Введение

Развитие науки, управление технологическими процессами, создание и внедрение в производство новых объектов техники немыслимы без получения количественной и качественной информации о тех или иных свойствах физических объектов, процессов, протекающих в них. Для получения количественной информации о каком-либо физическом объекте используются различные технические средства измерения и контроля. Современная информационно-измерительная техника располагает средствами измерения и контроля нескольких сот различных неэлектрических (тепловых, механических, оптических и др.) и электрических (электрическое напряжение, электрическое сопротивление и др.) величин. Огромное количество величин в процессе измерения преобразуется в величины электрические как наиболее удобные для передачи сравнения, точного воспроизведения измерения.

Решение задач измерения и контроля неразрывно связано с обеспечением единства и правильности выполнения измерений, обработки и представлением их результатов. Получение информации о том или ином физическом объекте связано с организацией взаимодействия между объектом и другим материальным объектом – датчиком. Взаимодействие различных материальных объектов между собой происходит посредством физических полей, причем каждому типу взаимодействия соответствуют определенные физические поля.

Получение информации о том или ином физическом объекте связано с организацией взаимодействия между объектом и другим материальным объектом – датчиком. При взаимодействии объектов материального мира протекают физиче­ские процессы, сопровождающиеся различными физическими эффектами. В основе работы датчика лежит тот или иной физический эффект, и решение задач, связанных с разработкой новых и применением существующих средств контроля и измерения, невозможно без использования разнообразных физических эффектов.

Учебное пособие написано в соответствии с государственным образовательным стандартом по направлению 200100 «Приборостроение» для дисциплины «Физические основы получения информации». В данном пособии большое внимание уделено основным понятиям метрологии, методам измерения, характеристикам средств измерений. Рассмотрены вопросы взаимодействия электрического, электромагнитного, магнитного, акустического и других полей с различными веществами, описаны физические эффекты, нашедшие применение в технике измерений и неразрушающего контроля. Большое внимание уделено первичным измерительным преобразователям различных физических величин. Рассмотрены принципы действия различных датчиков, их основные характеристики и области применения.

1. Общие вопросы получения информации

1.1. Основные понятия и определения

Информация– понятие, включающее обмен сведениями между людьми, человеком и автоматом, автоматом и автоматом. Получение информации (каких-либо сведений) об окружающем нас мире может происходить в результате общения с окружающими, чтения книг, приема и обработки сигналов, передаваемых по каналам связи и т. д. Основным способом получения количественной информации о том или ином объекте, системе, их состоянии и проис­ходящих в них процессах является способ, связанный с процессом измерения.

Можно выделить два типа информации: структурную и метрическую [1].

Структурная информация– это информация о состоянии, структуре или природе определенной характеристики объекта.

Метрическая информация– это информация о величине, амплитуде или интенсивности определенной характеристики.

Структурная информация приобретается в результате качественного измерения, а метрическая – в результате количественного измерения.

Следует отметить, что в большинстве случаев у нас уже имеется структурная информация и необходимо только получить метрическую информацию.

Процесс измерения можно рассматривать как процесс передачи информации, т. е. сведений о свойствах или состоянии интересующих нас объектов, поэтому можно говорить об измерительной информации.

Измерительная информация – информация о значениях физических величин.

Измерение – это совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины.

Значение величины, найденное путем его измерения, называется результатом измерения.

Описание термина «измерение» можно представить так: «измерение – это получение информации». Измерение проводится для того, чтобы что-то узнать об объекте измерения, а результат измерения должен описывать то состояние или явление в окружающем нас мире, которое мы измеряем.

Таким образом, измерение есть познавательный процесс, заключающийся в сравнении путем физического эксперимента данной величины с некоторым ее значением, принятым за единицу.

В некоторых случаях, когда нельзя непосредственно сравнить измеряемую величину с воспроизводимой единицей физической величины, используется измерительное преобразование. Это такой вид преобразования, при котором устанавливается однозначное соответствие между значениями двух величин (входной и выходной).

Для осуществления измерения необходимо иметь объект измерения и специальное техническое средство – средство измерения.

Объект измерения – это тело (физическая система, процесс, явление и т. д.), которое характеризуется одной или несколькими измеряемыми физическими величинами [2].

Физическая величина– это одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.

Однородные свойства в различных физических объектах проявляются неодинаково. Количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию «физическая величина», определяет размер физической величины.

Размер физической величины – количественная определенность физической величины, присущая конкретному материальному объекту, системе, явлению или процессу.

Значение физической величины – выражение размера физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц.

Свойства объектов можно выражать количественно в принятых единицах.

Единица измерения физической величины – физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное единице, применяемая для количественного выражения однородных с ней физических величин.

На практике широко применяется понятие узаконенные единицы, которое раскрывается как «система единиц и (или) отдельные единицы, установленные для применения в стране в соответствии с законодательными актами».

Система единиц физических величин – совокупность основных и производных единиц физических величин, образованная в соответствии с принципами для заданной системы физических величин.

Международная система единиц (СИ) включает семь основных единиц: метр (м), килограмм (кг), секунда (с), ампер (А), кельвин (К), моль (моль) и кандела (кд).

Различают истинное и действительное значения физической величины.

Истинное значение физической величины – это значение физической величины, которое идеальным образом характеризует в качественном и количественном отношении соответствующую физическую величину. Истинное значение – свойство, объективно присущее физической величине, но абсолютно точно определить его экспериментально нельзя. Поэтому при измерениях всегда используется действительное значение физической величины.

Действительное значение физической величины – это значение физической величины, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него.

Физическая величина, подлежащая измерению, измеряемая или измеренная в соответствии с основной целью измерительной задачи, называется измеряемой физической величиной [3].

Измеряемые физические величины можно классифицировать с помощью различных признаков, одним из которых является природа величины.

По природе измеряемые величины можно разделить на 11 классов [4]: 1) электрические; 2) магнитные; 3) электромагнитные; 4) меха­нические; 5) акустические; 6) тепловые; 7) оптические; 8) химические; 9) радио­активные; 10) пространственные; 11) временные. Каждый класс включает ко­нечное множество конкретных величин.

Средство измерений – это техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени [2].

К средствам измерений относят: меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы и другие измерительные средства.

Мера– средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.

Измерительный преобразователь –это техническое средство с нормативными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину, или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи.

Принцип действия измерительных преобразователей (ИП) основан на различных физических явлениях. Измерительные преобразователи преобразуют любые физические величины х (электрические, неэлектрические, магнитные) в выходной электрический сигналY = f(х).

ИП или входит в состав какого-либо измерительного прибора (измерительной установки, измерительной системы и др.), или применяется вместе с каким-либо средством измерений. Различают первичные ипромежуточные преобразователи (например, термопара в термоэлектрическом термометре, измерительный трансформатор тока, электропневматический преобразователь).

Часть измерительного преобразователя в измерительной цепи, воспринимающая входной измерительный сигнал, называется чувствительным элементом средства измерений.

Первичный измерительный преобразователь (ПИП) – измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина, т. е. первый преобразователь в измерительной цепи измерительного прибора (установки, системы).

В одном средстве измерений может быть несколько первичных преобразователей (например, ряд первичных преобразователей измерительной контролирующей системы, расположенных в разных точках контролируемой среды).

Датчик– это конструктивно обособленный первичный преобразователь, от которого поступают измерительные сигналы.

Датчик может быть вынесен на значительное расстояние от средства измерений, принимающего его сигналы (например, датчики запущенного метеорологического радиозонда передают измерительную информацию о температуре, давлении, влажности и других параметрах атмосферы).

Средство сравнения – это техническое средство или специально создаваемая среда, посредством которых возможно выполнять сравнения друг с другом мер однородных величин или показания измерительных приборов.

Иногда техническое средство снабжается средством измерений, обеспечивающим функцию сравнения.

Примером средства сравнения является компаратор – средство сравнения, предназначенное для сличения мер однородных величин.

Измерительный прибор – это средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне.

Измерительная установка – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенная для измерений одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте (например, установка для испытаний магнитных материалов).

Измерительная система – это совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта и т. п. с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях.

Примером измерительной системы может быть измерительная система теплоэлектростанции, позволяющая получать измерительную информацию о ряде физических величин в разных энергоблоках. Она может содержать сотни измерительных каналов.

Измерительно-вычислительный комплекс – функционально объединенная совокупность средств измерений, ЭВМ и вспомогательных устройств, предназначенная для выполнения в составе измерительной системы конкретной измерительной задачи.

Информация, получаемая в результате измерения, может содержаться в объекте измерения и может быть как пассивной, так и активной [1].

Пассивная информация – это совокупность сведений, заключенных в том, как устроен объект. Примером пассивной информации является значение сопротивления терморезистора.

Активная информация– это информация, имеющая форму энергетической характеристики того или иного явления. Такие информационные энергетические явления, используемые для передачи информации, называютсясигналами (например, электрические, акустические оптические сигналы).

Сигнал, содержащий количественную информацию об измеряемой физической величине, называется измерительным сигналом.

Пассивная информация преобразуется в активную с помощью источника энергии (например, при пропускании электрического тока через терморезистивный преобразователь).

В общем случае для получения количественной информации об измеряемой физической величине осуществляется процесс сравнения двух физических величин, одной из которых является измеряемая физическая величина, второй величиной – величина заданного размера, имеющая одинаковую размерность с измеряемой физической величиной. Эту величину может формировать мера. В большинстве случаев для проведения процесса сравнения следует преобразовать измеряемую величину с помощью измерительного преобразователя в некоторую другую величину, функционально с ней связанную и доступную для сравнения с помощью устройства сравнения.

Процесс получения измерительной информации о физической величине может быть представлен структурной схемой, показанной на рис. 1.1.

Рис. 1.1

1.2. Виды и методы измерений

Измерения подразделяются на виды измерений – часть области измерений, имеющая свои особенности и отличающаяся однородностью измеряемых величин, и методы измерений – часть области измерений, состоящая в различии приемов использования принципов и средств измерений.

Принцип измерений – это физическое явление (или эффект), положенное в основу измерений [2].

Например: 1) применение эффекта Джозефсона для измерения электрического напряжения; 2) применение эффекта Пельтье для измерения поглощенной энергии ионизирующих излучений; применение эффекта Доплера для измерения скорости и др.

Классификацию видов измерений можно проводить по различным классификационным признакам, к которым можно отнести следующие: способ нахождения численного значения физической величины, число наблюдений, характер зависимости измеряемой величины от времени, число измеряемых мгновенных значений в заданном интервале времени, условия, определяющие точность результатов, способ выражения результатов измерения [5].

По способу нахождения численного значения физической величиныизмерения подразделяются на следующие виды: прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение физической величины получают непосредственно.

К ним относится нахождение физической величины по шкале прибора.

Косвенное измерение – определение искомого значения физической величины на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной. Числовое значение искомой величиныYопределяется по формулеY=f(X,Z, …,W), гдеX,Z, …,W– значения непосредственно измеряемых величин.

Пример –определение плотностиD тела цилиндрической формы по результатам прямых измерений массыт, высотыhи диаметра цилиндраd, связанных с плотностью уравнением

. (1.1)

Совокупные измерения – проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях.

Примером совокупных измерений является нахождение сопротивлений двух резисторов по результатам измерения их сопротивлений при последовательном и параллельном включении резисторов. Для определения значений искомых величин число уравнений должно быть не меньше числа величин.

Совместные измерения – проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для определения зависимости между ними. Числовые значения искомых величин определяют путем решения системы уравнений, связывающих значения искомых величин со значениями величин, измеренных прямым или косвенным способом. Число уравнений соответствует числу искомых величин.

Примером совместных измерений может являться нахождение зависимости сопротивления резистора от температуры. Для этого используют известное выражение:

, (1.2)

где – сопротивление резистора при некоторой температуре;– сопротивление резистора при температуре 0⁰С;– температурный коэффициент сопротивления;t– температура. Искомые значенияинаходят решением системы из двух уравнений, составленных для двух значений температуры.

Все измерения могут производиться различными методами. Различают следующие основные методы измерений: метод непосредственной оценки и методы сравнения c мерой.

Метод измерений обычно обусловлен устройством средств измерений.

Метод непосредственной оценки – это метод измерений, при котором значение величины определяют непосредственно по показывающему средству измерений.

Этот метод является наиболее простым, но точность его невысока [6].

Метод сравнения с мерой – метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.

Методы сравнения с мерой разделяются на дифференциальный метод, нулевой метод, метод замещения, метод совпадений.

Дифференциальный (разностный) метод– это метод измерений, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной (мерой), имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины, и при котором измеряется разность между этими двумя величинами. Здесь мера имеет постоянное значениеХ₀, разность измеряемой величины и меры, т. е., не равна ну­лю и измеряется измерительным прибором. Результат измеренияYна­ходятся как

. (1.3)

То обстоятельство, что здесь измерительный прибор измеряет не всю величину Х, а только её часть , позволяет уменьшить влияние на результат измерения погрешности измерительного прибора, причем влияние погрешности измерительного прибора тем меньше, чем меньше разность.

Нулевой метод измерений –это метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля. Изменяя величину, воспроизводимую мерой, можно довести величинудо 0. Это обстоятельство отмечается индикатором нуля. В этом случае результат измеренияYесть полученное значение меры, т. е.Y = X₀. Нулевой метод является частным случаем дифференциального. Примером нулевого метода является мостовой метод измерения сопротивления.

Метод замещения– это метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины.

В методе замещения, регулируя значение меры, добиваются тех же показаний прибора, что и при включении измеряемой величины.

Метод совпадений (метод нониуса)– это метод, в котором измеряют разность между искомой величиной и образцовой мерой, используя совпадение отметок или периодических сигналов.

Примером метода является измерение линейных размеров микрометром.

Различают также контактный и бесконтактный методы измерений.

Контактный метод– это метод измерений, основанный на том, что чувствительный элемент прибора приводится в контакт с объектом измерения (например, измерение температуры тела термометром).

Бесконтактный метод– это метод измерений, основанный на том, что чувствительный элемент средства измерений не приводится в контакт с объектом измерения (например, измерение температуры в доменной печи пирометром).