Е.В. Николаева, В.В. Макаров
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫПОЛУЧЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ. ПРИНЦИПЫИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Учебное пособие
Омск - 2007
УДК 53.087.92 (075)
ББК 34.9
Н 63
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор Омского государственного университета
К.Н. Полещенко
доктор технических наук, профессор Сибирской автомобильно-дорожной академии Б.А. Калачевский
Николаева Е.В.
Н 63Физические основы получения информации: Измерительные преобразователи. Принципы измерения физических величин: учеб. пособие/ Е.В. Николаева, В.В. Макаров. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007.- 96 с.
В данном учебном пособии рассматривается два раздела дисциплины: «Измерительные преобразователи» и «Принципы измерения физических величин».
В первом разделе пособия описываются наиболее распространенные виды преобразователей, применяемые в промышленности и приборостроении. Основное внимание уделяется принципам действия, характеристикам, особенностям построения, погрешностям, достоинствам и недостаткам измерительных преобразователей.
Во втором разделе пособия изучаются принципы измерения наиболее встречающихся величин, в основном неэлектрических.
Предназначено для студентов специальности 200101 - «Приборостроение» дневной, очно-заочной и заочной форм обучения, может также быть полезно студентам механических и электромеханических специальностей.
УДК 53.087.92 (075)
ББК 34.9
© Николаева Е.В., Макаров В.В., 2007
© Омский государственный
технический университет, 2007
Содержание
| Введение…………………………………………………………………………. | |
| ПЕРВЫЙ РАЗДЕЛ | |
| ПРИНЦИПЫПОСТРОЕНИЯ, ТОЧНОСТЬ, ДОСТОИНСТВА | |
| И НЕДОСТАТКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ | |
| 1 Общие свойства, структура и погрешности | |
| измерительных преобразователей (ИП)…………………...………………….. | |
| 1.1 Измерения и измерительная информация. Основные понятия………….. | |
| 1.2 Краткая классификация погрешностей ИП…………………………………….. | |
| 1.3 Методы измерительных преобразований…………………………………. | |
| 2 Резистивные преобразователи……………………………………………….. | |
| 2.1 Контактные преобразователи длины……………………………………… | |
| 2.1.1 Преобразователи давления контактного сопротивления……………… | |
| 2.2 Реостатные преобразователи длины и угла………………………………. | |
| 2.3 Тензорезистры……………………………………………………………… | |
| 2.4 Магниторезисторы………………………………………………………….. | |
| 2.5 Варисторы и позисторы…………………………………………………….. | |
| 3 Электростатические преобразователи………………………………………. | |
| 3.1 Пьезоэлектрические преобразователи…………………………………….. | |
| 3.1.1 Пьезоэлектрические преобразователи прямого пьезоэффекта………... | |
| 3.1.2 Термочувствительные пьезорезонансные преобразователи…………… | |
| 3.2 Емкостные преобразователи……………………………………………….. | |
| 3.2.1 Динамический конденсатор, или емкостной | |
| вибрационный преобразователь………………………………………………. | |
| 3.2.2 Варикапы и вариконды………………………………………………….... | |
| 4 Электромагнитные преобразователи………………………………………... | |
| 4.1 Индуктивные преобразователи…………………………………………….. | |
| 4.1.1 Дифференциальные индуктивные преобразователи…………………… | |
| 4.2 Трансформаторные преобразователи…………………………………….... | |
| 4.2.1 Дифференциальные трансформаторные преобразователи…………….. | |
| 4.3 Вихретоковые индуктивные преобразователи……………………………. | |
| 4.4 Магнитоупругие преобразователи………………………………………… | |
| 4.5 Индукционные преобразователи…………………………………………... | |
| 4.6 Магнитомодуляционные преобразователи………………………………... | |
| 4.7 Преобразователи на основе Баркгаузена………………………………….. | |
| 4.8 Радиоволновые преобразователи…………………………………………... | |
| 5 Гальваномагнитные преобразователи………………………………………. | |
| 5.1 Преобразователи Холла…………………………………………………….. | |
| 5.2 Магниторезистивные преобразователи …………………………………... | |
| 5.2.1 Гальваномагниторекомбинационные преобразователи………………... | |
| 6 Электрохимические преобразователи……………………………………….. | |
| 6.1 Электрохимические резистивные преобразователи | |
| 6.2 Гальванические преобразователи………………………………………….. | |
| 6.3 Кулонометрические преобразователи……………………………………... | |
| 6.4 Полярографические преобразователи…………………………………….. | |
| 6.5 Ионисторы…………………………………………………………………... | |
| 6.6 Электрокинетические преобразователи…………………………………… | |
| 7 Тепловые преобразователи…………………………………………………... | |
| 7.1 Термоэлектрические преобразователи (термопары)……………………... | |
| 7.2 Терморезисторы…………………………………………………………….. | |
| 7.3 Термометры сопротивления………………………………………………... | |
| 8 Оптико-электронные преобразователи…………………………………….... | |
| 8.1 Лазерные преобразователи…………………………………………………. | |
| 8.2 Оптоэлектрические преобразователи……………………………………... | |
| 8.3 Оптронные преобразователи………………………………………………. | |
| 9 Волоконно-оптические преобразователи…………………………………... | |
| 10 Ионизирующие (радиационные) преобразователи……………………….. | |
| 11 Электроакустические преобразователи……………………………………. | |
| 11.1 Акустико-эмиссионные преобразователи……………………………….. | |
| 12 Измерительные преобразователи с частотным выходом…………………. | |
| ВТОРОЙ РАЗДЕЛ | |
| ПРИНЦИПЫИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН | |
| 13 Принципы измерения линейных и угловых размеров………………….... | |
| 13.1 Электромеханические принципы………………………………………… | |
| 13.2 Электрофизические принципы…………………………………………... | |
| 13.2.1 Электромагнитные принципы………………………………………….. | |
| 13.2.2 Радиоактивный принцип………………………………………………... | |
| 13.2.3 Тепловой (термокондуктометрический) принцип…………………….. | |
| 13.2.4 Электрокондуктометрический принцип……………………………….. | |
| 13.2.5 Емкостной принцип……………………………………………………... | |
| 13.2.6 Магнитный принцип…………………………………………………….. | |
| 13.3 Спектрометрические принципы………………………………………….. | |
| 13.3.1 Локационный принцип………………………………………………….. | |
| 13.3.2 Интерферометрический принцип………………………………………. | |
| 13.3.3 Голографический принцип……………………………………………... | |
| 14 Принципы измерений механических напряжений, сил, моментов | |
| и давлений……………………………………………………………………… | |
| 14.1 Принципы измерений деформации и механических | |
| напряжений……………………………………………………………………... | |
| 14.1.1 Термоупругий принцип измерения | |
| механических напряжений…………………………………………………… | |
| 14.1.2 Принцип рентгеновской тензометрии…………………………………. | |
| 14.2 Принципы измерения сил и крутящих моментов………………………. | |
| 14.2.1 Измерение силы способом уравновешивания…………………………. | |
| 14.3 Принципы измерений давлений………………………………………….. | |
| 14.3.1 Принцип преобразования разности давлений | |
| в деформацию упругого элемента……………………………………………... | |
| 14.3.2 Принцип уравновешивания сил или давлений………………………… | |
| 14.3.3 Измерение импульсных давлений……………………………………… | |
| 15 Принципы измерений параметров движения твердого тела……………... | |
| 15.1 Относительные принципы………………………………………………… | |
| 15.2 Инерциальные принципы…………………………………………………. | |
| 15.3 Принципы измерений параметров углового движения………………... | |
| 16 Принципы измерения параметров движения жидких | |
| и газообразных веществ………………………………………………………... | |
| 16.1 Гидродинамические принципы измерения расхода…………………….. | |
| 16.1.1 Принцип переменного перепада давлений (статический)……………. | |
| 16.1.2 Гидродинамические частотные принципы (статические)……………. | |
| 16.1.3 Принцип постоянного перепада давлений | |
| (динамический)…………………………………………………………………. | |
| 16.2 Кинематические принципы……………………………………………….. | |
| 16.2.1 Принцип меток потока………………………………………………….. | |
| 16.2.2 Ультразвуковые принципы……………………………………………... | |
| 16.2.3Термоанемометрический принцип……………………………………… | |
| 16.2.4 Индукционный принцип………………………………………………... | |
| 16.2.5 Доплеровские принципы………………………………………………... | |
| 17 Принципы измерения температуры………………………………………... | |
| 17.1 Контактные принципы…………………………………………………….. | |
| 17.2 Термомагнитный принцип………………………………………………... | |
| 17.3 Термошумовой принцип………………………………………………….. | |
| 17.4 Термочастотные принципы……………………………………………….. | |
| 17.4.1 Термометры с механическими резонаторами…………………………. | |
| 17.4.2 Принцип ядерного квадрупольного резонанса………………………... | |
| 17.5 Пирометрические принципы……………………………………………… | |
| 17.5.1 Пирометры полного излучения (радиационные)……………………… | |
| 17.5.2 Пирометры частичного излучения…………………………………...... | |
| 17.5.3 Цветовые пирометры……………………………………………………. | |
| 17.6 Тепловизоры и термографы………………………………………………. | |
| 17.7 Спектрометрические принципы………………………………………….. | |
| 17.7.1 Пассивные принципы…………………………………………………… | |
| 17.7.2 Принцип прямого измерения плотности (активный)…………………. | |
| 17.7.3 Принцип рассеянного излучения с использованием | |
| лазера (активный)………………………………………………………………. | |
| 17.7.4 Ультразвуковой принцип измерения | |
| температуры (активный)……………………………………………………… | |
| 18 Принципы измерения концентрации………………………………………. | |
| 18.1 Электрохимические принципы………………………………………….. | |
| 18.1.1 Кондуктометрический принцип………………………………………... | |
| 18.1.2 Кулонометрический принцип…………………………………………... | |
| 18.2 Электрофизические принципы…………………………………………… | |
| 18.2.1 Тепловой принцип………………………………………………………. | |
| 18.2.2 Магнитный принцип…………………………………………………….. | |
| 18.2.3 Ионизационные принципы……………………………………………… | |
| 18.3 Спектрометрические (волновые) принципы…………………………….. | |
| 18.3.1 Электроакустический принцип…………………………………………. | |
| 18.3.2 Радиоспектрометрические принципы………………………………….. | |
| 18.3.3 Электрооптические принципы………………………………………….. | |
| Контрольные вопросы………………………………………………………….. | |
| Список литературы……………………………………………………………... |
ВВЕДЕНИЕ
Изучение физических величин является основой научных экспериментов, различных испытаний и массовых измерений во всех отраслях человеческой деятельности. Современная практика требует измерений множества физических величин, как электрических, так и неэлектрических.
Данное пособие позволяет студентам получить углубленные знания в области физических основ получения измерительной информации. Эти знания помогут студентам целенаправленно и детально изучить вопросы использования технических средств обработки и представления информации. В настоящее время, в связи с ускорением научно-технического прогресса и внедрением ЭВМ во все технологические процессы, немаловажным фактом является получение достоверной информации. Получение такой информации – прямой путь к точному выполнению заложенной программы или процесса. К сожалению, не все современные приборы измерения и контроля обладают удобным интерфейсом и связью с ЭВМ. Кроме того, для передачи этой информации необходимо правильно ее скомпоновать и подготовить. Для получения и обработки измерительной информации используется анализ и синтез физических явлений и эффектов применительно к конкретному средству измерения, управления, диагностики и контроля.
В пособии рассмотрены два раздела дисциплины: «Измерительные преобразователи» и «Принципы измерения физических величин».
В первом разделе пособия рассматриваются общие вопросы теории измерительных преобразователей: основные определения, классификация, принципы действия, общие характеристики, особенности построения, достоинства и недостатки измерительных преобразователей. Рассматриваются преобразователи не только те, которые стали уже классическими (тензорезистивные, индуктивные, емкостные, реостатные и др.), но и новые, не совсем еще изученные виды преобразователей (волоконно-оптические, акустические, радиоактивные и др.).
Во втором разделе пособия излагаются принципы измерения наиболее встречающихся величин, в основном неэлектрических. При этом сделана попытка найти общие признаки у ряда принципов, кажущихся на первый взгляд различными, и систематизировать их. Такой подход позволяет легче ориентироваться в существующих принципах измерений, выбрать необходимый принцип и средства измерений для решения задачи.
Полученные знания позволяют познать основы взаимодействия физических полей, корпускулярных частиц и проникающих веществ с исследуемыми объектами; узнать основные закономерности построения измерительного тракта различных приборов.
ПЕРВЫЙ РАЗДЕЛ
ПРИНЦИПЫПОСТРОЕНИЯ, ТОЧНОСТЬ, ДОСТОИНСТВА