Оглавление

Раздел 1.Теоретические основы информационных измерительных систем. 2

1.1. Основные понятия 2

1.2. Измерительные сигналы и их преобразования 10

1.3. Погрешности методических систем 18

Раздел 2 Линейные измерительные системы 23

2.1.Волновые уравнения 23

2.2 Метод нелинейного преобразования времени 27

2.3 Взаимодействие волны с неподвижной границей раздела 32

2.4.Взаимодействие волны с подвижной границей разделa 36

Раздел 1.Теоретические основы информационных измерительных систем.

1. Основные понятия

Информационная система - это взаимосвязанная совокупность информационных, технических, программных, математических, организационных, правовых, эргономических, лингвистических, технологических и других средств, а также персонала, предназначенная для сбора, обработки, хранения и выдачи экономической информации и принятия управленческих решений.

Свойства информационных систем:

• любая ИС может быть подвергнута анализу, построена и управляема на основе общих принципов построения сложных систем;

• при построении ИС необходимо использовать системный подход;

• ИС является динамичной и развивающейся системой;

• ИС следует воспринимать как систему обработки информации, состоящую из компьютерных и телекоммуникационных устройств, реализованную на базе современных технологий;

• выходной продукцией ИС является информация, на основе которой принимаются решения или производятся автоматическое выполнение рутинных операций;

• участие человека зависит от сложности системы, типов и наборов данных, степени формализации решаемых задач.

Процессы в информационной системе:

• ввод информации из внешних и внутренних источников;

• обработка входящей информации;

• хранение информации для последующего ее использования;

• вывод информации в удобном для пользователя виде;

• обратная связь, т.е. представление информации, переработанной в данной организации, для корректировки входящей информации.

Информационно-измерительной техникой называют область научно-технической деятельности, обеспечивающую получение количественной и качественной информации о свойствах и характеристиках физических объектов, которая используется далее для целей изучения и управления.

Информация — это совокупность сведений, уменьшающих начальную неопределенность. Одними из наиболее важных являются сведения о количественных характеристиках свойств, которые при научном эксперименте и управлении технологическим процессом получают путем измерения. Такие сведения увеличивают наше знание и уменьшают незнание, т. е. снижают степень неопределенности. Следовательно, измерение — информационный процесс. Количественная и качественная информация о свойствах физических объектов и процессов является результатом измерения, т. е. измерительной информацией.

Измерительная информация является содержательной харак­теристикой измерительного отражения. Особенности измеритель­ного отражения и, следовательно, измерительной информации вы­текают из общего определения измерения. Наиболее суще­ственные из них, связанные с природой измерительной информации, заключаются в том, что, во-первых, отражающий объект является абстрактно-математическим (числом), а отражаемый — эмпириче­ским и, во-вторых, в способе отражения, а именно: отражение эмпи­рического объекта на числовой оси производится так, чтобы отно­шения между размерами измеряемой величины однозначно соответ­ствовали отношениям между их числовыми значениями.

Измерительная информация связана с высшей формой отражения — человеческой, так как отображающий объект в данном случае является продуктом абстрактного мышления человека. Измери­тельному отражению соответствует эмпирическая операция сравне­ния измеряемой величины с ее единицей. Выбор такой единицы одно­значно определяет математические объекты (числа), которыми пред­ставляются результаты измерения. В процессе измерения есть и другие отражения, но они связаны, в основном, с изоморфными пре­образованиями носителей информации, сигналов, и не определяют природу измерительной информации.

Измерительная информация, как всякая познавательная ин­формация, может быть представлена вектором I= . Компоненты этого вектора обозна­чают отдельные аспекты (новизну, содержательность, ценность, ак­туальность, верность и т. п.).

Измерение — это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Измерения обеспечивают непосредственную связь между экспериментом и теорией, высокую достоверность научных исследований и высокое качество изделий современного производства. Наука об измерении называется метрологией.

Для того чтобы точно управлять нужно, прежде всего, точно измерять все параметры, по которым осуществляется управление объектом, в том числе и качеством изделий. В связи с этим поставлена задача измерения и количественной оценки качества продукции.

Измерения теснейшим образом связаны со стандартизацией.

Стандартизация — это наука о принципах и методах установления наиболее эффективных норм и правил взаимодействия элементов общественного производства с точки зрения их совместимости, унификации и рациональной организации . Стандарты — это технические законы, устанавливающие определенные требования к материалам, полуфабрикатам, изделиям, технологическим процессам, технической и технологической документации, методам испытаний и т.д. С помощью стандартов обеспечивается согласование норм на все элементы современного производства и требований по ним.

Взаимосвязь метрологии и стандартизации проявляется в том, что измерения, с одной стороны, пронизаны различными стандартами (на средства, методики и т. д.), а с другой стороны, обеспечивают методы и средства контроля выполнения стандартов.

Измерения обеспечивают связь с объектом исследования или управления, в конкретном применении к той или иной отрасли техники (механика, электротехника, оптика, ядерная техника и т. д.). Измерения теснейшим образом связаны со стандартизацией. Стандартизация — это наука о принципах и методах установления наиболее эффективных норм и правил взаимодействия элементов общественного производства с точки зрения их совместимости, унификации и рациональной организации . Стандарты — это технические законы, устанавливающие определенные требования к материалам, полуфабрикатам, изделиям, технологическим процессам, технической и технологической документации, методам испытаний и т. д. С помощью стандартов обеспечивается согласование норм на все элементы современного производства и требований по ним.

Взаимосвязь метрологии и стандартизации проявляется в том, что измерения, с одной стороны, пронизаны различными стандартами (на средства, методики и т. д.), а с другой стороны, обеспечивают методы и средства контроля выполнения стандартов.

Метрология — это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности .

Измерения обеспечивают связь с объектом исследования или управления, в конкретном применении к той или иной отрасли техники (механика, электротехника, оптика, ядерная техника и т. д.).

На первом этапе развития измерений действовали, главным образом, тенденции дифференциации, каждая отрасль измерений развивалась обособленно. Возникли отдельные отрасли измерительной техники—техника измерения механических величин, электрических величин и т. д.

Метрология объединяет единой теорией, единством понятий, методов и средств различные отрасли измерительной техники.

Основными разделами метрологии являются: 1) общая теория измерений; 2) единицы физических величин; 3) методы и средства измерений; 4) методы определения точности измерений; 5) эталоны и образцовые средства измерений; 6) обеспечение единства измере­ний и единообразия средств измерений.

Предмет метрологии — извлечение количественной и каче­ственной информации о свойствах объектов и процессов.

Методы метрологии — совокупность физических и математических методов, используемых для извлечения измерительной инфор­мации с заданными точностью и достоверностью (методы: измерите­льных преобразований, измерений, обработки наблюдений, планиро­вания измерительного эксперимента).

Средства метрологии — совокупность средств измерений и контроля.

Величина и измерение — основные понятия метрологии. Между ними существует тесная взаимосвязь: величина является предметом измерения. Объекты окружающего мира обладают бесконечно большим числом свойств, которые проявляются в самых различных отношениях в зависимости от специфики каждого из них. Однако среди этих многочисленных специфических проявлений свойств есть и несколь­ко общих:

• в отношении эквивалентности — данное свойство у различных объектов оказывается одинаковым или не одинаковым;

• в отношении порядка — однородные свойства у различных объектов оказываются больше или меньше, отличаются различной интенсивностью, размерами (проявление свойств в отношении по­рядка является наиболее общим и присуще большинству из них);

• в отношении аддитивности — однородные свойства различных объектов могут суммироваться.

Свойства, проявляющие себя только в отношении эквивалент­ности (пол, социальное происхождение), не являются вели­чинами.

Свойства, проявляющиеся в отношении эквивалентности и по­рядка, называются интенсивными величинами. К ним относятся величины в психологии, педагогике и др.

Свойства, проявляющиеся во всех трех отношениях — экви­валентности, порядка и аддитивности, называются экстенсивными величинами. К ним относятся физические величины — ток, масса, расстояние и т. д.

Физическая величина— это свойство, общее в качественном отношении множеству объектов и индиви­дуальное в количественном отношении у каждого из них.

Каждая величина измеряется опытным путем с помощью специ­альных технических средств, которые называются средствами из­мерений (измерительные приборы и системы).

Размер физической величины — количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию «физическая величина».

В каждом разделе физики объективно существующие зависимос­ти между свойствами объектов представляются рядом независимых уравнений, которые и являются уравнениями между величина­ми, при этом число последних п всегда больше числа уравнений т. Поэтому т величин данной системы определяются через другие ве­личины, а п — т - условно независимо от других. Эти величины принято называть основными, а остальные производными. В ка­честве основных теоретически могут быть выбраны любые из данного числа величин, но практически в качестве основных выбирают величины, которые могут быть воспроизведены и измерены с наи­более высокой точностью.

Основная физическая величина — физическая величина, входя­щая в систему и условно принятая в качестве независимой от других величин этой системы, например масса, длина, время для системы механических величин.

Производная физическая величина — физическая величина, вхо­дящая в систему и определяемая через основные величины этой системы, например ускорение в системе механических величин.

Понятия «физическая величина» и «измерение» позволяют логи­чески перейти к одному из основных понятий метрологии — «еди­ница физической величины».

Важнейшим условием измерения данной величины является воз­можность воспроизведения ее с заданными размерами, или преоб­разования в величину, воспроизводимую с заданными размерами. Это собственно и требует установления стабильной по размеру едини­цы физической величины, точного ее воспроизведения, хранения и передачи.

Единица физической величины — это физическая величина, раз­меру которой, по определению, присвоено числовое значение 1. Единица физической величины должна быть материализована, т. е. воспроизведена таким образом, чтобы ее размер был постоянным во времени и при наличии внешних воздействий. Для этого исполь­зуются специальные средства измерений — эталоны и меры.

Понятие «сигнал» является очень широким, под сигналом в об­щем случае подразумевают материальный носитель информации. В дальнейшем будем рассматривать два вида сигналов — сигнал в виде физического процесса (информация в нем заключена в размере его информативного параметра) и кодовый или дискретный (со­держащий информацию в числе своих элементов, в их расположении во времени или в пространстве).

В процессе измерения между объектом и техническими средства­ми устанавливается определенное взаимодействие. В результате и возникает вполне определенная реакция технических средств. Фи­зическая величина является свойством физического объекта или процесса и не может воздействовать на средство измерений. Следо­вательно, объект измерения это реально существующий вход­ной сигнал средства измерения — физический объект или процесс X (t), характеризующийся в общем случае рядом изменяющихся во времени величин, которые будем также называть параметрами данного физического процесса или сигнала.