А.А. Колоколов, В.Г. Переверзев

«Физические основы получения информации»

Часть I

Физические основы измерительных преобразователей

(конспект лекций)

Москва 2006 г.

УДК

Колоколов А.А., Переверзев В.Г. Физические основы получения информации ч. II. Физические основы измерительных преобразователей (конспект лекций) М.ИЦ ГОУ ВПО МГТУ «Станкин», 2006 – с. 91

Данный конспект лекций предназначен для студентов следующих специальностей:

12.01.00 Технология машиностроения. 21.02.00 Автоматизация технологических процессов и производств в машиностроении.

Рис. 59. Табл. 1. Библ. 9.

Утверждено кафедрой «Физика», протокол № от

Содержание.

Содержание. 3

1. Введение 5

1.1. Принцип и метод измерения физических величин 5

1.2. Сигнал, теорема Котельникова 8

2. Шумы и помехи в электрических цепях 14

2.1. Источники шумов 14

2.2. Стационарный и эргодичный случайный процесс. Функция корреляции. Энергетический спектр. Теорема Винера-Хинчина 14

2.3. Тепловые флуктуации. Формула Найквиста 17

2.4. Дробовой эффект 18

2.5. Квантовые флуктуации 18

2.6. Фликкер – шум 19

2.7. Магнитные шумы. Эффект Баркгаузена 20

2.8. Технические шумы 21

3. Измерение электрических величин 22

3.1. Энергетический метод определения и сил моментов сил. Силы Лоренца и Ампера. Момент сил, действующий на виток (рамку) с током в магнитном поле. 22

3.2. Магнитоэлектрические приборы 23

3.3. Электродинамические приборы 26

3.4. Электромагнитные приборы 28

3.5. Электростатические приборы 29

4. Датчики смещения 31

4.1. Резистивные датчики смещения 31

4.2. Тензорезистивный эффект 31

4.3. Емкостные датчики смещения 37

4.4. Уравнение магнитной цепи 41

4.5. Индуктивные датчики смещения 43

4.6. Индукционные датчики смещения 45

5. Датчики силы и деформаций 50

5.1. Прямой и обратный пьезоэффект 50

5.2. Пьезоэлектрические преобразователи 54

5.3. Кварцевый генератор 56

5.4. Пьезомагнитный эффект. Пондеромоторные силы. Электрострикция. Магнитострикция 58

5.5. Магнитострикция 58

5.6. Магнитоупругий эффект 60

6. Гальваномагнитные преобразователи 63

6.1. Гальваномагнитные явления 63

6.2. Эффект Холла. Датчики Холла 63

6.3. Магниторезистивный эффект 66

6.4. Магнитодиодный эффект 69

6.5. Гальваномагниторекомбинационные преобразователи 69

7. Датчики температуры 72

7.1. Физический смысл абсолютной температуры 72

7.2. Шкала температуры окружающего мира 72

7.3. Механические методы измерения температуры. Термометры сопротивления. Терморезисторы и термисторы 73

7.4. ТермоЭДС. Термопара. Термоэлектрические эффекты Томпсона и Пельтье 75

7.5. Кварцевый термометр 81

7.6. Пироэлектрические датчики температуры. Пирометры 82

8. Фотоэлектрические преобразователи 84

8.1. Внешний фотоэффект 84

8.2. Фотоэлектронные умножители 85

8.3. Внутренний фотоэффект Фотопроводимость. Фоторезисторы 86

8.4. Кинетика процессов генерации и рекомбинация электронов и дырок 87

8.5. Фотогальванические преобразователи. Фотодиоды, лавинные фотодиоды и фототранзисторы 89

Список цитируемой литературы: 92

1. Введение

1.1. Принцип и метод измерения физических величин

В человеческом обществе уже давно сложилась необходимость единого толкования различных событий или явлений. Речь идет о процессах, которые затрагивают большие массы людей. Самый простой пример такого рода это разночтения в вопросах о погоде. Очень часто человеку, пришедшему домой, приходиться слышать вопрос: «на улице холодно?» Одни люди не задумываясь о точности своего ответа, проанализировав свои личные ощущения, говорят «да», или «нет». Другие, понимая, что понятие «холодно» для разных людей может очень сильно отличаться, пытаются назвать температуру в градусах. Поскольку обычно люди редко носят с собой термометры, ответ получается все равно не точный, построенный на своих субъективных ощущениях.

Известны случаи, когда отсутствие принятых договоренностей (нормативно или хотя бы устно) приводило к непоправимым и даже трагическим случаям. Так, например, один международный космический проект постигла неудача только из-за того, что в американской части управляющей полетом программы расстояния измерялись в милях, а в европейской части в километрах. Проект не был пилотируемый, поэтому, к счастью, никто не погиб, но изрядная сумма денег пропала.

Для того чтобы риск возникновения таких случаев сократить до минимума, необходимо как можно шире вводить систему единых подходов к классификации или стандартизации процессов получения информации. При изучении нового явления его можно будет классифицировать по признакам, которые одинаково воспринимаются всеми участниками исследований. Основой такой единой системы являются нормированные метрологические параметры.

Нормированные метрологические параметрыэто совокупность установленных международными, государственными или отраслевыми стандартами качественных признаков, присущих открытым наукой объектам.

Для того, чтобы тот или иной объект, будь то материальное тело, процесс или явление, мог быть однозначно описан системой нормированных метрологических параметров, он должен быть исследован. Когда говорят, что объект целиком или частично исследован - это означает, что он подвергался неким измерениям и получены некоторые результаты измерений.

Результатом измеренияявляется окончательное установление связи между измеряемой физической величиной и нормированными метрологическими параметрами.

Введя понятие результата измерения,необходимо подробнее рассмотреть сам измерительный процесс. Измерительный процесс является достаточно сложным и не очевидным, поэтому следует определитьпринцип измерений.

Принцип измерений- это совокупность физических явлений, способных дать объективный, однозначный и воспроизводимый результат измерения.

Современная наука, варьируя различные принципы измерений,то есть, основываясь на уже открытых физических законах, позволяет устанавливать взаимосвязи тех или иных процессов или явлений, предсказывает и открывает неизвестные (неоткрытые) законы.

Принципом получения информациио новом объекте процессе или явлении является установление однозначной связи между исследуемым объектом и теми объектами, для которых уже были определены нормированные метрологические параметры.

Каждый человек в своей жизни является исследователем. Исследованию подвергается все, с чем приходится сталкиваться людям. Чаще всего используются просто органы чувств. Однако, при переходе от бытового уровня понимания этой проблемы на профессиональный, становится ясно, что только органов чувств недостаточно.

Необходимо существенно расширять и ускорять процесс получения информации. Для решения этой проблемы создана наука, называемая метрологией. Задачей метрологии является изучение вопросов определения качественных и количественных значений физических величин путем сравнения их с соответствующими нормированными метрологическими параметрами, а также погрешностей средств и результатов измерения.

Метрологию принято подразделять на три различные области знаний (см. Рис. 1). Метрология объединяет теорию измерений, измерительную технику и законодательную метрологию.

Рис. 1.Разделы метрологии.

В повседневной жизни человек не задумывается об адекватности измерений. Врач, задавая вопрос о температуре, не спрашивает: - чем вы ее измеряли? Он уверен, что термометр вы купили в аптеке, а значит, он изготовлен согласно ГОСТ и должен правильно показывать температуру.

Законодательная метрология накладывает определенные нормативные ограничения на два других раздела. Исходя из этого, представляется необходимым добавить к тем определениям понятий, которые мы уже дали, установленные законом трактовки. Стандарт - это обобщающий правоустанавливающий документ, позволяющий корректно проводить сравнение определенных характеристик исследуемого объекта с нормированными (значит установленными законом) метрологическими параметрами.

Термины и определения основных понятий заданы в межгосударственных Рекомендациях РМГ 29-99, введенных взамен ГОСТ 16263-70. Этот документ действует на территории России с 1 января 2001 года, а с поправками ИУС 6 2004 с 2004г.

Ниже приводятся некоторые определения согласно РМГ 29-99.

Метрология (статья 2.1). Наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Измерение физической величины (статья 5.1). Совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины.

Единица измерения физической величины (статья 4.1). Физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное 1, и применяемая для количественного выражения однородных с ней физических величин.

Результат измерения физической величины (статья 8.1). Значение величины, полученное путем ее измерения.

Принцип измерений (статья 7.1). Физическое явление или эффект, положенное в основу измерений.

Анализируя эти определения, видно, что они отличаются от определений данных нами в начале. Но эти отличия не носят принципиального характера, то есть они не противоречат друг другу. Определения РМГ 29-99 являются регламентирующими. Наши определения позволяют взглянуть на метрологическую информацию как на элемент или инструментарий процесса познания.

Целью нашего курса является изучение физических принципов измерений, которые составляют физические основы получения информации. На основе выбранных принципов измерений строятся те или иные технические средства для измерений физических характеристик интересующего объекта.

Добавим к вышеизложенному некоторые определения согласно РМГ 29-99

Измерения осуществляются при помощи средств измерений. К средствам измерений относятся: меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и измерительные системы.

Мера (статья 6.10). Средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.

Измерительный преобразователь (статья 6.17). Техническое средство с нормативными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи.

Первичный измерительный преобразователь - ПИП (статья 6.18). Измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина, т.е. первый преобразователь в измерительной цепи измерительного прибора (установки, системы).

Измерительный сигнал (статья 5.16). Сигнал, содержащий количественную информацию об измеряемой физической величине.