1.7. Введение в методы исследования

Методика исследования — это совокупность способов, приемов исследования. Она отвечает на вопрос: как, какими способами проводить исследование.

Методика, которая относится ко всему исследованию и представляет стержневые способы и приемы, проходящие через все исследование, является общей. Для от­дельных опытов (в пределах исследования) или серии опытов могут потребоваться специфические способы ис­следования. В этих случаях необходимо разработать частные методики, отличные от общей.

Значение частных методик возрастает с увеличением разнообразия явлений или сторон явления, подлежащих изучению.

Методика исследования определяет оборудование, процесыииследования, этапы исследования, количество опытов, план работы (планирование эксперимента), затраты времени и средств.

Правильная методика — залог успеха исследования. Неметодичность исследования или неверная методика приводят к ошибкам, в результате чего накапливаются груды «сырого» материала, из которого никаких выводов сделать нельзя.

От наблюдения к обобщению и от обобщения к проверке в жизни, на практике — таков общий путь исследования. Эти три ступени обязательны для законченного исследования.

Первая ступень — наблюдение, взятое в широком смысле, охватывает пассивную его форму (наблюдение без вмешательства в условия развития яв­ления) и активную (наблюдение исследователем за раз­витием явления в определенных условиях, эксперимент). Но, прежде чем более подробно ознакомиться с проведе­нием наблюдений, следует изучить широко применяе­мые средства наблюдения — измерения и отметки.

1.7.1. Измерения и отметки

Задача научного исследования состоит в том, чтобы установить закономерности развития явлений. При оп­ределении закономерности мы ищем постоянное и необ­ходимое отношение, связь между явлениями, лежащую в основе их развития. Для подавляющего большинства исследований закономерности представлены численными величинами, полученными в результате измерений.

Здесь и далее величина — обобщение конкретных по­нятий (длины, массы, силы, скорости и т.п.) свойств физических тел.

Измерение есть процесс сравнения данной величины с ее значением, принятым за единицу. Всегда надо стремиться измерять величины в процессе развитие явления, а не ограничиваться их измерениями «до» и «после», так как познавательное значение последних сравнительно мало. Общая классификация измерений приведена в таблице 1.10.

Таблица 1.10

Классификация измерений

Класс, признак	Подклассы, виды
1. Количество однотипных измерений 2. Отношение к измеряемой величине 3. Связь измерений	Разовые (однократные) Многоразовые (неоднократные) 1-2-1. Равноточные 1-2-2. Неравноточные 1-2-3. Дискретные 1-2-4. Непрерывные 2-1. Прямые (непосредственные) 2-2. Косвенные (посредственные) 3-1. Синхронные (по времени или пути) 3-2. Асинхронные

Особенности измерений различных видов характеризуются далее при рассмотрении последних.

Чем глубже исследование, чем большие проблемы оно решает, тем совершеннее и точнее долж­ны быть способы измерений и измерительная аппарату­ра (табл. 1.11).

Таблица 1.11

Измеряемые величины и основные инструменты и приборы для измерений

Большую часть перечисленной аппаратуры выпуска­ет промышленность, но во многих случаях для специфи­ческих измерений исследователь должен сам конструи­ровать приборы, используя в готовом виде лишь отдель­ные узлы заводских приборов. Отметим основные тенденции в развитии способов измерений: повышение точности измерений; переход к измерениям микровеличин; применение приборов безы­нерционных и без трения или по крайней мере с величинами сил инерции и трения, которыми практически можно пренебречь; применение бесконтактных приборов; регистрация непрерывно изменяющихся величин; уменьшение затрат времени и труда на производство измерений; синхронные измерения; получение наибольшего количества надежной информации.

Изложенные здесь краткие указания о выборе спосо­бов измерений рассчитаны лишь на самые общие сведе­ния и не могут заменить описаний конструкций прибо­ров, их применения и условий выбора той или иной аппаратуры, помещенных в специальной литературе или в заводских руководствах.

Как правило, для измерений какой-либо неизменной (или близкой к постоянной) величины, например диа­метра вала по линии сопряжения осевой и нормальной плоскостей или массы детали, применяют наиболее прос­тые способы. В этих случаях измерительный инструмент или прибор, например концевые меры, микрометр, ли­нейку, мерную ленту, выбирают в зависимости от изме­ряемой величины, удобства пользования и необходимой точности измерений.

При неоднократных измерениях изменяющихся вели­чин лучше употреблять считающие или записывающие приборы и устройства.

Считающие приборы показывают интегральный, сум­марный результат измерений какой-либо одной величи­ны, например суммарное количество оборотов вала за время измерения. В тех случаях, когда результаты измерений одной изменяющейся величины желательно статистически обработать, рекомендуется использовать статистические считающие приборы или классификато­ры. В этих приборах значения переменной величины за­ранее разбивают на классы. Как только она достигает значения, соответствующего заданному классу, датчик, т. е. чувствительный элемент прибора, посылает импульс в счетчик этого класса, и он суммирует количество этих импульсов. В результате на ряде счетчиков прибо­ра будет показано статистическое распределение изме­рений различных значений переменной величины. На­пример, в обычном тяговом циферблатном динамометре стрелку прибора заменим движущимся контактным устройством, а шкалу показаний разделим на классы и по последним поставим неподвижные контакты, соединив каждый из них со счетчиком электрических импульсов. Тогда при включении в эту систему источника питания и при воздействии на силовое звено динамометра пере­менной нагрузки каждый из счетчиков будет показывать количество замыканий, соответствующих определенному диапазону нагрузок.

Статистические считающие приборы сравнительно просты, надежны, установить их несложно. Их основное достоинство — возможность регистрации данных в тече­ние более длительного времени по сравнению с обычными записывающими приборами. Недостаток их состоит в том, что они не регистрируют мгновенные функциональные зависимости и связи между несколькими пере­менными.

В случае функционального анализа связей между не­сколькими переменными требуется синхронная запись их значений. Например, надо установить зависимость нагрузки на вал кривошипа от угла поворота вала. Оче­видно, для этого необходимо знать значения нагрузки и угла поворота вала в каждое данное мгновение, то есть синхронно записывать одновременно изменяющиеся пе­ременные величины.

Недостаток такой регистрации измерений — слож­ность приборов и большая трудоемкость обработки за­писей. Кроме того, узлы, входящие в синхронизирую­щую систему (от датчика до записывающего устройст­ва), должны изготовляться с высокой точностью, так как в противном случае записи искажаются. Например, при сдвиге фаз гармонических колебаний ошибка может быть очень большой.

Существуют три метода синхронной записи нескольких переменных величин: при помощи осцил­лографа, запись на магнитный носитель, видеосъемка. При сложных явлениях протекание различных пере­менных регистрируют синхронно тремя или двумя ме­тодами.

Наиболее распространена синхронная запись при помощи различного типа осциллографов. При необходимости осциллографы блокируют, одновременно включая, выключая и подавая сигналы времени, начала и конца опыта из одного сигнального устройства.

В зависимости от характера измеряемой величины датчики для осциллографов могут различаться по кон­струкции и принципам действия. Главные требования, предъявляемые к датчикам для осциллографической записи: надежность; устойчивость показаний по времени (при измерении одной и той же величины) и при обычных для опытов колебаниях температуры; удобство монтажа; надежность соединения с проводами осциллографа или усилителя.

Для определения величин или связанных с дефор­мацией детали, или могущих деформировать датчик, достаточно простыми, удобными и точными являются проволочные и фольговые датчики. Проволочные датчи­ки делают из специальной проволоки (константановой и др.). Датчики из тонкой проволоки компактны, но требуют усиления посылаемых ими сигналов; датчики из более толстой проволоки или фольговые (так называе­мые мощные) при надлежащей чувствительности шлей­фов можно применять без усиления, но они менее компактны и монтировать их труднее.

Основой проволочного датчика служит зигзагообразно уложенная проволока (рис. 1.13, а), называемая иногда решеткой; при деформации проволоки изменя­ется ее удельное сопротивление, что и отмечает осцил­лограф.

Рис. 1.13. Схемы проволочных датчиков и их использование:

а —общая схема датчика: l— база датчика; 1 и 2— выводы; б — расположение проволочных датчиков для измерения крутящего момента Мк: 1— датчик, работающий на сжатие; 2— датчик, работающий на растяжение; в — измерение упругих деформаций: 1 — деталь, подвергающаяся упругой деформации под воздействием силы Р; 2 — датчик, работающий на растяжение; 3 — датчик, работающий на сжатие (такого же типа датчик может отмечать микроперемещения); г—устройство для измерения ускорений: 1 и 2—датчики; 3 — элемент, на который наклеены датчики; 4 — масса; 5 — стакан с демпфирующим составом; д —динамометрические: 1 — кольцо; 2 — палец; 3—8 — датчики, работающие на растяжение или на сжатие, в зависимости от действия сил, а в кольце — в зависимости от места наклейки.

Такую проволочную решетку наклеивают про­дольной осью вдоль оси напряжения на исследуемую или на специально сделанную деталь, деформация ко­торой достаточна для действия датчика. При наклейке принимают все меры к тому, чтобы правильно располо­жить датчик, электрически изолировать его от детали, предохранить от влаги и механических повреждений, и также к температурной компенсации. Концы датчика включают в измерительную цепь обычно по мостовой схеме. На рисунке 1.13, б, в, г и д схематически показаны при­меры использования проволочных датчиков в некото­рых, наиболее часто встречающихся случаях. При изме­рении проволочными датчиками различных переменных величин вращающихся деталей необходимо применять специальные токосъемные устройства.

Если на вал (рис. 1.13, б) действует не только крутящий, но и изгибающий момент, оппозитно двум показан­ным датчикам наклеивают еще два так, чтобы в каждой паре датчиков, находящихся в одной ветви моста, воз­никали деформации одного знака и равновесие моста не нарушалось. Такая схема одновременно компенсирует и колебания температуры. Полупроводниковые датчики на 1—2 порядка чувствительнее проволочных. При измерении достаточно больших угловых и линейных перемещений небольшой частоты применяют контактные и реостатные (реохордные) датчики (рис. 1.14, а, б, в); последние могут быть использованы также для измерений ускорений.

Рис. 1.14. Контактные и реостатные датчики:

а — контактный датчик: 1—6 — контакты датчика; 7 — возвращающая пружина; 8 — контакт; h — измеряемый размер; б — реостатный датчик: 1 — деталь, вос­принимающая усилие Р; 2 — возвращающая пружина; 3 — реостат (может быть реохорд); в — реостатный или реохордный датчик: 1 — вращающийся контакт; 2 —рычаг, приводящий в движение вращающийся контакт; 3 — реостат (реохорд).

Фотоэлектрические датчики для измерения крутящих моментов не требуют усилителей и токосъемных устройств, но сложны по конструкции.

В некоторых случаях для измерений давлений, перемещений (в пределах нескольких миллиметров), скорос­тей, вибраций и крутящего момента при частоте колебаний измеряемой величины в сотнях герц можно применить индукционные датчики, а некоторые из них использовать для записи сигналов осциллографом без усилителя.

Иногда одним шлейфом осциллографа можно одно­временно записывать две величины, если они изменяются в определенных соотношениях. Например, если си­ла связана с перемещением, то кривая может быть од­на, а масштабы для определения силы и перемеще­ния — разные. Этим экономят шлейфы.

При высоких частотах колебаний измеряемой вели­чины, например при записи процессов в камерах сгора­ния поршневых двигателей, целесообразно применять пьезоэлектрические или емкостные датчики и электродные (катодные) осциллографы. Обычно ими измеряют одновременно только 2—3 величины.

Синхронизировать измерения при помощи двух электронных осциллографов можно одновременной киносъемкой их экранов на пленку достаточно высокой чувствительности.

Недостаток киносъемочной синхронизации — боль­шие затраты времени на расшифровку записей, так как в большинстве случаев приходится показания приборов в каждом кадре переписывать в таблицы, а иногда строить по этим записям кривые.

Современные скоростные киноаппараты (от 150 до 4000 снимков в 1 сек) приемлемы для исследований; их можно использовать не только для синхронизации записей на экранах катодных осциллографов, но и для регистрации быстропротекающих видимых явлений синхронно с запи­сями магнитоэлектрическим осциллографом. Таким об­разом достигается регистрация на киноленте внешних признаков синхронно с регистрацией сил, напряжений или других факторов и функций, что значительно увеличивает количество получаемой в опыте информации и этим повышает надежность исследования.

Синхронизация одновременной записью ряда пере­менных величин на магнитную ленту при помощи час­тотного модулятора и магнитофона удобна простотой аппаратуры и тем, что на одну ленту одновременно записывают сигналы нескольких датчиков. Есть приборы, которые дают сразу среднее значение колеблющейся измеряемой величины. Несмотря на то, что показания этих приборов не требуют дополнитель­ной обработки, следует осторожно относиться к их применению, так как многие процессы при исследовании объектов характеризуются не только средними величинами, но и отклонениями от средних.

Существуют устройства, трансформирующие сигналы датчиков и записывающие производные или интегралы изменяющихся величин. При выборе таких устройств учитывают их надеж­ность, вносимые ими ошибки и сложность их эксплуа­тации.

Число однотипных приборов, применяемых в исследовании, зависит от целей последнего. Например, при динамометрировании (линейном, в плоскости и пространственном) можно измерять соответственно только си­лу, две и три ее составляющих. Полную информацию о положении твердого тела в пространстве дают три ко­ординаты линейных перемещений и три координаты уг­лов поворота.

Помимо измерений, в экспериментах делают и отметки, цель которых состоит в количественной и качественной фикса­ции явления или его сторон во всей их сложности. Про­стейшей отметкой является запись в виде замечаний экспериментатора о всех интересных фактах в развитии явления. Этими записями никогда не следует пренебре­гать, так как они помогают «осветить» стороны явления, которые вначале не считались первостепенными, а по­том стали важными, а также прояснить некоторые их особенности. Эти же записи содержат новые мысли, соображения и замечания. Бывают и другие отметки: фотография, звукозапись, фиксация состояния объекта нафталиновым сплавом, а лезвий и поверхностей - пластмассами, гипсом, легкоплавким металлом, органической пленкой; эскизирование, сбор коллекций и отбор качественных проб; статистика явлений и т. д.