Левшина - Электрические измерения физических величин. Измерительные преобразователи (1983)

Левшина Е. С.  Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи). Учебное пособие для вузов. 1983.

Рассмотрены вопросы общей теории, теории погрешностей, измерительных цепей и динамики измерительных преобразователей, а также физические основы, теоретические методы расчета и проектирования основных видов измерительных преобразователей (датчиков), систематизированных по общности физического принципа действия. Для студентов вузов по программе курса «Измерительные преобразователи; для инженерно-технических и научных работников.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Содержание предлагаемой книги соответствует программе курса «Измерительные преобразователи», читаемого в высших учебных  заведениях для специальности 0642 «Информационно-измерительная  техника». Современная информационно-измерительная техника  располагает средствами измерения около двухсот различных физических величин — электрических, магнитных, тепловых, акустических,  механических и т. д. Подавляющее большинство этих величин в процессе измерения преобразуется в величины электрические, как наиболее удобные для передачи, усиления, математической обработки и  точного измерения. Поэтому в современной измерительной технике  находят широкое применение преобразователи разного рода физических величин в электрические величины.

Термин «измерительный преобразователь» (ИП) употребляется в настоящее время достаточно широко и в разных смыслах. В данной книге под измерительным преобразователем понимается  элементарный измерительный преобразователь, выполненный на основе  определенного физического принципа: емкостный, магнитоупругий,  пьезоэлектрический преобразователь и т. д.

Для обозначения совокупности измерительных преобразователей, объединенных в один конструктивный узел, выносимый на объект измерения, сохранен укоренившийся в практике термин «датчик». Подбор излагаемого материала базируется на многолетнем опыте чтения лекций в Ленинградском политехническом институте имени М. И. Калинина. Описать в книге небольшого объема все известные типы  измерительных преобразователей, а также изложить вопросы теории и  методы расчета этих преобразователей не представляется возможным, да и вряд ли это целесообразно. Поэтому основное внимание при  написании книги было направлено на систематизацию физических  явлений, положенных в основу построения преобразователей, и  систематизацию вопросов теории, используемых для их описания. В  соответствии с этим вопросы динамики ИП и теории погрешностей, общие для всех ИП, сосредоточены в первой и второй главах книги. Общим элементом любых измерительных—устройств,  использующих ИП, являются измерительные цепи, связывающие ИП - с  последующей аппаратурой. Без рассмотрения измерительных цепей не представляется возможным расчет и проектирование ИП. Поэтому  измерительным цепям посвящена отдельная глава. Существенная часть описываемых в книге преобразователей  предназначена для измерения механических величин. Общими для  преобразователей механических величин являются упругие элементы, рассматриваемые в главе четвертой.

Остальные главы книги посвящены отдельным типам  преобразователей. При этом, излагая вопросы теории и расчета  преобразователей, которые стали уже классическими (тензорезистивные,  индуктивные, емкостные и др.), авторы рассматривают также преобразователи, получившие распространение в последние годы (пьезорезонансные, гальваномагнитные, преобразователи с использованием  поверхностных акустических волн, магнитомодуляционные и т. д.). В то же время некоторые широко применяемые преобразователи, достаточно подробно описанные в специальной литературе, в настоящей книге не рассматриваются (акустические, преобразователи с радиоактивным излучением, электронно-лучевые и др.).

Авторы старались уделить больше внимания методам расчета  измерительных преобразователей с иллюстрацией их достаточным  числом примеров. В работе над рукописью и в написании некоторых глав приняли участие д-р техн. наук, профессор Дрезденского технического  университета А. Ленк (гл. 4 и 5), сотрудники Ленинградского  политехнического института имени М. И. Калинина — канд. техн. наук, доцент С. А. Спектор (§ 8-10 и 8-11), канд. техн. наук, доцент В. С. Гутников (§ 7-4 и 11-5), канд. техн. наук Л. Н. Кнорринг (§ 8-12), канд. техн. наук А. В. Клементьев (§ 5-5), канд. техн. наук, доцент Омского политехнического института Ю. Н. Кликушин (гл. 12). Главы 9 и 10 написаны С. А. Спектором. Авторы выражают особую признательность председателю  методического совета Министерства ВиССО СССР — заслуженному деятелю науки и техники РСФСР, д-ру техн. наук, профессору Е. Г. Шрамкову, явившемуся инициатором создания курса «Измерительные  преобразователи» и введения его в учебные планы. Авторы считают своим долгом отметить, что  излагаемый материал в значительной мере учитывает результаты обсуждений и дискуссий, проводимых в коллективе кафедры информационно-измерительной техники, а также обязан своим созданием лекторам, ранее работавшим над этим курсом: А. М..Туричину, М. М. Фетисову, Д. И. Зорину. Авторы благодарны коллективу кафедры  информационно-измерительной техники Ленинградского электротехнического института имени В. И. Ульянова (Ленина), а также д-ру техн. наук, профессору А. М. Мелик-Шахназарову за полезные замечания, сделанные ими при рецензировании рукописи настоящей книги.

ГЛАВА ПЕРВАЯ

ОБЩИЕ СВОЙСТВА И ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

1-1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Измерительное преобразование представляет собой отражение  размера одной физической величины размером другой физической  величины, функционально с ней связанной. Применение измерительных преобразований является  единственным методом практического построения любых измерительных  устройств.

Измерительный преобразователь — это техническое устройство, построенное на определенном физическом принципе действия,  выполняющее одно частное измерительное преобразование. Работа  измерительных преобразователей протекает в сложных условиях, так как объект измерения — это, как правило, сложный, многогранный  процесс, характеризующийся множеством параметров, каждый из  которых действует на измерительный преобразователь совместно с  остальными параметрами. Нас же интересует только один параметр,  который называем измеряемой величиной, а все остальные параметры  процесса считаем помехами. Поэтому у каждого измерительного  преобразователя целесообразно установить его естественную входную величину, которая лучше всего воспринимается им на фоне помех. Подобным образом можно выделить естественную выходную величину преобразователя. Функция преобразования измерительного преобразователя — это функциональная зависимость выходной величины от входной,  описываемая аналитическим выражением или графиком. Чаще всего  стремятся иметь линейную характеристику преобразования, т. е. прямую пропорциональность между изменением входной величины и  соответствующим приращением выходной величины преобразователя. Для описания линейной характеристики преобразования достаточно двух параметров: начального  значения выходной величины  (нулевого уровня), соответствующего нулевому (или какому-либо другому характерному) значению  входной величины х, и показателя относительного наклона характеристики, называемого чувствительностью преобразователя.

Чувствительность преобразователя — это, как правило,  именованная величина с разнообразными единицами, зависящими от природы входной и выходной величин. Чувствительность измерительного прибора, состоящего из  последовательного ряда измерительных преобразователей, определяется произведением чувствительностей всех преобразователей,  образующих канал передачи информации. Чтобы это наглядно пояснить,  рассмотрим прибор (рис. 1-1) для измерения и регистрации быстрых  линейных перемещений, состоящий из датчика, измерительного  неравновесного моста, усилителя и вибратора магнитоэлектрического  осциллографа. Пусть датчик при воздействии на него измеряемого  перемещения I мм изменяет свое сопротивление на 1 % начального значения.

Понятия реальной и номинальной характеристик и погрешности измерительного преобразователя. При градуировке серии  однотипных преобразователей оказывается, что их характеристики несколько отличаются друг от друга, занимая некоторую полосу. Поэтому в  паспорте измерительного преобразователя приводится некоторая  средняя характеристика, называемая номинальной. Разности между  номинальной (паспортной) и реальной характеристиками  преобразователя рассматриваются как его погрешности.

Систематические, прогрессирующие и случайные погрешности  измерительных преобразователей. Систематическими называются  погрешности, не изменяющиеся с течением времени или являющиеся не изменяющимися во времени функциями определенных параметров. Основное свойство систематических погрешностей состоит в том, что они могут быть почти полностью устранены введением  соответствующих поправок. Особая опасность постоянных систематических погрешностей  заключается в том, что их присутствие чрезвычайно трудно обнаружить.

В отличие от случайных, прогрессирующих или являющихся  функциями определенных параметров погрешностей постоянные  систематические погрешности внешне себя никак не проявляют и могут долгое время оставаться незамеченными. Единственный способ их обнаружения состоит в поверке нуля и чувствительности путем  повторной аттестации прибора по образцовым мерам. Примером второго вида систематических погрешностей служит большинство дополнительных погрешностей, являющихся не  изменяющимися во времени функциями вызывающих их влияющих  величин (температура, частота, напряжение и т. п.). Эти погрешности  благодаря постоянству во времени функций влияния также могут быть скорректированы введением дополнительных корректирующих  преобразователей, воспринимающих влияющую величину и вводящих соответствующую поправку в результат преобразования основного преобразователя.

Прогрессирующими называются погрешности, медленно  изменяющиеся с течением времени. Эти погрешности, как правило, вызываются процессами старения тех или иных деталей аппаратуры (разрядка источников питания, старение резисторов, конденсаторов,  деформация механических деталей, усадка бумажной ленты в самопишущих приборах и т. д.). Особенностью прогрессирующих погрешностей  является то обстоятельство, что они могут быть скорректированы без выяснения вызвавших их причин введением поправки, но лишь в  данный момент времени, а далее вновь монотонно возрастают. Поэтому в отличие от систематических погрешностей прогрессирующие  погрешности требуют непрерывного повторения коррекции, и тем более  частого, чем менее желательно их остаточное значение. Другая  особенность прогрессирующих погрешностей состоит в том, что с точки  зрения теории вероятностей их изменение во времени представляет собой нестационарный процесс и не может быть описано в рамках хорошо разработанной теории стационарных процессов.

Случайными называются неопределенные по своему значению или недостаточно изученные погрешности, в появлении различных  значений которых нам не удается установить какой-либо закономерности. Они определяются сложной совокупностью причин, трудно  поддающихся анализу. Их частные значения не могут быть предсказаны, а для всей их совокупности может быть установлена закономерность лишь для частот появления их различных значений. Присутствие  случайных погрешностей (в отличие от систематических) легко  обнаруживается при повторных измерениях в виде некоторого разброса результатов. В подавляющем большинстве случаев процесс появления случайных погрешностей есть стационарный случайный процесс.  Поэтому размер случайных погрешностей характеризуют указанием  закона распределения их вероятностей или указанием параметров этого закона, разработанных в теории вероятностей и теории  информации. Так как большинство составляющих погрешности реальных приборов проявляется именно как случайные, то их вероятностное  описание, а на его основе и информационное описание служат основным научным методом теории погрешностей. Однако всегда надо иметь в виду, что разделение погрешностей на систематические, прогрессирующие и случайные представляет собой лишь прием их анализа. В действительности же все эти три  составляющие проявляются совместно и образуют единый нестационарный  случайный процесс.