Шумы в измерительных устройствах

При измерении макроскопических величин максимальная точность ограничена статистическими флуктуациями возле среднего значения.

Шумами называют флуктуации измеряемых величин, если их нельзя уменьшить при фиксированных внешних условиях. В зависимости от причин появления шумов их можно разделить на три группы:

1) шумы, возникающие за счет тепловых колебаний при ненулевой температуре;

2) шумы, возникающие вследствие корпускулярной природы вещества и электричества;

3) шумы, возникающие в силу соотношений неопределенностей.

 

4.1.1. Влияние теплового шума (броуновского движения) на показания гальванометра

Гальванометры относятся к электроизмерительным приборам высокой чувствительности. Среди гальванометров наиболее точным является зеркальный гальванометр благодаря выносной шкале. Отделение шкалы от подвижной части инструмента позволяет измерять очень малые токи. Недостатком таких приборов является то, что их механическая часть (подвижные части), расположенная в воздушном пространстве, подвергается воздействию молекул воздуха, что вызывает случайные колебания подвижного зеркала. Однако усредненный по времени вращающий момент таких воздействий равен нулю.

. (4.15)

Уравнение (4.15) показывает, что электрический ток можно уверенно зафиксировать только в том случае, когда вызванное им отклонение гальванометра превышает это значение термической флуктуации.

4.2.1. Дробовой шум

Возникновение дробового шума обусловлено дискретной природой носителей заряда. Если по сопротивлению течёт постоянный ток, то среднее число носителей заряда, протекающее по нему в единицу времени, постоянно. В то же время в каждый момент времени число носителей заряда статистически изменяется. Это вызывает флуктуации тока. Такое явление называют дробовым эффектом.

Квантовый шум

Если дискретная природа носителей заряда вызывает дробовой шум, то квантование электромагнитного излучения приводит к флуктуациям «потока» фотонов.

В отличие от теплового шума, уровень которого понижается при высоких частотах, квантовый шум линейно возрастает с частотой. В области (hν/kT)>1 он начинает преобладать над тепловым шумом. При комнатной температуре это соответствует оптической и инфракрасной областям спектра.