Измерительные преобразователи

Так как измеряются свойства, общие в качественном отношении многим объектам или явлениям, эти свойства без участия органов чувств человека должны быть каким-то образом обнаружены, в чем-то должны проявиться. Технические устройства, предназначенные для обнаружения (индикации) физических свойств, называются индикаторами. Стрелка магнитного компаса, например, - индикатор напряженности магнитного поля; осветительная электрическая лампочка – индикатор электрического напряжения в сети; лакмусовая бумага – индикатор активности ионов водорода в растворах.

Основное назначение датчиков – восприятие физических величин, характеризующих измеряемые явления (движений спортсмена). Это средство измерений служит для преобразования сигнала измерительной информации в форму, удобную для обработки или хранения, а также передачи в показывающее устройство. Датчики, воспринимающие информацию, либо входят в конструктивную схему измерительного прибора, либо применяются совместно с ним, но сигнал преобразователя не поддается непосредственному восприятию наблюдателем. Преобразуемую величину называют входной, а результат преобразования – выходной величиной. Основной метрологической характеристикой измерительного преобразователя считается соотношение между входной и выходной величинами, называемое функцией преобразования.

Преобразователи подразделяются на первичные (непосредственно воспринимающие измеряемую величину), передающие, на выходе которых величина приобретает форму, удобную для регистрации или передачи на расстояние; промежуточные, работающие в сочетании с первичными и не влияющие на изменение рода физической величины.

В качестве первичных преобразователей в физической культуре и спорте наиболее популярны: фотодиоды, реостатные датчики, тензорезисторы, акселерометры. Фотодиоды используются в устройствах, с помощью которых измеряют время движений. Входная величина фотодиодов – освещенность, выходная – постоянный ток. Они чувствительны в диапазоне от 0 до 500 Гц и имеют погрешность в 1-3%. Эту погрешность можно уменьшить точностью установки фотопреобразователей на дистанции, степенью фокусировки и временем переключения.

Реостатные датчики наиболее часто используются в устройствах, с помощью которых измеряют амплитуду движений в различных суставах (Рис.2).

Рис. 2. – Крепление датчика гониограммы.

Входная величина реостатного датчика – линейное и угловое перемещение, выходная – изменение сопротивления. У этих датчиков высокая чувствительность и сравнительно небольшие погрешности. Тензореситоры являются чувствительным элементом измерительной системы, с помощью которой оцениваются динамические показатели движений. Входная величина тензорезисторов - перемещение, выходная – изменение сопротивления. Достоинством их являются невысокая стоимость, устойчивость к вибрациям и малая погрешность измерений. Акселерометры предназначены для измерения ускорений. В основе работы акселерометров лежит измерение силы инерции, возникающей при движении. Сила инерции вызывает отклонение массы акселерометра, которое прямо пропорционально ускорению. Это отклонение измеряется тензорезистором или пьезоэлектрическим датчиком. С помощью индикаторов устанавливается наличие измеряемой величины и регистрируется изменение ее размера. В этом отношении индикаторы играют ту же роль, что и органы чувств человека, но значительно расширяют их возможности. Человек, например, слышит в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц, в то время как техническими средствами обнаруживаются звуковые колебания в диапазоне от инфранизких (доли герца) до ультравысоких (десятки и сотни килогерц) частот. В то же время не создано еще технических устройств, которые могли бы соперничать с обонянием человека или животных.

Так как индикаторы должны обнаруживать проявление свойств окружающего мира, важнейшей их технической характеристикой является порог обнаружения (иногда его называют порогом чувствительности). Чем меньше порог обнаружения, тем более слабое проявление свойства регистрируется индикатором. Современные индикаторы обладают очень низкими порогами обнаружения, лежащими на уровне фоновых помех и собственных шумов аппаратуры.

Индикаторы являются средствами измерений по шкале порядка. Для измерения по шкале отношений необходимо сравнить неизвестный размер с известным и выразить первый через второй в кратном или дольном отношении. Если физическая величина известного размера есть в наличии, то она непосредственно используется для сравнения. Так измеряют длину -–линейкой, плоский угол – транспортиром, массу – с помощью гирь и весов. Если же физической величины известного размера в наличии нет, то сравнивается реакция (отклик) прибора на воздействие измеряемой величины с проявившейся ранее реакцией на воздействие той же величины, но известного размера. Так измеряют: силу электрического тока – амперметром, электрическое напряжение – вольтметром, скорость – спидометром и т.д. При этом предполагается, что соотношение между откликами такое же, как и между сравниваемыми размерами. Для облегчения сравнения отклик на известное воздействие еще на стадии изготовления прибора фиксируют на шкале отсчетного устройства, после чего разбивают шкалу на деления в кратном и дольном отношении. Эта процедура называется градуировкой шкалы. При измерениях она позволяет по положению указателя получать результат сравнения непосредственно на шкале отношений.

Информацию, воспринятую датчиками, необходимо преобразовать в величину, пригодную для последующего анализа. Делается это по следующим причинам:

- слишком разнообразны входные (измеряемые) величины;

- не для всякой из них есть шкала мер;

- значительны трудности передачи измерений величины в ее исходном виде.

Преобразование осуществляется с помощью устройств, на выходе которых формируется сигнал, удобный для последующего анализа. Например, изменение длины проводника, вызванное воздействием силы, преобразуется в электрическое напряжение. В процессе преобразования измерительной информации происходит и усиление сигнала, воспринятого датчиком. Измерительные преобразователи получили очень широкое распространение. К ним относятся термопары, измерительные усилители, преобразователи давления и многие другие. В спорте для усиления сигналов, снимаемых с первичных преобразователей биомеханических параметров движений используют чаще тензоусилители и миниатюрные операционные усилители постоянного тока, коэффициент усиления которых достигает 500000.