МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ УКРАИНЫ

“КИЕВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ”

ИЗМЕРЕНИЯ НА ЗВУКОВЫХ И

УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ЧАСТОТАХ

КУРС ЛЕКЦИЙ

для студентов специальностей 7.091201 ”Акустические средства и

системы”, 7.091202 ”Медицинские акустические и биоакустические

приборы и аппараты”.

КИЕВ НТУУ “КПИ” 2008

Измерения на звуковых и ультразвуковых частотах. Курс лекций для студентов специальностей 7.091201 ”Акустические средства и системы”, 7.091202 ”Медицинские акустические и биоакустические приборы и аппараты”/ Сост. А. И. Бахин, И. С. Бачинская. -К.: НТУУ “КПИ”. 2008. -124с.

Автор: М. В. Родионова

Составители: А. И. Бахин, И. С. Бачинская

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………5

1. Общие сведения об измерениях, методах измерения и средствах измерительной техники……………………………………6

1.1 Основные термины и определения в области измерительной техники.6

1.2 Принципы построения измерительных приборов…………………….18

1.3 Классификация измерительных приборов……………………………..21

1.4 Основные технические характеристики измерительных приборов….23

1.5 Основы теории погрешностей…………………………………………..27

2. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ………………………………33

2.1. Принципы построения………………………………………………….33

2.2. Магнитоэлектрические измерительные приборы…………………….37

2.3. Применение магнитоэлектрических измерительных приборов с дополнительными входными измерительными преобразователями…………...41

2.4. Электромагнитные измерительные приборы…………………………45

3. АНАЛОГОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ……………………...48

3.1. Общая характеристика аналоговых измерительных приборов……...48

3.2. Аналоговые электронные вольтметры………………………………...49

3.3. Принципы построения аналоговых электронных вольтметров……...50

3.4. Детекторы аналоговых электронных вольтметров…………………...54

4. ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ………………………….59

4.1. Общая характеристика цифровых измерительных приборов. Принципы построения……………………………………………………………..59

4.2. Цифровые методы измерения напряжения……………………………62

4.2.1. Цифровые электронные вольтметры с время-импульсным преобразованием……………………………………………………………………62

4.2.2. Кодо-импульсные цифровые электронные вольтметры……………68

4.3. Электронные частотомеры……………………………………………..71

4.4. Цифровые измерители фазовых сдвигов……………………………..77

5. ГЕНЕРАТОРЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИГНАЛОВ…………………….82

5.1. Назначение, классификация и нормируемые технические характеристики …………………………………………………………………….82

5.2. Генераторы низкочастотных измерительных сигналов……………...84

5.3. Генераторы высокочастотных измерительных сигналов…………….87

5.4. Генераторы импульсных измерительных сигналов…………………..88

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………...90

ПРИЛОЖЕНИЕ……………………………………………………………...91

Домашнее задание №1: Основные единицы системы СИ и примеры совокупных и совместных измерений……………………………………………91

Домашнее задание №2: Классификация измерительных приборов в виде структурной схемы………………………………………………………………...92

Домашнее задание №3: Классификация радиоизмерительных приборов.93

Домашнее задание №4: Расширение пределов измерений магнитоэлектрических измерительных приборов с помощью шунтов и добавочных сопротивлений……………………………………………………….98

Домашнее задание №5: Условные графические обозначения, применяемые на шкалах электромеханических измерительных приборов…..103

Домашнее задание №6: Вычислить интегралы………………………….104

Домашнее задание №7: Устройство и принцип действия электродинамических, ферродинамических и электростатических измерительных приборов…………………………………………………………105

Домашнее задание №8: Общие детали и узлы конструкции электромеханических измерительных приборов: способы установки подвижной части (подвесы, растяжки, опоры), виды успокоителей, шкалы………………114

Домашнее задание №9: Описание принципа действия детектора амплитудных значений с закрытым входом…………………………………….119

Домашнее задание №10: Вольтметры среднеквадратических значений, построенные на основе термоэлектрических преобразователей………………122

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………………124

ВВЕДЕНИЕ

В данном курсе лекций рассмотрены основы дисциплины «Измерения на звуковых и ультразвуковых частотах», включающие в себя:

- терминологию, позволяющую облегчить понимание данного курса лекций;

- общие принципы построения, классификацию, основные технические характеристики измерительных приборов.

Более подробно рассмотрены следующие категории измерительных приборов:

- электромеханические;

- аналоговые;

- цифровые.

Эти категории измерительных приборов широко используются во многих отраслях науки и техники, поэтому знания, полученные при прослушивании данного курса лекций, являются основополагающими для будущих инженеров.

1. Общие сведения об измерениях, методах измерения и средствах измерительной техники

1. Основные термины и определения в области измерительной техники

Знание терминологии в области измерительной техники и понимание смысла используемых терминов позволяет специалистам в области измерительной техники общаться на одном языке. Без знания терминологии невозможно освоить теоретические основы построения измерительных приборов.

Терминологической основой измерительной техники является государственный стандарт Украины ДСТУ 2681-94 Метрологія. Терміни та визначення.

Этот стандарт устанавливает термины и определения понятий в области метрологии и метрологического обеспечения измерений. Термины, регламентированные в этом стандарте, являются обязательными для применения во всех видах документации, включая учебно-методическую.

Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Физическая величина и её единицы

Физическая величина – свойство, общее в качественном отношении многим физическим объектам, системам и процессам, но индивидуальное в количественном отношении для каждого из них. Пример: напряжение, частота, сила тока, напряженность, длина, габариты, масса.

Размер физической величины – количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию физическая величина.

Единица физической величины – физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение, равное единице. Пример: В – вольт, А – ампер, Вт – ватт и т.д.

Обозначение единицы физической величины – условный символ единицы физической величины.

Система единиц физических величин – совокупность основных и производных единиц, относящихся к некоторой системе величин и образованная в соответствии с принятыми принципами. Пример: международная система единиц – система CИ.

Числовое значение физической величины – число, равное отношению размера измеряемой физической величины к размеру единицы этой физической величины.

Значение физической величины – оценка физической величины в виде числового значения величины с обозначением её единицы.

Истинное значение физической величины – значение физической величины, которое идеальным образом отображает в количественном и качественном отношениях соответствующие свойство объекта.

Действительное значение физической величины – значение физической величины, найденное экспериментальным путём и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него.

Измерения

Измерение – нахождение значения физической величины опытным путём с помощью специальных технических средств.

Измерительная информация – информация о значениях измеряемых физических величин.

Объект измерения – материальный объект, одно или несколько свойств которого подлежат измерению.

Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных без преобразования рода величины и использования известных зависимостей.

Непрямое измерение – измерение, при котором значения одной или нескольких величин находят после преобразования рода величины или вычисления по известным зависимостям.

Косвенное измерение – измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величиной, подвергаемой прямым измерениям.

Совокупные измерения – непрямые измерения, при которых значения нескольких одновременно измеряемых однородных величин, получают путём решения системы уравнений, связывающих различные сочетания этих величин, которые измеряются прямо или косвенно.

Совместные измерения – производимые одновременно измерения двух или нескольких не одноимённых величин для нахождения зависимости между ними.

Статическое измерение – измерение физической величины, которая при измерениях считается неизменной.

Динамическое измерение – измерение физической величины, которая изменяется при измерениях.

Относительное измерение – измерение отношения одной величины к другой однородной физической величине.

Процедура измерения – последовательность измерительных операций, которая обеспечивает измерение в соответствии с выбранным методом.

Измерительное преобразование физической величины – измерительная операция, при которой входная физическая величина преобразуется в выходную, функционально связанную с ней.

Характеристики измерений

Результат измерения – значение физической величины, найденное путём её измерения. Результаты измерения могут использоваться в том и только в том случае, если известны соответствующие характеристики погрешностей измерения.

Абсолютная погрешность измерения – погрешность измерения, выраженная в единицах измерения физической величины.

Абсолютная погрешность измерения – разница между результатом измерения и действительным значением измеряемой физической величины.

Относительная погрешность измерения – отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины.

На практике при оценивании относительной погрешности вместо истинного значения принято использовать действительное значение измеряемой физической величины.

Систематическая погрешность измерений и средств измерительной техники – составляющая погрешности, остающаяся постоянной или закономерно изменяющейся при повторных измерениях одной и той же величины.

Случайная погрешность измерений и средств измерительной техники – составляющая погрешности, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины.

Методическая погрешность измерений – составляющая погрешности, обусловленная несовершенством метода измерений.

Погрешность прерывности – методическая погрешность метода отображения при измерениях непрерывной физической величины её прерывистым значением.

Инструментальная погрешность измерений – составляющая погрешности, обусловленная погрешностями применяемых средств измерений. Инструментальная погрешность состоит из погрешности средств измерительной техники и погрешности от их взаимодействия с объектом исследования.

Погрешность измерений от взаимодействия – составляющая инструментальной погрешности, возникающая вследствие влияния средства измерительной техники на состояние объекта измерения.

Статическая погрешность измерений и средств измерительной техники – погрешность средств измерений, используемых для измерения неизменной во времени физической величины.

Динамическая погрешность измерений и средств измерительной техники – составляющая погрешности, возникающая дополнительно к статической во время динамических измерений.

Динамическая погрешность средств измерительной техники – разность между погрешностью средств измерений в динамической режиме и его статической погрешностью, соответствующей значению физической величины в конкретный момент времени.

Грубая погрешность измерения – погрешность измерения, существенно превышающая ожидаемую погрешность при заданных условиях.

Поправка – значение величины, одноимённой с измеряемой, прибавляемое к полученному значению при измерениях с целью исключения систематической погрешности.

Поправочный множитель (коэффициент) - число, на которое умножают результат измерений с целью исключения систематической погрешности.

Неисправленный результат измерения – результат измерения, в котором не исключены систематические погрешности.

Исправленный результат измерения – результат измерений, получаемый после введения поправки и (или) с учётом поправочного коэффициента.

Промах (аномальный результат измерения) – результат измерений, имеющий грубую погрешность.

Точность измерения – качество измерений, отражающее близость результатов к их точному (истинному) значению измеряемой физической величины.

Основные свойства измерений: правильность, сходимость, воспроизводимость.

Правильность измерений – характеристика качества измерений, отображающая близость к нулю систематической погрешности измерения.

Сходимость измерений – характеристика качества измерений, отображающая близость повторных результатов измерений одной и той же физической величины в одинаковых условиях.

Сходимость результатов измерений отражает близость к нулю случайной погрешности. Сходимость результатов измерений можно оценить количественно дисперсией результатов измерения.

Воспроизводимость измерений – характеристика качества измерений, отображающая близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в различных условиях (в различное время, в различных местах, различными методами и средствами измерений).

Воспроизводимость результатов измерений количественно может быть оценена дисперсией результатов измерений.

Средства измерительной техники и методы измерений

Сигнал – физический процесс, свойства которого определяются взаимодействием между материальным объектом и средством его исследования.

Параметр сигнала – одно из свойств сигнала, являющееся физической величиной.

Информационный параметр сигнала – параметр сигнала, который функционально связан с исследуемой величиной или параметр сигнала, имеющий заданное значение.

Образцовый сигнал – измеряемый сигнал, один или несколько параметров которого имеют заданное значение.

Сигнал измерительной информации – сигнал, функционально связанный с измеряемой физической величиной.

Термины, связанные с классификацией средств измерительной техники

Средство измерительной техники – техническое средство, применяемое при измерении и имеющее нормированные (известные и заданные) метрологические характеристики.

Средство измерений – техническое средство, используемое при измерениях, имеющее нормированные метрологические характеристики и реализующее процедуру измерений.

Измерительное устройство – средство измерительной техники, в котором выполняется только одна из составляющих частей процедуры измерения – измерительная операция.

Мера (физической величины) – средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера.

Измерительный преобразователь – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Аналоговый измерительный прибор – измерительный прибор, показания которого являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины.

Цифровой измерительный прибор – измерительный прибор, автоматически вырабатывающий дискретные сигналы измерительной информации, показания которого представлены в цифровой форме.

Измерительная система – совокупность средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, соединённых между собой каналами связи, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических системах управления.

Индикатор – устройство или вещество, которые при наличии определённого свойства или явления создают сигнал информации об этом.

Отсчётное устройство – часть конструкции средства измерения, предназначенная для отсчитывания значений измеряемой величины.

Шкала (аналогового измерительного прибора) – часть отсчётного устройства, представляющая собой совокупность отметок и проставленных у некоторых из них чисел отсчёта, или других символов, соответствующих ряду последовательных значений величины.

Отметка шкалы – знак на шкале, соответствующий некоторому значению измеряемой величины.

Деление шкалы – промежуток между двумя соседними отметками шкалы.

Длина шкалы – длина линии, проходящей через середины всех коротких отметок шкалы и ограниченной начальной и конечной отметками.

Метод измерения – совокупность приёмов использования принципов и средств измерения.

Характеристики средств измерительной техники

Метрологические характеристики – характеристики средств измерительной техники, нормируемые для получения результата измерения и его погрешности.

Показание – значение величины, определяемое по отсчётному устройству и выраженное в принятых единицах этой величины.

Диапазон показаний – область значений шкалы, ограниченная начальным и конечным значением шкалы.

Начальным значением измеряемой величины называется наименьшее её значение в диапазоне показаний, а конечным – наибольшее её значение.

Диапазон измерений – область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средства измерений.

Градуировочная характеристика – зависимость между значениями измеряемой величины на выходе и входе средства измерений, составленная в виде таблицы, графика или формулы.

Цена деления шкалы (аналогового измерительного прибора) – разность значений измеряемой величины, соответствующей двум соседним отметкам шкалы.

Цена наименьшего разряда кода (цифрового измерительного прибора) – разница между двумя ближайшими показаниями цифрового измерительного прибора.

Влияющая физическая величина – физическая величина, не измеряемая средством измерения, но оказывающая влияние на результаты измерения этим средством.

Нормальные условия применения средства измерений – условия применения средств измерения, при котором влияющие величины имеют нормальные значения или находятся в пределах нормальной области значений.

Нормальное значение (нормальный интервал значений) влияющей величины – значение (интервал значений) влияющей величины, для которого нормируется основная погрешность средств измерительной техники.

Рабочие условия применения средств измерительной техники – условия применения средств измерительной техники, при которых значения влияющих величин находятся в пределах рабочих областей.

Рабочая область значений влияющей величины – область значений, в пределах которой нормируются дополнительные погрешности средств измерительной техники.

Абсолютная погрешность средства измерения – разность между показанием средства измерений и истинным значением измеряемой величины при отсутствии методических погрешностей и погрешностей от взаимодействия средства измерений с объектом измерений.

Примечание. В метрологической практике обычно находят приблизительное значение погрешности средства измерений, которое называется оценкой погрешности средства измерений, - разность между показанием прибора и условно истинным значением измеряемой величины. На практике слово «оценка» обычно упускается (относится не только к абсолютной погрешности, а и к другим видам погрешности).

Относительная погрешность средства измерений – отношение абсолютной погрешности средства измерений к истинному значению измеряемой величины.

Понятия абсолютной и относительной погрешностей относятся к такому устройству как мера, измерительный преобразователь.

Предел допускаемой погрешности средства измерений – наибольшая (без учета знака) погрешность средства измерений, при которой оно может быть признано годно и допущено к применению.

Примечание. Это понятие положено в основу принципа определения комплексной технической характеристики, которая называется класс точности.

Основная погрешность средства измерений – погрешность средства измерений, используемого в нормальных условиях.

Дополнительная погрешность средства измерений – погрешность, возникающая дополнительно (к основной) при применении средства измерений в условиях отклонения хотя бы одной из влияющих величин от нормального значения или выхода ее за пределы области нормальных значений.

Приведенная погрешность средства измерений – отношение абсолютной погрешности средства измерений к нормирующему значению. Под нормирующим значением понимают некоторое условно принятое значение физической величины. Например: длина шкалы измерительного прибора (в единицах длины).

Аддитивная погрешность средства измерительной техники – составляющая абсолютной погрешности средства измерений, пропорциональная измеряемой величине.

Мультипликативная погрешность средства измерений – составляющая абсолютной погрешности средств измерительной техники, не зависящая от измеряемой величины.

Вариация показаний средств измерений – разность между двумя показаниями средств измерений, когда одно и то же значение измеряемой величины достигается вследствие её увеличения или уменьшения.

Примечание. Это понятие относят также к измерительным преобразователям.

Класс точности средств измерений – обобщённая характеристика средств измерений, определяемая пределами допускаемых основной и дополнительной погрешностей, а также другими свойствами средств измерений, влияющими на точность, значения которых устанавливаются в стандартах на отдельные виды средств измерений.

Дрейф средства измерений – медленное изменение во времени любой метрологической характеристики средства измерительной техники.

Стабильность средства измерительной техники – способность средства измерительной техники сохранять свои метрологические характеристики в заданных границах в течение заданного интервала времени.

Время установления показаний – интервал времени от начала действия входного сигнала до момента, когда показание достигает и остается в середине определенных границ вокруг установившегося значения.

Метрологический отказ средства измерительной техники – выход метрологической характеристики средства измерительной техники за нормированные границы.

Эталоны единиц физических величин

Эталон единицы физической величины – средства измерений (или комплекс средств измерений), обеспечивающие воспроизведение и (или) хранение единицы физической величины с целью передачи ее размера ниже стоящим по поверочной схеме средствам измерений, выполненное по особой спецификации и официально утвержденное в установленном порядке в качестве эталона.

Разновидности эталонов: первичный, специальный, государственный, вторичный, эталон-копия, рабочий.

Рабочий эталон – эталон, применяемый для передачи размера единицы физической величины образцовым средствам измерений высшей точности и, в отдельных случаях, наиболее точным рабочим средствам измерений.

Образцовое средство измерения - средство измерения, служащее для поверки по нему других средств измерений и утверждённое в качестве образцового.

Поверка средств измерений – определение погрешности средств измерений и установление их пригодности к применению (проводится специальными метрологическими службами).

Рабочее средство измерений – средство измерений, применяемое для измерений не связанных с передачей размера единицы физической величины другим средствам измерений.

Поверочная схема – утвержденный в установленном порядке документ, устанавливающий средства, методы и точность передачи размера единицы физической величины от эталона или исходного образцового средства измерений рабочим средствам рабочим средствам измерений.

Единства измерений – состояние измерений, при которых их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью.