МИНОБРНАУКИ РОССИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Алтайский государственный университет»

Методы анализа физических измерений

рабочая программа дисциплины
Закреплена за кафедройКафедра радиофизики и теоретической физики
Направление подготовки03.06.01. Физика и астрономия
НаправленностьПриборы и методы экспериментальной физики
Форма обученияОчная
Общая трудоемкость3 ЗЕТ
Учебный план03_06_01_Приб_-34-2020
Часов по учебному плану 108
в том числе:
аудиторные занятия 36
самостоятельная работа 45
контроль 27
Виды контроля по семестрам
экзамены: 5

Распределение часов по семестрам

Курс (семестр) 3 (5) Итого
Недель 19
Вид занятий УПРПДУПРПД
Лекции 36 36 36 36
Сам. работа 45 45 45 45
Часы на контроль 27 27 27 27
Итого 108 108 108 108

Программу составил(и):
к.т.н., доцент кафедры радиофизики и теоретической физики, А.Я. Суранов

Рецензент(ы):
к.ф.-м.н., доцент кафедры прикладной физики, электроники и информационной безопасности , Д.Д. Рудер

Рабочая программа дисциплины
Методы анализа физических измерений

разработана в соответствии с ФГОС:
Федеральный государственный образовательный стандарт высшего образования по направлению подготовки 03.06.01 ФИЗИКА И АСТРОНОМИЯ (уровень подготовки кадров высшей квалификации). (приказ Минобрнауки России от 30.07.2014г. №867)

составлена на основании учебного плана:
03.06.01 Физика и астрономия
утвержденного учёным советом вуза от 30.06.2020 протокол № 6.

Рабочая программа одобрена на заседании кафедры
Кафедра радиофизики и теоретической физики

Протокол от 15.06.2020 г. № 9
Срок действия программы: 2020-2021 уч. г.

Заведующий кафедрой
д.ф.-м.н., профессор А.А. Лагутин


Визирование РПД для исполнения в очередном учебном году

Рабочая программа пересмотрена, обсуждена и одобрена для
исполнения в 2020-2021 учебном году на заседании кафедры

Кафедра радиофизики и теоретической физики

Протокол от 15.06.2020 г. № 9
Заведующий кафедрой д.ф.-м.н., профессор А.А. Лагутин


1. Цели освоения дисциплины

1.1.Подготовка аспиранта к осуществлению научно-исследовательской деятельности, связанной с обработкой и анализом измерительной информации, работой с пакетами прикладных программ, а также с работой в междисциплинарных областях научных исследований.
Подготовка ученого исследователя, способного представлять, обосновывать и отстаивать результаты собственных исследований и выводов, осознавать ответственность за принятие профессиональных решений.
Формирование социально-личностных качеств научного сотрудника: целеустремленности, организованности, трудолюбия, ответственности, гражданственности, коммуникабельности, толерантности, повышения общей культуры.

2. Место дисциплины в структуре ООП

Цикл (раздел) ООП: Б1.В.ДВ.03

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

УК-1 способностью к критическому анализу и оценке современных научных достижений, генерированию новых идей при решении исследовательских и практических задач, в том числе в междисциплинарных областях
ОПК-1 способностью самостоятельно осуществлять научно-исследовательскую деятельность в соответствующей профессиональной области с использованием современных методов исследования и информационно-коммуникационных технологий
ПК-1 Способность демонстрировать системное понимание в профессиональной области и получать научные результаты, удовлетворяющие установленным требованиям к содержанию диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук по направленности Приборы и методы экспериментальной физики
В результате освоения дисциплины обучающийся должен
3.1.Знать:
3.1.1.Основные методы обработки и анализа измерительной информации.
Математические модели явлений и процессов, протекающих в преобразователях физических величин,используемых в конкретной профессиональной области.
Современный уровень развития информационно-измерительных технологий и направления их развития.
3.2.Уметь:
3.2.1.Применять современные пакеты прикладных программ для обработки и анализа измерительной информации.
Выбирать и применять наиболее подходящие алгоритмы обработки результатов измерительных экспериментов в своей профессиональной области.
Выбирать программные и аппаратные компоненты измерительных систем, предназначенных для автоматизации научных исследований в своей профессиональной области.
3.3.Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть):
3.3.1.Построения программно-аппаратных комплексов для сбора, обработки и представления измерительной информации.
Программирования систем обработки и анализа результатов измерительных экспериментов.
Принятия нестандартных решений при подготовке и проведении измерительного эксперимента.

4. Структура и содержание дисциплины

Код занятия Наименование разделов и тем Вид занятия Семестр Часов Компетенции Литература
Раздел 1. Сбор и первичная обработка результатов измерений
1.1. Цифровые измерительные приборы и системы сбора данных. Аналого-цифровое преобразование измерительных сигналов. Теорема Котельникова. Идеальная дискретизация и восстановление сигналов. Реальная дискретизация и восстановление. Связь временного и спектрального представлений измерительных сигналов при идеальной и реальной дискретизации и восстановлении. Погрешность квантования. Лекции 5 2 ПК-1 Л3.1, Л2.2
1.2. Цифровые измерительные приборы и системы сбора данных. Аналого-цифровое преобразование измерительных сигналов. Теорема Котельникова. Идеальная дискретизация и восстановление сигналов. Реальная дискретизация и восстановление. Связь временного и спектрального представлений измерительных сигналов при идеальной и реальной дискретизации и восстановлении. Погрешность квантования. Сам. работа 5 3 ПК-1
1.3. Специальные распределения вероятностей и их использование в физике. Биномиальное распределение, распределение Пуассона (дробовой шум), экспоненциальное распределение. Нормальное распределение и центральная предельная теорема. Лекции 5 2 ПК-1, УК-1
1.4. Специальные распределения вероятностей и их использование в физике. Биномиальное распределение, распределение Пуассона (дробовой шум), экспоненциальное распределение. Нормальное распределение и центральная предельная теорема. Сам. работа 5 3 ПК-1
1.5. Многомерные распределения вероятностей. Корреляции случайных величин. Случайные процессы. Эргодичность. Корреляционная функция случайного процесса. Стационарные случайные процессы. Спектральная плотность. Теорема Винера-Хинчина. Лекции 5 2 ОПК-1, ПК-1, УК-1
1.6. Многомерные распределения вероятностей. Корреляции случайных величин. Случайные процессы. Эргодичность. Корреляционная функция случайного процесса. Стационарные случайные процессы. Спектральная плотность. Теорема Винера-Хинчина. Сам. работа 5 3 ОПК-1
1.7. Статистическая обработка результатов измерений. Модели законов распределения случайных погрешностей. Техника оценки параметров при разных распределениях погрешностей измерений. Лекции 5 2 ПК-1 Л2.1
1.8. Статистическая обработка результатов измерений. Модели законов распределения случайных погрешностей. Техника оценки параметров при разных распределениях погрешностей измерений. Сам. работа 5 3 ПК-1
Раздел 2. Оценка параметров случайных величин и статистическая проверка гипотез
2.1. Оценка параметров случайных величин. Выборочные средние и дисперсии. Выборочные распределения. t-распределение Стьюдента, χ2-распределение Определение средних значений измеряемых параметров и их погрешностей в прямых и косвенных измерениях. Лекции 5 2 ПК-1
2.2. Оценка параметров случайных величин. Выборочные средние и дисперсии. Выборочные распределения. t-распределение Стьюдента, χ2-распределение Определение средних значений измеряемых параметров и их погрешностей в прямых и косвенных измерениях. Сам. работа 5 3 ПК-1
2.3. Техника оценки параметров при разных распределениях погрешностей измерений. Средние и вероятные значения переменных. Техника оценки параметров при асимметричных распределениях погрешностей. Суммирование результатов различных измерений. Робастные оценки. Параметрические и непараметрические оценки Лекции 5 2 ПК-1, УК-1
2.4. Техника оценки параметров при разных распределениях погрешностей измерений. Средние и вероятные значения переменных. Техника оценки параметров при асимметричных распределениях погрешностей. Суммирование результатов различных измерений. Робастные оценки. Параметрические и непараметрические оценки Сам. работа 5 3 УК-1
2.5. Статистическая проверка гипотез. Критерии согласия и методы их использования. Проверка гипотезы о виде закона распределения случайной погрешности. Критерии хи-квадрат, Смирнова-Колмогорова, Колмогорова. Лекции 5 2 ПК-1, УК-1
2.6. Статистическая проверка гипотез. Критерии согласия и методы их использования. Проверка гипотезы о виде закона распределения случайной погрешности. Критерии хи-квадрат, Смирнова-Колмогорова, Колмогорова. Сам. работа 5 3 УК-1
2.7. Фильтрация данных и измерительных сигналов. Типы фильтров. КИХ и БИХ-фильтры. Реализация фильтров с помощью дискретной свёртки или с помощью разностного уравнения. Синтез КИХ-фильтров оконным методом. Виды окон и ихспектральные характеристики. Фильтры Савицкого-Голея. Нелинейные фильтры. Лекции 5 6 ОПК-1, ПК-1, УК-1 Л1.1
2.8. Фильтрация данных и измерительных сигналов. Типы фильтров. КИХ и БИХ-фильтры. Реализация фильтров с помощью дискретной свёртки или с помощью разностного уравнения. Синтез КИХ-фильтров оконным методом. Виды окон и ихспектральные характеристики. Фильтры Савицкого-Голея. Нелинейные фильтры. Сам. работа 5 6 ОПК-1
Раздел 3. Совместные измерения. Регрессионный и корреляционный анализ результатов измерений
3.1. Метод наименьших квадратов. Аппроксимация результатов измерения линейными и нелинейными функциями. Выбор модельных зависимостей. Оценка погрешностей коэффициентов аппроксимирующих зависимостей. Построение полосы доверительных интервалов для аппроксимирующей зависимости. Лекции 5 4 ПК-1, УК-1 Л1.1, Л2.2
3.2. Метод наименьших квадратов. Аппроксимация результатов измерения линейными и нелинейными функциями. Выбор модельных зависимостей. Оценка погрешностей коэффициентов аппроксимирующих зависимостей. Построение полосы доверительных интервалов для аппроксимирующей зависимости. Сам. работа 5 5 ПК-1
3.3. Коореляционные измерительные приборы. Корреляционный анализ измерительных сигналов, расчёт авто- и взаимно-корреляционной функции, оценка интервала корреляции. Погрешности оценки коэффициента корреляции. Лекции 5 2 ОПК-1, ПК-1, УК-1
3.4. Коореляционные измерительные приборы. Корреляционный анализ измерительных сигналов, расчёт авто- и взаимно-корреляционной функции, оценка интервала корреляции. Погрешности оценки коэффициента корреляции. Сам. работа 5 3 УК-1
Раздел 4. Спектральные измерения.
4.1. Спектральный анализ измерительных сигналов: Дискретное преобразование Фурье. Быстрое преобразование Фурье (FFT). Амплитудный и фазовый спектр, спектр мощности. Погрешность измерения параметров спектра. Лекции 5 4 ОПК-1, ПК-1, УК-1
4.2. Спектральный анализ измерительных сигналов: Дискретное преобразование Фурье. Быстрое преобразование Фурье (FFT). Амплитудный и фазовый спектр, спектр мощности. Сам. работа 5 4
4.3. Вейвлет-анализ измерительных сигналов Лекции 5 2 ОПК-1, ПК-1, УК-1 Л1.1
4.4. Вейвлет-анализ измерительных сигналов Сам. работа 5 2
Раздел 5. Дисперсионный анализ
5.1. Однофакторный дисперсионный анализ. Понятие линейных контрастов. Двухфакторный дисперсионный анализ. Решение типовых примеров. Лекции 5 4 ПК-1, УК-1
5.2. Однофакторный дисперсионный анализ. Понятие линейных контрастов. Двухфакторный дисперсионный анализ. Решение типовых примеров. Сам. работа 5 4 УК-1
5.3. Контроль знаний и компеетенций Экзамен 5 27 ОПК-1, ПК-1, УК-1

5. Фонд оценочных средств

5.1. Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
1.Перечислите элементы цифровых измерительных приборов и систем сбора данных.
2.Объясните закономерности аналого-цифрового преобразования измерительных сигналов. Как выбирается частота дискретизации и число разрядов АЦП? Чему равна погрешность квантования?
3.Покажите отличия реальной дискретизации от идеальной в частотной и временной области.
4.Приведите примеры специальных распределений вероятностей и их использование в физике. Продемонстрируйте эти распределения с помощью компьютерного моделирования.
5.Как определяется корреляция случайных величин? Что такое корреляционная функция случайного процесса?
6.Как рассчитывается спектральная плотность стационарного случайного процесса?
7.Как производится статистическая обработка результатов измерений?
8.Как производится оценка выборочного среднего при различных распределениях погрешности измерений и какие модели законов распределения случайных погрешностей существуют?
9.Охарактеризуйте t- распределение Стьюдента, χ2-распределение и нормальное распределение.
10.Как суммируются результаты различных измерений?
11.Что такое робастные оценки, параметрические и непараметрические оценки?
12.Как выполняется статистическая проверка гипотез?
13.Назовите критерии согласия и методы их использования.
14.Как осуществляется фильтрация данных и измерительных сигналов?
15.Перечислите виды КИХ и БИХ-фильтров.
16.Расскажите о реализации фильтров с помощью дискретной свёртки или с помощью разностного уравнения.
17.Какова методика синтеза КИХ-фильтров оконным методом? Покажите виды окон и их спектральные характеристики.
18.Что такое фильтры Савицкого-Голея. Приведите примеры нелинейных фильтров
19.Как рассчитываются коэффициенты аппроксимирующей функции с помощью метода наименьших квадратов?
20.Какими методами осуществляется аппроксимация результатов измерения линейными и нелинейными функциями?
21.Как производится выбор модельной зависимости?
22.Как рассчитывается оценка погрешностей коэффициентов аппроксимирующих зависимостей?
23.Как строятся полосы доверительных интервалов для аппроксимирующей зависимости?
24.Что такое авто- и взаимно-корреляционная функция?
25.Как рассчитывается интервал корреляции?
26.Как выполняется спектральный анализ измерительных сигналов?
27.Как реализуется дискретное преобразование Фурье и быстрое преобразование Фурье (FFT)?
28.Как рассчитываются амплитудный и фазовый спектр, а также спектр мощности?
29.Как осуществляется вейвлет-анализ измерительных сигналов?
30.Охарактеризуйте однофакторный дисперсионный анализ.
31.Что такое линейные контрасты?
32.Опишите двухфакторный дисперсионный анализ.
5.2. Темы письменных работ для проведения текущего контроля (эссе, рефераты, курсовые работы и др.)
5.3. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации
См. Приложения

6. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

6.1. Рекомендуемая литература
6.1.1. Основная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л1.1 В.П. Федосов, А.К. Нестеренко Цифровая обработка сигналов в LabVIEW: учебное пособие М.: ДМК Пресс // ЭБС "Лань", 2009 e.lanbook.com
6.1.2. Дополнительная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л2.1 С.А. Ахманов, Ю.Е. Дьяков, А.С. Чиркин Статистическая радиофизика и оптика: Учебное пособие Москва : Физматлит // ЭБС "Лань", 2010 https://e.lanbook.com/book/48263
Л2.2 Суранов А.Я. LabVIEW 8.20: Справочник по функциям: Справочник М.: ДМК Пресс // ЭБС "Лань", 2009 e.lanbook.com
6.1.3. Дополнительные источники
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л3.1 А.Я. Суранов Аналого-цифровое и цифроаналоговое преобразование: Методические указания к выполнению лабораторной работы Изд-во АлтГУ, 2000
6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет"
Название Эл. адрес
Э1 Курс "Методы анализа физических измерений " на Образовательном портале [Электронный ресурс] portal.edu.asu.ru
6.3. Перечень программного обеспечения
Microsoft Windows
Microsoft Office
7-Zip
AcrobatReader
6.4. Перечень информационных справочных систем

7. Материально-техническое обеспечение дисциплины

Аудитория Назначение Оборудование
Учебная аудитория для проведения занятий лекционного типа, занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических), групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации, курсового проектирования (выполнения курсовых работ), проведения практик Стандартное оборудование (учебная мебель для обучающихся, рабочее место преподавателя, доска)
001вК склад экспериментальной мастерской - помещение для хранения и профилактического обслуживания учебного оборудования Акустический прибор 01021; виброизмеритель 00032; вольтметр Q1202 Э-500; вольтметр универсальный В7-34А; камера ВФУ -1; компьютер Турбо 86М; масспектрометр МРС -1; осциллограф ЕО -213- 2 ед.; осциллограф С1-91; осциллограф С7-19; программатор С-815; самописец 02060 – 2 ед.; стабилизатор 3218; терц-октавный фильтр 01023; шкаф вытяжной; шумомер 00026; анализатор АС-817; блок 23 Г-51; блок питания "Статрон" – 2 ед.; блок питания Ф 5075; вакуумный агрегат; весы; вольтметр VM -70; вольтметр В7-15; вольтметр В7-16; вольтметр ВУ-15; генератор Г-5-6А; генератор Г4-76А; генератор Г4-79; генератор Г5-48; датчик колебаний КВ -11/01; датчик колебаний КР -45/01; делитель Ф5093; измеритель ИМП -2; измеритель параметров Л2-12; интерферометр ИТ 51-30; источник "Агат" – 3 ед.; источник питания; источник питания 3222; источник питания ЭСВ -4; лабораторная установка для настройки газовых лазеров; лазер ЛГИ -21; М-кальк-р МК-44; М-калькул-р "Электроника"; магазин сопротивления Р4075; магазин сопротивления Р4077; микроскоп МБС -9; модулятор МДЕ; монохроматор СДМС -97; мост переменного тока Р5066; набор цветных стекол; насос вакумный; насос вакуумный ВН-01; осциллограф С1-31; осциллограф С1-67; осциллограф С1-70; осциллограф С1-81; осциллоскоп ЕО -174В – 2 ед.; пентакта L-100; пирометр "Промень"; пистонфон 05001; преобразователь В9-1; прибор УЗДН -2Т; скамья оптическая СО 1м; спектограф ДФС -452; спектограф ИСП -51; стабилизатор 1202; стабилизатор 3217 – 4 ед.; стабилизатор 3218; стабилизатор 3222 – 3 ед.; станок токарный ТВ-4; усилитель мощности ЛВ -103 – 4 ед.; усилитель У5-9; центрифуга ВЛ-15; частотомер Ч3-54А; шкаф металлический; эл.двигатель; электродинамический калибратор 11032
519М электронный читальный зал с доступом к ресурсам «ПРЕЗИДЕНТСКОЙ БИБЛИОТЕКИ имени Б.Н. Ельцина» - помещение для самостоятельной работы Учебная мебель на 46 посадочных мест; 1 Флипчарт; компьютеры; ноутбуки с подключением к информационно-телекоммуникационной сети "Интернет" и доступом в электронную информационно-образовательную среду; стационарный проектор: марка Panasonic, модель PT-ST10E; стационарный экран: марка Projecta, модель 10200123; система видеоконференцсвязи Cisco Telepresence C20; конгресс система Bosch DCN Next Generation; 8 ЖК-панелей
304К лаборатория телекоммуникаций и цифрового телевидения центр систем автоматизации и управления - учебная аудитория для проведения занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических); проведения групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации Учебная мебель на 10 посадочных мест; рабочее место преподавателя; стеллажи под лабораторное оборудование; проектор: марка INFOCUS модель IN24 - 1 единица; программно-аппаратный комплекс измерения технологических параметров на базе плат, система сбора данных AFS, средства отладки и программирования DL-NEXYS, станции паяльные ERSA (2шт.), телефон системный Panasonic KX-DT321RU-B (2шт.), IP-платформа Panasonic KX-NCP1000RU, Анализатор спектра R&S FSH8, модальная система анализа и генерации сигналов, персональные портативные устройства сбора данных NI myDAQ; методические указания по выполнению лабораторных работ по курсам "Техника приема и обработки сигналов", "Проектирование устройств на ПЛИС", "Цифровая и микропроцессорная техника".

8. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины

При изучении тем курса следует самостоятельно повторить рассмотренные вопросы, пользуясь рекомендованной литературой, и ответить на контрольные вопросы. Возможен вариант опережающего знакомства с материалом лекции с тем, чтобы на лекции получить ответ на возможные вопросы. Целесообразно постараться "привязать" рассматриваемые вопросы к теме своей диссертационной работы. Также желательно проверить все рассматриваемые математические вопросы с помощью моделирования или использования реального оборудования. Рекомендуемой средой программирования для этого является среда графического программирования LabVIEW.