Измерительное преобразование. Измерительные сигналы
В метрологии информацию о величине называют измерительной информацией, а величины, являющиеся носителями измерительной информации, - измерительными сигналами.
Измерительный сигнал - сигнал, содержащий информацию об измеряемой величине.
Первичным носителем измерительной информации, т.е. первичным измерительным сигналом, является измеряемая величина. Для получения результата измерения, обеспечения удобства хранения, передачи, отображения и др. измерительный сигнал могут подвергать преобразованиям, при которых изменяют параметры и вид сигнала (например, из аналогового сигнала в дискретный сигнал и наоборот) или производят замену величины, носителя измерительной информации, на величину другой природы. Например, силу заменяют перемещением или деформацией, температуру - изменением высоты столбика жидкости или электродвижущей силой и т.д. Эта процедура называется измерительным преобразованием.
Простейшее измерительное преобразование – это изменение масштаба сигнала измерительной информации находит применение в подавляющем большинстве измерительных приборов. Оно позволяет повысить чувствительность средства измерений и улучшить его метрологические характеристики, расширить или изменить диапазон измерения.
Наиболее часто встречающееся преобразование – представление сигнала измерительной информации в виде перемещения указателя (стрелки, светового пятна, самописца и пр.) измерительного прибора или в цифровой форме.
На пути от объекта измерения к показывающему или регистрирующему устройству средства измерений измерительный сигнал может подвергаться нескольким последовательным преобразованиям, которые разделяют на первичное и вторичные. (Первичное преобразование – это преобразование, при котором входным сигналом является измеряемая величина). Особую роль играют первичные преобразования, в рамках которых решается задача замены измеряемой величины на представительную величину. Под представительной величиной здесь понимается величина,
- которая может быть измерена,
- удобная для дальнейшего преобразования,
- средства измерений которой позволяют получить результат измерения с заданной точностью и в требуемой форме и др.,
- и, обязательно, для которой в рамках используемого физического явления или эффекта обеспечивается её однозначное соответствие измеряемой величине.
В этой связи отметим, что не все величины могут быть измерены непосредственно. Так, например, о температуре, давлении, силе, электрическом токе мы судим по эффектам, наблюдаемым при их действии на объекты. Воздействие температуры сопровождается тепловым расширением материалов. Действие силы или давления приводит к деформации тел. Взаимодействие проводника, через который идет ток, с магнитным полем порождает силу, действующую на проводник.
В зависимости от природы измеряемой величины и требований к представительной величине первичное преобразование может состоять из одной или нескольких ступеней. Например, механическая сила, действуя на упругий элемент, деформирует его. Вместе с упругим элементом растягивается/сжимается тензорезистор, изменяются его длина и площадь поперечного сечения и, как следствие, электрическое сопротивление. Изменение сопротивления в электрической цепи позволяет получить сигнал измерительной информации в виде изменения напряжения или силы тока. Однако на пути к отображению измерительной информации полученный сигнал подлежит дальнейшим преобразованиям.
Измерительные сигналы (ИС) могут характеризоваться несколькими параметрами, которые разделяют на информативные и неинформативные. Параметр сигнала, связанный с измеряемой величиной, называют информативным, а все остальные параметры – неинформативными параметрами.
Измерительные сигналы подразделяют по качественным и количественным признакам (рис.1).
| Измерительные сигналы |
| Аналоговые |
| Дискретные |
| Цифровые |
| Постоянные во времени |
| Переменные во времени |
| Непрерывные |
| Импульсные |
| Неслучайные: детерминированные и квазидетерминированные |
| Случайные |
| Элементарные |
| Сложные |
| Стационарные |
| Нестационарные |
| Периодические |
| Непериодические |
| Эргодические |
| Неэргодическиее |
| Гармонические |
| Почти периодические |
| Полигармонические |
| Переходные |
Рис.1. Классификация измерительных сигналов [26]
По характеру представления измерительной информации ИС делят на аналоговые и дискретные сигналы.
Информативный параметр аналогового сигнала может принимать в определенных границах любые значения, дискретного сигнала – только некоторое конечное число значений. Цифровые ИС представляют собой частный случай дискретных сигналов, каждому значению которых поставлены в соответствие определенные комбинации символов некоторого алфавита (например, десятичной или двоичной системы).
По причинно-следственной связи измерительные сигналы делят на детерминированные и случайные.
Детерминированные ИС характеризуются тем, что при повторении условий наблюдения они принимают одни и те же значения или одни и те же последовательности значений.
Случайные ИС наблюдаются при исследовании событий, которые за счет влияния ряда случайных факторов при повторении условий наблюдения наступают случайно в неопределенные моменты времени.
При измерительном преобразовании происходит приведение информативного параметра выходного сигнала в соответствие информативному параметру входного сигнала. Эту процедуру называют модуляцией, сигнал на входе в преобразователь называют модулирующим сигналом, а на выходе из преобразователя – модулированным сигналом. Модулированный сигнал получают перенесением измерительной информации на какой-либо стационарный сигнал, который именуют модулируемым или несущим. (В более узком смысле под модуляцией понимают наложение низкочастотного сигнала на высокочастотный сигнал). Стационарные высокочастотные сигналы воспроизводят измерительные генераторы.
Необходимость модуляции сигналов обосновывается потребностями: передачи измерительной информации на большие расстояния без искажений, одновременной передачи нескольких сигналов по одному каналу, представления сигнала в виде, позволяющем выполнять его автоматическую обработку.
Основными видами несущих сигналов являются:
-сигналы постоянного уровня (постоянные электрические токи и напряжения, давление сжатого воздуха, световой поток, линейные и угловые размеры);
-синусоидальные сигналы (переменный электрический ток или напряжение);
-последовательность прямоугольных импульсов (электрических или световых).
В зависимости от вида модуляции измерительные сигналы классифицируют следующим образом.
Сигналы постоянного уровня - характеризуются лишь одним параметром и поэтому могут быть модулированы только по уровню.
Синусоидальные сигналы - могут быть модулированы по амплитуде, частоте или фазе. В зависимости от того, который из этих параметров сигнала является информативным, говорят об амплитудно-модулированных, частотно-модулированных или фазомодулированных сигналах (рис. 2-4).
Последовательность прямоугольных импульсов - может быть
модулирована по амплитуде (амплитудно-импульсно- модулированные сигналы), по частоте (частотно-импульсно-модулированные сигналы), по фазе (фазоимпульсно-модулированные сигналы) или по ширине импульсов (широтно-импульсно-модулированные сигналы) – рис.5. Сигнал, в котором различным значениям измеряемой величины поставлена в соответствие определенная комбинация импульсов различного уровня, называется кодоимпульсным, или цифровым.
По отношению к измерительному сигналу величины разделяют на активные и пассивные. Активными называют величины, преобразование которых не требует использования вспомогательных источников энергии (примеры, сила электрического тока и электрическое напряжение, механическая сила, температура). К пассивным относят величины, для которых получение измерительного сигнала возможно только при использовании постороннего источника энергии (примеры, масса, индуктивность, твердость, электрическое сопротивление).
| Y(t) |
| t |
Рис.2. Амплитудно-модулированный сигнал –1 и модулирующий сигнал -2
| Y(t) |
| t |
Рис.3. Частотно-модулированный –1 и моделирующий – 2 сигналы
| Y(t) |
| t |
Рис.4. Модулирующий – 1, фазомодулированный - 2 и несущий (опорный, модулируемый) – 3 сигналы
| а) |
| б) |
| в) |
| г) |
| д) |
| t |
| t |
| t |
| t |
| t |
Рис.5. Импульсная модуляция. Сигналы: а) – несущий– последовательность прямоугольных импульсов; б) – модулирующий; в) – амплитудно–импульсно-модулированный; г) – частотно-импульсно-модулированный; д) – широтно-импульсно-модулированный
Измерительное преобразование и измерительное сигналы находят применение при создании средств измерений и являются их важными характеристиками. При этом вся совокупность измерительных преобразований может быть реализована в одном измерительном приборе или в нескольких последовательно соединенных средствах измерений (датчик, измерительные преобразователи, измерительный прибор).
Следует иметь в виду, что при измерительных преобразованиях возможно искажение или потеря части измерительной информации, что отражается на погрешности средств измерений.