Понятие об измерительном сигнале. Основные термины

Рис. 3. Структура облучения человека за счет ЕРФ.

Рис. 2. Дозы, получаемые от естественного радиационного фона, мк Зв.

Про

		Ториевый ряд (336)
		Вне ря- дов 40K(330) 87Rb(6)

нионп

Икусственные

ПРИРОДНЫЕ

Под сигналом будем понимать, следуя ДСТУ 2681-94, любой физический процесс свойства которого определяются взаимодействием между материальным объектом и сред­ством его исследования. Сигнал может иметь довольно сложную структуру, для описания которой используют определенное количество переменных или параметров.

Параметром сигнала называется какое-либо свойство сигнала, являющееся физичес­кой величиной.

В случае выполнения измерительных процедур особый интерес представляют те параметры сигнала, которые функционально связаны с исследуемой или измеряемой величи­ной, либо имеют заданное значение. Такие параметры называются информативными. Если сигнал имеет один или несколько информативных параметров, такой сигнал называется измерительным сигналом. Измерительный сигнал является материальным носителем измерительной информации.

Сигнал, который возникает при взаимодействии объекта измерения и средства изме­рительной техники, называется входным (измерительным) сигналом (рис.4.1). Сигнал, который представляет измерительную информацию на выходе СИТ, называется сигналом измерительной информации.

Величины, характеризующие объект измерения, делятся на актив­ные и пассивные. Активные величины характерны для активных энер­гетических процессов (электрический ток, напряжение, механическая сила, давление и т.п.). Активная величина сама по себе является носителем информации и является измерительным сигналом.

При измерении пассивной величины измерительный сигнал созда­ется путем воздей­ствия на эту пассивную величину некоторой актив­ной вспомогательной величиной W (рис.14.1).

Классификация сигналов, используемых в измерительной технике, производится по нескольким критериям: по видам физических процес­сов, которые имеют место в объекте измерения; по характеру измене­ния во времени – на постоянные и временные; переменные сигналы подразделяются на неслучайные и случайные (рис.4.1).

В средствах измерительной техники измерительный сигнал подве­ргается различным преобразованиям. Соответственно различают непре­рывные, дискретизированные во времени, квантованные по уровню ин­формативного параметра либо дискретизированные и квантован­ные одновременно сигналы.

Виды сигналов представлены на рис. 4.2. Непрерывный сигнал x(t) (рис. 4.2, а) может быть определен в любой момент времени и может принимать любое значение в диапазоне его изменения.

Квантованный сигнал x_q(t) (рис. 14.2, б) определен в любой момент времени. Однако по величине он может принимать одно значение из некоторого конечного множества значе­ний x_k(t) = N_k ×Dx_k. Разность Dx_k между соседними значениями сигнала называется шагом квантования.

Дискретизированный сигнал x_k(t) (рис.4.2, в) определен на конечном множестве моментов времени t_k. Сигнал может принимать любое значение в диапазоне его изменения. Интервал между соседними моментами времени, в которых задано значение сигнала, назы­вается шагом дискретизации.

Квантованный и дискретизированный сигнал x_qk(t) (рис.4.2, г) задан только в дис­кретные моменты времени t₁, t₂,…, t_k,…, t_n. При этом значения x_qk(t) сигнала принадлежат определенному ограничен­ному множеству

В метрологии и измерительной технике используются различные модели сигналов. Выбор математической модели зависит от характе­ристик сигнала, назначением модели и другими факторами. В инженер­ной практике часто используют критерий простоты описания и анализа сигнала. Находят применение описания сигналов во временной облас­ти, в частот­ной области и геометрическими математическими моделя­ми. В известной степени они явля­­ются равноценными и взаимно до­полняют друг друга. На рис.4.3. изображены упомянутые три модели двух сигналов: сигнала постоянной интенсивности и гармонического сигнала.

Частотная и векторная модели используется, как правило, при анализе сигналов переменного тока, которые можно представить сово­купностью синусоидальных состав­ляющих, сосредоточенных в опреде­ленной частотной области.

Модель представления измерительных сигналов во временной об­ласти находит при­менение для описания сигналов постоянного тока, сигналов, сравнительно медленно изменяющихся во времени.

Существуют строгие математические соотношения между временным и частотным представлениями сигнала. В основе этих соотношений ле­жит преобразование Лапласа [2,3]. Если некоторая функция f(t) дей­ствительного переменного t, заданная в области с и равная нулю при t<0 возрастает не быстрее некоторой показательной функции, то есть f(t) <Me^C0t при t>0. Тогда преобразованием Лапласа функции f(t) называется интеграл вида:

Функция f(t) называется оригиналом, а функция F(p) – ее изображением по Лапласу. Она является функцией комплексного переменного p=a +jw, где j – символ мнимой части числа p. Взаимную связь между оригиналом и изображением по Лапласу условно обозначают следующим образом:

Преобразование Лапласа имеет следующие свойства:

1. Свойство линейности: изображение суммы функций равно сумме их изображений:

2. Теорема дифференцирования:

Так произвольный периодический сигнал x(t) может быть пред­ставлен рядом Фурье:

где Х₀/2 – постоянная составляющая сигнала,

Х_k, w_k, j_k - амплитуда, круговая частота и начальная фаза k -той гармоники.

Зачастую измерительный сигнал претерпевает в средстве измере­ния ряд преобразо­ваний различного назначения. С целью упрощения анализа средств измерений принято считать, что каждое такое преоб­разование выполняется в отдельном функционально закон­ченном зве­не. Тогда устройство и функционирование СИ в целом может быть пре­дставлено структурной схемой - некоторым числом соединенных между собой звеньев.

Приведенные схемы являются упрощенными. Структурные схемы ре­альных СИ могут быть значительно сложнее. В некоторых СИ уравно­вешивание входного и выходного сигналов производится оператором вручную. В качестве примера можно привести мост постоянного тока с ручным уравновешиванием.