- •3.1. Структуры и модели измерительных каналов
- •1. Измерительные сигналы
- •2. Спектральное представление измерительных сигналов.
- •3. Моделирование средств измерений. Структурные элементы и схемы измерительных каналов средств измерения.Модели измерительных каналов
- •4. Помехи каналов связи, особенности измерительного преобразования при наличие помех
- •5. Математические модели элементарных измерительных сигналов
- •6. Математические модели сложных измерительных сигналов
- •7.Модулированные и детектированные сигналы.
- •8. Квантование и дискретизация измерительных сигналов
- •3.2 Статические и динамические характеристики измерительных каналов
- •Принципы выбора и нормирования метрологических характеристик средств измерений.
- •Комплексы нормируемых метрологических характеристик средств измерений
- •Метрологическая надежность средств измерений
- •3.3. Вероятностные методы анализа и синтеза измерительных каналов
- •Основные понятия теории погрешностей
- •Принципы оценивания погрешностей.
- •Математические модели и характеристики погрешностей.
- •Результат измерения.
- •Систематические погрешности
- •Случайные погрешности
- •Суммирование погрешностей
- •Суммирование систематических погрешностей.
- •Способы обнаружения и устранения систематических погрешностей.
- •Правила округления результатов измерений.
- •Представление результата измерения.
- •Модели измерительных каналов
- •3.4. Информационная, алгоритмическая теории измерений
- •3.4.1 Информация
- •3.4.2 Энтропия.
- •3.4.3 Энтропийное значение погрешности.
- •3.4.4 Кодирование
- •3.4.5 Коды в иит
- •3.4.6 Структура и технические средства измерительной системы
- •3.4.7 Классификация средств измерений
- •Комплексные средства измерений
- •3.4.8 Моделирование средств измерений
- •3.5. Принципы обработки данных и расчет погрешности ик
- •Принципы обработки данных и расчет погрешности ик
- •Результат измерения.
- •Обработка результатов измерений
- •Идентификация формы распределения результатов измерений
- •Однократные измерения
- •Косвенные измерения
- •Совместные и совокупные измерения
- •Основы теории суммирования погрешностей
- •Суммирование систематических погрешностей
- •Суммирование случайных погрешностей.
- •Суммирование систематических и случайных погрешностей
- •Критерий ничтожно малой погрешности.
- •Классы точности средств измерений
3.4.8 Моделирование средств измерений
Построение и изучение СИ невозможно без математических моделей, адекватно описывающих те или иные их свойства и характеристики. В метрологии используется моделирование измерительных сигналов и моделирование средств измерений. Модель является представлением объекта в некоторой форме, отличной от формы его реального существования. Модель может быть похожей копией объекта, выполненной из другого материала, в другом масштабе, с отсутствием ряда деталей. Модель может, однако, отображать реальность более абстрактно - словесным описанием в свободной форме, описанием, формализованным по каким-то правилам, математическими соотношениями и т.д.
Первый этап - определение целей моделирования. Основные из них таковы:
1) модель нужна для того, чтобы понять как устроен конкретный объект, какова его структура, основные свойства, законы развития и взаимодействия с окружающим миром (понимание);
2) модель нужна для того, чтобы научиться управлять объектом (или процессом) и определить наилучшие способы управления при заданных целях и критериях (управление);
3) модель нужна для того, чтобы прогнозировать прямые и косвенные последствия реализации заданных способов и форм воздействия на объект (прогнозирование).
Важнейшим этапом моделирования является разделение входных параметров по степени важности влияния их изменений на выходные. Такой процесс называется ранжированием (разделением по рангам). Чаще всего невозможно (да и не нужно) учитывать все факторы, которые могут повлиять на значения интересующих нас величин yj.
Для построения математических моделей (ММ) СИ необходимо знать, как устроены СИ и каким образом происходит преобразование измерительных сигналов, т.е. нужно знать структуру СИ. Для сложных СИ, каковыми являются большинство современных приборов, анализ их составных частей и ММ является далеко не простой задачей. Для ее оптимального решения, а также для упрощения анализа процессов, протекающих в СИ, введены понятия структурной схемы и измерительных цепи, канала и тракта.
Измерительная цепь — совокупность элементов СИ, образующих непрерывный путь прохождения измерительного сигнала от входа до выхода и обеспечивающих осуществление всех его преобразований.
Измерительный канал — это измерительная цепь, образованная последовательным соединением СИ и других технических устройств, предназначенная для измерения одной величины и имеющая нормированные метрологические характеристики.
Измерительный тракт — совокупность измерительных каналов, предназначенных для измерения определенной величины и имеющих одинаковые метрологические характеристики.
Структурная схема - условное обозначение измерительной цепи (канала или тракта) СИ с указанием преобразуемых величин. Эта схема определяет основные структурные блоки СИ, их назначение и взаимосвязи.
Структурные элементы могут быть классифицированы по ряду признаков. По типу выходного сигнала они разделяются на активные, генерирующие физические величины — носители энергии (например, аккумуляторы, усилители сигналов разного рода, источники света, излучения и др.), и пассивные, свойства которых зависят от состояния материи и выражаются физическими величинами, не являющимися носителями энергии (например, электрические сопротивления, емкости, индуктивности, оптические элементы — призмы, зеркала и др.).
По виду связи между входной и выходной величинами структурные блоки делятся на линейные и нелинейные. Линейными называются блоки, передаточные функции которых удовлетворяют условиям аддитивности f[X,(t) + X2(t)] = f[X,(t)] + f[X2(t)] и однородности f[CX(t)] = Cf[X(t)]. Параметры линейных блоков не зависят от параметров входного сигнала. Это наиболее простой и удобный для анализа тип блоков, поэтому для решения измерительной задачи по возможности следует выбирать линейные элементы. Примером линейного блока является идеальный усилитель.
Для нелинейных блоков связь между входным и выходным сигналами описывается функцией f, не удовлетворяющей приведенным выше условиям. Эти блоки делятся на квазилинейные и функциональные. Квазилинейные блоки характеризуются незначительной нелинейностью и считаются линейными при изменении входной и выходной величин в определенных диапазонах. Функциональным блокам присуща значительная нелинейность, которая учитывается построением соответствующей нелинейной математической модели.
В зависимости от динамических свойств структурные блоки делятся на статические и динамические. В статических блоках взаимосвязь между выходной и входной величинами не зависит от скорости изменения входного сигнала и его производных более высоких порядков. Если такую зависимость необходимо учитывать, то данный структурный блок следует считать динамическим. Различают динамические блоки первого, второго и высших порядков.
Структурные блоки также классифицируются по функции, выполняемой в СИ. По этому признаку они делятся на усилители различных видов, делители, дифференциаторы, интеграторы, коммутаторы, ключи, АЦП, ЦАП, фильтры и др.