
- •В. Н. Седалищев Физические основы получения измерительной информации с использованием генераторных и параметрических первичных преобразователей Учебное пособие
- •Введение
- •Глава 1
- •1. Информационно-энергетические основы теории измерений
- •1.1 Понятие информации. Разновидности информации
- •1.2 Количественная оценка информации
- •1.3 Связь понятий энергии и информации Информационный подход к анализу физических процессов
- •1.4 Применение энерго-информационного подхода к анализу физических процессов
- •Аномалии физических и химических свойств воды
- •1.5 Связь теории информации с теорией измерений
- •Количественная оценка измерительной информации
- •Естественные пределы измерений
- •1.6 Причины наличия ограничений количества информации, получаемой при измерениях
- •Разновидности шумов и причины их появления
- •1.7 Способы повышения информативности измерительного процесса
- •1.8 Общая характеристика этапов измерительного преобразования
- •Метрологические характеристики измерительных преобразователей
- •1.2 Классификация физических эффектов и областей их применения в измерительной технике
- •«Фундаментальное единство» природы. Метод электромеханических аналогий
- •Физические основы построения измерительных преобразователей генераторного типа
- •Физические основы создания электромеханических измерительных преобразователей генераторного типа
- •2.3 Пьезоэффект и его применение в измерительной технике
- •2.3.1 Теоретические основы построения пьезоэлектрических измерительных преобразователей генераторного типа
- •2.3.3 Ээсз пьезоэлектрического преобразователя генераторного типа
- •2.3.4 Физические основы работы пьезорезонансных измерительных преобразователей
- •2.3.2 Электрострикция и области применения ее в измерительной технике
- •2.4 Физические основы создания термоэлектрических измерительных преобразователей
- •2.4.1 Пироэффект и применение его в измерительных устройствах
- •2.4.2 Термоэлектрические эффекты в проводниках и полупроводниках
- •2.4.3 Особенности практической реализации термоэлектрических эффектов в измерительных устройствах
- •2.5 Гальваномагнитные эффекты и применение их в измерительных устройствах
- •2.5.1 Эффект Холла и применение его в измерительных устройствах
- •3. Физические эффекты, связанные с модуляцией активного сопротивления ээсз измерительного преобразователя
- •3.1 Принципы построения и разновидности резистивных измерительных преобразователей
- •3. 2 Физические основы создания пьезорезистивных преобразователей контактного сопротивления
- •3.3 Физические основы создания тензорезистивных проводниковых измерительных преобразователей
- •3.4 Физические основы полупроводниковых тензорезистивных преобразователей
- •3.6 Физические основы магниторезистивных измерительных преобразователей
- •3.7 Физические основы работы проводниковых терморезистивных измерительных преобразователей
- •3.8 Физические основы создания полупроводниковых терморезистивных измерительных преобразователей
- •3.9 Физические основы создания фоторезистивных измерительных преобразователей
- •3.10 Физические основы применения явления сверхпроводимости в измерительных устройствах
- •3.10.1 Свойства сверхпроводников
- •3.10.2 Квантово-механическая теория сверхпроводимости
- •Объяснение понятий экситона и поляритона
- •3.10.3 Применение явления сверхпроводимости в измерительной технике
- •3.10.4 Эффект Мейснера и его практическое применение
- •3.10.5 Стационарный и нестационарный эффекты Джозефсона и применение их в измерительной технике
- •4. Физические основы создания электрохимических измерительных преобразователей
- •4.1 Полярографический эффект в растворах и применение его в измерительных устройствах
- •4.2 Физические основы работы кондуктометрических измерительных преобразователей
- •4.3 Применение в измерительной технике электрокинетических явлений в растворах
- •4.4 Принципы работы гальванических измерительных преобразователей
- •5. Физические основы создания первичных преобразователей, основанных на модуляции магнитных параметров измерительной цепи
- •5.1 Принцип работы магнитоиндукционных измерительных преобразователей генераторного типа
- •5.2 Теоретические основы создания индуктивных измерительных преобразователей
- •5.3 Принцип работы вихретоковых измерительных устройств
- •5.4 Физические основы магнитомодуляционных измерительных преобразователей
- •Эффект Виганда
- •5.5 Физические эффекты, связанные с модуляцией магнитных характеристик материалов
- •Пример реализации магнитострикционного эффекта в датчиках линейных перемещений
- •Принцип работы устройства
- •Дополнительные эффекты, возникающие в магнитомодуляционных преобразователях
- •5.6 Физические основы создания магнитоупругих измерительных преобразователей
- •5.7 Зависимость магнитной проницаемости ферромагнетиков от влияющих факторов
- •6. Физические основы создания емкостных измерительных преобразователей
- •6.1 Модуляция геометрических размеров емкостных преобразователей
- •Принципы работы емкостных измерительных преобразователей
- •Емкостной преобразователь с переменной площадью обкладок
- •6.2 Физические основы емкостных измерительных устройств, основанных на модуляции диэлектрических свойств веществ
- •6.2.1 Строение материалов
- •6.2.2 Виды связей и механизмы поляризации диэлектриков
- •6.2.3 Влияние агрегатного состояния вещества на его диэлектрические свойства
- •6.2.4 Примеры практической реализация емкостных измерительных устройств, основанных на управлении диэлектрической проницаемостью веществ
- •7. Физические основы создания биодатчиков генераторного и параметрического типов
- •Глава 1. Информационно-энергетические основы теории измерений
- •Глава 2. Физические основы построения измерительных преобразователей генераторного типа
- •Глава 3. Физические эффекты, связанные с модуляцией активного сопротивления ээсз измерительного преобразователя
- •Глава 4. Физические основы создания электрохимических измерительных преобразователей
- •Глава 5. Физические основы создания первичных преобразователей, основанных на модуляции магнитных параметров измерительной цепи
- •Глава 6. Физические основы создания емкостных измерительных преобразователей
- •Глава 7. Физические основы создания биодатчиков генераторного и параметрического типов
- •Перечень физических эффектов
1.7 Способы повышения информативности измерительного процесса
Информативность измерительных устройств зависит от характера погрешности. Например, при чисто аддитивной погрешности (рис. а) информативность средства измерения минимальна в начале и максимальна в конце диапазона измерений. При мультипликативной погрешности (рис. б) информативность измерительного процесса постоянна во всем диапазоне изменений.
Рис.1.5 Информационная способность измерительных устройств с различным характером зависимости погрешности от значения измеряемой величины.
Для большинства измерительных приборов количество получаемой при измерениях информации зависит от значения измеряемой величины (рис. в).
Вопросами повышения информативности измерительных устройств занимается метрология. Повышение информативности измерительного устройства достигается за счет обеспечения избыточности измерительной информации, путем статистической обработки результатов многократных измерений, использованием группы датчиков и усреднением их результатов и т.п.
Для оценки информационной способности канала передачи данных применяется формула Шеннона:
.
(1.21)
Из данной формулы следует, что для передачи заданного количества информации по каналу с шумом необходимо избыточное количество информации, равное, по крайней, неопределенности, обусловленной шумом. Уменьшение мощности шума в измерительном канале приводит к увеличению пропускной способности канала, повышению точности измерений.
Существует много методов введения избыточности в сигнал с целью увеличения помехозащищенности на стадиях передачи и обработки измерительной информации, но все они сводятся к увеличению мощности сигнала над помехой или увеличению длительности спектра сигнала.
Для отделения сигнала от помехи используют любое различие между ними, если это можно идентифицировать. Можно, например, заранее на входе наделить полезный сигнал, каким – либо, свойством, отличающим его от помехи, и использовать это отличие для разделения сигнала и помех.
Метод накопления - это интегральный прием, при этом непрерывная функция интегрируется за определенный период времени. С увеличением времени накопления сигнала растет превышение сигнала над помехой.
Степень мешающего воздействия помех зависит от вида модуляции сигнала. Наиболее устойчивым в отношении флуктуационных помех являются широкополосные виды модуляции, т. е. такие, у которых спектр модулированного колебания значительно шире спектра модулирующей функции.
Для улучшения соотношения уровней полезного сигнала и шума используют фильтрование сигнала. Шумовые спектры имеют широкий частотный диапазон. Если сигнал имеет ограниченный спектр, то эффективнее использовать полосовой фильтр, фильтры высоких и низких частот на входе в устройство.
С использованием микропроцессоров реализуют цифровое фильтрование сигналов путем усреднения сигнала во времени. Для более точного вычисления истинного значения полезного сигнала производят несколько выборок, находят их среднее, а по ним средневзвешенное значение, но для этого требуется обеспечить достаточно высокую скорость вычислений. Усовершенствованием этого метода является нахождение скользящего среднего (среднее с учетом предыдущего значения среднего).
При реализации сложного усреднения во времени перемещают датчик по периодической траектории и т.п., что обеспечивает смещение сигнала по спектру. Используют многоканальные счетчики с использованием нескольких одинаковых датчиков и усреднением сигнала от них.
Оптимальная фильтрация в равной степени ослабляет сигнал и шум с одинаковыми спектральными характеристиками, но подавляет спектральные составляющие помех на тех частотах, где сигнал отсутствует.
Корреляционный прием содержит устройства перемножения и усреднения (интегратор) и предназначен для образования на выходе функции корреляции смеси сигнала и помехи, поступающей на вход.
Для защиты от наводок используют: экранирование; заземление с обеспечением общей точки; применение гальванических развязок; использование дифференциальных усилителей; применение оптической связи; фильтрование; использование печатных плат и т.п.