Глава VI. СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ

1. ИЗМЕРЕНИЯ И ИЗМЕРЯЕМЫЕ ВЕЛИЧИНЫ

Измерения и методы измерений. В настоящее время измерение определяют как нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств [6]. Измерение дает возможность количественного представления величин и независимо от измеряемой величины, метода и средства измерений сводится к сравнению опытным путем размера некоторой величины с размером подобной ей величины, принятой за единицу.

В основе всякого измерения лежит измерительное преобразование, при котором между размерами двух величин устанавливается взаимнооднозначное соответствие. Измерительное преобразование, как правило, осуществляют техническими устройствами, называемыми преобразователями. Преобразуемую величину называют входной, а преобразованную (результат преобразования) — выходной величиной. Как правило, измерения проводят с помощью ряда преобразователей. Первая из входных величин является воспринимаемой. Измеряемой называют физическую величину, подлежащую или подвергаемую измерению. В общем случае не всякая воспринимаемая величина является измеряемой. Часто измеряемая величина только функционально связана с воспринимаемой и извлекается из последней с помощью специального преобразования. Это имеет место, например, при измерении частоты или периода гармонической величины, спектральной плотности случайного процесса и т. д. В ряде случаев эти величины совпадают, например, когда измеряемыми параметрами являются мгновенные значения воспринимаемой величины.

Измерительный преобразователь может иметь несколько входных величин. Так, если результатом измерительного преобразования является, например, мгновенная механическая мощность, то воспринимаемыми величинами являются одновременно сила и скорость. При описании работы преобразователя входные и

выходные величины, абстрагируясь от их физической природы, называют сигналами. Сигналы характеризуют информативными и неинформативными параметрами, которые соответственно функционально связаны и не связаны с измеряемой величиной. Информативный параметр сигнала называют также сигналом измерительной информации. Ниже, если не оговорено, то под входными и выходными величинами и сигналами будем понимать сигналы измерительной информации. Наряду с измеряемой величиной рассматривают также влияющие физические величины, которые не подлежат измерению, но оказывают влияние на результаты измерений данным средством измерений.

При исследовании вибраций механических систем приходится измерять как механические, так и немеханические величины. Механические величины можно подразделить на первичные, которые чаще всего являются процессами или их характеристиками, и вторичные, чаще всего являющиеся характеристиками механических систем (см. раздел 1 гл I и гл. II). В качестве примера немеханических величин отметим частоту, период, сдвиг фазы гармонического или узкополосного случайного процесса.

Важной характеристикой измерений является метод измерений — совокупность приемов использования принципов и средств измерений [6]. Однако в названиях методов часто указывают только главные отличительные особенности метода, например принцип действия (токовихревой, электродинамический, оптический), либо используемые средства измерения (электрические, неэлектрические), либо приемы использования (контактные и бесконтактные, прямого преобразования, уравновешивани

Метод прямого преобразования основан на том, что все преобразования сигналов производят только в направлении от входа к выходу измерительного устройства. Метод измерени й, при котором используется обратное преобразование выходной величины в величину, однородную с входной преобразуемой величиной, и их взаимное уравновешивание с той или иной степенью точности, называют методом уравновешивания [37].

Бесконтактными в метрологии называют все методы измерений, в которых воспринимающим элемент измерительного устройства не приводится в непосредственный механический контакт с объектом, характеризуемым измеряемой величи ной. К ним относят оптические, акустические, вихретоковый, емкостный, индуктивный методы измерения. Эти методы следует отличать от методов измерения с бесконтактной передачей измерительной информации внутри измерительного канала (бесконтактный съем электрического сигнала, передача сигнала с помощью радиоволн и т. д.).

Большинства методов измерения механических величин независимо от принципов действия являются электрическими, исключение составляют простейшие оптические и механические методы. Электрическими называют методы измерений, при которых используют электрические технические средства. Последние обладают такими преимуществами, как простота измерения и большой диапазон возможных значений чувствительности; большое быстродействие, малые габариты; возможность реаишзации сложных математических преобразований при измерениях; создания автоматических и автоматизированных информационно-измерительных систем, измерения на больших расстояниях и т. д.

Классификация измерений. По характеру зависимости измеряемой величины (или функционально связанной с ней величины) от времени измерения разделяют на статические и динамические. Измерения физических величин, размеры которых без потери точности измерений можно принять не зависящими от времени, называют статическими. Измерения, связанные с нахождением изменений физических величин во времени или некоторых мгновенных значений изменяющихся физических величин, называют динамическими. Статическими являются, например, измерения постоянной силы, динамическими — измерения мгновенных значений параметров вибрации, пульсирующего давления.

По способу получения измеряемой величины (результата измерения) измерения разделяют на прямые, косвенные, совокупные и совместные (см. раздел I гл. I). Примерами косвенных измерений являются измерения мощности, модуля и фазы импеданса через сигналы скорости и силы. Примером совокупных измерений

является одновременное измерение компонентов линейного ускорения полюса и углового ускорения твердого тела путем решения в реальном времени системы уравнений, заданных сигналами прямолинейных акселерометров, установленных в различных точках твердого тела (см. гл. VII).

По условиям, определяющим точность результата, различают: 1) измерения максимально возможной точности (эталонные и специальные измерения высокой точности); 2) контрольно-поверочные измерения (измерения, выполняемые специальными лабораториями, при которых погрешность не должна превышать заданного значения); 3) технические измерения, в которых погрешность результата измерения определяется характеристиками средств измерений.

Различают абсолютные и относительные измерения. Измерения, основанные на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант, называют абсолютными. Примером является измерение амплитуды гармонического ускорения через измеренные амплитуду перемещения и период колебания Относительными называют измерения отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную. Примерами таких измерений являются: I) измерение амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) преобразователя в логарифмическом масштабе по отношению к значению АЧХ на некоторой частоте; 2) измерение отклонения АЧХ от ее значения на некоторой частоте или от заданной АЧХ.

К характеристикам измерений относят принцип, метод, процедуру, погрешность, точность, правильность, сходимость и воспроизводимость измерений [6]. Определения этих понятий и пояснения к ним даны в разделе 1 гл. I и в разделе 1 гл XII. Остановимся только на понятиях погрешности и связанной с ней точности измерений.

Погрешностью измерений называют разность между результатом измерения изм и истинным значением х измеряемой величины:

Эта величина есть абсолютная погрешность измерений. Лучшей оценкой качества измерений является относительная погрешность измерений, определяемая по формуле

Относительную погрешность часто выражают в процентах. Если измеряемая величина является функцией времеии, и особенно знакопеременной, то абсолютную погрешность измерения часто, а относительную всегда оценивают через некоторые принятые (представляющие) параметры переменной величины. В качестве таких параметров берут некоторый функционал (среднеквадратичное значение, среднее по модулю значение и так что представляющий параметр не обращается в нуль, если переменная величина не равна тождественно нулю. Если есть переменная величина, принятый для оценки ее размера параметр, то указанные решности равны:

Точность измерений есть характеристика их качества, отражающая близость Результата измерения к истинному значению измеряемой величины Количественно точность измерений выражают через модуль относительной погрешности:

(Подробнее о погрешностях измерений см. гл, XII, а о погрешностях преобразователей - гл. VII и IX).