Кіріспе
Дәлдікті арттыру үшін қолданылатын өлшеу құрылғысының көмекші шкаласы. Пьер Вернье атымен аталған Вернье шкаласы – сызықтық шкаладағы екі градус белгісінің арасында механикалық интерполяция арқылы дәл өлшеу оқуын алуға көмектесетін көмекші құрал, осылайша Вернье қабілетін пайдалану арқылы ажыратымдылығын арттырып, адам бағалау қателігін азайту арқылы өлшеудің белгісіздігін төмендетеді. Ол сызықтық немесе бұрыштық шамаларды өлшейтін көптеген аспаптарда, әсіресе ұзындықтарды (ішкі және сыртқы диаметрлерді қоса алғанда) өлшейтін Вернье калиперынде кездеседі. Вернье – бұл бір өлшемдік көрсеткішті алмастыратын қосымша шкала, мысалы, он бөлім негізгі шкаладағы тоғыз бөлімге тең болады. Интерполяциялық оқу негізгі шкаланың градус белгісімен сәйкес келетін Вернье шкаласының градус белгісін байқау арқылы алынады, бұл екі нүкте арасындағы визуалды бағалаудан оңайырақ. Мұндай құрылым Вернье тұрақтысы деп аталатын жоғары масштабтық қатынасты қолдану арқылы жоғары ажыратымдылыққа жетуге мүмкіндік береді. Вернье қарапайым сызықтық механизм жеткілікті болған жағдайда дөңгелек немесе тік шкалаларда қолданылуы мүмкін. Мысалдарға ұсақ толеранстықпен өлшеуге арналған калиперлер мен микрометрлер, навигацияға арналған секстанттар, геодезиядағы теодолиттер және жалпы ғылыми аспаптар жатады. Вернье интерполяция принципі сызықтық немесе айналма қозғалысты өлшеу үшін абсолютті энкодерлер сияқты электрондық орын ауыстыру сенсорларында, электрондық өлшеу жүйесінің бір бөлігі ретінде де қолданылады.
A vernier scale, named after Pierre Vernier, is a visual aid to take an accurate measurement reading between two graduation markings on a linear scale by using mechanical interpolation, thereby increasing resolution and reducing measurement uncertainty by using vernier acuity to reduce human estimation error. It may be found on many types of instrument measuring linear or angular quantities, but in particular on a vernier caliper, which measures lengths (including internal and external diameters). The vernier is a subsidiary scale replacing a single measured value pointer, and has for instance ten divisions equal in distance to nine divisions on the main scale. The interpolated reading is obtained by observing which of the vernier scale graduations is coincident with a graduation on the main scale, which is easier to perceive than visual estimation between two points. Such an arrangement can go to a higher resolution by using a higher scale ratio, known as the vernier constant. A vernier may be used on circular or straight scales where a simple linear mechanism is adequate. Examples are calipers and micrometers to measure to fine tolerances, on sextants for navigation, on theodolites in surveying, and generally on scientific instruments. The Vernier principle of interpolation is also used for electronic displacement sensors such as absolute encoders to measure linear or rotational movement, as part of an electronic measuring system.
Тарих
Екінші масштабты, қосымша дәлдікке үлес қосқан алғашқы штангенциркульді 1631 жылы француз математигі Пьер Вернье (1580–1637) ойлап тапты. Оның қолданылуы математик және тарихшы Джон Барроудың "Navigatio Britannica" (1750) еңбегінде толыққанды сипатталған. Штангенциркульдер бүгінде вернье шкалаларының ең көп қолданылатын түрі болғанымен, олар бастапқыда астрономиялық квадранттар сияқты бұрыштарды өлшейтін құралдар үшін әзірленген. Кейбір тілдерде вернье шкаласы португал математигі және космографы Педро Нуньестің (лат. Petrus Nonius, 1502–1578) құрметіне ноний деп аталады. Ағылшын тілінде бұл термин 18 ғасырдың соңына дейін қолданылып келді. Қазірде ноний – Нуньестің бұрынғыда жасаған құралына сілтеме жасайды. "Вернье" атауын француз астрономы Жером Лаланд (1732–1807) өзінің "Астрономия трактаты" (2 том) (1764) арқылы танымал етті.
Жұмыс істеу
Верньер шкаласының қолданылуы объектінің ішкі және сыртқы диаметрлерін өлшейтін верньер калиперінде көрсетілген. Верньер шкаласы негізгі шкаланың тұрақты бөлігіне қатынаста құрылған. 0,1 тұрақтылығы бар верньер үшін, верньердегі әр белгі негізгі шкаладағы белгілерден 9/10 бөлігіне тең арақашықтықта орналасады. Егер екі шкаланы нөлдік нүктелері сәйкес келетіндей етіп біріктірсеңіз, верньер шкаласындағы бірінші белгі бірінші негізгі шкала белгісінен 1/10 бөлік кем, екіншісі 2/10 бөлік кем, және осылай тоғызыншы белгіге дейін, ол 9/10 бөлікке сәйкес келмейді. Тек толық он белгі саналғанда ғана сәйкестік пайда болады, себебі оныншы белгі 10/10, яғни бір толық негізгі шкала бірлігіне кем, сондықтан ол негізгі шкаладағы тоғызыншы белгімен сәйкес келеді. (Қарапайым тілмен айтқанда, әрбір 0,1 ұзындық кемуі 10 еселенгенде бір MSD-ны құрайды, бірақ верньер шкаласының тек 9 бөлімінде ғана). Егер верньерді оның негізгі шкаласының 1/10 бөлігіне жылжытсаңыз, онда сәйкес келетін жалғыз белгілер жұбы – бірінші жұп болады, себебі олар бастапқыда 1/10 бөлікке сәйкес келмейтін еді. Егер оны 2/10 бөлікке жылжытсаңыз, екінші жұп сәйкес келеді, себебі олар бастапқыда дәл сол мөлшерде сәйкес келмейтін жалғыз жұп. Егер оны 5/10 бөлікке жылжытсаңыз, бесінші жұп сәйкес келеді – және т.б. Кез келген қозғалыс үшін белгілердің тек бір жұбы ғана сәйкес келеді және бұл жұп белгілер арасындағы мәнді белгіленген шкалада көрсетеді.
Вернье өткірлігі
Вернье шкаласы өте жақсы жұмыс істейді, себебі көптеген адамдар сызықтардың қайсысы тураланған, қайсысы тураланбаған екенін анықтауға өте жақсы дағдыға ие, және осы қабілет тәжірибемен жақсарады, тіпті көзге көрінетін оптикалық мүмкіндіктерден де асып түседі. Осы туралауды анықтау қабілеті вернье қабілеті деп аталады. Тарихи тұрғыдан алғанда, басқа технологиялардың ешқайсысы осы немесе басқа да жоғары сезімталдықты пайдаланбады, осылайша Вернье шкаласына өзінің бәсекелестерінен артықшылық берді.
Тікелей және ретроградты верниерлер
Тікелей вернирлер ең көп таралған. Көрсеткіш шкаласының нөлдік нүктесі дерек шкаласының басталуымен сәйкес келгенде, оның бөлімшелері дерек шкаласындағы бөлімшелерге қарағанда сәл кіші аралықта орналасады, сондықтан тек соңғы бөлімше ғана дерек шкаласындағы кез келген бөлімшемен сәйкес келеді. Көрсеткіш шкаланың N бөлімшесі дерек шкаласының N-1 бөлімшесін қамтиды. Ретроградты вернирлер кейбір құрылғыларда, оның ішінде геодезиялық құралдарда кездеседі. Ретроградты вернир тікелей вернирге ұқсас, бірақ оның бөлімшелері негізгі шкаладағыдан сәл үлкен аралықта болады. Көрсеткіш шкаланың N бөлімшесі дерек шкаласының N+1 бөлімшесін қамтиды. Ретроградты вернир де дерек шкаласы бойынша кері бағытта созылады. Тікелей және ретроградты вернирлер бірдей тәсілмен оқылады.
Соңғы қолданылуы
Бұл бөлімде нақты өлшеулер жасау үшін Вернье принципін қолданатын техникаларға сілтемелер келтірілген. Вернье спектроскопиясы – бұл қуыспен күшейтілген лазерлік сіңіру спектроскопиясының бір түрі, ол аса аз мөлшердегі газдарға ерекше сезімтал. Бұл әдіс жиілік гребі лазерін жоғары сапалы оптикалық қуыспен үйлестіре отырып, абсорбциялық спектрді өте параллельді түрде құруға мүмкіндік береді. Оптикалық резонатордың тиімді оптикалық жол ұзындығын арттыру арқасында, бұл әдіс өте төмен концентрациядағы іздік газдарды анықтауға да қабілетті.