1.5 Связь теории информации с теорией измерений

Для понимания связи теории информации с другими науками требуется изучение различных дисциплин: высшей математики, физики, теории вероятностей и математической статистики, теории цепей и сигналов, радиотехники, вычислительной техники и других дисциплин. В свою очередь, она служит теоретическим фундаментом для изучения многих технических дисциплин, в том числе и теории измерений.

Совокупность способов преобразования одного вида энергии в другой при помощи измерительных преобразователей (ИП) является физической основой разработки измерительных устройств, а математический анализ связей между видами энергий служит математической основой разработки таких устройств. В теории информации используются обобщенные принципы анализа, пространство и время информационно коррелируют (прямые и обратные преобразования координат Галилея – Лоренца).

Научной основой информационного подхода к физическим процессам, реализуемым в устройствах получения информации, является статистический анализ, квантовый подход при объяснении физических явлений и эффектов. Физической основой получения информации является использование физических эффектов в устройствах первичных измерительных преобразователей.

К настоящему времени расширилось представление об объектах, способных генерировать, передавать и принимать информацию; исследуются физические механизмы, лежащие в основе рецепции, запоминания и передачи информации, причем не только в технических устройствах, но и биологических (физические модели мозга). Проблема получения информации в технических устройствах и живых системах требует физического подхода.

К основным понятиям теории информации и теории измерений относятся:

Сообщение – некоторая информация о событиях, закодированная в форме сигнала.

Сигнал – это материальный носитель информации (звук, свет).

Канал передачи информации – совокупность технических средств, обеспечивающих передачу сигналов от источника к приемнику (по проводам – до 160кГц, по кабельным линия – до 60 МГц, радиосвязь – 60МГц – 15ГГц, с помощью металлических волноводов – до 80 ГГц, оптические системы связи – до 800-900ТГц).

Измерение – способ получения информации в количественном виде о величинах, характеризующих физические процессы. Это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. До появления ЭВМ потребителем измерительной информации был в основном только человек.

Датчик – это совокупность измерительных преобразователей, размещенных непосредственно у объекта измерения.

Общий принцип передачи информации заключается в модуляции передаваемых сигналов.

Объект измерения – явление или процесс, предмет, характеризующийся множеством параметров.

Предметом теории измерений являются принципы измерений физической величины и закономерности, связывающие результаты измерений с состоянием объекта. Существуют взаимосвязи между физическими величинами различной размерности в форме определенных законов природы. Эта взаимосвязь выражается с помощью математических соотношений.

Для обеспечения процесса измерений нужны единицы измерений. Измерительное преобразование должно происходить с минимальной потерей полезной информации. Результат измерений без указания погрешности измерений не несет информацию.

Измерительная информация. Информация является отображением существа материального мира, отображением свойств физических объектов в виде физических величин. Количественная информация о свойствах физических объектов (информация о числовых значениях физических величин), получаемая в результате измерений, носит название измерительной информации.

Измерительные сигналы и их параметры. Материальным носителем измерительной информации является измерительный сигнал. Входной измерительный сигнал, т. е. сигнал, воздействующий на вход средства измерения (преобразователь, прибор или система), отражает те или иные физические процессы, параметры которого в большинстве случаев являются функциями времени. Измеряемая же величина это определенное свойство или определенный параметр этого процесса. Поэтому различают понятия измерительного сигнала и измеряемой физической величины.

Физический процесс может обладать многими параметрами, но в каждом конкретном случае нас интересуют определенный параметр этого процесса, какая то одна физическая величина. Активные величины (ток, напряжение, температура и т. п.) сами являются параметрами измерительных сигналов, а при измерении пассивных величин (сопротивление, емкость, индуктивность и др.) измерительный сигнал образуется путем воздействия на объект активной величины. При этом один из параметров этого сигнала содержит информацию о размере измеряемой величины. Параметр входного сигнала, который является измеряемой величиной, если функционально связан с ней, называют информативным параметром. Неинформативным называют параметр входного сигнала, который функционально с измеряемой величиной не связан. Такой параметр может оказывать воздействие на средство измерения и быть источником погрешности. Так, при измерении амплитуды гармонического сигнала неинформативным параметром является частота.

Выходным называют сигнал, возникающий на выходе средства измерения. В большинстве случаев выходным сигналом также является некоторый физический процесс, который может характеризоваться многими параметрами.

Информативный параметр выходного сигнала это параметр выходного сигнала, однозначно функционально связанный с информативным параметром входного сигнала.

Измерительное прео6разование и измерительный преобразователь. Измерительное преобразование - это преобразование с заданной точностью входного измерительного сигнала в функционально связанный с ним выходной сигнал. Рассматриваемый процесс зачастую реализуется путем преобразования сигналов одной физической природы в сигнал иной физической природы.

Физической основой измерительного преобразователя является преобразование и передача энергии. Передача и преобразование измерительных сигналов осуществляется цепями измерительного преобразования. Последние состоят из преобразовательных элементов, которые сами по себе не имеют нормированных метрологических характеристик, однако их характеристики (стабильность, погрешность, частотный диапазон и т. п.) должны соответствовать качеству тех средств измерений, в состав которых они входят.

Элемент цепи измерительного преобразования, на который воздействует преобразуемая величина, называется чувствительным элементом. Измерительный преобразователь (ИП) как средство измерений является преобразователем его входного измерительного сигнала в выходной сигнал, более удобный для дальнейшего преобразования, передачи, обработки вычислительными устройствами или хранения, но непригодный для непосредственного восприятия наблюдателем. В отличие от измерительного преобразователя измерительный прибор является средством измерений, вырабатывающим выходной сигнал в форме, позволяющей наблюдателю непосредственно воспринять значение измеряемой физической величины.

Измерительный преобразователь как средство измерений имеет нормированные метрологические характеристики и выполняется обычно в виде отдельного независимого устройства. В общем случае выходной сигнал измерительного преобразователя формируется под воздействием не только информативного параметра входного сигнала, но и многих других факторов, как измеряемых, так и дестабилизирующих измерительный процесс. В качестве последних чаще всего выступают: температура, давление, влажность окружающей среды, внешние и внутренние помехи и т. п. В условиях воздействия указанных факторов измерительный преобразователь должен быть максимально чувствительным к измеряемой величине (информативному параметру входного сигнала) и очень незначительно реагировать на влияющие факторы.

Измерительные преобразователи, включенные первыми в цепи измерительных преобразований, называются первичными (ПП). Наряду с термином «первичный измерительный преобразователь» широкое распространение в измерительной технике получил термин датчик. Иногда эти термины отождествляются, что приводит к неправильным представлениям и недоразумениям. Датчиком следует называть средство измерения, представляющее собой конструктивно завершенное устройство, размещаемое непосредственно в зоне исследуемого объекта. Надо отметить, что в состав датчика может входить ряд измерительных преобразователей.

Наличие датчика дает возможность реализовать важные особенности современных методов измерений, в частности преобразование одних физических величин в другие (обычно электрические) величины, хранение и использование, дистанционность измерительных преобразований.