La medición de longitud , la medición de distancia o la medición de alcance ( range ) se refiere a las muchas formas en que se puede medir la longitud , la distancia o el alcance . Los enfoques más utilizados son las reglas, seguidos de los métodos de tiempo de tránsito y los métodos de interferómetro basados en la velocidad de la luz .
Para objetos como cristales y rejillas de difracción , se utiliza la difracción con rayos X y haces de electrones . Las técnicas de medición de estructuras tridimensionales muy pequeñas en todas las dimensiones utilizan instrumentos especializados como la microscopía iónica junto con un modelado informático intensivo.
La regla es el instrumento más sencillo para medir longitudes: las longitudes se definen mediante marcas impresas o grabados en un palo. El metro se definió inicialmente utilizando una regla antes de que estuvieran disponibles métodos más precisos.
Los bloques patrón son un método común para la medición o calibración precisa de herramientas de medición.
Para objetos pequeños o microscópicos, se puede utilizar la microfotografía donde la longitud se calibra mediante una retícula. Una retícula es una pieza que tiene líneas grabadas de longitudes precisas. Se pueden colocar retículas en el ocular o se pueden utilizar en el plano de medición.
La idea básica detrás de una medición de longitud en tiempo de tránsito es enviar una señal desde un extremo de la longitud a medir hasta el otro, y viceversa. El tiempo del viaje de ida y vuelta es el tiempo de tránsito Δt, y la longitud ℓ es entonces 2ℓ = Δt*"v", siendo v la velocidad de propagación de la señal, suponiendo que sea la misma en ambas direcciones. Si se utiliza luz para la señal, su velocidad depende del medio en el que se propaga; En unidades SI, la velocidad es un valor definido c 0 en el medio de referencia del vacío clásico . Por lo tanto, cuando se utiliza la luz en un enfoque de tiempo de tránsito, las mediciones de longitud no están sujetas al conocimiento de la frecuencia de la fuente (aparte de la posible dependencia de la frecuencia de la corrección para relacionar el medio con el vacío clásico), pero están sujetas al error en la medición. tiempos de tránsito, en particular, errores introducidos por los tiempos de respuesta de la instrumentación de emisión y detección de impulsos. Una incertidumbre adicional es la corrección del índice de refracción que relaciona el medio utilizado con el vacío de referencia, tomado en unidades SI como el vacío clásico . Un índice de refracción del medio mayor que uno ralentiza la luz.
La medición del tiempo de tránsito es la base de la mayoría de los sistemas de radionavegación para barcos y aviones, por ejemplo, el radar y la casi obsoleta ayuda a la navegación de largo alcance LORAN-C . Por ejemplo, en un sistema de radar, el vehículo envía pulsos de radiación electromagnética (pulsos de interrogación) que desencadenan una respuesta de una baliza de respuesta . El intervalo de tiempo entre el envío y la recepción de un impulso se controla y se utiliza para determinar la distancia. En el sistema de posicionamiento global, se emite un código de unos y ceros a una hora conocida desde múltiples satélites, y sus horas de llegada se anotan en un receptor junto con la hora en que fueron enviados (codificadas en los mensajes). Suponiendo que el reloj del receptor se pueda relacionar con los relojes sincronizados de los satélites, se puede encontrar el tiempo de tránsito y utilizarlo para proporcionar la distancia a cada satélite. El error del reloj del receptor se corrige combinando los datos de cuatro satélites. [1]
Estas técnicas varían en precisión según las distancias a las que se pretende utilizar. Por ejemplo, LORAN-C tiene una precisión de aproximadamente 6 km, GPS de aproximadamente 10 m, GPS mejorado, en el que se transmite una señal de corrección desde estaciones terrestres (es decir, GPS diferencial (DGPS)) o vía satélites (es decir, Área Amplia El sistema de aumento (WAAS) puede llevar la precisión a unos pocos metros o < 1 metro o, en aplicaciones específicas, a decenas de centímetros. Los sistemas de tiempo de vuelo para robótica (por ejemplo, LADAR de detección y alcance por láser y LIDAR de alcance y detección de luz ) apuntan a longitudes de 10 a 100 m y tienen una precisión de aproximadamente 5 a 10 mm . [2]
En muchas circunstancias prácticas, y para trabajos de precisión, la medición de dimensiones mediante mediciones de tiempo de tránsito se utiliza sólo como indicador inicial de longitud y se refina utilizando un interferómetro. [3] [4] Generalmente, se prefieren las mediciones del tiempo de tránsito para longitudes más largas y los interferómetros para longitudes más cortas. [5]
La figura muestra esquemáticamente cómo se determina la longitud utilizando un interferómetro de Michelson : los dos paneles muestran una fuente láser que emite un haz de luz dividido por un divisor de haz (BS) para recorrer dos caminos. La luz se recombina haciendo rebotar los dos componentes en un par de cubos de esquina (CC) que devuelven los dos componentes al divisor de haz nuevamente para volver a ensamblarlos. El cubo de esquina sirve para desplazar el haz incidente del haz reflejado, lo que evita algunas complicaciones derivadas de la superposición de los dos haces. [6] La distancia entre el cubo de la esquina izquierda y el divisor de haz se compara con la separación en la pata fija mientras se ajusta el espaciado de la izquierda para comparar la longitud del objeto a medir.
En el panel superior, el camino es tal que las dos vigas se refuerzan entre sí después del reensamblaje, lo que genera un patrón de luz fuerte (sol). El panel inferior muestra una trayectoria que se alarga media longitud de onda al alejar el espejo izquierdo un cuarto de longitud de onda, aumentando la diferencia de trayectoria en media longitud de onda. El resultado es que los dos haces se oponen entre sí en el momento del reensamblaje y la intensidad de la luz recombinada cae a cero (nubes). Por lo tanto, a medida que se ajusta el espacio entre los espejos, la intensidad de la luz observada oscila entre refuerzo y cancelación a medida que cambia el número de longitudes de onda de la diferencia de trayectoria, y la intensidad observada alcanza alternativamente su máximo (sol brillante) y su atenuación (nubes oscuras). Este comportamiento se llama interferencia y la máquina se llama interferómetro . Contando franjas se determina cuántas longitudes de onda tiene la longitud de la trayectoria medida en comparación con el tramo fijo. De esta forma, las mediciones se realizan en unidades de longitudes de onda λ correspondientes a una transición atómica particular . La longitud en longitudes de onda se puede convertir a una longitud en unidades de metros si la transición seleccionada tiene una frecuencia conocida f . La longitud como un cierto número de longitudes de onda λ se relaciona con el metro usando λ = c 0 / f . Con c 0 como valor definido de 299.792.458 m/s, el error en una longitud medida en longitudes de onda aumenta mediante esta conversión a metros por el error en la medición de la frecuencia de la fuente de luz.
Al utilizar fuentes de varias longitudes de onda para generar frecuencias de latidos suma y diferencia , es posible realizar mediciones de distancia absoluta. [7] [8] [9]
Esta metodología para la determinación de la longitud requiere una especificación cuidadosa de la longitud de onda de la luz utilizada y es una de las razones para emplear una fuente láser donde la longitud de onda se pueda mantener estable. Sin embargo, independientemente de la estabilidad, la frecuencia precisa de cualquier fuente tiene limitaciones de ancho de línea. [10] Otros errores importantes son introducidos por el propio interferómetro; en particular: errores en la alineación del haz de luz, colimación y determinación de franjas fraccionarias. [5] [11] También se realizan correcciones para tener en cuenta las desviaciones del medio (por ejemplo, aire) [12] del medio de referencia del vacío clásico . La resolución utilizando longitudes de onda está en el rango de ΔL/L ≈ 10 −9 – 10 −11 dependiendo de la longitud medida, la longitud de onda y el tipo de interferómetro utilizado. [11]
La medición también requiere una especificación cuidadosa del medio en el que se propaga la luz. Se realiza una corrección del índice de refracción para relacionar el medio utilizado con el vacío de referencia, tomado en unidades SI como el vacío clásico . Estas correcciones del índice de refracción se pueden encontrar con mayor precisión sumando frecuencias, por ejemplo, frecuencias en las que la propagación es sensible a la presencia de vapor de agua. De esta manera, las contribuciones no ideales al índice de refracción se pueden medir y corregir en otra frecuencia utilizando modelos teóricos establecidos.
Cabe señalar nuevamente, a modo de contraste, que la medición del tiempo de tránsito de la longitud es independiente de cualquier conocimiento de la frecuencia de la fuente, excepto por una posible dependencia de la corrección que relaciona el medio de medición con el medio de referencia del vacío clásico, que De hecho, puede depender de la frecuencia de la fuente. Cuando se utiliza un tren de impulsos o alguna otra forma de onda, puede estar implicada una gama de frecuencias.
Para objetos pequeños se utilizan diferentes métodos que también dependen de determinar el tamaño en unidades de longitudes de onda. Por ejemplo, en el caso de un cristal, los espaciamientos atómicos se pueden determinar mediante difracción de rayos X. [13] El mejor valor actual para el parámetro de red del silicio, denotado como , es: [14]
correspondiente a una resolución de ΔL/L ≈ 3 × 10 −10 . Técnicas similares pueden proporcionar las dimensiones de pequeñas estructuras repetidas en grandes conjuntos periódicos, como una rejilla de difracción . [15]
Este tipo de mediciones permiten la calibración de microscopios electrónicos , ampliando las capacidades de medición. Para electrones no relativistas en un microscopio electrónico, la longitud de onda de De Broglie es: [16]
siendo V la caída de tensión eléctrica atravesada por el electrón, m la masa del electrón, e la carga elemental y h la constante de Planck . Esta longitud de onda se puede medir en términos de espaciado interatómico utilizando un patrón de difracción de cristal y relacionarse con el medidor mediante una medición óptica del espaciado de la red en el mismo cristal. Este proceso de ampliación de la calibración se denomina trazabilidad metrológica . [17] El uso de la trazabilidad metrológica para conectar diferentes regímenes de medición es similar a la idea detrás de la escalera de distancias cósmicas para diferentes rangos de longitud astronómica. Ambos calibran diferentes métodos para medir la longitud utilizando rangos de aplicabilidad superpuestos. [18]
La medición de distancia es una técnica que mide la distancia o el rango inclinado desde el observador hasta un objetivo, especialmente un objetivo lejano y en movimiento.
Los métodos activos utilizan transmisión unilateral y reflexión pasiva. Los métodos de telémetro activo incluyen láser ( lidar ), radar , sonar y telémetro ultrasónico .
Otros dispositivos que miden distancias mediante trigonometría son los telémetros estadiamétricos , de coincidencia y estereoscópicos . Las metodologías más antiguas que utilizan un conjunto de información conocida (normalmente distancia o tamaños de objetivos) para realizar la medición se han utilizado habitualmente desde el siglo XVIII.
El alcance especial utiliza mediciones de transmisión y tiempo de viaje activamente sincronizadas . La diferencia de tiempo entre varias señales recibidas se utiliza para determinar distancias exactas (multiplicando por la velocidad de la luz ). Este principio se utiliza en la navegación por satélite . Junto con un modelo estandarizado de la superficie de la Tierra, se puede determinar una ubicación en esa superficie con gran precisión. Los métodos de determinación de distancia sin una sincronización horaria precisa del receptor se denominan pseudodistancia y se utilizan, por ejemplo, en el posicionamiento GPS .
Con otros sistemas, el alcance se obtiene únicamente a partir de mediciones de radiación pasiva: el ruido o la firma de radiación del objeto genera la señal que se utiliza para determinar el alcance. Este método asincrónico requiere múltiples mediciones para obtener un rango tomando múltiples rumbos en lugar de escalar adecuadamente los pings activos ; de lo contrario, el sistema solo es capaz de proporcionar un rumbo simple a partir de cualquier medición única.
La combinación de varias mediciones en una secuencia temporal conduce al seguimiento y localización . Un término comúnmente utilizado para referirse a objetos terrestres residentes es topografía .
La medición de las dimensiones de estructuras localizadas (a diferencia de grandes conjuntos de átomos como un cristal), como en los circuitos integrados modernos , se realiza mediante el microscopio electrónico de barrido . Este instrumento hace rebotar electrones en el objeto que se va a medir en un recinto de alto vacío y los electrones reflejados se recogen como una imagen de fotodetector que es interpretada por una computadora. Estas no son mediciones de tiempo de tránsito, sino que se basan en la comparación de transformadas de Fourier de imágenes con resultados teóricos de modelos por computadora. Se requieren métodos tan elaborados porque la imagen depende de la geometría tridimensional de la característica medida, por ejemplo, el contorno de un borde, y no sólo de propiedades uni o bidimensionales. Las limitaciones subyacentes son la anchura del haz y la longitud de onda del haz de electrones (que determinan la difracción ), determinadas, como ya se ha comentado, por la energía del haz de electrones. [19] La calibración de estas mediciones con microscopio electrónico de barrido es complicada, ya que los resultados dependen del material medido y su geometría. Una longitud de onda típica es de 0,5 Å y una resolución típica es de aproximadamente 4 nm.
Otras técnicas de pequeñas dimensiones son el microscopio de fuerza atómica , el haz de iones enfocado y el microscopio de iones de helio. La calibración se intenta utilizando muestras estándar medidas con un microscopio electrónico de transmisión (TEM). [20]
La espectroscopia del efecto Nuclear Overhauser (NOESY) es un tipo especializado de espectroscopia de resonancia magnética nuclear donde se pueden medir las distancias entre átomos. Se basa en el efecto por el cual la relajación cruzada del espín nuclear después de la excitación por un pulso de radio depende de la distancia entre los núcleos. A diferencia del acoplamiento espín-espín, NOE se propaga a través del espacio y no requiere que los átomos estén conectados mediante enlaces, por lo que es una verdadera medición de distancia en lugar de una medición química. A diferencia de las mediciones de difracción, NOESY no requiere una muestra cristalina, sino que se realiza en estado de solución y puede aplicarse a sustancias difíciles de cristalizar.
La escala de distancias cósmicas (también conocida como escala de distancias extragalácticas) es la sucesión de métodos mediante los cuales los astrónomos determinan las distancias a los objetos celestes. Una medición directa de la distancia de un objeto astronómico sólo es posible para aquellos objetos que están "lo suficientemente cerca" (dentro de unos mil pársecs ) de la Tierra. Todas las técnicas para determinar distancias a objetos más distantes se basan en varias correlaciones medidas entre métodos que funcionan a distancias cercanas y métodos que funcionan a distancias mayores. Varios métodos se basan en una vela estándar, que es un objeto astronómico que tiene una luminosidad conocida .
La analogía de la escalera surge porque ninguna técnica por sí sola puede medir distancias en todos los rangos que se encuentran en la astronomía. En cambio, se puede utilizar un método para medir distancias cercanas, un segundo para medir distancias cercanas a intermedias, y así sucesivamente. Cada peldaño de la escalera proporciona información que se puede utilizar para determinar las distancias en el siguiente peldaño superior.En algunos sistemas de unidades, a diferencia del sistema SI actual, las longitudes son unidades fundamentales (por ejemplo, las longitudes de onda en las unidades SI más antiguas y los bohrs en unidades atómicas ) y no están definidas por tiempos de tránsito. Sin embargo, también en tales unidades se pueden comparar dos longitudes comparando los dos tiempos de tránsito de la luz a lo largo de las longitudes. Esta metodología del tiempo de vuelo puede o no ser más precisa que la determinación de una longitud como múltiplo de la unidad de longitud fundamental.
Relacionar un escalón de la escala de distancias con otro implica un proceso de calibración, es decir, el uso de un método de medición establecido para dar significado absoluto a las mediciones relativas proporcionadas por algún otro método.
Este artículo incorpora material del artículo de Citizendium "Metro (unidad)", que tiene la licencia Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported, pero no la GFDL .
