Шпаргалки по метрологии (2007г. Томск)

Шпаргалки по метрологии (2007г. Томск)

1. Классификация измерений. Прямые, косвенные, совместные, совокупные.

Измерение- нахожд.знач. ФВ опытным пустеем с помощью спец.тех.средств.

Измерение имеет ряд хар-к: Принцип изм., Метод изм., Качество изм.(Точность, Сходимость, Правильность, Погрешность, достоверность, воспроизведение)

Классификация измерений:

1.по хар-ке точности – равноточные, неравноточные;

2.по числу изм. –однократные, многократные;

3.по отношению к изменению изм.В- статические, динамические;

4.по метрологическому назначению – технические(не связанные с передачей ФВ), метрологические(связанные с передачей размера ФВ)

5.по выражению результата измерений- абсолютные, относительные;

6.по приемам получения результата - Прямые, косвенные, совместные, совокупные.

ПРЯМОЕ ИЗМЕРЕНИЕ

Измерение проводимое прямым методом, при котором искомое значение ФВ получают непосредственно из опытных данных.

КОСВЕННОЕ ИЗМЕРЕНИЕ

Измерение, проводимое косвенным методом, при котором искомое значение ФВ определяют на основании результатов прямых измерений других ФВ (аргументы), функционально связанных с искомой величиной (известная функциональная зависимость).

Во многих случаях вместо термина "косвенное измерение " применяют термин "косвенный метод измерения".

СОВОКУПНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях различных сочетаний этих величин.

СОВМЕСТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для определения зависимости между ними.

2. Классификация методов измерения. Метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой.

Принцип измерения- физ.явл. на которомосновано взаимодействие СИ с объектом измерения.

Методом измерения наз.совокупность приемов сравнения изм.ФВ с ее единицей.

Классификация:

1.по физ.принципу- электрические, магнитные, акустические, механические, оптические..

2.по режиму взаимод. СИ с единицей.изм: статические и динамические.

3.по виду изм.сигналов: аналоговые и цифровые.

4.по совокупности приемов:

-метод непосредственной оценки, знаечние ФВ опред.непосредственно подсчетному устр-ву прибора.

-метод сравнения с мерой, изм.В сравниваемс образцовой В меры:

а)противопоставление, изм.В и мера одновременно воздействует на прибор сравнения с помощью которого устанав.соотношение м/у ними.

б)дифференциальный, на прибор воздействует разность измеряемой и образцовой.

в)нулевой, действие изм.В на прибор полностью уравновешивается образцовой.

г)замещение, изм.В последовательно во времени замещают образцовой, изменяя ее до того же показания прибора, которое было при изменение не известной В.

д)совпадение, изм.В определяют по совпадению разметок шкал или периодических сигналов.

е)дополнения, значение изм.В дополняется образцовой, с таким расчетом, чтобы на прибор воздействовала их сумма, равная заранее заданному значению.

3. Классификация средств измерения. Их характеристики.

Для реализации любого вида измерений необходимы специальные технические средства – средства измерений.

1)Классификация по роли вып-й в системе обеспечения ед-ва измерений:

Метрологические СИ(учавствуют в передачи размерности единицы) и рабочие СИ.

2)По уровню автоматизации: неавтоматические, автоматизированные, автоматические.

3)По уровню стандартизации: стандартизованные и нестандартизованные.

4)По отношению к изм.ФВ: основные и вспомагательные.

5)Классификация по функциональному назначению: Меры ФВ(СИ, пред.для воспроизведения ФВ зад.величины), Средства сравнения(компоратор, СИ длясравнения 2-х однородных величин), Измерительные преобразователи(СИ предназ.для выр.сигнала изм.инф-ии в форме, удобной для передачи дальн.преобразования, обр-ки и хран-я, но непод.непоср.воспр.), Измерительные приборы(СИ, предназнач.для выр-я сигнала в форме цдобной для человека), Измерительные установки(Совместимость функцион.объед-х СИ и вспомогательных устр-в, располож.в одном месте, и предназ-х для выполнения массовых технологических изм.), Измерительные системы(Совместимость функционально объед. изм., выч. и вспомогательных средств для получения измерительной информации, ее преоб-я и обработки с целью представления потребителю в требуемом виде, либо автомат. осуществляя ф-й контроль, значения, идентификации).

Меры, измерительные преобразователи и средства сравнения называют элементарными СИ. Они позволяют реализовать отдельные операции прямого измерения.

Все остальные СИ наз.комплексными. Они позволяют реализовать всю процедуру измерения.

Хар-ки СИ.

Метрологические:

1.Ф-я преобразования(статич.хар-ка преобразования) у=F(x)

2.Чувствительности СИ /S= Δ y/Δx при Δx->/ -абс

/Sот= Δ y/Δx/x / - относит.              

3.Постоянная прибора C=1/S

4.Порог чувствительности(наим. Изсенение измВ, которое вызывает видимое измен вых. Сигнала)

5.Предел чувствительности(мин.В входного сигнала, обесп-я норм.рапотоспособность прибора). 

6.Диапозон изм-й(обл-ть зн-ий изм-й величины, для кот.нормированы допускаемы погрешности СИ) Область значение м/у max и min значениями наз-ся диапозоном показаний, а само max значение – пределом шкалы.

7.Обл-сть рабочих частот(диапазон частот)

8.Цена деления шкалы.

9.Разреш-ся способность – мин.разность двух значений ФВ, которая м.б. различима

10.Входное полное сопротивление.

11.Выходное полное сопротивление.

12.Быстродействие хар-т скорость изм-й: макс.число измерений в единицу t.

13.Погрешности.

Не метрологические хар-ки: Вес, габариты, напрежения питания и др.

4.Классификация погрешностей.

Действительные значения ФВ – найденное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что для поставленной истинной задачи может его заменить.

Классификация:

1)по способу выражения:

а) абсолютная Δ= Хизм- Хист

б) относительная δ= Δ/Хист*100%

в) δпр – приведенная относительная погрешность δпр= Δ/Хнормир.= Δ/Хшк*100%

2)по природе возникновения:

а)методическая, обусловлена упрощениям допущения при выборе модели измерения, несовершенства метода.

б)инструментальная(приборная, аппаратурная)-погрешность установки.

в)внешняя погрешность(за счет влияющих факторов)

г)субъективная или личностная погрешность. Ошибки оператора при отсчете показания. Отсутствие цифровых приборов.

д)погрешность вычисления.

3)В зависимости от поведения изм.В во времени различают погрешности.

4)По условию измерения СИ:

а) основная погрешность СИ, при нормальных условиях эксплуатации, влияющие величины лежат в нормальных границах.

б)дополнительная погрешность, при выходе влияющей величины за пределы нормали.

Погрешность сил в реальных условиях наз.рабочей.

5)По хар-ру зависимости о т изм.В: адьетивную(не зависит от ИВ) и мультипликативную(зависит)

6) По хар-ру проявления:

а)систематические, которые остаются не изменными. Могут быть предсказаны, определенны и устранены. Хар-ет првильность результата.

б)случайные, при повторном измерение одной и той же велечины, изменяется случ. В виде разброса. Хар-ет сходимость результата.

в)грубые погрешности(промахи) погрешность, величина которой существенно превосходит погрешность условленной экспериментом. Промахи выбрасывают из результата. Промахи влияют на годность измерений.

5. Систематические погрешности. Методы обнаружения, методы исключения.

Классификация:

1. По хар-ру изменения во времени:

-постоянные

-переменные

А)монотонно-изменяющиеся

Б)периодические

В)прогрессирующие(дрейфовые)

2.По источнику:

-методические(опред. Путем анализа метода измерения)

-инструментальные

-личностные

Методы устранения:

-Устранение источников погрешности до начала имерения(профилактика)

-Внесение поправок в результат измерения. Результат изм., сод. Систематическую погрешность наз неисправленным. Если же погрешность устранена, то результат исправленный

Хизм=(х+ Δx)+а,  а= - Δx – поправка

-Исключение погрешности в процессе измерения(коррекция)

Понятие несключенного остатка систематической погрешности(НСП)

Δx+- Δ Δсист 

В рез-те измерения всегда есть НСП. Обозначается θ.

Сама НСП носит детерминированный хар-р, но в дальнейшем обрабатывается по правилам случ.величин.

6.Случайные погрешности. Законы распределения, точечные оценки.

F(x)=P(x<X). Интегральный закон 

F’(x)=p(x)        

              дифференциальный закон

P(a<x<b)=∫p(x)dx

∫p(x)dx=1

Начальный момент

Ls[x]= ∫ xsp(x)dx

1)M[x]= ∫ xp(x)dx

Мат.ожидание-фигуры: 

Величина мат.ожидания – сист.погрешность

2) Мs[x]= ∫ (x-м)sp(x)dx – центральный момент

D[x]=G2=∫ (x-м)2p(x)dx

G- средне-квадратическое отклонение(СКО)

3) Sk=M3/G3 харак-ет ассиметрию закона распределения

4) Эксцесс

E=(M4/G4) – 3 хар-ет островершиность

Контрэксцесс e=1/^E

5) Квантиль Хр

Значение случ.величины для которой вероятность р

6)коэффициент корреляции

rij=kji/GiGj

             -1<r<1

Законы распределения случ. Погрешностей

1. Равномерный

2. Трапециадальный

Хар-ет закон распределения двух величин с равномерным законам, но в разных границах.

3. Закон Симпсона(треугольный закон распределения)

Хар-ет сумму двух составляющих, кот.распределены равномерными законами в одних интервалах.

4. Лапласа

5. Арксинусоидальный

6. Закон Гаусса (нормальный закон распределения)

7. Статистические оценки случайных погрешностей. Определение доверительных интервалов погрешностей.

При n неравной бесконечности мат.ожидание не точно определяется.

Оценки:

1.max значение погрешности

2. G- СКП

3. Интервальная (квантильная) оценка – значение погрешности Е с заданной доверительной вероятностью, как границ интервала на протяжение которого встречается Рд всех возможных значений погрешности.

P(|Δx|<E) = Pд

(Хизм-Е)<Xист<(Хизм+Е)

Е=tPдG

Для нормальных изм Рд=0,9

Для радиоэл-х Рд=0,95

Определение доверительного интервала случайных погрешностей.

Для нормального з-на

=F(E)-F(-E)                t=E/G

Рд=Ф(E/G)-Ф(-E/G)=Ф(t)-Ф(-t)=2Ф(t)

tн=Ф-1(Рд/2) ->tн(Рд)

Рд=0,9, tн=1,643

Рд=0,95, tн=1,96

Рд=0,975, tн=2,247

Eрд = tн(Рд)*S

X – распределение ср.ариф-го, рассчитанного по конечной выборке из нормально распределений генеральной совокупности наз. Распределение Стьюдента.

ts(Рд,n)

Ex=ts*Sx= ts(Рд,n)S/^n

При n больших, tn=ts.

При малых n tn и ts сильно различаются, если n>=30-40 tn=ts.

8. Погрешности СИ, их нормирование. Классы точности СИ.

ΔХси=Хси-Хдст

ΔХмеры=Хм.ном-Хм.дст

(Хм.ном-номинальное знаечние меры;

Хм.дст-дейст.знаечние ФВ, воспроиз.мерой)

Нормирование погрешности рабочих СИ производится по пределу суммы сист. и случ. Погрешности.

Классы точности – одна един.цифра в % хар-ет погрешность прибора.

9. Определение результата и погрешности косвенных измерений.

Y=F(x1,x2..xn)

Δyсист=

Δi=Δiсист+Δiсл

10. Обработка результатов прямых равноточных измерений. Идентификация закона распределения случайных чисел. Критерий Пирсона.

11.Правила суммирования погрешностей.(НСП и случайные погрешности)

1) суммирование систематических погрешностей.

M[x+y+z]=M[x]+M[y]+M[z]

,

Где k(0,9)=0,95, k(0,95)=1.1, k(0,99)=1,4

-по равновероятному з-ну СКП

2)Случайные погрешности

Для зависимых

rij=+1 , S=S1+S2

rij=-1, S=S1-S2

Для независимых:

rij=0,

Ei -> tiSi ->Si=Ei/ti, а потом суммирование по общим правилам.

EΣ=tΣ-SΣ, если Рд=0,9 tΣ=1,6; Рд=0,95, tΣ =1,8

3)Сумма случайных и систематических погрешностей

Если отношение , то определяется

а    

(НСП принебригают)

:    

(случ.погр. принебригают)

Если, , где

  ,

12.Сигналы измерительной информации.

Сигнал функционально связывающий с измеряемой ФВ, наз.сигналом измерительной информации.

1. Непрерывный по информативному параметру и по времени.

-амплитудная модуляция АМ

-частотная ЧМ

-фазовая ФМ

2. Непрерывная по инф-му пар-ру и дискретна во времени.

АИМ, ЧИМ, ШИМ

3.Непрывные по времени, квантованные по инф.парам.

4.Квантованные по инф.парам и дискретные по времени

Кодоимпульсные сигналы.

Представление сигналов.

1. Временное представление

U(t)=Um*Sinωt

y(t)=

2. Спектральные пр-е

y(t)=A0+ - ряд Фурье для периодических сигналов

Амплитудный спектр:

Фазовый спектр:

13.Электромеханические приборы – магнитоэлектрической системы, электромагнитной, электромеханической систем, электростатической системы. Принцип действия, уравнения шкалы, области применения, условные обозначения на шкале.

Аналоговыми наз. Приборы, показания которых являются непрерывной ф-ей измерений величины.

э/мех приборы состоят:

-измерительная цепь

-измерит.мех-зм

-отсчетное устр-во

-вспомогательное устр-во(успокоитель,корректор, арретир)

Изм.мех-м преобразует энергию э/маг поля в поворот вращающийся части прибора.

Мвр=dWэм/dα – вращающийся момент

Мпр=W*α – противодействующий момент.

Логометр – прибор, в котором противодействующий момент созд.электр.полем.

Вспомогательное уст-во: Успокойтель гасит колебания стрелки. Арретир – только в гальванометрах, не позволяет им выходить из строя.

1. магнитоэлектрическая  система

Вращающийся момент возникает в результате взаимодействия магн.поля простого магнита и магнитного поля катушки с током.

Достоинства:

-высокая чувствительность до нА

-высокая точность

-малое собственное потребление жнергии

-слабое влияния внеш.полей

-низкая температурная погрешность

-линейная и стаб-я хар-ка преобрпзования.

Недостатки:

-малая перегрузочная способность по току.

-сложность, дороговизна.

Применение:

Основной прибор(индикатор) в электронных СИ.

Гальвонометры, Логометры

2.Электромагнитная система.

Вращающийся момент за счет взаимодействия одного или нескольких ферромагнитных сердечников подвижной части и магнитного поля неподвижной катушки.

Достоинства:

-простота констукции

-способность выдерживать высокие нагрузки и перегрузки

-измер и пост.и переем.ток

-дешевизна

-надежность

Недостатки:

-низкая чувствительность

-малая точность

-сильное влияния внеш.полей

Применение: основная часть счетовых приборов. Для измерения токов, напряж-й, частот, фаз и тп.

3. Электромеханическая система

Вращ.момент за счет взаимодействия магнитных полей неподвижной и подвижной катушки.

Достоинства:

-достаточно точны

-изм. Постоянный и переменные токи до 10кГц

-высокая стабильность св-в

Недостатки:

-низкая чувствительность

-влияния внешних полей

-сложность в изучение

-мала перегрузная способоность

Применение: Для изм-я пост/перем токов и напр-й, мощ-ти, разности фаз и тд.

4.Электростатические

Вращающий момент за счет взаимод-я 2-х систем зар-х проводников, один из кот-х неподвижный, а другой подвиж.

Силы взаимодействия э/с полей в порядки раз меньше, чем у э/м полей.

Достоинства:

-малое собственное потреб-е

-слабая чувст-ть к частоте и форме напр-я

-возм-ть измерения выс-х напр-й до 100 кВ

Недостатки:

-малая чувствительность

-сильное влияние внеш.полей

Применение: для изм-й напр-й в диапозоне частот до 100 кГц и до 100 кВ.

14.Электромеханические приборы с преобразователями – выпрямительные и термоэлектрические. Принцип действия, дост и недост, применение.

а)выпрямительные приборы, выполнены чаще всего на полупроводниковых диодах, исп. Однополупериодные и двух-полупериодные.

Достоинства:

-работает с любыми пер-ми токами и напр-ми.

-диапазон частот до ГГц

Недостатки: Маленький

б) термоэлектрический

Достоинства: высокая точность в изм-м диапозоне частот при любой форме сигнала.

Недостатки:

-малая перегру-я спос-ть

-зависимость показ.от температуры окр.ср.

-ограниченный срок службы.

15. Классификация цифровых измерительных устр-в. Основные хар-ки цифр.уст-в.

Цифр.изм.прибором наз.прибор автоматически вырабатываемый дискретные сигналы измерит. инф-ии, показания кот-го представлены в цифровой форме.

Процесс, включающий в себя дискретизацию, квантование и кодирование вх-й величины наз.аналого-цифровым преобразованием.

16. Вольтметры постоянного напряжения. Компенсаторы.

17. Вольтметры переменного напряжения. Классификация. Обобщенные структурные схемы. Виды детекторов.

1) прямого преобразования

U(t)àПà УПТà ИМ

U(t)à Упà Пà ИМ

Напряжение измеряется путем преобразования его в постоянное напряжение.

Преобразователи переменного тока в постоянный существует 3 вида детектора:

Um(амплитудный), Uср.в(средневыпрямленное значение), Uд(среднеквадратичное значение)

2)уравновешенные преобразования

ВУ содержит делитель, ПОС- преобразователь цепи обратной связи

18. Влияния формы кривой напряжения на показания вольтметра переменного тока.

U(t)àД àШкала

Uш*0,707 = Ап1

Uср.в.*1,1=Ап2

U*1=Ап3

Um=max(U(t))

C1*Ums=Us

C2*Uср.вs=Us

C3*Us=Us

C1,C2,C3- градуирующий коэффициент

С1=Us/Ums=1/Kas=1/^2=0,707

C2=Us/Uср.вs=Kфs=1,11

U(t)àЭл.цепьàV

19. Цифровые вольтметры с время импульсным преобразованием.

В основу работы цифровых вольтметров постоянного тока с время-импульсным преобразованием положен время-импульсный метод преобразования постоянного напряжения в пропорциональный интервал времени с последующим измерением длительности интервала цифровым способом. Структурная схема вольтметра

Измеряемое напря­жение подаётся на входное устройство, в котором напряжение приводится к некоторому номинальному пределу с помощью делителя напряжения и далее поступает на усилитель постоянного тока. В усилителе оно усиливается до величины, не превышающей максимального уровня сигнала генератора ли­нейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН), чтобы обеспечить сравнение этих напряжений. Запуск схемы осуществляется управляющим устройством, им­пульсы которого одновременно производят сброс счетчика перед каждым из­мерением и срабатывание формирователя измерительных импульсов. Работа цифровой части вольтметра поясняется временными диаграммами:

Импульсы управляющего устройства (а) запускают ГЛИН, вырабатывающий симметричное линейно-изменяющееся напряжение (6). Это напряжение, являющееся образцовым, поступает на устройство сравнения (компаратор) двух напряжений, где производится сравнение измеряемого напряжения с выхода усилителя постоянного тока и напряжения ГЛИН. В момент равенства двух напряжений устройство сравнения выраба­тывает импульс (г), которым производится срабатывание формирова­теля импульсов, роль которого выполняет триггер с раздельным запуском. Другое срабатывание триггера осуществляется импульсом управляющего устройства, проходящего через линию задержки, осуществляющую задержку импульса на величину, равную половине прямого хода сигнала ГЛИН (в). Таким образом длительность импульса формирователя (д) будет пропорциональна измеряемому напряжению Δt = kUx, где к - коэффициент пропорциональности, характеризующий угол наклона пилообразного напряжения. Импульс формирователя поступает на ключ, пропускающий за это время сигналы генератора счетных импульсов на вход счетчика. Цифровое измерительное устройство отображает на цифровом таб­ло количество счетных импульсов N = Δtf0 (е). Полярность измеряе­мого постоянного напряжения определяется очерёдностью срабатывания формирователя импульсов и соответствующий сигнал «-» или «+» подаётся в цифровое измерительное устройство.

Погрешности: зависит от линейности и отклонения скорости изменения пилообразного напряжения от номинальной, стабильности часто­ты генератора счетных импульсов, чувствительности сравнивающего устрой­ства, точности установки импульса нулевого уровня и др.

Недостатки: влияние различных помех на результат измерения.

По лекциям:

UxàTxàN

а) с помощью линейно-измен. Напряжения

б) интегрирования

а)

tx=Ux/Vмин

N=tx/T0=fotx=f0/Vмин*Ux

Причины возникновения погрешности:

-нестабильность ЛИН

-Настабильность частоты ГОЧ

-погрешность дискретности (Δ+-t0; δ=1/N)

20. ЦВ, исп. Метод двойного интегрирования.

Uàtx

T1*Ux=U0*T2

Ux=T2/T1*U0=N2*T0/N1*T0=U0/N1*N2

Uвып=∫Uxdt=Uxt

Прибор помехоустойчив

Причины возникновения погрешностей:

-интегратор не идеален.

-СУ имеет порог чувствительности

21. Цифровые интегрирующие вольтметры(с частотно-импульсными преобразованиями)

UxàfxàN

Fx=k*Ux

N=Tизм/Tx=Тизм*Fx=Tизм*K*Ux

Причины погрешности:

-неидеальность интегратора

-порог чувствительности СУ

-нестабильность U0

-нестабильность Тизм

-стандартная погрешность дискретности

Общие погрешности дост-т порядка 10-4 – 10-5

22. ЦВ уравновешивающего преобр-я

Погрешности: погрешности ЦАП и порог чувствительности СУ.

23. Структура и принцип действия универсального электронного осциллографа. Основные характеристики.

Универсальные С1-…

Для исследования периодических сигналов в полосе частот до 500 мГц. Амплитуда от мВ до 100В. Длительность сигнала от мс до с. Осциллограф в реальн. масштабе времени.

Y – канал вертикального отклонения:

1)ВУ обеспечивает высокое входное напряжение, коммутирующий емк-ть, открытый и закрытый вход, тут же стоит делитель.

2)ПУ- предварительный уселитель.

3)ЛЗ – линия задержки(не во всех приб.=0,1 мкс) для возможности просмотра переднего фронта импульса.

4)Вых У – выходной усилитель для усиления сигнала до полн.отклонения луча экрана.

Х – канал горизонтального отклонения:

ГР – генератор развертки. Для формирования пилообразного напряжения развертки, обеспеч. Линейного перемещения луча.

Тр=nTс, n=1,2,3

Tp=tпр+tобр

Изменяет масштаб изображения по горизонтали.

Требование:

-высокая  линейность напряжения

-большой диапазон частоты

БС- блок синхронизации и запуска. Для получения устойчивого изображения сигнала.

УГО – усилитель горизонтального отклонения, увеличивает сигнал развертки, чтобы луч мог двигаться полностью по экрану.

Канал Z предназначен для установки яркости изображения.

КА и КД –калибраторы амплитуды(длительности). Для повешения точности измерения путем поминального значения коэффициента развертки.

Режим работы осциллографа:

1. Автоколебательный – режим непрерывной развертки. Для анализа периодических сигналов с небольшой скважностью.

2. Ждущий. Для исследования импульсов с большой скважностью.

3. Однократный(не во всех)

4. Растягивание во времени путем измен.коэф-та УГО.

5. Быстрой/медленной развертки(не во всех)

Виды развертки: Линейная развертка, круговая, спиральная.

Основные хар-ки:

1.АЧХ

2.Переходная – отклик на экране осциллографа на скачок напряжения на входе У

3. Коэффициент отклонения

Kо=1/Sч, Sч=Кус*Sэлт

Ко=U/ly [В/дел]-масштаб по У

4.Коэффициент развертки

Кр=tпр/lx [c/дел]

V=lx/tпр – скорость движения луча.

5. Zвх

НЧ Rвх>=1 МОм; Свх=30-50 пФ

ВЧ Rвх>=0,5 МОм; Свх = 3-5 пФ.

24. Осциллографические методы измерения параметров сигналов. Погрешности измерений.

1) U=Kотк[V/дел]*ly[дел]*Mo;   Мо=1;10

2) t=Кр[c/дел]*lx[дел]*Мр

Погрешности

Систематические:

1)

Uизм*b=Uдейст

2)

3) случайная визуальная погрешность

Δобщ = 0,4*q/l

q – ширина луча(из пасп. данных)

25. Цифровые осциллографы

26. Времяимпульсный измеритель временных интервалов. Принцип действия, структура, погрешности.

tàN

структурная схема:

 где

Эпюр напряжения:

Погрешности:

-относительная нестабильность ГОЧ

-погрешность дискретности. Определяется значением периода счетных импульсов То.

-погрешность δф преобразования(нестабильность порога срабатывания формирователей)

27. Нониусный измеритель временных интервалов.

Данный метод позволяет уменьшить обе составляющие погрешности – в начале измеряемого интервала и в конце.

Реализация метода:

Импульс «старт» запускает генератор ГОЧ1. Импульсы с периодом Т1 поступают на счетчик СЧ1, где подсчитываются. Импульс «стоп» запускает ГОЧ2 с периодом повторения нониусных импульсов Т2 = Т1 - ΔT = Т1 -Т1/р,  обычно  р = 10,100. Число этих импульсов подсчитывает СЧ2. Импульсы с ГОЧ1 и ГОЧ2 поступают на входы схемы совпадения СС, на выходе которой при совпадении счетных и нониусных импульсов возникает импульс «оста­нов», срывающий работу обоих генерато­ров. При этом количество импульсов N1 и N2 фиксируется счетчиками. Арифметическое устр-во АУ рассчитывает величину временного интервала

tx = (N1 -1)Т1 - (N2-1)Т2 =T1(N1-N2) + Т1/р(N2-1)

где величину ΔT =T1/p, определяющую шаг дискретизации, называют шагом нониуса.

Видно, что дискрет измерения tx уменьшается в р раз. Но выбирать большие значения р нецелесообразно, так как начинают преобладать другие виды погрешностей (нестабильность управляемых ГОЧ, погрешности определения момента совпадения импуль­сов и т. д.).

28. Электронные аналоговые частотомеры(в том числе резонансные)

1)Аналоговые электронные частотомеры применяются для измерений в более широком диапазоне частот (от 10 Гц до нескольких МГц). В основном используют преобразование частоты в напряжение, которое затем измеряется магнитоэлектрическим прибо­ром.

Схема:

Формирователь Ф из входного сигнала формирует последовательность импульсов частотой fx, управляющем переключателем Кл. Работа основана на заряди емкости Со от источника образцового напряжения Uо с последующим разрядом через сопротивления Ro. На Ro формируются импульсы с постоянной площадью, среднее значение которых

Измеряется вольтметром V. Погрешность определяется в основном стабильностью Ro, Co, Uo и вольтметром. Классы точности 0,5-2,5.

2)Резонансные частотомеры

Работа прибора основана на явление резонанса в колебательном контуре.

Справедливо при резонансе, а значит fx=fp.

Метод в основном используется в диапазоне высоких и сверхвысоких частот (от МГц до десятков ГГц). Погрешность определяется добротностью контура, чувствительно­стью индикатора, точностью градуировки шкалы, температурой и влажностью окружаю­щей среды. Классы точности частотомеров 0,05-0,5.

29. Цифровые частотомеры

В настоящее время нашли наиболее широкое распространение. Основаны на том, что для измерения частоты fx периодического сигнала достаточно сосчитать число его

периодов за известный интервал времени То . Результат измерения определяется соотношением

Схема:

Формирователь Ф из Uвх формирует импульсы с частотой fx. Устройство управления УУ формирует из стабильных колебаний генератора образцовой частоты ГОЧ с помощью делителя частоты ДЧ строб-импульс длительностью То, открывающий ключ Кл. За время То на счетчик Сч проходит N импульсов с периодом Тх. Обычно берут T = 10-к  с  (К = 0, 1, 2 . . .), тогда fx= N*10-k  Гц. Значение множителя 10-k учитывается положением запятой или включением соответствующей надписи (Гц, кГц, МГц и т. д.) на цифровом отсчетном устройстве ЦОУ.

Погрешности:

-нестабильность ГОЧ

-погрешности дискретности

30. Цифровые фазометры с времяимпульсным преобразованием

Этот метод нашел широкое распространение, т. к. позволяет несколько уменьшить погрешность измерения по сравнению с рассмотренными ранее вилами фазовых измерения. При этом различают:

а) Фазометры с измерением за один период (фазометры мгновенных значений фазового сдвига).

Формирователь Ф и устройство управления УУ из входных сигналов создают последовательность импульсов с длительностью ΔТ. Ключ КЛ1 открывается на время Т, а КЛ2 на время ΔТ. Пропуская на счетчики СЧ1 и СЧ2 импульсы с частотой fo с генератора образцовой частоты ГОЧ. Счетчик СЧ1 осуществляет подсчет числа счетных NT, соответ периоду Т, а счетчик СЧ2- числа счетных импульсов NΔT, соответ. периоду ΔT. В АЛУ осуществляется вычисление величины фазового сдвига  

которое отображается в цифровом отсчетном устр-ве ЦОУ.

Погрешность:

-нестабильность ГОЧ

-дискретность кодирования интервала

б) Фазометры с постоянным временем измерения (фазометры с усреднением ).

Формирователь Ф формирует импульсы длительностью ΔТ, пропорциональной из­меряемому фазовому сдвигу. Ключ КЛ1 открывается на время ΔТ и пропускает N счетных импульсов частотой fо с генератора образцовой частоты ГОЧ. Ключ КЛ2 открыт на дли­тельное время измерения Тизм , формируемое устройством управления УУ с помощью де­лителя частоты ДЧ из импульсов высокостабильного ГОЧ. При этом время Тизм для по­стоянной частоты входного сигнала обычно выбирается кратным периоду входных сигна­лов, т. е. Тизм = m-Т . Тогда счетчик за время Тизм подсчитает число импульсов:

n- коэффициент деления делителя частоты.

Недостаток: большое время измерения , зависящее от частоты исследуемого сигнала и необходимой точности измерений.

31.Фазометры с промежуточным преобразованием сдвига фаз в напряжение.

Структурная схема и эпюр:

Усилители - ограничители превращают входные синусоидальные сигналы в пря­моугольные (меандры). Формирователи Ф1 и Ф2 получают последовательности коротких

импульсов, совпадающих во времени с моментами перехода входных напряжении через нуль с одинаковой, например, положительной производной. На выходе триггера создаются импульсы длительностью ΔT, характеризующей величину измеряемого фазового сдвига. Формирователь Ф3 стабилизирует размах Uм этого импульсного напряжения. Фильтр нижних частот ФНЧ выделяет среднее значение напряжения, которое измеряется вольт­метром. При этом может быть использован как аналоговый, так и цифровой вольтметр. Постоянная составляющая импульсной последовательности:

Погрешность:

-преобразование φ в интервал времени ΔТ, а затем в постоянное напряжение.

-нестабильность Um

-погрешность вольтметра

32.Фазометры уравновешивающего преобразования(компенсационные)

Метод основан на сравнении измеряемой разности фаз с образцовой, воспроизводимой фазовращателем.

Сигналы U1(t) и U2(t) поступают на установочный φу и измерительный φобр  фазовращатель, а затем подводятся к индикатору ИНД разности фаз.

Индикатор позволяет фиксировать точно некоторое значение разности фаз (напри­мер, φ= О или φ= 90°). Измерительный фазовращатель может быть проградуирован в значениях φ.

При измерениях сначала калибруют фазометр с целью устранения собственных фа­зовых сдвигов обоих каналов прибора, для чего подают на оба входа одно и то же напря­жение. Измерительный фазовращатель при этом устанавливается на ноль, а установочным

устанавливают индикатор в требуемое состояние (либо φ = 0 , либо φ = 90°). После это­го производят непосредственно измерение. Подают на фазометр оба сигнала и, регулируя измерительный фазовращатель, добиваются отсчетного состояния индикатора. Данный процесс может осуществляться как вручную, так и автоматически с помощью устройства управления УУ. Результат измерения считывается с измерительного фазовращателя.

Погрешность:

-не точность градуировки образцового  фазовращателя и разрешающей способности индикатора.

33.Мостовые методы измерения параметров цепей. Виды мостов. Их особенности. Области применения.

1. Мост 

z – комплексное сопротивление.

Различают уравновешенные (где V=0 в изм. диагонали) и неуравновешанные.

Условия баланса моста: z1*z4=z2*z3

Хар-ка моста:

1) Чувствительность S=Δy/Δx

Sm=Δα/(Δz/z) – относительная чувствительность, где Δα – показ-я вольтметра/гальвонометра; z – знач.образц.величины при балансе; Δz – отклонение.

2) Сходимость

Возможность достижения равновесия моста опред.кол-м переходов от одного элемента к другому.

Питание моста:

Для изм.актив.сопр-ий – постоян.напр.

Для изм.реакт.сопр-ий – перемен.напр.

Мосты в которыx сопр-е Zобразц.включается в смежное с Zx плечо моста наз-ся мостами отношения вспомогательных плеч Zx*Z4=Z2*Z0 => Zx=(Z2/Z4)*Z0.

Мосты в которых обр-е Zобр вкл-ся в противополож. с Zx плечом наз-ся мостами проводимости.

Разновидности мостов:

-Четырехплечий: имеет плохую сходимость; нет заземления; не может измерять низкое сопротивление.

-Шестиплечий(двойной): сопротивление до 10-5 Ом; Хорошая сх-ть; нет заземления;

-Т- образный мост, до 50 МГц;

-Трансформаторный, до 300-400 МГц.

Погрешность мостов:

1)погрешности образцовых элементов

2)погрешность балансировки моста

3)погрешность за счет паразитных эл-ов

4)неточность отсчета по шкалам.

34.Цифровые измерители параметров цепей с предварительным преобразованием параметра в напряжение.

zàt

35. Цифровые измерители параметров цепей с времяимпульсным преобразованием.

zàtxàN

Cx=(1/(Ro*fo))*N

Uc(t)=Uo*e-t/τ

τ =Cx*Ro

при t= τ , Uc=Uo/e

tx= τ=Cx*Ro

N=tx/To=Ro*Cx*fo

Погрешности: точность делителя, нестабильность ГОЧ, погрешность дискретности.

Суммарная погрешность до 1%.

36.Контурный метод измерения параметров цепей. Куметр: принцип действия, структура, основные хар-ки, измерения.

Метод измерения заключается в определении собственной резонансной частоты колебательного контура, составленного из образцового и измеряемого элементов.

Значение измеряемого параметра вычисляется из формулы:

Резонансный метод применяется на высоких частотах для измерения индуктивности, емкости и сопротивления потерь в них. Основным преимуще­ством метода является то, что измерение можно производить на рабочих час­тотах.

Измерение добротности контура резонансным методом основано на извест­ном из теории цепей определении добротности контура как отношении на­пряжения на реактивном элементе в момент резонанса к величине э.д.с, вво­димой в контур. Значит, определяя значение э.д.с. Uo по индикатору И1 и напряжение Up по индикатору И2 при настройке контура в резо­нанс, можно определить добротность контура.

Для непосредственного определения добротности индикатор И2 градуи­руют непосредственно в значениях добротности при некотором фиксирован­ном значении э.д.с. Uo, вводимом в контур.

Погрешность: точность настройки в резонанс, точность индикаторов, влияние входного сопротивление, влияния магнитного поля катушки.

37. Генераторный метод измерения параметров цепей.

Генераторный метод, являющийся разновидностью резонансного, основан на изменении частоты генератора при включении в измерительный контур измеряемых ёмкости или индуктивности.  структурная схема прибора, в котором реализован генераторный метод.

Схема имеет два идентичных генератора Г1 и Г2. В контур первого из них включены образцовые конденсаторы переменной ёмкости, в контур вто­рого генератора последовательно с катушкой индуктивности, изменяемой дискретно в зависимости от выбранного предела измерения, включают измеряемую катушку Lx . Если же измеряется емкость то зажимы Lx закорачивают, а измеряемый конденсатор включают параллельно контуру генератора Г2 (за­жимы Сх).

До включения измеряемых индуктивности и ёмкости оба генератора настраивают на одинаковую частоту по нулевым биениям, для чего преду­смотрены смеситель и фильтр нижних частот ФНЧ. Нулевые биения фикси­руются либо по телефонам, либо по индикаторам, на которые поступает сиг­нал нулевых биений, проходя через детектор. После подключения измеряемо­го элемента в контур Г2 частота его изменяется и разностная частота с выхо­да смесителя не проходит через ФНЧ. Перестраивая частоту первого генера­тора образцовым конденсатором, вновь добиваются равенства частот генера­торов. Изменение ёмкости образцового конденсатора однозначно определяет измеряемые индуктивность или ёмкость. Примечательным является то, что как при измерении емкости, так и при измерении индуктивности градуи­ровка сохраняется и имеет линейный закон. Это позволяет с высокой точно­стью производить измерение индуктивности в пределах от 100 нГн до 1 мГн и емкости в пределах от 10 пФ до 10 нФ с точностью не хуже 1-1,5%.

38. Панорамные измерители амплитудно-частотных хар-к цепей.

Панорамные автоматизированные измерители АЧХ, построенные на основе генератора с качающейся частотой и электрон­но-лучевого индикатора. Структурная схема панорамного измерителя АЧХ:

Основой прибора является генератор качающейся частоты ГКЧ, охва­ченной петлей стабилизации амплитуды с блоком автоматической регулиров­ки амплитуды АРА. Изменение частоты генератора производится чаще всего по пилообразному закону сигналом генератора модулирующего сигнала ГМС, напряжение которого одновременно поступает на горизонтально-отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки ЭЛТ. Синусоидальный сигнал с переменной частотой и постоянной амплитудой от ГКЧ поступает на исследуемый четырехполюсник X, вызывая на его выходе отклик пропорцио­нальный АЧХ четырехполюсника. Синусоидальный отклик детектируруется детектором Д, затем усиливается линейным усилителем постоянного тока У и поступает на вертикально - отклоняющие пластины ЭЛТ. Для создания час­тотной шкалы на экране ЭЛТ используется генератор частотных меток ГЧМ, жестко синхронизированный с перестройкой частоты ГКЧ, иначе невозможно наблюдение неподвижных частотных отметок. Калибровку по амплитуде производят замыканием накоротко исследуемого четырёхполюсника при его предварительном включении.

39. Измерение мощности в цепях звуковых и высоких частот.

В диапазоне звуковых и более высоких частот применение электродинамических приборов недопустимо из-за большого влияния паразитных ёмкостей и значительной индуктивности катушек. Поэтому на частотах до 1МГц используют квадратичные преобразователи, в качестве которых используются либо полупроводниковые диоды, либо термоэлектрические пре­образователи. Работа таких ваттметров поясняется по структурной схеме,  где  в  качестве  квадраторов  используются  вышеупомянутые преобразователи.

Подавая на вход схемы напряжение u=Um*sinωt, пропор­циональное напряжению на нагрузке и напряжению Ri, пропорциональное току через нее i = Im sin(ωt + φ), на выходе перемножителя с квадраторами сигнал   будет   содержать   постоянную   и   переменную   составляющие 4Rui = 4Ruicosφ-4RUI cos(2ωt- φ).

Постоянная составляющая этого на­пряжения, пропорциональная мощности UIcos φ), измеряется магнитоэлек­трическим прибором. Приборы называются по типу применяемых преобразо­вателей: выпрямительными или термоэлектрическими. Поскольку на изме­рительный прибор ответвляется только часть мощности, выделяемая на нагрузке, приборы эти относят к ваттметрам проходящей мощности, в отличие от ваттметров, где вся мощность поглощается в измерительном при­боре.

40. Измерение мощности на СВЧ  Калориметрический, термоэлектрический, терморезистивный ваттметры: принцип действия, погрешности.

Калориметрический метод относится к наиболее точным при измере­нии высокочастотной мощности. Используется при измерении больших и средних мощностей в широком диапазоне частот (до сотен ГГц). Метод ос­нован на преобразовании электрической энергии в теплоту, которое нагревает некоторое рабочее тело. Нагрев осуществляется либо в статических, либо в проточных калориметрах. В качестве нагреваемого тела обычно используется вода. В наиболее часто применяемых проточных калориметрах вода, протекая через резервуар, в который помещена нагрузка, нагревается. По разнице температур на входе и выходе, измеряемой термометрами T1 и Т2 определяют значение падающей в нагрузке мощности. При непосредственном измерении вместо термометров устанавливают термопары при встречном включении и по микроамперметру определяют мощность. В технических из­мерениях калориметрический метод позволяет определить мощность с по­грешностью 5-7%.

Болометрический и термисторный методы основаны на изменении сопротивления терморезистора, помещенного в волноводный или коаксиаль­ный СВЧ - преобразователь, в котором создаются условия для рассеивания на нём всей измеряемой мощности, как на оконечной нагрузке. Терморезистор зачастую включают в мостовую схему, работающую на постоянном или низ­кочастотном токе. По разбалансу моста от изменения сопротивления термо­резистора определяют значение падающей мощности. Болометр представля­ет собой тонкую вольфрамовую нить (3-5 мкм) длиной меньше 0,1 X, запаян­ную в стеклянный баллончик.

Они имеют положительный температурный ко­эффициент, невысокую чувствительность и сопротивление 5-10 Ом. Допус­тимая мощность рассеивания таких болометров до 2 Вт на частотах до 1 ГГц. На частотах до 10 ГГц используются плёночные болометры, имеющие сопротивление до нескольких сот омов. Термистор изготавливают из полу­проводникового материала с впрессованными в него тонкими платиновыми проводниками. Бусинку из такого материала помещают в стеклянный баллон­чик. Сопротивление термистора изменяется в широких пределах и имеет от­рицательный температурный коэффициент. Для улучшения согласования рабочая точка термистора регулируется предварительно подогревом постоян­ным током или током низкой частоты. Чувствительность термисторов в несколько раз выше чувствительности болометров, потому они применя­ются для измерения малых и очень малых мощностей в диапазоне частот до 100 ГГц. Погрешность термисторных ваттметров без учета рассогласова­ния составляют 3-10%, болометрических до 1,5%.

Пондеромоторный метод измерения мощности на СВЧ заключается в использовании механического (пондеромоторного) действия электромаг­нитного поля на тела, расположенные в поле, воздействия индуцированных в них электрических зарядов и токов.

Подобные ваттметры измеряют проходящую мощность более 1 Вт в диапазоне частот свыше 1000 МГц с точностью 1-1,5%.

41. Измерение коэффициента гармоник сигнала.

42. Параметрические преобразователи неэлектрических величин в электрические(параметрические датчики). Виды, достоинства, недостатки, области применения.

Выходной величиной таких ИП является параметр электрической цепи (R, L, М, С). Для обеспечения процесса измерения с помощью таких ИП тре­буется внешний источник питания.

1)Реостатные преобразователи.

Основаны на изменении электрического сопротивления проводника под влиянием входной величины - перемещения.

Измерительные цепи: равновесные и неравновесные мосты, делители напряжения.

Достоинства:

-Высокая точность преобразования

-Большие выходные сигналы

-Простота конструкции

Недостатки:

-наличие скользящего контакта, что приводит к достаточно быстрому износу.

Погрешности:

-Температурная

-Дискретности

Область применения: для преобразования относительно больших пе­ремещений и других неэлектрических величин, которые могут быть преобра­зованы в перемещение (усилие, давление, уровни жидкостей и т.д.).

2)Тензочувствительные

Основаны на тензоэффекте, заключающемся в изменении активного со­противления проводника (полупроводника) под действием вызываемого в нем механического напряжения и деформации.

K=(ΔR/R)/( Δl/l) – коэффициент тензочувствительности.

Погрешности:

-сильная температурная зависимость сопротивления тензорезистора

Достоинства:

-линейность статической характеристики преобразования;

-малые габариты и масса, простота конструкции.

Недостатки:

-Относительно малая чувствительность.

-Плохая воспроизводимость параметров.

Область применения: для измерения деформаций и других неэлектри­ческих величин, которые могут быть преобразованы в деформацию - усилий, давлений, моментов, ускорений и т.д.

3)Терморезисторы

Основаны на зависимости электрического сопротивления проводников или полупроводников от температуры. По режиму работы делятся на:

-перегревные,

-без преднамеренного нагрева.

По виду материала, из которого изготовлены терморезисторы, различа­ют:

-металлические терморезисторы (болометры);

-полупроводниковые терморезисторы.

Измерительные цепи для терморезисторов - мосты, логометрические приборы.

Погрешности:

-отклонение характеристики преобразования от номинальной;

-изменение сопротивления внешних цепей (соединительные провода, контакты).

Достоинства:

-Достаточно высокая чувствительность, особенно у полупроводнико­вых терморезисторов.

-Малая инерционность (высокое быстродействие).

-Относительно малые размеры (особенно у термисторов).

-Высокая надежность и малая стоимость.

Недостатки:

-Малые значения начальных сопротивлений у металлических термо­резисторов.

-Узкий диапазон рабочих температур для полупроводниковых термо­резисторов.

-Плохая воспроизводимость характеристик для полупроводниковых терморезисторов.

Область применения: терморезисторы без преднамеренного перегрева - измерения температуры и физических величин, ко­торые могут быть преобразованы в температуру. Перегревные терморезисто­ры - для измерения самых различных физических величин.

Страницы: 1, 2