- •Лекция 1 Введение
- •Классификация приборов
- •Общий принцип измерения физичеcких величин
- •Основные параметры приборов
- •Приборы для измерения механических величин
- •Приборы для измерения линейных размеров
- •Угломерные приборы
- •Приборы для измерения объема тел
- •Часы и частотомеры
- •Измерение линейных и угловых скоростей
- •Акустические приборы
- •Приемники звука
- •Приборы звукозаписи и звуковоспроизведения
- •Приборы для измерения сил. Весы
- •Основы электрических цепей и электронных приборов Единица количества электричества
- •Электрическое поле
- •Источники электрического тока
- •Скорость электрического тока
- •Направление электрического тока
- •Величина тока
- •Электрическое напряжение
- •Электрическое сопротивление
- •Механизм электрической проводимости полупроводников
- •Закон Фарадея как два различных явления
- •Полупроводниковые диоды Полупроводники. P-n переход
- •Вольт-амперные характеристики диодов
- •Биполярные транзисторы
- •Как усиливает биполярный транзистор
- •Особенности биполярных транзисторов
- •Температурная нестабильность
- •Коэффициент усиления
- •Коэффициент усиления
- •Полярность напряжений питания
- •Графические характеристики биполярного транзистора Входные статические характеристики в схеме с оэ
- •Для чего используются входные статические характеристики
- •Анализ электронных схем Почему используются синусоиды?
- •Постоянная и переменная составляющие
- •Полярность напряжений и токов в электронных схемах
- •Биполярный транзистор в роли линейного усилителя Общие сведения
- •Транзистор в роли усилителя
- •Рабочая точка транзистора
- •Почему важен выбор рабочей точки транзистора
Лекция 1 Введение
Приборы – это устройства, имеющие широкое предназначение. Они используются не только для измерений, но и для наблюдений, обработки и представления информации, передачи ее на расстояние; для воздействия на объект исследования; для регулирования и управления процессами. Прибор всегда выступает посредником между человеком и природой, человеком и техникой, между природными или техническими объектами и другими техническими устройствами.
Многие приборы (лупа, весы, телескоп) были изобретены еще в прошлые века, однако даже в XIX веке широко распространенными приборами были только часы и весы. В XX веке приборы проникли во все виды нашей деятельности: на производство, в медицину, в систему образования, в наш быт и досуг.
Чтобы ориентироваться в сложном и разнообразном мире приборов, необходимо их классифицировать. Классификация – сортировка по тому или иному признаку. В зависимости от признака, положенного в основу, возможны различные классификации.
Классификация приборов
Приборы можно классифицировать по назначению. По этому признаку различают:
Приборы для получения информации о явлениях в природе и технике. Это наблюдательные и измерительные приборы (зрительная труба, вольтметр и др.).
Эталоны и меры (линейки, гири и т. д.).
Приборы для передачи и преобразования информации (линии связи, датчики, усилители, интеграторы, дифференцирующие схемы, умножители и делители частоты, электронно-вычислительные машины).
Приборы для преобразования и передачи энергии (источники тока, трансформаторы, генераторы, редукторы, линии электропередачи).
Приборы для воздействия на объекты (механические и другие инструменты, станки, манипуляторы, насосы, осветители, печи, горелки, холодильники и т. д.).
Кроме того приборы разделяют по отрасли применения: химические, биологические, медицинские, геодезические, электротехнические, радиотехнические, акустические, астрономические и др.
Приборы, применяемые в одной отрасли, например в физических измерениях, могут классифицироваться по роду измеряемой величины, например приборы для определения параметров движения:
– (спидометры, акселерометры, навигационные приборы),
– приборы для определения параметров радиотехнических цепей и т. д. При этом в основу действия прибора, предназначенного для определенной цели, могут быть положены самые различные физические явления. Так, спидометр может быть и чисто механическим и радиолокационным.
Наиболее удобна для изучения приборов систематизация по п р и н- ципу действия, по физическому явлению, положенному в основу работы прибора. Здесь также можно говорить об электрических, оптических, магнитных и других приборах.
Различают приборы и по конструктивном оформлению. Приборы могут быть стационарными (щитовыми, настольными) и переносными.
Общий принцип измерения физичеcких величин
Измерить какую-либо величину X – значит сравнить ее с однородной величиной х0, принятой за единицу:
X = пх0. (1)
Здесь п – число, результат измерения. Выбор единиц измерения для каждой физической величины – задача непростая. Он определяется принятой системой единиц. В настоящее время по международному соглашению в качестве такой системы используется Международная система единиц (СИ). Она определяет основные единицы (м, кг, с, А, кд, моль) и производные (м/с, Н, Дж и т. д.).
Для определения единичных значений х0 для всех основных (иногда и для производных) величин созданы эталоны и меры. Эталоны хранятся в специальных учреждениях и для работы не используются. По ним только изготавливаются вторичные эталоны, а с последних – рабочие меры (линейки, гири и т. д.), которые и используются на практике.
Меры должны соответствовать эталонам, для чего проводится их поверка. Как и эталоны, они не должны меняться во времени и должны по возможности слабо зависеть от изменения внешних условий (температуры, электрического, магнитного и электромагнитного полей, вибрации, воздействия химических агрессивных сред и т. д.).
Набор мер называется магазином. Так, существуют магазины сопротивлений, емкостей, комплекты гирь к весам и т.д.
Измерительные приборы могут быть приборами непосредственного сравнения однородных величин (линейка, гирные весы и т. д.), а могут быть приборами косвенного измерения, когда прибор непосредственно измеряет некоторую величину X', а величина X, которую надо определить, связана с X' некоторой функциональной зависимостью. При постоянстве всех других величин, входящих в эту зависимость (формулу), шкалу прибора можно проградуировать в единицах величины X.
Так, ртутный термометр непосредственно измеряет не температуру Т, а увеличение объема ртути. Но эти величины связаны. Поэтому на шкале термометра можно проставить градусы. Так же амперметр магнитоэлектрической системы измеряет непосредственно не силу тока, а момент силы (силы Ампера), закручивающей пружинку. Но сила Ампера однозначно связана с силой тока, и поэтому шкалу градуируют в амперах.
Приборы непосредственного сравнения всегда точнее из-за меньшей или отсутствия меодической погрешности, но приборы косвенного измерения обычно удобнее.
В современных измерительных приборах часто измеряемая величина преобразуется в электрическую величину, например в напряжение, иногда в частоту переменного тока или в частоту следующих друг за другом электрических импульсов. Для преобразования любой величины (электрической или неэлектрической) в напряжение служат датчики и преобразователи.
Преобразование может быть многоступенчатым. Так, сила, приложенная к балке, может измеряться по ее деформации, деформация по удлинению наклеенной на балку тонкой проволочки, а удлинение проволочки поизменению ее сопротивления (резистивный тензодатчик). Измерительные приборы всегда более или менее сложным образом перерабатывают поступающую информацию. В самом простом случае перемещение указателя прибора прямо пропорционально измеряемой еличине: L~ п (рис.1, а). При градуировке такого прибора шкала получается равномерной. Однако это не всегда так. Если показания прибора не зависят от знака измеряемой величины, шкала в первом приближении квадратична: L ~ (рис. 1,б). Такую шкалу имеют, например, многие электроизмерительные приборы. Деления шкалы у такого прибора не одинаковы, чем дальше от нуля, тем они крупнее.
а) линейная б) квадратичная
Рис.1. Шкалы.
В тех случаях, когда измеряемая величина изменяется в очень широких пределах (на несколько порядков), линейная шкала неудобна, так как дает малую точность при малых значениях величины. В этом случае либо делают переключатель диапазонов (и т. д.), либо используют логарифмическую шкалу (рис.2), т. е. строят схему прибора так, чтобы смещение указателя по шкалеL было пропорционально не п, а логарифму от п, т.е.
Рис. 2. Логарифмическая шкала.
По способу вывода информации измерительные ириборы делятся на аналоговые, цифровые, а также приборы с выводом изображения на плоскость бумаги (самописцы) или на телевизионный экран (дисплеи) и др. Аналоговыми называют приборы, в которых вдоль шкалы перемещаются какие-либо указатели: стрелка, «зайчик», отраженный от подвижного зеркала, или край облака газового разряда). В цифровых приборах информация выдается в виде числа, образованного цифрами.
Электронные приборы предпочтительнее механических, так как они устойчивее к вибрации, ударам и, главное, более быстродействующие.