ПособиеИМН

прямые и косвенные. При прямых измерениях искомую величину устанавливают непосредственно из опытов. При косвенных – функционально от других величин, определяемых прямыми измерениями, например измерение плотности тела через его массу и объем. Ещё различают измерения абсолютные и относительные. Абсолютные – это прямые измерения в единицах измеряемой величины. Относительные – измерения, представленные отношением измеряемой величины к одноименной величине, принимаемой за исходную.

Также существует три класса измерений: особо точные, высоко точные и технические. Особо и высокоточные измерения производятся при поверке измерительных приборов и аттестации эталонов.

Точность измерений важна при оценке качества продукции, а также при проведении научных экспериментов и она всегда должна быть выше, чем допустимое отклонение параметров качества или допустимая погрешность получения экспериментальных результатов.

Поэтому каждый исследователь должен уметь правильно измерять изучаемые величины, знать закономерности измеряемых процессов, правильно оценивать погрешности при измерениях, определять наилучшие условия измерений, при которых ошибки будут наименьшими, вычислять значения величин и их необходимое минимальное количество и проводить общий анализ результатов измерений

9.2 Методы измерений Метод непосредственной оценки. Он определяет значение величины

непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия (например, измерение массы на циферблатных весах, измерение напряжения вольтметром).

Метод сравнения с мерой. При его использовании измеряемую величину сравнивают с величиной воспроизводимой меры (например, измерение массы на рычажных весах с уравновешением гирями).

Нулевой метод применяется для результирующего эффекта воздействия величины на прибор до нуля, например, измерение электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием.

Дифференциальный метод основан том, что на измерительный прибор воздействует разность измеряемой и известной величины, воспроизводимой мерой, например, измерения, выполняемые при проверке мер длины сравнением с образцовой мерой на компараторах.

Метод замещения. При его использовании измеренную величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой, например взвешиванием с поочередным помещением измеряемой массы и гири одну и ту же чашку весов.

В настоящее время выпускается большое количество средств измерений и наблюдений для измерения показателей механических, физических, химических, а также структуры различных материалов и изделий и т.д.

К средствам измерений относятся измерительные приборы, меры,

установки и системы. Мера является самым простым средством измерения и предназначена она для воспроизведения физической величины заданного размера, например, гиря – мера массы.

Также выделяют средства измерения, которые позволяют непосредственно определить испытываемый показатель, например пресс для определения прочности материалов. Средства измерения, которые дают возможность косвенно судить об исследуемом показателе, например ультразвуковой твердомер, который позволяет оценить твердость материала по прохождению ультразвука в контакте между измерительным наконечником и изделием.

Измерительная установка или стенд - это особая система, состоящая из основных и вспомогательных средств измерений, предназначенных для

измерения одной или нескольких величин. Установки могут вырабатывать сигналы, удобные для автоматической обработки результатов измерений.

.

Измерительный прибор – это средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателя. Характеристиками измерительных приборов являются стабильность измерений, величина погрешности, точность и чувствительность.

Все приборы классифицируются по точности измерения, стабильности показаний, чувствительности, пределам измерения и др.

Точность измерений – это степень приближения измерения к действительному значению измеряемой величины.

Погрешность измерения – это алгебраическая разность между действительным значением и полученным при измерении. Количество минимальных измерений обеспечивает устойчивое среднее значение измеряемой величины, удовлетворяющее заданной степени точности. Погрешность является одной из важных характеристик любого прибора, используемого при проведении эксперимента. Она может быть абсолютной и относительной:

Основными погрешностями прибора называются суммарные погрешности, которые установлены при нормальных условиях.

Чтобы повысить достоверность измерений и их точность, необходимо уменьшить погрешность. Погрешности при измерениях могут возникнуть вследствие ряда причин: влияния различных внешних факторов в процессе опытов, недостаточно тщательного проведения опытов; несовершенства методов и средств измерений; субъективных особенностей экспериментатора и т.д.

Различают систематические и случайные погрешности. Систематические

– это погрешности, которые при повторных опытах остаются постоянными. При известных численных значениях погрешностей их нужно учитывать во время повторных опытов. Систематические погрешности можно разделить на пять групп:

1)влияние внешней среды: вибрация, магнитные и электрические поля, влажность и т.д.;

2)неправильная установка средств измерений;

3)инструментальные, например, из-за износа измерительного инструмента;

4)методические, которые обоснованы выбором метода измерения;

5)субъективные.

Случайные погрешности могут возникнуть при повторных измерениях. Эти погрешности нельзя учесть и исключить, но при многократно повторенных измерениях с помощью статических методов их можно выявить и исключить.

Диапазон измерения прибора – это часть диапазона показаний прибора, для которой установлены его погрешности. При известных погрешностях прибора диапазон измерений и показаний прибора совпадает.

Размахом прибора называют разность между его максимальными и минимальными показателями.

Чувствительностью называется способность отсчитывающего устройства реагировать на изменения измеряемой величины.. Порогом чувствительности прибора является наименьшее значение измеренной величины, вызывающее изменение показания прибора, которое можно зафиксировать.

Точность измерительного прибора характеризуется суммарной погрешностью.

Все приборы в зависимости от допускаемой погрешности делятся на классы. Классом точности является обобщенная характеристика, определяемая

пределами основной и дополнительных допускаемых погрешностей, влияющих на точность. Класс точности часто обозначают допускаемой погрешностью в процентах (1–2 и т.д.).

Воспроизводимость прибора, или стабильность. Это свойство отсчетного устройства прибора обеспечивает постоянство показаний одной и той же величины. Она определяется вариацией показаний.

Выходной сигнал средств измерения фиксируется отсчетными устройствами. Они могут быть цифровыми, шкальными и регистрирующими. Важной частью прибора является шкала. Длиной деления шкалы называют расстояние в миллиметрах между двумя смежными отметками на шкале.

.Все средства измерения, используемые в научных исследованиях, проходят обязательную периодическую поверку на точность. Поверка предусматривает уменьшение погрешностей прибора. Она позволяет установить соответствие данного прибора регламентированной степени точности, а также определить возможность его применения для данных измерений. При поверке средств измерения определяются погрешности и устанавливается, не выходят ли они за пределы допускаемых значений.

В России государственные метрологические институты и лаборатории по надзору за стандартами и измерительной техникой производят государственный контроль по обеспечению единства мер. Все средства измерений проверяются каждые 1–2 года.

Из вышесказанного можно сделать вывод о том, что очень важным моментом в организации научного эксперимента является выбор средств измерений. Средства измерения должны:

–максимально соответствовать тематике, цели и задачам научноисследовательской работы;

–обеспечивать при проведении экспериментальных работ высокую производительность труда;

–обеспечивать требуемое качество экспериментальных работ, то есть заданную степень точности при минимальном количестве измерений;

–обеспечивать высокую воспроизводимость и надежность, по возможности исключать систематические ошибки, при этом желательно максимально использовать средства измерений с автоматической записью;

–иметь высокую экономическую эффективность, то есть минимум затрат людских, денежных и материальных ресурсов;

–обеспечивать эргономические требования эксперимента;

–удовлетворять требованиям техники безопасности и пожарной безопасности.

Таким образом, важнейшим фактором успешного проведения научных исследований является метрологическое обеспечение. Следует отметить, что любой отчет о НИР должен содержать указание о применяемых аттестованных средствах измерения.

Вопросы для самоконтроля:

1.Что такое измерение? Его виды.

2.Что входит в понятие метрологии как науки?

3.Что может являться эталоном измеряемой величины?

4.Какова структура метрологической службы страны?

5.Перечислите виды измерений и дайте им характеристику.

6.Перечислите методы измерений и дайте им характеристику.

7.Чем отличается измерительный прибор от измерительного стенда?

8.Перечислите виды погрешностей измерения и причины их возникновения. 9, Какие основные требования предъявляются к средствам измерения?

10.Измерительные преобразователи

Человек получает информацию с помощью органов чувств, возможности которых весьма ограничены. Однако используя силу своего мышления человек изобрел огромное количество так называемых «измерительных

преобразователей» ИП) иногда называемых датчиками [ГОСТ Р51086-97], которые расширили его возможности получения информации о явлениях и процессах происходящих в природе и технических системах. Так, например, глаза человека позволяют наблюдать только очень узкую часть электромагнитного диапазона с длиной волны 0,65…0,45мкм, в то время как созданные ИП позволяют получать информацию во всем представимом диапазоне от гамма излучения до сверхдлинных электромагнитных волн с длиной волны до 10км.

ИП позволяют преобразовывать получаемую информацию в доступную для анализа исследователем форму с целью ее непосредственного анализа. Но в настоящее время получаемая информация часто используется в системах управления автоматическими устройствами, роботами и обрабатывается по специальным алгоритмам, а непосредственно человеком не воспринимается.

Преобразование информации может происходить в различную форму. Например, градусник измеряющий температуру используя явление расширения жидких тел при изменении температуры преобразует температуру непосредственно в визуальную, доступную для восприятия человеком форму.

Создано множество приборов, визуализирующих электрические параметры, вольтметры, амперметры, частотомеры и т.д. Поэтому часто ИП строятся с расчетом преобразования измеряемой величины в электрическую форму, которая потом легко может быть представлена для непосредственной регистрации. Кроме того, получаемый электрический сигнал может легко обрабатываться: усиливаться, дифференцироваться или интегрироваться, преобразовываться в цифровую форму и обратно аналого-цифровые АЦП) и цифро-аналоговые преобразователи ЦАП)_).

Это позволяет создавать устройства, возможности которых существенно превышают возможности человека. Так робот может ориентироваться в радиационной обстановке, использовать информацию в инфракрасном спектре и т.д.

Поэтому как ученый исследователь, так и проектировщик автоматической техники и робототехнических систем должен хорошо знать возможности современных ИП и уметь правильно их выбирать для конкретных случаев использования.

При исследовании природных процессов спектр ИП чрезвычайно широк. Требуется измерять как различные диапазоны электромагнитного излучения, параметры электрических величин напряжения, токи, сопротивления, емкости индуктивности и т.д.), акустические колебания, тепловые процессы,

механические величины давления, силы, ускорения, скорости, деформации и т.д.).

При создании механических устройств, являющихся основой робототехники наибольшее применение находят ИП механических величин, таких как ускорения, скорости, силы, моменты, давления и т.д.

10.1 Измерительные преобразователи механических величин

Из-за удобства обработки информации механические величины обычно преобразуются в электрические сигналы [12], при этом используются различные физические эффекты.

Наиболее простыми ИП являются электро-контактные, позволяющие устанавливать границы перемещения элементов механической системы. Они основаны на замыкании или размыкании электрических контактов. Основной проблемой использования таких ИП является снижение надежности при загрязнении или окислении поверхностей контактов. Погрешность срабатывания 1…2мкм.

Для определения величины перемещения наиболее простыми ИП являются реостатные, позволяющие получать информацию как о линейном, так и угловом перемещении. Они основаны на перемещении контактного ползунка по поверхности однорядной намотки проволоки или нанесенного на поверхность резистивного материала. Такие ИП позволяют измерять линейные перемещения до нескольких сотен миллиметров и угол поворота более 360 . Основной проблемой их применения является также низкая надежность скользящего электрического контакта. Точность зависит от шага намотки. Индуктивность реактивное сопротивление) их не велика, что позволяет использовать их до частот 104Гц. Термостойкость зависит от применяемых материалов и может достигать 5х102 К.

Тензорезисторы основаны на изменении сопротивления материалов при их деформации [13]. Они бывают проволочные, фольговые и полупроводниковые. Обычно используется константановая проволока, имеющая высокий коэффициент тензочувствительности и малую величину изменения сопротивления от температуры. Проволока наклеивается на бумажную или пленочную основу, которая в свою очередь приклеивается к месту измерения. В зависимости от основы и применяемых клеев возможно применение при температурах до 800К. Длина датчиков длина петель проволоки от5 до 30мм, а сопротивление в интервале от 50 до 400Ом. Максимально допустимые деформации не превышают 0,3%, однако это

позволяет измерять деформации поверхности стальных изделий в пределах упругости. Закрепленный датчик деформируется вместе с поверхностью, при этом изменяется его сопротивление пропорционально деформации. Зафиксировав деформацию можно по закону Гука, через модуль упругости материала определить напряжения. У полупроводниковых ТР чувствительность в 50…60 раз выше при использовании в диапазоне температур -160…300ºС, но они используются ограничено из-за влияния внешних факторов. Тензорезисторы используются очень широко, благодаря простоте конструкции, простоте установке, компактности и простоте получения и обработке сигнала.

Емкостные преобразователи основаны на изменении емкости конденсаторов при изменении расстояния между пластинами или при сдвиге их относительно друг друга. Достоинством таких преобразователей является высокая чувствительность, простота конструкции, малые размеры и вес, малая инерционность. К недостаткам можно отнести необходимость питания токами высокой частоты, необходимость экранировки, влияние окружающей среды, необходимость коротких измерительных цепей.

Пьезоэлектрические преобразователи основаны на пьезоэффекте,

возникновении на гранях некоторых монокристаллов или поляризованных поликристаллов электрического заряда при приложении к телу нагрузки. Причем возникающий заряд пропорционален нагрузке: Q=dхP, где d – пьезомодуль. Наиболее известным и часто применяемым является кварц, имеющий высокий модуль упругости, малую зависимость пьезомодуля от температуры, высокое сопротивление. На практике измеряют обычно напряжение на гранях кристалла U=Q/C= d P/C, где С – емкость датчика), например, при кварцевом диске диаметром 10мм и толщиной 1мм при силе 10Н и d кварца 2,2х10-12 к/н напряжение составит 7,3В.

Влияние температуры вплоть до 300С не наблюдается, а линейность сохраняется вплоть до разрушения. Искусственные кристаллы сегнетовая соль, дигидрофосфат аммония, титанат бария и т.д.) имеют модуль в сотни раз больший чем у кварца, но они имеют меньшую прочность и их пьезомодуль сильно зависит от температуры. Конструкции пьезодатчиков весьма разнообразны и кристаллы в них могут работать не только на сжатие, но и на изгиб, и на сдвиг. К недостаткам нужно отнести сложность измерения образующегося напряжения, так как требуется малая емкость измерительной цепи и чрезвычайно высокое входное сопротивление измерителя. Пьезоэлектрические датчики находят широкое применение в акселерометрах,

позволяющих измерять ускорения, а при интегрировании сигнала по времени получать информацию и о скорости объекта и пройденном пути.

Электромагнитные преобразователи основаны на изменении индуктивности при перемещении сердечника части сердечника) магнитопровода. Достоинством является возможность измерения, в зависимости от конструкции, как больших до 100мм) так и малых до 1мкм) перемещений. К недостаткам – необходимость питания переменным током стабильной частоты. К конструкциям индуктивных преобразователей можно отнести и трансформаторные преобразователи, которые могут обеспечить достаточную мощность сигнала без применения усилительных устройств.

Магнитоупругие преобразователи основаны на изменении магнитной проницаемости некоторых ферромагнитных материалов при их деформации

[14].

Такая зависимость вообще не линейна, но можно выбрать определенный участок характеристики, приближенный к линейному. Они могут быть построены как по дроссельному принципу, так и по трансформаторному.

Если силы изменяются медленно квазистатические измерения, например, весы) то питание осуществляется током промышленной частоты 50Гц. Чувствительность достигает 5…10 мВ/кгс, но напряжения в материале датчика не должно превышать 500кгс/см2.

Достоинством датчиков является высокая жесткость, простота конструкции, возможность применения при больших нагрузках до 100т и более).

В настоящее время исследуются и другие физические принципы преобразования силовых нагрузок в электрические сигналы. Так, например, развивается целая область свето-волоконных датчиков сил и перемещений [15]. Все более широкое применение находят лазерные датчики для измерения перемещений.

Конструктивно датчики могут быть очень разнообразны, существуют тысячи патентов на конструкции динамометров, использующих различные физические эффекты. В робототехнике применяют многокомпонентные динамометры разнообразных конструкций.

10.2 Измерительные преобразователи температуры

Измерение температур в автоматизированной технике и мехатронике применяется в устройствах стабилизации температуры, предохранения от перегрева, устройствах компенсации тепловых деформаций точных механизмов.

Температура— физическая величина, количественно характеризующая меру средней кинетической энергии теплового движения молекул какоголибо тела или вещества. Из определения температуры следует, что она не может быть измерена непосредственно и судить о ней можно по изменению других физических свойств тел объема, давления, электрического сопротивления, термоЭДС, интенсивности излучения и т.д.). Методы измерения разделяют на две группы: бесконтактные и контактные

[16].

Бесконтактные методы измерения температуры используют тепловое излучение, имеющее место в любых телах при любых температурах. При этом нет необходимости в механическом контакте датчика и измеряемой среды. Приборы, основанные на таком принципе, называются пирометрами. Более широко распространены контактные методы измерения температуры, требующие непосредственного контакта датчика со средой измерения. Здесь, по принципу действия приборы для измерения температуры подразделяются на следующие группы:

биметаллические и дилатометрические, использующие свойство теплового расширения твердых тел;

манометрические, использующие зависимость между температурой и давлением газа, жидкости или пара в замкнутом объеме;

термометры сопротивления, использующие зависимость электрического сопротивления вещества от его температуры;

термоэлектрические, действие которых основано на измерении термоЭДС, создаваемой термопарой из двух разнородных проводников.

Биметаллические и дилатометрические датчики. Данные типы датчиков широко применяются в системах контроля и регулирования температуры воздуха, жидкостей и газообразных сред. В основу построения датчиков положено упругое изменение линейных размеров рабочего тела при изменении температуры дилатометрический эффект). Перемещение свободного конца рабочего тела относительно закрепленного преобразуется в выходной сигнал с помощью любого преобразователя перемещений. Наиболее часто для этих целей используются электрические контакты.

Термометры расширения

Дилатометрические термометры основаны на измерении разности удлинения двух стержней, изготовленных из материала с различным коэффициентом линейного расширения.

Жидкостно-стеклянные термометры используют в широком диапазоне температур, в зависимости от коэффициента линейного расширения, температуры кипения и давления насыщенных паров рабочей жидкости. Заполнение ртутного термометра азотом высокого давления дает возможность существенно расширить почти в два раза) верхний предел

измерения температуры. Диапазоны работы жидкостно-стеклянных термометров: ртуть −35 …+350ºС (+750), этиловый спирт −80… +70 ºС, пентан −200… +20 ºС.

В биметаллических датчиках в качестве чувствительного элемента используется пластинка или спираль, состоящая из двух, сваренных по всей длине, металлических пластин с разными коэффициентами температурного линейного расширения. При нагревании пластинки она изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом температурного расширения, и замыкают или размыкают электрические контакты. Для более резкого срабатывания контактов в этих датчиках применяют постоянные магниты, которые притягивают пластинку сразу после того, как при определенной температуре она достигнет заданной степени деформации. Биметаллические датчики температуры широко используются в системах управления температурой воздуха и воды. Также они применяются в качестве сигнализаторов аварийной температуры в системах охлаждения всех двигателей внутреннего сгорания.

Манометрические датчики температуры. Принцип действия манометрических термометров основан на свойстве жидкостей и газов изменять объем при нагревании или охлаждении. На этом принципе созданы простые, надежные в эксплуатации датчики, нечувствительные к внешним магнитным полям, позволяющие измерять температуру различных сред дистанционно, без использования источников дополнительной энергии

Термометры сопротивления. Принцип действия термометров сопротивления (терморезисторов) основан на зависимости электрического сопротивления проводников и полупроводников от температуры. Термометр сопротивления состоит из катушки, включенной в измерительную цепь. Катушка обычно помещается в защитную трубку. Время реакции такого датчика на изменение температуры достаточно велико, часто порядка нескольких секунд, так как нет хорошего теплового контакта между катушкой и средой, температуру которой необходимо измерить. Металлами, которые применяются для изготовления катушек термосопротивлений, являются платина, никель, медь. Платина имеет почти линейную зависимость сопротивления от температуры, дает хорошую воспроизводимость, стабильность и обеспечивает точность ±0.5% в диапазоне температур (- 200...850°С). Она относительно инертна и может использоваться в широком диапазоне условий без ухудшения характеристик, но она более дорогая, чем многие другие металлы. В последнее время в системах автоматики широкое распространение получили полупроводниковые термосопротивления терморезисторы), температурный коэффициент которых на порядок выше, чем у металлов. Кроме этого полупроводниковые терморезисторы имеют значительно меньшие размеры, чем проволочные, и, соответственно, значительно меньшую тепловую инерционность. При