1.4 Сигналы в измерительной технике

1.4.1 Измерительная информация представляется в виде сигналов, являющихся их носителем. Сигнал есть изменяющаяся во времени физическая величина, имеющая хотя бы один параметр, который непосредственно или опосредованно (через другую связанную с ним величину) содержит информацию, которая может быть определена [13]. Эти параметры однозначно связаны с измеряемой величиной и обеспечивают воспроизводимость её значений при повторных измерениях. (Измеряемая величина в редких случаях остаётся постоянной в процессе измерения!) Они служат мерой значений измеряемых величин.

Чаще всего в качестве сигнала воспринимается сама измеряемая величина. В общем случае сигнал «измеряемая величина» преобразуется в сигнал «выходная величина».

Сигналы называются детерминированными, если их поведение в любой момент времени известно.

1.4.2 Классификация детерминированных сигналов приведена на рисунке 2.

Кроме того, существует классификация по виду энергии сигнала:

1. электрические (наиболее распространены);

2. механические;

3. пневматические;

4. гидравлические.

По форме представления различают:

1. гармонические;

2. импульсные;

3. периодические и непериодические.

По виду модуляции: амплитудная, время-импульсная, широтно-импульсная, фазо-импульсная.

Помимо детерминированных сигналов существуют стохастические, или случайные сигналы.

1.4.3 В измерительной технике в зависимости от вида и назначения сигнала применяют различные виды кодирования. Чаще всего для этого используют двоичный код, двоично-десятичный код. С целью защиты информации от искажений и исправления ошибок при передаче используются избыточные коды.

Детерминированные

сигналы

Аналоговые

Дискретные

По числу уровней

Цифровые

По времени

Двухуровневые

Многоуровневые

t t

t

Рисунок 4 – Классификация измерительных сигналов.

1.4.4 Спектральная характеристика сигнала, представляющего функцию f(t), определяется преобразованием Фурье:

_

F() = F {f(t) e ^{– j  t} dt (1)

• ^

Спектральные характеристики различных сигналов представлены на рисунке 3. Спектральные характеристики позволяют судить о частотных свойствах процесса (интенсивности сигнала на разных частотах).

F() F() F()

U₀ U_m

-  -   -  

-  0  -  0  -  0 

f(t)= U₀ f(t)= U_m Sint f(t)

Рисунок 5 - Спектральные характеристики различных сигналов.

1.5 Измерительные преобразователи

1.5.1 Измерительный преобразователь – техническое средство с нормированными метрологическими характеристиками для преобразования измеряемой величины в другую, удобную для дальнейших преобразований (передачи, усиления, индикации).

Наиболее часто – преобразование измеряемого сигнала в электрический сигнал. Пеимущества такого преобразования:

возможность измерения сигналов очень малой величины (применение усилителей позволяет измерять очень малые величины);

возможность передачи измеряемой величины на расстояние (дистанционные измерения);

высокая точность скорость измерения;

возможность применения унифицированных средств, ЭВМ.

1.5.2 Свойства преобразователей представлются следующими характеристиками.

Статическая характеристика(функция преобразования) – зависимость выходного сигнала от постоянного во времени входного сигнала. Описывается аналитическиУ=f(X)или графиком, может быть линейной или нелинейной (рисунок …).

Различают номинальную функцию преобразования У_ном=f_ном(X)и реальную У_р=f_р(X).

Динамические характеристики преобразователя представляются зависимостью выходного сигнала от изменяющегося во времени входного сигнала. К их числу относят переходную характеристику (реакция на ступенчатое входное воздействие), импульсную (весовую) характеристику, а также амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики. Все они определяются из передаточной функции преобразователя (оператора преобразования) по известным формуоам ТАУ. Скорость и время преобразования определяются переходным процессом.

Чувствительность преобразователя – отношение изменения входной величины к вызывающему его изменению входной величины:

S=dY/dX=ΔY/ΔX ()

Порог чувствительности преобразователя – минимальное значение входной величины, при которой она обнаруживается данным преобразователем.

Предел преобразования максимальное значение входной величины, которая преобразуется без искажений и поломки.

УУ_ном У_р У У_ном

У_р

Y₀ Х 0 Х

Рисунок 4 – Функции преобразования.

1.5.3 На практике используются преобразователи с функцией преобразования, не проходящей через начало координат:

У_р=SX+Y₀ ()

Погрешность, вызванная неноминальным значением выходной величины при нулевом входе называется аддитивной.

При изменении Уо график функции преобразования перемещается параллельно. То есть аддитивная погрешность не зависит от входной величины.

Погрешность, вызванная неноминальным значением чувствительности называется мультипликативной. Она приводит к изменению угла наклона функции преобразования. При этом абсолютная погрешность зависит от измеряемой ывеличины: она пропорциональна входной величине.

Абсолютная погрешность преобразователя по выходу (создаётся самим преобразователем):

ΔУ=У_ном – У_р ( X)

Абсолютная погрешность преобразователя по входу:

ΔХ=Х_ном – Х_д ( X)

где Х_д – действительное значение входной величины;

У_ном – значение, соответствующее функции преобразования У_ном=f(X_д).

Относительная погрешность по выходу:

у_вых=ΔУ/У_р ()

Относительная погрешность по входу:

у_вых=ΔХ/Х_д ()

Приведенная погрешность по выходу:

у_пр.вых=ΔУ(У_мaх – У_min) ()

Приведенная погрешность по входу:

у_пр.вых=ΔХ(Х_мaх – Х_min) ()

Погрешности преобразователя зависят как от свойств преобразователей, так и от воздействия условий работы. Обычно указывают область допустимых значений погрешностей в нормальных условиях (основная погрешность) и при влияющих факторах (дополнительная погрешность).