Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Метрология и радиоизмерения. Учебное пособие
.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Тамбовский государственный технический университет»
А.П. Пудовкин, Ю.Н.Панасюк
МЕТРОЛОГИЯ И РАДИОИЗМЕРЕНИЯ
Утверждено Учёным советом университета
в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся
по направлениям 210400 «Радиотехника» и 210200 «Проектирование и
технология электронных средств» дневной и заочной форм обучения
Тамбов
Издательство ФГБОУ ВПО «ТГТУ»
2011
1
УДК 621.37(076.5)
Á842я73
ББК
П881
Р е ц е н з е н т ы:
Доктор технических наук, профессор,
декан энергетического факультета ФГБОУ ВПО «ТГТУ»
Т.И. Чернышова
Кандидат технических наук, доцент кафедры общей физики
ФГБОУ ВПО «ТГУ им. Г.Р. Державина»
В.В. Штейнбрехер
Пудовкин, А.П.
П881 Метрология и радиоизмерения [Электронный ресурс] :
учебное пособие / А.П. Пудовкин, Ю.Н. Панасюк. – Тамбов :
Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2011. – 80 с.
ISBN 978-5-8265-1052-0
Содержит указания по организации и выполнению лабораторных работ. Приведена методика выполнения лабораторных работ:
исследуются основные метрологические характеристики электромеханических измерительных приборов; измеряются параметры сигналов в электронных схемах; электрических цепей; измеряется частота,
период и фаза электрических сигналов; проводятся прямые, косвенные
и совместные измерения.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям
210400 «
электронных средств» дневной и заочной форм обучения.
Радиотехника» и 210200 «Проектирование и технология
УДК 621.396.6.007.63(075)
Á844я73-1
ББК
ISBN 978-5-8265-1052-0
2
© Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Тамбовский государственный технический
университет» (ФГБОУ ВПО «ТГТУ»), 2011
Прежде чем приступить к сборке схемы, необходимо расставить
всю аппаратуру на столе так, чтобы было удобно собирать схему, снимать показания приборов и пользоваться регулирующими устройствами. После этого необходимо мысленно выделить по функциональному
назначению части цепи (например, параллельные и последовательные
цепи) и собрать их отдельно. Провода, соединяющие схему с источни
ком питания, следует подключать к источнику последним. Перед
включением схемы необходимо все ручки регулировочных устройств
установить в такое положение, при котором на элементах схемы выделялась бы минимальная мощность (минимальные напряжения и токи).
Верхние пределы измерений используемых приборов должны быть
установлены максимальными, кроме особо оговорённых в работе случаев.
ВВЕДЕНИЕ
окончании работы схемы должны быть разобраны, проводы
По
собраны в специальные папки, а используемые средства должны быть
аккуратно расставлены на столе.
Отчёт по лабораторной работе должен выполняться на листах бумаги формата А4.
Отчёт должен иметь титульный лист и включать следующие разделы:
1. Цель работы и краткое задание.
2. Схемы экспериментов
.
3. Таблицы результатов измерений и расчётов.
4. Расчетные формулы и примеры расчётов.
5. Графики зависимостей в соответствии с заданием к работе.
6. Выводы по работе.
Все схемы, таблицы и графики необходимо вычерчивать аккуратно на бумаге формата А4 (можно на миллиметровой бумаге того же
формата). При построении графиков следует по
масштабы, кратные 1, 2, 5, 10
n
, где n – целое число (положительное
осям использовать
или отрицательное). На осях графиков указывают величины и их единицы. Точки на графике, соответствующие экспериментально полученным значениям, соединяются плавной кривой, если наблюдается
закономерная зависимость. Если зависимость не является закономерной, то точки на графике соединяются прямыми линиями. Экспериментально полученные значения следует на
графике выделять крестиком или точкой. Все графики должны иметь наименование, пояснительный текст. Отдельные листы отчёта должны быть сшиты или
склеены по левой стороне.
-
3
Лабораторная работа №1
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
Цель работы – ознакомление с аналоговыми электромеханическими приборами и методикой определения некоторых метрологических характеристик приборов.
Задание
1. Ознакомиться с имеющейся на рабочем месте аппаратурой.
2. Определить основную погрешность и вариацию показаний по-
веряемого миллиамперметра или вольтметра на постоянном токе. Погрешность и вариация определяются для 6 – 8 точек шкалы с обязательным включением в число поверяемых точек всех числовых отметок.
3. Построить графики зависимости абсолютной погрешности
прибора от его
показаний при его работе на постоянном токе. Определить максимальное значение приведённой основной погрешности прибора для постоянного тока.
4. Определить внутреннее сопротивление миллиамперметра или
вольтметра.
5. На основе анализа полученных данных сделать вывод о соот-
ветствии основной погрешности и вариации показаниям, определяемым классом точности испытуемого прибора.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
Общие положения
Различают метрологические и неметрологические характеристики
средств измерений (СИ).
Метрологические характеристики – это характеристики свойств
СИ, влияющие на результаты измерений и на их погрешности. Нормируются метрологические характеристики СИ Государственными стандартами ГОСТ 8.009–84 и ГОСТ 8.508–84, а также методическими указаниями РД 50-453–84. Для каждого типа СИ устанавливаются свои
метрологические характеристики. Метрологические характеристики,
устанавливаемые нормативными
документами, называются нормируемыми метрологическими характеристиками, а определяемые – экспериментально-действительными метрологическими характеристиками.
Неметрологические характеристики – это характеристики свойств СИ,
не оказывающие прямого (непосредственного) влияния на результаты
измерений и на их погрешности. К неметрологическим характеристикам СИ относятся, например, следующие: геометрические размеры и
4
масса средства измерения, его цвет, наличие (или отсутствие) пере-
=
носных ручек и т.п.
Ниже описываются нормируемые метрологические характеристики СИ. Для наглядности на рис. 1.1 приведена схема, позволяющая
пояснить и оценить искомые характеристики.
Различают статические и динамические свойства СИ. Статистические свойства СИ проявляются при измерении неизменных во времени величин
или при измерении установившихся периодических
процессов. Динамические свойства СИ проявляются при измерении
изменяющихся во времени величин или при измерении неустановившихся периодических процессов. Статистические и динамические
свойства СИ описывают соответственно статистические и динамические характеристики.
Статические характеристики
Статическая характеристика преобразования (функция преоб-
разования) – функциональная зависимость между входной «x» и вы-
ходной «y» величинами:
y = f(x). (1.1)
Эта зависимость может выражать некоторый закон (или законы),
которому подчиняется явление, положенное в основу работы СИ. Иногда выходная величина зависит не только от измеряемой величины x,
но и от ряда других, воздействующих на СИ факторов z
ляющихся помехами и искажающих результат измерения. В этом случае
21 n
)....,,,,(
zzzxfy
(1.2)
, z2, …, zn, яв-
1
Очевидно, что воздействие на СИ посторонних факторов z1, z2, … zn
необходимо устранить или уменьшить. Это достигается путём экранирования и изоляции СИ от воздействия помех, компенсации этих воздействий, их стабилизации и т.д.
Статические характеристики преобразования могут быть аналоговые и дискретные, без гистерезиса и с гистерезисом (рис. 1.2).
х
СИ
у
Рис. 1.1. Схема эксперимента:
СИ – средство измерения; х – измеряемая величина
(входная величина; входной сигнал); у – показание средства измерения
(выходная величина, выходной сигнал)
5
Рис. 1.2. Статические характеристики преобразования средств измерений:
а – аналоговая без гистерезиса; б – аналоговая с гистерезисом;
в – дискретная без гистерезиса; г – дискретная с гистерезисом;
, x1, x2 – значения величины x, при которых величина y изменяется скачком
x
0
Динамические характеристики
Динамические характеристики определяют быстродействие
средств измерения и могут быть представлены в различных видах: в
виде переходных характеристик, в виде передаточных функций, в виде
частотных характеристик и т.д.
Переходная характеристика – это зависимость выходной величины y(t) при скачкообразном изменении измеряемой входной величины
x(t). Возможные типы переходных характеристик приведены на
Передаточная функция
)( pW – это отношение изображений по
рис. 1.3.
Лапласу выходного и входного сигналов при нулевых начальных условиях.
pW =
, (1.3)
)(
px
)(
py
)(
где y(p) – изображение по Лапласу выходного сигнала; x(p) – изображение по Лапласу входного сигнала; p – комплексная переменная
величина.
∞
=
∫
0
∞
=
∫
0
pt−
dtetypy
)()(
, (1.4)
pt−
dtetxpx
)()(
, (1.5)
где y(t), x(t) – оригиналы выходных и входных сигналов СИ.
6
Рис. 1.3. Переходные характеристики средств измерения:
(
+
=
(
1 – идеальная (безынерционная) характеристика;
2 – апериодическая характеристика первого порядка;
3 – периодическая (колебательная) характеристика
Амплитудно-фазовая характеристика W(jω)
Характеристика W(j
ω) формально может быть получена из пере-
даточной функции W(p) путём замены величины «p» на мнимую величину «j
ω», где
1−=j
– мнимая единица; ω = 2πf – угловая частота;
f – циклическая частота рассматриваемых сигналов.
Алгебраическая форма записи амплитудно-фазовой характеристики:
)()
()
где
wG – вещественная часть;
)( , (1.6)
)
wQ – мнимая часть.
wjQwGjwW
По вещественным и мнимым частям может быть построен график
амплитудно-фазовой характеристики (рис. 1.4).
Для описания динамических свойств отдельных средств измерений амплитудно-фазовые характеристики применяются сравнительно
редко. Гораздо чаще эти характеристики используются при анализе
устойчивости автоматических систем (в состав которых, как правило,
входят и средства измерения, например, датчики).
Показательная форма записи амплитудно-фазовой характеристики имеет вид
)(
wj
ϕ
)()(
ewAjwW
+= , (1.7)
где )(wA – амплитудно-частотная характеристика; ϕ(ω) – фазово-
частотная характеристика.
7
Рис. 1.4. Типичный вид амплитудно-фазовой
характеристики средства измерения
Параметры амплитудно-фазовой характеристики в алгебраической и показательной формах записи связаны между собой соотношениями
22
arctgw =ϕ
)(
)]([)]([)( wQwGwA += , (1.8)
wQ
)(
. (1.9)
wG
)(
В качестве примера ниже приведены динамические характеристики для апериодических динамических устройств первого порядка.
Передаточная функция для апериодических динамических устройств первого порядка имеет вид
k
pW
, (1.10)
1)(+=Tp
где K – статический передаточный коэффициент; T – постоянная вре-
мени.
Отметим, что статический передаточный коэффициент определяется соотношением
y
Δ
K
=
, (1.11)
x
Δ
где Δy – приращение выходной величины; Δx – приращение входной
величины.
Аналитические выражения, связывающие амплитудно-частотные
и фазово-частотные характеристики с параметрами передаточной
функции, имеют вид
8
)(
(
−=ϕ
(
wA
)
K
, (1.12)
22
1
+=Tw
arctgwTw
. (1.13)
Графики зависимостей (1.12) и (1.13) приведены на рис. 1.5.
Приведённые характеристики (и их графики) свидетельствуют,
что амплитуда сигнала на выходе средства измерения уменьшается с
ростом частоты входного сигнала, а его фаза увеличивается (при ω→∞
()
wϕ →
−
⎟
⎜
2
⎠
⎝
и
)
wA →0).
π
⎞
⎛
Универсальные характеристики
К универсальным относятся характеристики СИ, которые правомерны как для статистических, так и для динамических режимов работы СИ.
Чувствительность СИ – отношение приращения выходной вели-
чины Δy к приращению входной величины Δx при Δx→0.
Δ
dy
y
, (1.14)
=
lim
S
x
⎯→⎯Δ 0
=
Δ
dx
x
где S – чувствительность средств измерения.
Рис. 1.5. Графики амплитудно-частотных (а)
и фазово-частотных характеристик (б)
9
Для ориентировочной оценки чувствительности может быть использовано соотношение
y
Δ
S
≈
. (1.15)
x
Δ
При нелинейной статической характеристике преобразования
чувствительность зависит от
x, а при линейной характеристике чувст-
вительность постоянна и не зависит от измеряемой величины.
Чувствительность не следует смешивать с порогом чувствительности, под которым понимают наименьшее изменение входной величины, обнаруживаемое с помощью данного средства измерения. Порог
чувствительности выражают в единицах входной величины.
Диапазон измерения – область значений измеряемой (входной)
величины, для которой нормированы допускаемые наибольшие
наименьшие
x
значения входных величин.
min
x
и
max
Кроме диапазона измерения «по входу», может быть указан диапазон измерения «по выходу» (от
y
до y
max
min
).
Цена деления шкалы – разность значений величин, соответст-
вующих двум соседним отметкам шкалы средства измерений.
Цена деления многозначной меры – разность значений величин,
соответствующих двум соседним заданным размерам, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой
точностью.
Характеристики погрешностей
Погрешность СИ – это разность между показанием средства из-
мерений и истинным (действительным) значением измеряемой физической величины.
Для меры показанием является её номинальное значение.
Поскольку истинное значение физической величины неизвестно,
то на практике используют её действительное значение.
Классификация погрешностей СИ приведена на рис. 1.6.
10
Рис. 1.6. Классификация погрешностей средств измерений
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]