- •В. Н. Седалищев Физические основы получения измерительной информации с использованием генераторных и параметрических первичных преобразователей Учебное пособие
- •Введение
- •Глава 1
- •1. Информационно-энергетические основы теории измерений
- •1.1 Понятие информации. Разновидности информации
- •1.2 Количественная оценка информации
- •1.3 Связь понятий энергии и информации Информационный подход к анализу физических процессов
- •1.4 Применение энерго-информационного подхода к анализу физических процессов
- •Аномалии физических и химических свойств воды
- •1.5 Связь теории информации с теорией измерений
- •Количественная оценка измерительной информации
- •Естественные пределы измерений
- •1.6 Причины наличия ограничений количества информации, получаемой при измерениях
- •Разновидности шумов и причины их появления
- •1.7 Способы повышения информативности измерительного процесса
- •1.8 Общая характеристика этапов измерительного преобразования
- •Метрологические характеристики измерительных преобразователей
- •1.2 Классификация физических эффектов и областей их применения в измерительной технике
- •«Фундаментальное единство» природы. Метод электромеханических аналогий
- •Физические основы построения измерительных преобразователей генераторного типа
- •Физические основы создания электромеханических измерительных преобразователей генераторного типа
- •2.3 Пьезоэффект и его применение в измерительной технике
- •2.3.1 Теоретические основы построения пьезоэлектрических измерительных преобразователей генераторного типа
- •2.3.3 Ээсз пьезоэлектрического преобразователя генераторного типа
- •2.3.4 Физические основы работы пьезорезонансных измерительных преобразователей
- •2.3.2 Электрострикция и области применения ее в измерительной технике
- •2.4 Физические основы создания термоэлектрических измерительных преобразователей
- •2.4.1 Пироэффект и применение его в измерительных устройствах
- •2.4.2 Термоэлектрические эффекты в проводниках и полупроводниках
- •2.4.3 Особенности практической реализации термоэлектрических эффектов в измерительных устройствах
- •2.5 Гальваномагнитные эффекты и применение их в измерительных устройствах
- •2.5.1 Эффект Холла и применение его в измерительных устройствах
- •3. Физические эффекты, связанные с модуляцией активного сопротивления ээсз измерительного преобразователя
- •3.1 Принципы построения и разновидности резистивных измерительных преобразователей
- •3. 2 Физические основы создания пьезорезистивных преобразователей контактного сопротивления
- •3.3 Физические основы создания тензорезистивных проводниковых измерительных преобразователей
- •3.4 Физические основы полупроводниковых тензорезистивных преобразователей
- •3.6 Физические основы магниторезистивных измерительных преобразователей
- •3.7 Физические основы работы проводниковых терморезистивных измерительных преобразователей
- •3.8 Физические основы создания полупроводниковых терморезистивных измерительных преобразователей
- •3.9 Физические основы создания фоторезистивных измерительных преобразователей
- •3.10 Физические основы применения явления сверхпроводимости в измерительных устройствах
- •3.10.1 Свойства сверхпроводников
- •3.10.2 Квантово-механическая теория сверхпроводимости
- •Объяснение понятий экситона и поляритона
- •3.10.3 Применение явления сверхпроводимости в измерительной технике
- •3.10.4 Эффект Мейснера и его практическое применение
- •3.10.5 Стационарный и нестационарный эффекты Джозефсона и применение их в измерительной технике
- •4. Физические основы создания электрохимических измерительных преобразователей
- •4.1 Полярографический эффект в растворах и применение его в измерительных устройствах
- •4.2 Физические основы работы кондуктометрических измерительных преобразователей
- •4.3 Применение в измерительной технике электрокинетических явлений в растворах
- •4.4 Принципы работы гальванических измерительных преобразователей
- •5. Физические основы создания первичных преобразователей, основанных на модуляции магнитных параметров измерительной цепи
- •5.1 Принцип работы магнитоиндукционных измерительных преобразователей генераторного типа
- •5.2 Теоретические основы создания индуктивных измерительных преобразователей
- •5.3 Принцип работы вихретоковых измерительных устройств
- •5.4 Физические основы магнитомодуляционных измерительных преобразователей
- •Эффект Виганда
- •5.5 Физические эффекты, связанные с модуляцией магнитных характеристик материалов
- •Пример реализации магнитострикционного эффекта в датчиках линейных перемещений
- •Принцип работы устройства
- •Дополнительные эффекты, возникающие в магнитомодуляционных преобразователях
- •5.6 Физические основы создания магнитоупругих измерительных преобразователей
- •5.7 Зависимость магнитной проницаемости ферромагнетиков от влияющих факторов
- •6. Физические основы создания емкостных измерительных преобразователей
- •6.1 Модуляция геометрических размеров емкостных преобразователей
- •Принципы работы емкостных измерительных преобразователей
- •Емкостной преобразователь с переменной площадью обкладок
- •6.2 Физические основы емкостных измерительных устройств, основанных на модуляции диэлектрических свойств веществ
- •6.2.1 Строение материалов
- •6.2.2 Виды связей и механизмы поляризации диэлектриков
- •6.2.3 Влияние агрегатного состояния вещества на его диэлектрические свойства
- •6.2.4 Примеры практической реализация емкостных измерительных устройств, основанных на управлении диэлектрической проницаемостью веществ
- •7. Физические основы создания биодатчиков генераторного и параметрического типов
- •Глава 1. Информационно-энергетические основы теории измерений
- •Глава 2. Физические основы построения измерительных преобразователей генераторного типа
- •Глава 3. Физические эффекты, связанные с модуляцией активного сопротивления ээсз измерительного преобразователя
- •Глава 4. Физические основы создания электрохимических измерительных преобразователей
- •Глава 5. Физические основы создания первичных преобразователей, основанных на модуляции магнитных параметров измерительной цепи
- •Глава 6. Физические основы создания емкостных измерительных преобразователей
- •Глава 7. Физические основы создания биодатчиков генераторного и параметрического типов
- •Перечень физических эффектов
1.6 Причины наличия ограничений количества информации, получаемой при измерениях
Фундаментальные законы природы устанавливают непреодолимые никакими техническими ухищрениями пределы точности измерений, поэтому истинные значения физических величин измерить без погрешности теоретически нельзя. Это обусловлено, по крайней мере, квантовой природой физической системы. Например, согласно принципу неопределенности Гейзенберга (1927 г.) невозможно одновременно измерить координату и импульс частицы. Это можно объяснить следующим образом. Энергия и импульс частицы квантованы:
; , (1.18)
где - круговая частота;
- циклическая частота;
- волновое число.
Существует зависимость между неопределенностью измерения значений координаты () , импульса () и скорости () частицы:
(1.19)
Таким образом, повышение точности измерения координаты частицы будет сопровождаться снижением точности измерения ее скорости и наоборот. Этот эффект проявляет себя, например, в устройствах с электронно-лучевыми трубками, ограничивая их разрешающую способность.
Рассмотрим пример, поясняющий причину этого явления. Нестабильность генератора частоты и блока развертки в электронном осциллографе составляет , что обусловливает нестабильность скорости полета электрона.
При иполучим:. Соответственно, минимально возможная четкая градация по координате ЭЛТ составит:что обусловит максимально возможное разрешение для ЭЛТ в пределахточек на 1.
Согласно современным знаниям физической природы измеряемых величин можно оценить предельные значения их дискретности.
Например, для:
абсолютной массы –
элементарного заряда -
кванта действия -
кванта магнитного потока –
элементарной длины -
минимально возможного временного интервала -
При современном уровне развития измерительной техники реальные погрешности измерений физических величин существенно уступают предельным, теоретическим значениям градаций. Например, погрешности измерений времени находятся в пределах массы -длины -
Законы распределения случайных составляющих погрешностей средств измерений могут иметь самые разнообразные виды (равномерный, треугольный, арксинусный и др.), существенно отличающиеся от теоретического (нормального), что также нужно учитывать при оценке информативности измерительных устройств.
Причинами, ограничивающим точность измерительных устройств являются шумы, помехи, сопровождающие на всех этапах процессы генерации, преобразования, передачи, обработки и хранения информации. Возникающие шумы в выходном сигнале измерительного устройства могут иметь различную природу. Они могут быть обусловлены различными причинами, быть внешними и внутренними, радиочастотного и промышленного диапазона, атмосферными и космической природы.
В функции времени помехи проявляют себя по разному, в связи с чем, погрешности принято подразделять на случайные и систематические. В зависимости от спектра помехи шумы подразделят на белый шум (физические процессы, характеризующиеся равномерным спектром, отсутствием корреляции).
Шум может быть стационарным и нестационарным во времени, иметь нормальный закон распределения случайных величин, быть аддитивным и мультипликативным. Помехи по форме могут быть гармоническими, импульсными, флуктуационными. Их амплитуда зависит как от мощности источника шума, так и от характеристик измерительного канала.
Внутренние шумы возникают как результат дискретности природы вещества и электричества. Это случайные колебания числа электронов, проходящих по цепи (дробовой эффект), флуктуации напряжения на концах резисторов из-за случайных тепловых перемещений электронов в проводнике (тепловой шум) и др.