길이 측정

Length measurement
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천문 거리 측정은 우주 거리 사다리를 참조한다.
"범위 추정" 리디렉션 그것은 간격 추정과 혼동해서는 안 된다.

길이 측정, 거리 측정 또는 범위 측정(범위)은 길이, 거리 또는 범위를 측정할 수 있는 여러 가지 방법을 말한다. 가장 일반적으로 사용되는 접근방식은 통치자, 그 다음으로는 빛의 속도에 기초한 중계 시간 방법과 간섭계 방법이 있다.

결정이나 회절 그라팅과 같은 물체의 경우 회절은 X선과 전자빔과 함께 사용된다. 모든 차원에서 매우 작은 3차원 구조물에 대한 측정 기법은 집중적인 컴퓨터 모델링과 결합된 이온 현미경 같은 전문 기구를 사용한다.

표준 통치자

자를 가장 간단한 길이 측정 도구로 한다: 길이는 막대기에 인쇄된 표시나 판화로 정의된다. 미터는 더 정확한 방법을 사용하기 전에 자를 사용하여 처음 정의되었다.

게이지 블록은 측정 도구의 정밀한 측정이나 교정을 위한 일반적인 방법이다.

작거나 미세한 물체의 경우 눈금을 이용해 길이를 보정하는 마이크로소그래피를 사용할 수 있다. 눈금이란 정확한 길이에 대한 선이 새겨져 있는 조각을 말한다. 눈금에 격자를 장착하거나 측정 평면에 사용할 수 있다.

중계시간측정

길이에 대한 트랜짓 타임 측정 이면의 기본 아이디어는 길이의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 신호를 보내고 다시 돌아오는 것이다. 왕복 운행 시간은 전송 시간 Δt이며, 길이 Δt*"v"로, 신호 전파 속도는 v로, 양쪽 방향에서 동일하다고 가정한다. 빛이 신호에 사용되는 경우, 그 속도는 그것이 전파되는 매체에 따라 달라진다. SI 단위에서 속도는 고전적 진공에 대한 기준 매체에 정의된 값0 c이다. 따라서, 전송 시간 접근법에 빛을 사용할 때, 길이 측정은 소스 주파수에 대한 지식의 대상이 아니라(매체 진공과 고전적 진공과의 관련을 위한 보정의 가능한 주파수 의존도와는 별개), 특히 전송 시간 측정의 오류, 특히 의 응답 시간에 의해 유입된 오류의 대상이 된다. 펄스 방출 및 감지 계측기 추가적인 불확실성은 기준 진공에 사용된 매질과 관련된 굴절률 보정으로, 고전적 진공으로 SI 단위로 취한다. 1보다 큰 매질의 굴절률은 빛을 늦춘다.

예를 들어, 레이더와 거의 구식인 장거리 항법장치와 같은 보트와 항공기에 대한 대부분의 무선 항법장치의 기초가 되는 운송시간 측정이다. 예를 들어, 한 레이더 시스템에서 전자기 방사 펄스는 차량에 의해 송신되며(간격 펄스) 응답기 비콘에서 응답을 트리거한다. 펄스의 송신과 수신 사이의 시간 간격을 모니터링하여 거리를 결정하는 데 사용한다. 위성위치확인시스템에서 1과 0의 코드는 복수의 위성으로부터 알려진 시간에 방출되며, 이들의 도착 시간은 수신기에서 송신된 시간(메시지에 인코딩됨)과 함께 기록된다. 수신기 시계가 위성의 동기화된 시계와 관련될 수 있다고 가정하면, 전송 시간을 찾아 각 위성까지의 거리를 제공하는 데 사용할 수 있다. 수신기 시계 오류는 4개의 위성의 데이터를 결합하여 수정한다.[1]

그러한 기법은 사용하고자 하는 거리에 따라 정확도가 달라진다. 예를 들어, LORAN-C에 대해 6km, GPS에 대해 10m, 몇미터 또는<>1미터 또는 특정 응용 프로그램에서센티미터의 수만명에게 정확을 GPS, 보정 신호 지상파 방송국(그것은, 광역 증진 시스템(WAAS)(그, differentialGPS(일반적이다))또는 인공 위성을 통해에서 전송된다)를 제고하고 정확하다.. 로봇공학용 비행시간 시스템(예: 레이저 감지 및 범위 지정 LADAR 및 광 감지 및 범위 지정 LIDAR)은 10 - 100m의 길이를 목표로 하며 정확도는 약 5~10mm이다[2].

간섭계 측정

간섭계를 사용하여 빛의 파장 길이를 측정한다.

많은 실제 상황과 정밀 작업에서, 전송 시간 측정을 사용한 치수 측정은 길이의 초기 지표로만 사용되며 간섭계를 사용하여 정제된다.[3][4] 일반적으로 운송 시간 측정은 더 긴 길이에 선호되고, 더 짧은 길이에 대해서는 중간계(interferometerometer가 더 짧은 길이에 선호된다.[5]

그림은 미셸슨 간섭계를 사용하여 길이를 결정하는 방법을 개략적으로 보여준다. 두 패널은 두 경로를 이동하기 위해 빔 스플리터(BS)에 의해 광선을 방출하는 레이저 소스를 보여준다. 조명은 재조립을 위해 두 구성 요소를 다시 빔 스플리터로 되돌리는 한 쌍의 모서리 큐브(CC)에서 두 구성 요소를 튕겨내어 재조합된다. 코너 큐브는 반사된 빔에서 사건을 대체하는 역할을 하는데, 이것은 두 빔을 중첩시킴으로써 야기되는 어떤 합병증을 피할 수 있다.[6] 좌측 코너 큐브와 빔 스플리터 사이의 거리는 측정 대상의 길이를 비교하기 위해 좌측 간격을 조정할 때 고정 다리의 이격과 비교된다.

상단 패널에서 경로는 재조립 후 두 빔이 서로 보강하여 강한 빛 패턴(태양)으로 이어지도록 되어 있다. 하단 패널은 왼쪽 거울을 1/4 파장 멀리 이동하여 반 파장을 길게 만들어 경로 차이를 1/2 파장까지 늘리는 경로를 보여준다. 그 결과 두 빔은 재조립 시 서로 반대하며, 재조합된 빛의 세기는 0(클라우드)으로 떨어진다. 따라서 거울 사이의 간격을 조정하면 경로차이의 파장 수가 변함에 따라 관측된 빛의 세기가 보강과 취소 사이를 순환하며 관측된 세기가 피크(밝은 태양)와 어둑어둑(어두운 구름)를 번갈아 가며 순환한다. 이 동작을 간섭이라고 하고 기계를 간섭계라고 한다. 프링(fring)을 세어 측정된 경로를 고정된 다리와 비교한 파장 수를 알아낸다. 이런 식으로 측정은 특정 원자 전환에 해당하는 파장 λ의 단위로 이루어진다. 파장의 길이는 선택된 전환이 알려진 주파수 f를 갖는 경우 미터 단위의 길이로 변환될 수 있다. 일정 수의 파장 λ으로 길이는 λ = c0 / f를 사용한 미터와 관련이 있다. c의0 정의된 값 299,792,458 m/s로, 측정된 파장 길이의 오차는 광원의 주파수 측정 오류에 의해 미터로 변환되어 증가한다.

여러 파장의 소스를 사용하여 합과 차이 비트 주파수를 생성함으로써 절대 거리 측정이 가능해진다.[7][8][9]

길이 결정에 대한 이 방법론에는 사용된 빛의 파장에 대한 세심한 사양이 필요하며, 파장을 안정적으로 유지할 수 있는 레이저 소스를 사용하는 한 가지 이유가 있다. 그러나 안정성과 무관하게 어떤 선원의 정확한 주파수는 선폭 한계가 있다.[10] 다른 중요한 오류는 간섭계 자체에 의해 도입된다. 특히 라이트 빔 정렬, 콜리메이션 및 부분 프린지 결정의 오류.[5][11] 또한 고전적 진공상태의 기준 매체(예[12]: 공기)에서 매체(예: 공기)의 이탈을 감안하여 보정을 한다. 파장을 이용한 분해능은 측정된 길이, 파장 및 사용되는 간섭계의 종류에 따라 ΔL/L ≈ 10의−9−11 범위에 있다.[11]

또한 측정에는 빛이 전파되는 매체의 세심한 사양이 필요하다. 굴절률 보정은 표준 진공에 사용되는 매체를 연결하기 위해 수행되며, 고전적 진공으로 SI 단위로 취한다. 이러한 굴절률 보정은 예를 들어 수증기의 존재에 민감하게 전파되는 주파수와 같은 주파수를 추가함으로써 보다 정확하게 확인할 수 있다. 이러한 방법으로 굴절률에 대한 비이상적 기여도를 확립된 이론적 모델을 사용하여 다른 주파수에서 측정하고 교정할 수 있다.

대조적으로 길이의 전달 시간 측정은 선원의 주파수에 따라 실제로 달라질 수 있는 고전적 진공 기준 매체에 관련된 보정의 가능한 의존성을 제외하고 선원 주파수에 대한 어떤 지식과도 무관하다는 점을 다시 한 번 주목할 수 있다. 펄스열차 또는 다른 파형 형상을 사용하는 경우 다양한 주파수가 포함될 수 있다.

회절 측정

작은 물체의 경우, 파장 단위로 크기를 결정하는 데 의존하는 다른 방법이 사용된다. 예를 들어 결정의 경우 X선 회절을 사용하여 원자 스페이싱을 결정할 수 있다.[13] a로 표시된 실리콘의 격자 매개변수에 대한 현재 최고의 값은 다음과 같다.[14]

a = 543.168 0504(89) × 10m−12,

ΔL/L resolution 3 × 10의−10 분해능에 해당된다. 유사한 기법은 회절 격자처럼 큰 주기적 배열에서 반복되는 작은 구조물의 치수를 제공할 수 있다.[15]

그러한 측정은 전자현미경의 교정을 가능하게 하여 측정 능력을 확장시킨다. 전자 현미경의 비-상대적 전자에 대해 디 브로글리 파장은 다음과 같다.[16]

V로 전자에 의해 통과된 전기 전압 강하, m 전자e 질량, e 기본 전하 및 h 플랑크 상수. 이 파장은 결정 회절 패턴을 이용하여 원자간 간격의 관점에서 측정할 수 있으며, 같은 결정에서 격자 간격의 광학적 측정을 통해 미터와 관련된다. 교정을 연장하는 이러한 과정을 도량형 추적성이라고 한다.[17] 서로 다른 측정 방법을 연결하기 위해 도량형 추적성을 사용하는 것은 서로 다른 범위의 천문학적 길이에 대한 우주 거리 사다리의 이면에 있는 아이디어와 유사하다. 두 방법 모두 중복 적용 범위를 사용하여 길이 측정에 대해 서로 다른 방법을 보정한다.[18]

멀고 움직이는 표적

범위 조정은 관찰자로부터 대상까지의 거리 또는 기울어진 범위, 특히 멀고 움직이는 대상을 측정하는 기법이다.

능동적인 방법은 일방적인 전송과 수동적인 반사를 사용한다. 능동형 레인지 탐색 방법으로는 레이저(레이더), 레이더, 소나, 초음파 레인지 탐색 등이 있다.

삼각측정을 사용하여 거리를 측정하는 다른 장치로는 광도측정기, 우연의 일치 및 입체 레인지파인더가 있다. 일련의 알려진 정보(대개 거리 또는 목표 크기)를 사용하여 측정을 하는 오래된 방법론은 18세기부터 정기적으로 사용되어 왔다.

특수 범위 조정은 능동적으로 동기화된 전송 및 이동 시간 측정을 사용한다. 여러 수신 신호 사이의 시간 차이는 정확한 거리(빛 속도에 의한 증가)를 결정하는 데 사용된다. 이 원리는 위성항법에서 사용된다. 지구 표면의 표준화된 모델과 함께, 그 표면의 위치는 높은 정확도로 결정될 수 있다. 수신기의 정확한 시간 동기화가 없는 범위 지정 방법은 예를 들어 GPS 위치설정에서 사용된다.

다른 시스템 범위 측정은 수동 방사선 측정에서만 얻을 수 있다. 물체의 소음 또는 방사선 서명은 범위를 결정하는 데 사용되는 신호를 생성한다. 이 비동기식 방법은 활성 ping의 적절한 스케일링 대신 다중 베어링을 취함으로써 범위를 얻기 위해 다중 측정을 필요로 하며, 그렇지 않으면 시스템은 단일 측정에서 단순한 베어링을 제공할 수 있다.

여러 측정값을 시간 순서에 조합하면 추적과 추적이 이루어진다. 일반적으로 지상 물체를 거주할 때 사용하는 용어는 측량이다.

기타 기법

(결정 같은 원자의 큰 배열과는 대조적으로) 국부적 구조의 치수 측정은 현대의 집적회로에서와 같이 스캐닝 전자현미경을 사용하여 이루어진다. 이 기구는 고진공 인클로저에서 측정할 물체에서 전자를 튕겨내고, 반사된 전자는 컴퓨터로 해석되는 광검출기 이미지로 수집된다. 이는 전송 시간 측정이 아니라 컴퓨터 모델링에서 얻은 이론적 결과와 이미지의 푸리에 변환을 비교한 것에 기초한다. 영상이 1차원 또는 2차원 특성뿐만 아니라 측정된 형상의 3차원 기하학(예: 가장자리의 윤곽)에 따라 달라지기 때문에 이러한 정교한 방법이 필요하다. 근본적인 한계는 이미 논의한 바와 같이 전자빔 에너지에 의해 결정되는 빔 폭과 전자빔의 파장(결정 회절)이다.[19] 이러한 스캐닝 전자 현미경 측정의 보정은 측정된 재료와 그 기하학에 따라 결과가 달라지기 때문에 까다롭다. 일반적인 파장은 0.5 å이고, 일반적인 분해능은 약 4 nm이다.

다른 작은 차원 기법으로는 원자력 현미경, 초점 이온 빔, 헬륨 이온 현미경 등이 있다. 전송전자현미경(TEM)으로 측정된 표준시료를 이용하여 교정을 시도한다.[20]

핵과다유저효과분광법(NOESY)은 원자 사이의 거리를 측정할 수 있는 핵자기공명분광법(Nuclear Overhauser effect spectroscopy, NOESY)의 특화된 유형이다. 무선 펄스에 의한 흥분 후 핵 스핀 교차 완화가 핵 사이의 거리에 따라 달라지는 효과를 바탕으로 한다. NOE는 스핀-스핀 커플링과 달리 공간을 통해 전파되며 원자가 결합에 의해 연결될 필요가 없으므로 화학적 측정 대신 실제 거리 측정이다. NOESY는 회절측정과는 달리 결정시료가 필요없지만 용액상태에서 이루어지며 결정화가 어려운 물질에 적용할 수 있다.

기타 단위 시스템

일부 단위 시스템에서는, 현재의 SI 시스템과 달리, 길이는 기본 단위(예를 들어, 구형 SI 단위에서의 파장과 원자 단위에서의 bohrs)이며, 전송 시간에 의해 정의되지 않는다. 그러나 그러한 단위에서도 빛의 두 전달 시간을 길이를 따라 비교함으로써 두 길이를 비교할 수 있다. 이러한 비행 시간 방법론은 기본 길이 단위의 배수로서 길이를 결정하는 것보다 더 정확할 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.

장치 목록

주 범주: 길이, 거리 또는 범위 측정 장치

접촉 장치

비접촉 장치

비행시간 기준

참고 항목

참조

  1. ^ 다음과 같은 간단한 런다운이 있다. Donald Clausing (2006). "Receiver clock correction". The Aviator's Guide to Navigation (4th ed.). McGraw-Hill Professional. ISBN 978-0-07-147720-8.
  2. ^ Robert B Fisher; Kurt Konolige (2008). "§22.1.4: Time-of-flight range sensors". In Bruno Siciliano; Oussama Khatib (eds.). Springer handbook of robotics. Springer. pp. 528 ff. ISBN 978-3540239574.
  3. ^ 개요는 예를 참조하십시오.
  4. ^ 시스템 맥박과 간섭계 방법을 결합해 예 준 예리(2004년)설명합니다." 긴, 임의적인 거리의 광학 부가 이하로 절대 측정"(PDF).Optics편지를 써ㅅ다. 29(10):1153년.Bibcode:2004OptL...29.1153Y. doi:10.1364/ol.29.001153.PMID 15182016.2012-05-04에 있는 원본(PDF)에서 Archived.2011-11-30 Retrieved.
  5. ^ Jump up to: a b René Schödel (2009). "Chapter 15: Length and size". In Tōru Yoshizawa (ed.). Handbook of optical metrology: principles and applications. Volume 10. CRC Press. p. 366. Bibcode:2009homp.book.....Y. ISBN 978-0-8493-3760-4. volume= 추가 텍스트(도움말)
  6. ^ 모서리 큐브는 모서리 큐브에서 발생한 빔 사건에서 벗어난 평행 경로에 입사광을 반사한다. 이러한 사고와 반사 보의 분리는 사고와 반사 보가 서로 위에 있을 때 도입되는 기술적 어려움을 줄여준다. 이 버전의 Michelson 간섭계 및 기타 유형의 간섭계에 대한 자세한 내용은 다음을 참조하십시오.
  7. ^ Jesse Zheng (2005). Optical Frequency-Modulated Continuous-Wave (FMCW) Interferometry. Springer. Bibcode:2005ofmc.book.....Z. ISBN 978-0-387-23009-2.
  8. ^ SK Roy (2010). "§4.4 Basic principles of electronic distance measurement". Fundamentals of Surveying (2nd ed.). PHI Learning Pvt. Ltd. pp. 62 ff. ISBN 978-81-203-4198-2.
  9. ^ W Whyte; R Paul (1997). "§7.3 Electromagnetic distance measurement". Basic Surveying (4th ed.). Laxton's. pp. 136 ff. ISBN 978-0-7506-1771-0.
  10. ^ 원자 전환은 다른 원자와의 충돌, 도플러 효과로 인한 원자 동작으로부터의 주파수 이동과 같은 교란으로 인해 영향을 받아 선폭이라고 하는 전환에 대한 주파수 범위가 생기게 된다. 주파수의 불확실성에 해당하는 것은 파장의 불확실성이다. 이와는 대조적으로 이상적인 진공에서 빛의 속도는 주파수에 전혀 좌우되지 않는다.
  11. ^ Jump up to: a b 중간계 오류에 대한 논의는 위에서 인용한 기사에서 찾을 수 있다.
  12. ^ 예를 들어, 공기의 굴절 지수는 NIST가 제공한 계산기에 진공 파장을 입력하는 것에 기초하여 찾을 수 있다.
  13. ^ Peter J. Mohr; Barry N. Taylor; David B. Newell (2008). "CODATA recommended values of the fundamental physical constants: 2006". Rev Mod Phys. 80 (2): 633–730. arXiv:0801.0028. Bibcode:2008RvMP...80..633M. doi:10.1103/revmodphys.80.633. 섹션 8: 실리콘 결정과 관련된 측정, 페이지 46을 참조하십시오.
  14. ^ "Lattice parameter of silicon". The NIST reference on constants, units and uncertainty. National Institute of Standards and Technology. Retrieved 2011-04-04.
  15. ^ 다양한 종류의 만족에 대한 토론은 다음에서 찾을 수 있다.
  16. ^ "Electron wavelength and relativity". High-resolution electron microscopy (3rd ed.). Oxford University Press. 2009. p. 16. ISBN 978-0-19-955275-7.
  17. ^ 참조
  18. ^ Mark H. Jones; Robert J. Lambourne; David John Adams (2004). An introduction to galaxies and cosmology. Cambridge University Press. pp. 88 ff. ISBN 978-0-521-54623-2. Relating one step on the distance ladder to another involves a process of calibration, that is, the use of an established method of measurement to give absolute meaning to the relative measurements provided by some other method.
  19. ^ 마이클 T.Postek(2005년)."스캐닝 전자 현미경에 Photomask 중요한 치수 방법론".솃 Rizvi(교육.)에서.핸드 북 포토 마스크. 제조 기술의.CRC프레스.를 대신하여 서명함. 457페이지와 그 다음.아이 에스비엔 978-0-8247-5374-0. 그리고 해리 J. 레빈슨(2005년)."9장:계량".리소그래피(2판)의 원리SPIE 프레스.를 대신하여 서명함?313페이지와 그 다음.아이 에스비엔 978-0-8194-5660-1.
  20. ^ NG Orji; Garcia-Gutierrez; Bunday; Bishop; Cresswell; Allen; Allgair; et al. (2007). Archie, Chas N (ed.). "TEM calibration methods for critical dimension standards" (PDF). Proceedings of SPIE. Metrology, Inspection, and Process Control for Microlithography XXI. 6518: 651810. Bibcode:2007SPIE.6518E..10O. doi:10.1117/12.713368. S2CID 54698571.[영구적 데드링크]

추가 읽기

본 기사는 Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported License에 따라 허가되었지만 GFDL에 따라 허가되지 않은 Citizendium 기사 "Metre (unit)"의 자료를 통합하고 있다.