Очень общая метрология

В психологии стандартные приборы фактически есть — это основные тесты, переведенные на разные языки и валидизированные. Более того, выработка системы параметров, характеризующих психологию, шла одновременно и вместе с разработкой приборов, то есть тестов.

Датчики и преобразования

Большинство операций в метрологии делается с электрическими величинами и сигналами. Можно представить себе неэлектрическую цивилизацию, фантасты и такое, и даже не такое придумали, но наша цивилизация пошла другим путем. То есть торной стезей вольтов и амперов. Поэтому при измерении неэлектрических величин первое, что надо сделать — преобразовать совсем неэлектрическую величину (координату, скорость, ускорение, силу, давление, радиацию, давление, температуру…) или «отчасти электрическую» (напряженность магнитного поля, интенсивность электромагнитной волны) в электрическую — сразу или в несколько шагов. То, что это делает, кусок измерительной цепи от объекта до первого места, где уже есть электрический сигнала, и называют обычно датчиком. В датчиках могут быть использованы «эффекты» — пьезоэффект, термоэлектический, фотоэффект, зависимость деформации от силы, терморезистивный, магниторезистивный, эффект Холла, зависимость обратного тока и напряжения стабилизации от температуры в полупроводниковых приборах.

Иногда преобразователем сигнала или даже датчиком является сам объект. Пример преобразования сигнала самим объектом — измерение напряжений в материале: на самом деле могут измеряться деформации, если тензодатчик наклеен на поверхность, но могут и сами напряжения — если тензодатчик вставить в объем образца. Датчиком в обычном смысле будет тензодатчик, преобразующий свои деформации в электрическое сопротивление. Другой пример — поляриметрическое измерение напряжений (деформаций) по повороту плоскости поляризации проходящего света. Пример использования самого объекта в роли датчика, то есть имеющего на выходе электрический сигнал — измерение деформаций пьезокристалла, но это пример скорее мысленный — пьезоэффект имеет место лишь у немногих материалов. В социологии объект и датчик совмещены всегда, когда мы задаем респонденту вопрос, то есть почти всегда.

При наличии цепочки преобразований не столь трудно определить, как итоговая точность, итоговая чувствительность, итоговая стабильность, итоговые шумы зависят зависят от соответствующих параметров отдельных элементов метрологической цепочки. В быту датчиком называют иногда сложное устройство, например, «датчик движения» систем охранной сигнализации включает передатчик и приемник электромагнитного или ультразвукового сигнала, и датчик в широком смысле слова содержит датчик в узком смысле.

Разных датчиков существует очень много, и если ставится задача сделать датчик некой величины, то на основе любого физического эффекта, любой зависимости, любой физической формулы может быть построен датчик. В некотором смысле, на основе физики может быть построена общая классификация датчиков. Google на запрос «классификация датчиков» дает около 150 ссылок. Мыша в руку и вперед.

Например, зависимость частоты стрекотания сверчков от температуры: http://www.snopes.com/science/cricket.asp.

В социологии и психологии, если мы получаем информацию не из наблюдения, а посредством анкеты, у нас получается совмещение объекта исследования и датчика. Для техники это ситуация не частая, но и не уникальная. Так обстоит дело при измерении деформаций, когда на самом деле нужно знать напряжения, или при измерении температуры термопарой, когда вторым электродом является сам объект. В социологии и психологии все сложнее, поскольку датчику-человеку свойственны систематические «ошибки», как не осознаваемые, так и вполне осознаваемые, в частности при ответе на «чувствительные» вопросы анкет (о доходе, о сексе). Впрочем, иногда и при ответе на самые обычные. Тут работает и конформизм, и — реже — нонконформизм (например у студентов), и желание понравиться интервьюеру и отторжение, и многое другое.

Величины и шкалы

В этом разделе мы в значительной мере следуем увлекательному изложению этой темы в книге Б.Г.Артемьева и Ю.Е.Лукашова «Справочное пособие для специалистов метрологических служб».

Шкалы — это способ упорядочивания значений. Причем значения мы понимаем здесь в расширительном смысле — не только как числа. Например «красный» — это значение переменной «цвет», или «N» — значение переменной «преступник». Шкалы бывают нескольких типов, вот эти… типчики.

Шкалы наименований — на множестве которых установлено только соотношение эквивалентности (собственно, это не величины), например, ключи и замки, отпечатки пальцев и преступники; шкала в этом случае — это даже не шкала в обычном бытовом понимании, а так, куча.

Следующая группа — это шкалы порядка, в них есть понятия «больше» и «меньше». Например, громкости в музыке, высоты тона, успехов в обучении и исполнении (отметок), все шкалы твердости (Мооса, Бринелля, Роквелла, Виккерса, есть и другие), шкала Бофорта — силы ветра, 12-балльная шкала силы землетрясений (по степени разрушений в эпицентре).

К этим «шкалам», как и ко всем последующим, применимо понятие размерности, и они могут быть не одномерные, например, двумерные шкалы размеров одежды и обуви (длина и ширина, «размер» и полнота), двумерные шкалы импедансов и цветности, трехмерная шкала цвета или качества радиоприема. Для анизотропных сред все их параметры (механические, электрические, магнитные) будут трехмерные (векторные), а в некоторых случаях и тензорные. Разумеется, многомерная шкала может быть сведена к шкале меньшей размерности множеством способов. Выбор эффективного способа зависит от конкретной задачи и надо понимать, что способ, эффективный для одного применения, может оказаться совершенно непригодным для другого.

Шкалы наименований и порядка называют «не метрическими», намекая этим на то, что они не вполне относятся к метрологии. Иногда их называют «шкалами оценивания». Смысл названия ясен, но надо помнить, что в некоторых других областях, например в физике и математике, слово «оценка» имеет другой, вполне числовой смысл. Социологи называют шкалу наименований — номинальной, а шкалу порядка — ранговой.

Между разными шкалами может устанавливаться соотношение, причем если одна из шкал не метрическая, то соотношение имеет характер договоренности. Например, есть международное соглашение о соответствии шкалы Бофорта скоростям ветра (выраженным в м/с), есть соответствие 12-балльной шкалы силы землетрясений (по разрушениям в эпицентре) шкале магнитуд (энергий землетрясения) и глубины очага.

Неметрические шкалы могут быть непрерывными (цветности, цвета, твердости) и дискретными (ветер, волнение, шкала землетрясения). Единой шкалы белизны нет, пользуются шкалой цветности, а для целлюлозы и текстиля белизну определяют по коэффициенту отражения в синей части спектра (на волне 457 нм). Есть специальные шкалы цвета (нефтепродуктов, реактивов, смол, воды, пива, лаков и красок).

Следующие три группы шкал — разностей, отношений, абсолютные — называют «метрическими».

Шкалы разностей или интервалов состоит из одинаковых интервалов, имеет условную единицу и условное начало. Таковы календари, многие шкалы температур (Реомюра, Фаренгейта, Цельсия).

В шкалах отношений есть естественный ноль. Например, такова шкала абсолютных температур, шкалы длин, масс, токов, напряжений, мощностей. Для некоторых из таких шкал имеет смысл суммирование значений, например, массы, длины и деньги можно суммировать при решении определенных задач, а например температуры суммировать бесполезно (если не суммировать стоящие за температурами энергии). Да и деньги гражданина N и гражданина M аддитивны или нет в зависимости от того, собираются ли они вместе сами понимаете что — или нет.

Наконец, есть абсолютные шкалы. Это шкалы безразмерных величин, например, кпд. Разновидность абсолютных шкал — целочисленные, с единицей «штука». Заряд в штуках электронов, энергия в штуках квантов определенного излучения, или гибрид — поток в квантах/сек.