3.2. Опорный конспект Введение

Настоящий конспект предназначен для самостоятельного изучения лекционного материала курса «Физические основы получения информации». Для лучшего усвоения материала рекомендуется пользоваться использовавшимися при прослушивании лекционного материала слайдами в PowerPoint, прилагаемыми к данному учебно-методическому комплексу.

Опорный конспект посвящён рассмотрению общих научных и прикладных вопросов, регламентированных программой курса ЕН.Ф.06 – «Физические основы получения информации» (ФОПИ) для студентов специальности «Приборостроение» специализаций 200101.20 и 200101.65. Курс ФОПИ - новый, в старых учебных планах ему предшествовал курс «Физические основы измерений и методы контроля физических параметров» и еще ранее «Физические методы и приборы контроля качества». Программы этих курсов не идентичны, но многие учебные пособия, написанные по вышеперечисленным курсам и имеющиеся в библиотеке СЗТУ, могут быть полезными при изучении отдельных разделов курса ФОПИ.

В курсе ФОПИ рассматриваются основы взаимодействия физических полей с веществом; физические явления и эффекты, используемые для получения измерительной и управляющей информации: механические, электрические, магнитные, оптические, химические, ядерные, и др.; области применения физических явлений и эффектов в технике измерений; закономерности проявления физических эффектов, их техническая реализация, понятия преобразователя информации; измерение физических величин различной природы; постановка и методы решения задач информационного поиска, анализа и синтеза физических явлений и эффектов для создания средств измерения, диагностики и контроля.

Раздел 1. Получение, сохранение, представление и применение физической информации

Тема 1.1. Основные физические закономерности получения информации

На заре своего развития человечество обладало очень малым массивом знаний и поэтому физический принцип, или метод, положенный в основу их получения не имел решающего значения. С развитием наук, разделением их на фундаментальные и прикладные оказалось, что одну и ту же информацию можно получать различными способами, используя различные физические, химические или другие явления, с ней взаимосвязанные. Перед учёными и просто инженерами - практиками часто вставал вопрос: - какая зависимость точнее описывает изучаемое явление, какая наиболее перспективна с учетом развития той или иной дисциплины.

Правильный выбор физической зависимости, положенной в основу действия прибора измерения, управления, диагностики способен обеспечить стремительное, скачкообразное, развитие какого-либо способа получения информации или, наоборот, заставить годами, а то и веками плестись в хвосте технического прогресса.

Все наши законы относительны, они соответствуют современному уровню знаний и рано или поздно будут поглощены общими и универсальными законами и теориями, которые тоже не будут конечными.

Рассмотрим это на примере наиболее известного и понятного способа получения информации – визуального.

Глаз человека и его мозг представляют собой великолепную исследовательскую систему, с помощью которой человек с рождения получает огромное количество информации.

Однако возможности этой системы не беспредельны и ограничиваются пределами прямой видимости, и то только при наличии естественного или искусственного освещения. С развитием человечества, возникновением новых наук этот способ не совершенствовался и практически оставался неизменным миллионы лет, если не учитывать развитие интеллекта человека. (История человечества, как известно, насчитывает 25 миллионов лет).

Изобретение зрительной трубы, развитие науки оптики позволило дать скачкообразное развитие этому методу получения информации: появилась возможность изучать объекты, расположенные на значительных расстояниях на поверхности земли, планеты и звезды, заглянуть в микромир. Далее возможности метода с годами расширялись, но в основном за счет улучшения оптических систем.

Следующие скачки в развитии визуального метода получения информации произошли практически у нас на глазах – сначала, с появлением возможности фиксации изображения на фотоплёнке (2), затем передачи визуального изображения на расстояния (3) (сначала незначительные, а потом неограниченные) – это различные телевизионные системы, а также с появлением возможности сохранять это изображение в электронном виде и его обрабатывать – это различные виды видеозаписи (4) и компьютерной обработки изображений (5).

Если представить вышесказанное для наглядности графически, то можно построить следующий график (рис. 1.1.)

Как видно каждый раз резкое увеличение информативности визуального метода получения информации происходило после открытия (и внедрения) нового физического принципа получения или обработки информации.

1 2 3 4 5 Время

Рис. 1.1. Повышение информативности визуального метода получения информации при освоении новых физических принципов

Таких примеров для других методов получения информации или для других наук каждый может привести много – а вывод всегда один – развитие любого метода получения информации возможно только при нахождении и использовании оптимального физического принципа, положенного в его основу.

Одни и те же принципы могут быть прогрессивными на определённых стадиях развития и регрессивными при дальнейшем развитии, так как нет универсальных способов получения информации, а значит, на каждой стадии развития науки и техники этот процесс поиска оптимальных принципов получения и преобразования информации должен происходить постоянно.

Например, это и виниловые пластинки, пришедшие на смену восковым валикам, на которых записывался звук в первых фонографах, вытесненные в свою очередь магнитными носителями информации, которые на наших глазах вытесняются цифровыми носителями на CD-дисках. Все они появлялись, совершенствовались, и, наконец, исчерпав возможности, вытеснялись другими, основанными на новых физических принципах. Новые физические принципы появляются постоянно с постоянным развитием науки и техники. Выбору и обоснованию этих принципов и посвящена дисциплина: - «Физические принципы получения информации».

В общем виде схема получения информации об ОПИ или об ОК показана на рис. 1. 2.

Iпроч.

Рис. 1. 2. Схема получения информации

I – воздействие на ОПИ (ОК) каким либо физическим полем;

I _отр.1 - часть физического поля отражённая на границе ОПИ (ОК).

I _расс. - часть физического поля рассеянного в ОПИ (ОК).

I _погл. - часть физического поля поглощённого в ОПИ (ОК) и перешедшего в другие виды энергии;

I _прел. - часть физического поля преломлённого в ОПИ (ОК);

I _{отр 2} - часть физического поля отраженного от задней поверхности ОПИ (ОК);

I _пр. - часть физического поля прошедшего через ОПИ (ОК);

I_проч.-прочие части физического поля не вошедшие в вышеперечисленные.

Очевидно, что это можно описать следующей зависимостью:

I = I _отр.1 + I _расс. + I _погл. + I _прел. + I _{отр 2} + I _пр. + I_проч.

В дальнейшем материалы и изделия, о которых нам необхо­димо получать информацию будем называть «объектами получения информации» (ОПИ) или «объектом контроля» (ОК). Необходимость такого разграничения объектов исследования объясняется просто.

Если ин­формация получена в виде суммы численных данных графиков, функциональных характеристик, временных или температурных зависимостей (т.е. массива данных), то логично введение термина «объекта получения информации» (ОПИ).

Если же информация по­лучена в виде нескольких дискретных значений какой-либо вели­чины или логических суждений (как, например, при определении бракованное или годное из­делие), то обычно используют термин "объект контроля " (ОК) [1].

Если воздействовать на ОПИ (ОК) каким либо физическим полем, интенсивностью I, то при взаимодействии с ним поле распадётся на ряд составляющих.

В качестве «физического воздействия» могут быть такие фи­зические поля, как электромагнитные, акустические, теп­ловые и некоторые другие физические или физико-химические факторы. Они будут на­ми детально изучаться в курсе ФОПИ с целью выявления их наибо­лее характерных свойств и признаков, способных дать максималь­ную информацию об ОПИ (ОК). Физическое воздействие I на ОПИ (ОК) (см. рис. 1.2) и I_n-ное - реакция («отклик») - по своей сути есть процедура технических измерений или контроля. Действительно, I - это физическое воздействие, например, облучение электромаг­нитными волнами; получение информации - это измерение вели­чины реакции или "отклика" I_n-ное ОПИ (ОК) на это воздействие, кото­рые далее в общем случае попадают на датчик-преобразователь и схему усиления и обработки информации.

Поясним вышесказанное элементарным примером. Например, мы исследуем какой - либо объект, облучая его белым видимым светом (или, строго говоря, электромагнитным излучением с длиной волны 0.35…0.76 нм.) и в качестве информативного параметра используем I _отр.1

Очевидно, что, если I _отр.1  0, мы исследуем абсолютно «чёрное тело», т. е. объект не отражает направленной энергии.

Если I _отр.1  1, то мы имеем дело с зеркалом, если посмотрим на спектр отраженного сигнала и установим, что объект избирательно отражает только электромагнитное излучение с длиной волны, например 0.40 нм, - то очевидно объект синего цвета и т. д.

Физическое воздействие на ОПИ (ОК) и изучение его реакции возможно осуществить в отдельных случаях с помощью органов чувств человека, а чаще только с помощью специальных технических средств измере­ний и контроля, реализующих тот или иной физический принцип работы.

Поэтому в курсе ФОПИ изучаются средства измерений и контроля, работа которых основана на использовании электромагнитных волн, акустического и теплового излучений и других физических факторов.

Отметим, что не всегда схема полу­чения информации соответствует, показанной на рис. 1.2. Иногда не­обязательно подавать физическое воздействие I.

В этом случае I_n-ное - реакция (см. рис.1.2) - собственное электромагнитное (например, период полураспада), акустиче­ское или тепловое излучение ОПИ (ОК), изменяющееся при изменении времени, внешнего поля напряжений и т. д., измеряя которое возможно получить необходимую информацию о его состоянии и характеристиках.

В соответствии с принципом получения информации - первый способ (т. е. когда есть физическое воздействие, чаще всего заданное или контролируемое исследователем) называется актив­ным, а второй пассивным.