЖ. У конструкции, собранной из разных материалов, может быть эффект биметаллической пластинки.
Оптика. Прозрачные пластмассы (даже упаковочная пленка) часто обладают сильнейшим двупреломлением, к тому же их толщина непостоянна. При косых отражениях свет может поляризоваться. При отражении от металла свет поляризуется эллиптически.
При сравнении яркости света невооруженным глазом (особенно красного лазерного света) можно ошибиться примерно в 10 раз, считая две яркости "одинаковыми". Также помните про оптические иллюзии.
При измерении интенсивности света фотодиодами или ФЭУ следите за тем, чтобы свет правильно попадал на датчик, всегда в одно и то же место и под одним и тем же углом. Искажения сигнала из-за разного угла падения, разного отражения от стекла и т.п. могут быть очень велики, особенно если стекло неплоское. Интенсивность лазера измеряйте фотодиодами или ФЭУ с большим плоским окном, больше по размеру, чем луч лазера.
У датчиков всегда есть спектральная характеристика чувствительности. Показания даже на близких длинах волн (630 и 650 нм, например) могут отличаться вдвое.
Фотодиоды обычно очень чувствительны к ИК-излучению и реагируют на него даже после фильтров.
ФЭУ очень чувствительны к напряжению питания и помехам в питании, в том числе к своим собственным.
Цифровые фотоаппараты и видеокамеры путают инфракрасный свет с синим.
Объективы всегда неидеальны и при резком контрасте могут давать блики, фантомные изображения, ореолы и т.д. Особенно избегайте стопок параллельных стекол - многократные отражения в них создают "волны" и "ауры" вокруг любых предметов. Не забывайте о пользе угла Брюстера.
Короткофокусные асимметричные линзы при неправильном использовании дают очень сильные блики и посторонние отражения. Их форма специально подобрана, чтобы уменьшить блики при правильном использовании.
Фокусирование луча лазера линзой происходит не по законам геометрической оптики, а по законам оптики гауссовых пучков. Наивный расчет из геометрической оптики иногда дает большую ошибку.
Ультрафиолет, как известно, вызывает флюоресценцию очень многих веществ, в том числе прозрачных пластиков. Но нельзя забывать, что детали прибора тоже могут быть сделаны из таких материалов, поэтому прибор может отреагировать на ультрафиолет неадекватно. Глаз часто путает ультрафиолет с синим из-за флюоресценции предметов.
Большинство органических красителей способны к флюоресценции, причем не только в ультрафиолете, но и в видимом свете. Светофильтр из цветного стекла случайного происхождения, особенно ярко-оранжевый или ярко-зеленый, может оказаться сильно флюоресцентным (родамин).
Спектроскопия. На спектре иногда можно увидеть зеемановские сдвиги, в том числе нежелательные - из-за магнитов в приборе или даже из-за магнитного поля Земли.
"Прозрачные" вещества с едва заметным цветным оттенком могут оказаться непрозрачными для какого-то узкого диапазона длин волн. Многие прозрачные вещества непрозрачны для ИК и/или УФ. Для некоторых волн непрозрачен воздух.
В самодельном спектроскопе из CD-диска есть не только дифракция, но и преломление света в пластике диска и внутреннее отражение. Этого можно частично избежать, если использовать расщепленный DVD-диск "на просвет" как фазовую решетку.
Химия. Некоторые качественные реакции дают ложные срабатывания на некоторые посторонние вещества. Электронные приборы вроде измерителей TDS сильно чувствительны к температуре и к загрязнениям (пыли) на поверхности жидкости. Часто эти загрязнения переносятся на самом приборе. Вода из-под крана и даже питьевая из бутылок и фильтров обычно слишком грязная для мытья химической посуды - мойте по всем правилам, может быть с хромовой смесью. При перегонке могут образовываться азеотропные смеси.
Некоторые вещества поражаются бактериями или грибками. Это "заразно" для соседних образцов и очень коварно, потому что рядом стоящие образцы скорее всего образуют одну группу в эксперименте. Особенно к этому склонны фотоматериалы на основе желатина и, конечно, образцы в биологических экспериментах. Будьте внимательны и в сомнительных случаях используйте микроскоп.
Расчеты. Численные расчеты на компьютере очень коварны. Суммирование большого количества чисел (особенно маленьких), численное интегрирование могут давать абсолютно неверные результаты, вплоть до неверного знака. Нельзя бездумно вводить в компьютер формулу, не понимая, как именно будут происходить вычисления. Необходимо позаботиться о численной устойчивости и должным образом преобразовать формулу на бумаге. Нельзя НИКОГДА делать моделирование во времени "по шагам"; эта ошибка известна еще с древности ("апории Зенона" - "Ахиллес и черепаха" и др.)
Прочее. Бытовые счетчики Гейгера сильно реагируют на электромагнитные помехи и путают их с радиацией.
Навигация
[0] Главная страница сообщений