Метрологические характеристики измерительных преобразователей

Характеристики ИП в статическом режиме.

Статические характеристики описывают свойства преобразователя при работе в лабораторных условиях с малыми изменениями измеряемой величины. При нормальных условиях, например, получают градуировочные характеристики средств измерений.

Основной характеристикой ИП является функция измерительного преобразования , определяющая зависимость выходной величины (Y) от входной величины (Х). Чаще всего эта зависимость описывается аналитическим выражением, иногда графически, или задается в виде таблицы.

Отношение выходной величины к входной называется коэффициентом преобразования:

.

В общем случае коэффициент преобразования является функцией входной величины, что является одной из причин нелинейности функции измерительного преобразования.

Производная от функции преобразования называется чувствительностью преобразователя:

.

Чувствительность характеризует степень реагирования преобразователя на изменение входного сигнала. Для линейных преобразователей чувствительность является постоянной величиной. Если же функция измерительного преобразования не линейная, то чувствительность является функцией входной величины и связана с коэффициентом преобразования следующей зависимостью:

При линеаризации нелинейных характеристик ИП используют понятие средней чувствительности в диапазоне преобразований:

1.2 Классификация физических эффектов и областей их применения в измерительной технике

Важная часть науки обеспечения измерений различных физических величин связана с оптимизацией выбора соответствующих физических эффектов и явлений, реализуемых в первичных измерительных преобразователях, с разработкой методик расчета и проектирования датчиков на их основе, оценкой и доведением метрологических характеристик датчиков до требуемых норм. Общее количество физических явлений и эффектов, используемых к настоящему времени в измерительных устройствах, огромно и составляет несколько тысяч. Поэтому придется рассмотреть только некоторые из них, наиболее широко применяемые в первичных измерительных преобразователях информации.

Физический эффект – это результат действия некоторых причин. При этом реализуются определенные закономерности проявления результатов взаимодействия объектов материального мира.

Объектом, в котором реализуются эффекты, может быть отдельные элементы в средстве измерения или совокупность элементов, образующих определённую структуру (макротела, макромолекулы, домены).

Результатом воздействия полей на объект является появление новых полей или изменение параметров объекта. При первом воздействии может появиться несколько результатов воздействия и наоборот, воздействие нескольких причин разной природы могут привести к одному следствию, т.е. изменение выходного параметра. При этом нужно выделять основные и дополнительные воздействия. Основные – относятся к измеряемым воздействиям, а дополнительные - обуславливают появление различных составляющих погрешностей измерения.

Задачей измерения является выделение основного воздействия и снижение влияния на результат различных дестабилизирующих факторов. Причём важно обеспечивать возможность регулирования процесса измерительных преобразований (изменять крутизну рабочей характеристики, обеспечивать линейность уравнения измерительного преобразования, регулировать рабочий диапазон измеряемой величины).

Функция измерительного преобразования должна математически адекватно описывать процесс первичного измерительного преобразования:

y = φ (x; z; t…) (2.1)

где y – выходной сигнал преобразователя;

x – измеряемая ФВ;

z, t – дестабилизирующие факторы.

Физическая схема объекта измерения является функциональной схемой. При этом математическая модель физического эффекта должна:

• отражать взаимосвязи в объекте измерения (внешние и внутренние);

• давать количественную характеристику процесса измерительного преобразования;

• описывать физические эффекты в функции времени и влияющих величин;

• быть удобной для инженерных расчётов.

Общие принципы классификации физических эффектов могут быть основаны на использовании различных критериев, например:

• по виду преобразуемой энергии (механическая, электрическая, магнитная, электростатическая, электромагнитная, тепловая, оптического и других диапазонов излучения);

• по модулируемому параметру первичного измерительного преобразователя (генераторного или параметрического типа, в том числе, с модуляцией параметров преобразователей электрической и неэлектрической природы);

• по виду измеряемой или контролируемой физической величины;

• по характеру и особенностям воздействия контролируемого параметра на чувствительный элемент преобразователя (контактного и бесконтактного типа) и др.

Для классификации физических эффектов особенно важными для инженерной практики является следующие критерии:

• материалы, используемые для изготовления преобразователей;

• геометрические размеры измерительного преобразователя;

• технологичность изготовления;

• надежность в работе, технико-экономические показатели;

• физические принципы работы измерительного преобразователя.

При выборе физического эффекта нужно учитывать:

• диапазон изменения воздействующих факторов;

• основные характеристики объекта измерения;

• эффективность процесса измерительного преобразования;

• условия работы измерительного устройства и т.п.

В таблице 2.1 приведены некоторые наиболее применяемые в инженерной практике физические эффекты.

Таблица. 2.1

№№ пп	Физические эффекты, явления, процессы, и т.п.	Возможные области применения физических эффектов
1.	Центробежная сила.	Разделение разнородных объектов. Придание объектам определенной формы.
2.	Гироскопические эффекты.	Фиксация направления. Обеспечение устойчивости объектов.
3.	Механические колебания. Резонанс. Стоячие воны.	Измерение различных физических параметров. Избирательное воздействие на один из элементов системы. Усиление механического действия. Управление перемещением объектов и их составных частей. Создание определенной структуры в веществе.
4.	Ультразвук. Кавитация.	Измерение различных физических параметров. Интенсификация процессов, идущих на молекулярном уровне (смешивание, осаждение, разделение, очистка поверхностей от осадков, разрушение, сварка и т.д.).
5.	Эффект Баушенгера. Эффект Пойнтинга.	Измерение различных механических характеристик объектов (перемещение, действующие на объект усилия и т.д.).
6.	Эффект К.Александрова.	Повышение эффективности передачи энергии при ударе.
7.	Эффект Томса.	Снижение гидравлического сопротивления.
8.	Эффекты Бернулли, Коанда, турбулизации струи, взаимодействия струй.	Управление пневмо- и гидропотоками, их измерение. Перемешивание потоков.
9.	Гидравлический удар. Электрогидравлический удар (эффект Л. Юткина). Светогидравлический удар	Импульсная передача механической энергии. Обработка и разрушение твердых сред. Интенсификация процессов в газообразных и жидких средах.
10.	Капиллярные явления.	Передача и распределение жидкостей по площади и объектам.
11.	Эффект Джоуля-Томсона. Эффект Ранка.	Нагревание и охлаждение газов.
12.	Тепловое расширение твердых тел.	Получение больших усилий. Управляемое перемещение объектов.
13.	Сверхтекучесть.	Снижение (уничтожение) трения.
14.	Радиометрический эффект.	Измерение низких давлений. Исследование газовых сред и их взаимодействия со стенками.
15.	Статическое электричество.	Интенсификация технологических процессов. Управление движением вещества, находящегося в раздробленном состоянии (пыль, порошок). Электронная технология.
16.	Электрические разряды в газах.	Интенсификация химических реакций. Измерение различных физических характеристик объекта. Управление движением фазовых потоков и частиц вещества. Преобразование электрического тока.
17.	Явление анодного растворения	Обработка поверхностей различных объектов. Интенсификация механической обработки. Повышение стойкости инструментов.
18.	Размагничивание ферромагнетиков при нагреве выше точки Кюри. Эффект Гопкинса.	Автоматизация процесса, зависящих от температуры. Измерение различных физических характеристик.
19.	Эффект Баркгаузена	Регистрация различных импульсных процессов.
20.	Магнитокалорический эффект	Получение низких температур.
21.	Эффект Холла	Измерение характеристик магнитных полей и объектов, находящихся в магнитных полях.
22.	Пьезоэлектрический эффект.	Взаимопреобразование механических и электрических колебаний. Измерение различных физических величин. Обеспечение микроперемещений.
23.	Термоэлектрические явления в материалах (эффекты Зеебека, Пельтье, Томсона). Пироэлектрический эффект	Охлаждение и нагрев объектов. Измерение температуры. Измерение теплового излучения. Анализ структуры объектов.
24.	Термоэлектронная эмиссия. Эффект Молтера.	Преобразование тепловой энергии в электрическую. Хранение информации.
25.	Эффект Ганна.	Генерирование и усиление излучения СВЧ, стабилизация токов, логические схемы.
26.	Гиромагнитные явления (эффект Эйнштейна – Де Газа, эффект Барнетта).	Измерение характеристик магнитных полей и объектов, находящихся в магнитных полях.
27.	Магнитоупругий эффект.	Регистрация различных состояний объектов (напряжения, деформации и т.д.). Измерение усилий.
28.	Магнитострикция.	Измерение различных физических характеристик объектов. Преобразование механических и электромагнитных колебаний.
29.	Дельта-Е-эффект.	Измерение характеристик объектов, находящихся в магнитных полях.
30.	Индуцированные токи в сплошных проводниках.	Нагрев объектов. Управление движением объектов, в которых наведены индуцированные токи.
31.	Скин-эффект.	Обработка поверхностей объекта.
32.	Сверхпроводимость. Эффект Мейснера. Эффекты Джозефсона.	Передача электроэнергии. Получение и измерение магнитных полей. Генерирование постоянной ЭДС и электромагнитных волн СВЧ диапазона.
33.	Интерференция и дифракция. Эффект Допплера. Муаровый эффект.	Исследование характеристик поверхности объекта. Регистрация микросдвигов. Измерение расстояний.
34.	Световое давление.	Создание высокочувствительных устройств. Перемещение объектов в космических условиях.
35.	Оптико-акустический эффект.	Анализ состава и состояния газовых сред.
36.	Голография.	Воспроизведение волновых полей излучения. Регистрация и обработка информации о структуре и свойствах объектов.
37.	Инфракрасное излучение. Ультрафиолетовое излучение.	Нагрев объектов. Определение характеристик процессов и объектов. Интенсификация химических процессов.
38.	Рентгеновские излучения. Радиоактивные излучения.	Определение и изменение различных характеристик процессов и объектов. Интенсификация химических процессов. Регистрация перемещения объектов.
39.	Эффект Черенкова.	Измерение параметров быстродвижущихся частиц.
40.	Эффект Мёссбауэра.	Анализ химического состава и свойств объектов.
41.	Индуцированное (лазерное) излучение.	Получение, передача и обработка сигналов. Измерение физических величин. Передача энергии. Создание высоких температур в малых объёмах. Обработка материалов.
42.	Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР).	Изучение строения веществ. Генерация сверхмощных субмиллиметровых волн.
43.	Ядерный магнитный резонанс (ЯМР).	Измерение магнитных полей. Анализ состава веществ.
44.	Эффект Оверхаузена-Абрагама.	Измерение магнитных полей.
45.	Фотоэффекты (внешний, внутренний).	Преобразование светового излучения в поток электронов. Регистрация и определение характеристик светового потока. Измерение физических величин.
46.	Эффект Дембера, фотопластический эффект.	Регистрация и определение характеристик светового потока. Излучение структуры твердого тела.
47.	Фотохромный эффект.	Изменение внешнего вида и прозрачности объекта в зависимости от воздействующих факторов.
48.	Люминесценция. Эффект Гуддена-Поля.	Преобразование различных видов энергии в световую энергию. Управление изображением. Контроль перемещения объекта. Дефектоскопия.
49.	Поляризация света.	Исследование состава веществ. Определение параметров излучающего объекта. Управление световыми потоками.
50.	Фотоупругость. Эффект Керра. Эффект Максвелла.	Исследование состояния жидких и твёрдых тел. Измерение давления. Управление световыми потоками.

Рис. Структура распределения мирового рынка датчиков по странам.

Рис. Развитие мирового рынка датчиков по областям применения.

Физические процессы отличаются уровнем их информативности, поэтому при создании и эксплуатации измерительных устройств одними из важных вопросов являются рациональный выбор реализуемого первичным преобразователем физического эффекта, материалов, веществ, используемых при их создании, оптимизация режима работы первичного измерительного преобразователя с целью повышения информативности процесса измерительного преобразования.

Большие трудности возникают при исследовании сверхслабых (энергоинформационных) воздействий, процессов. Для этих целей в чувствительных элементах датчиков-регистров применяют различные нелинейные физические эффекты. Например, на стадии предварительного преобразования реализуются фазовые переходы агрегатных состояний веществ; а на этапе основного преобразования – квантовые явления в сверхпроводниках; модуляция собственных шумов в двойных электрических слоях; изменение диэлектрической и магнитной проницаемости веществ (оптической плотности, угла преломления и тому подобное).

Анализ и синтез принципов построения высокоинформативных измерительных устройств, поиск путей их дальнейшего совершенствования, направленных на повышение точности и чувствительности измерений, расширением рабочего диапазона и условий эксплуатации является важной научно-технической задачей.

Контрольные вопросы к главе 1.

1. В чем заключается отличие понятий энтропии и информации?

2. В чем заключается отличие понятий свободной и связанной информации?

3. Дайте характеристику синтаксического и семантического подходов к понятию информации?

4. В чем заключается суть трех способов количественной оценки информации: комбинаторной, алгоритмической и вероятностной?

5. Как связаны между собой понятия математической и физической энтропии?

6. В чем заключается суть энерго-информационного подхода к анализу физических явлений и эффектов?

7. Каким образом можно оценить информационную способность измерительного устройства?

8. Нарисуйте структурную схему кибернетической системы.

9. Перечислите причины ограничения количества информации, получаемой при измерениях.

10. Какие существуют способы повышения информативности измерительных устройств?