1.4 Характеристики средств измерений

Средства измерений имеют некоторые общие свойства, которые позволяют сопоставить их между собой. Все характеристики средств измерений делятся на метрологические и неметрологические.

Измерительные приборы, применяемые в радиотехнике, характеризуются следующими основными показателями.

Функция преобразования физического преобразователя – зависимость между выходным сигналом измерительного прибора Y и его входным сигналом X:

.

Чувствительность измерительного прибора – характеристика способности прибора реагиро­вать на изменения входного сигнала.

.

Цена деления шкалы аналогового измерительного прибора – разность значений величин, соответствующих двум соседним меткам шкалы:

.

Порог чувствительности – изменение входного сигнала, вызывающие наименьшее изменение выходного сигнала, которое может быть обнаружено наблюдателем без дополнительных устройств.

Диапазон измерений – область значений измеряемой величины, для которой нормированы допустимые значения средств измерений. Эта область определена пределами измерений с наибольшими и наименьшими значениями диапазона измерений.

Вариация показаний – наибольшая разность между отдельными повторными показаниями прибора, соответствующими одному и тому же значению измеряемой величины, при неизменных внешних условиях. Вариация характеризует устойчивость показаний прибора.

Время установления показаний прибора (время успокоения) – время от скачкообразного изменения измеряемой величины до момента установления с определённой погрешностью показания, соответствующему установившемуся значению измеряемой величины.

Область рабочих частот – полоса частот, в пределах которой погрешность прибора, вызванная изменением частоты, не превышает допустимого предела.

Быстродействие прибора – время одного измерения.

К неметрологическим характеристикам средств измерений относят безотказность, ремонтопригодность, долговечность. Показатель безотказности – наработка на отказ (среднее время между отказами). Показателем ремонтопригодности является среднее время восстановления неисправного средства измерений. Показатель долговечности – это срок службы и ресурс.

1.5 Измерительная информация и ее характеристики

Термин «измерительная информация» был нами определен в разд. 1.1. Понятие «информация» также может быть определено как мера уменьшения неопределённости знаний о каком-либо предмете. Материальным носителем информации является сигнал. Согласно [4] слово сигнал происходит от латинского термина «Signum», т. е. «знак» который имеет широкий смысл. Достаточно часто термин «сигнал» отождествляется с понятиями «сообщение» и «информация». В работах [4, 5] уточняется содержательный смысл понятия «сигнал» и оно рассматривается как процесс изменения во времени физического состояния какого-либо объекта, служащий для отображения, регистрации и передачи сообщений.

С точки зрения метрологии измерительным сигналом называется физический процесс, функционально связанный с измеряемой физической величиной. Измерительный сигнал несет информацию о значении измеряемой физической величины.

Наиболее распространено временное и спектральное описание сигналов. По характеру изменения во времени измерительные сигналы делятся на постоянные, амплитуда которых с течением времени не изменяется, и переменные, мгновенные значения которых меняются во времени.

Детерминированный сигнал задан в виде некоторой определенной функции времени f(t), которая может быть как непрерывной, так и дискретной.

Случайный сигнал – это сигнал, мгновенные значения которого являются случайными величинами. Случайный сигнал в каждый момент времени имеет одно из множества возможных значений.

Детерминированные сигналы, изменяющиеся во времени делят на периодические и импульсные. Для периодических детерминированных сигналов выполняется условие

f(t)=f(t+T),

где Т – период повторения мгновенных значений сигнала.

Примерами периодических сигналов природного происхождения могут служить различные биомедицинские сигналы (электрокардиограмма, электроэнцефалограмма и др.).

Для периодических сигналов вводится ряд параметров, которые рассчитываются за один период. В частности широко используются среднее значение сигнала за период (постоянная составляющая), средневыпрямленное значение сигнала за период, среднеквадратичное значение сигнала за период (за время измерения). Для гармонического сигнала среднеквадратичное значение сигнала за период называют действующим (эффективным) значением сигнала.

Спектральное описание сигналов (вычисление спектральной плотности S(ω)) [6, 7] дает информацию об амплитудах и фазах отдельных гармоник. Периодический сигнал обладает линейчатым (дискретным) спектром.

Импульсные сигналы – детерминированные сигналы конечной энергии. Они отображают физическую величину на небольшом интервале времени. Импульсные сигналы имеют сплошной спектр. Принято выделять видеоимпульсы и радиоимпульсы. Видеоимпульсы – это однополярные импульсы тока или напряжения различной формы. Наиболее часто в практике встречаются прямоугольные импульсы.

Рис.1.1

На рис. 1.1 показаны временные параметры некоторого видеоимпульса U(t). В данном случае tф – длительность фронта, tс – длительность среза, tи – длительность импульса, Um – амплитуда импульса, ΔUm – неравномерность вершины импульса, В1, В2 – выбросы.

Радиоимпульсы – это серии высокочастотных колебаний, образуемые при воздействии видеоимпульсов на колебания высокой частоты. Математическая модель радиоимпульса описывается выражением:

U_р(t) = U(t)•cos(ω₀t+φ₀),

где ω₀ – частота и φ₀ – начальная фаза могут быть произвольными. При этом функция U(t) называется огибающей радиоимпульса, а cos(ω₀t+φ₀) – его заполнением [4]. Переход от видеоимпульса к радиоимпульсу при спектральном описании сигналов означает перенос спектра видеоимпульса в область высоких частот. Вместо единственного максимума спектральной плотности на нулевой частоте наблюдаются два максимума при ω = ±ω₀. На рис. 1.2 показаны зависимости модуля спектральной плотности |S(ω)| видеоимпульса и радиоимпульса.

Рис. 1.2