Основные блоки измерительных устройств

Измерительные устройства. Естественные пределы измерений

Шкала масштабов различных величин, исследуемых современной наукой

Таблица 1.3.

	Метры	Область
Макромир	10²⁵	Размер видимой части вселенной
10²⁴	Расстояние между галактиками
10²¹	Размеры галактик
10¹⁸	Межзвездные расстояния
10¹⁵	Размеры солнечной системы
10¹²	Размер Земли
~10⁵	Высота больших гор
	Размер (рост) человека
10^-3	Размер песчинки
10^-6	Предел разрешения микроскопа
Микромир	10^-10	Размер атома
10^-15	Размеры атомных ядер
10^-18	Исследуемая структура элементарных частиц

Одной из основных характеристических величин является размер атома 10^{-10 м. Этим размером все явления разделяются на макроскопические и микроскопические. Макроявления протекают в областях >10-7 м, а микроявления в областях сравнимых с атомным размером 10-10 м и меньше.}

Заметим, что понятие ²размер атома² в геометрическом плане не имеет смысла, поскольку физически о линейных размерах атома можно судить по взаимодействию атомов между собой, которое определяется электромагнитным полем атома, не имеющим четких границ.

Непосредственно наблюдаемые тела являются макроскопическими, состоят из большого числа частиц N. Особо важным является число Авогадро N_A = 6,022×10²³ 1/моль, которое связывает микроскопический масштаб с макроскопическим, так как моль любого вещества составляет тело привычных для нас размеров. Моль Н₂О это 18×10^{-6 м3} воды.

Естественным масштабом скорости в природе является скорость распространения света в вакууме с=2,998×10⁸ м/с.

Постоянная Планка также является универсальной константой, с которой связано разграничение законов физики на квантовые и классические ћ=1,05×10^-34 м²/с.

Для проведения измерений обычно используют приборы и передаточные элементы, которые вместе образуют измерительные устройства. Такое измерительное устройство можно условно изобразить с помощью блок-схемы, хотя каждый из показанных на ней приборов может в свою очередь представлять собой целое измерительное устройство (рис. 3.1).

На вход датчика (его часто называют чувствительным элементом) поступает измеряемая величина, а на его выходе возникает сигнал, предназначенный для дальнейшей обработки.

Этот сигнал зависит от измеряемой величины. Типичным датчиком является фотодиод, на который падает свет. Затем слабые сигналы могут усиливаться специальным усилителем или с помощью преобразователя преобразовываться к более удобному виду. Передаточный элемент (электрический проводник, беспроволочная система) передает сигнал на устройство вывода, которое либо непосредственно выдает информацию экспериментатору, либо хранит ее для дальнейшей обработки с помощью компьютера. Очень часто ЭВМ подсоединена к измерительному устройству, тогда обработка данных происходит непосредственно в процессе измерений.

С точки зрения системного анализа вся экспериментальная установка, так же как и ее отдельные блоки, функционально одинакова. В систему подается входной сигнал х_е, а после обработки на ее выходе появляется сигнал х_а. Обе эти величины связаны друг с другом определенными соотношениями, которые характеризуют систему. Эти соотношения называют передаточными характеристиками. Многие передаточные характеристики не зависят от конкретного прибора, а имеют общую природу.

ПРИМЕР: ИССЛЕДОВАНИЕ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНО-ПОЛЕВОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВХОДНОГО КОЛЕБАТЕЛЬНОГО КОНТУРА

Экспериментальная установка, предназначенная для исследования АМЭ, подробно описана в [8]. Измерительный участок экспериментальной установки схематически представлен на рис. 2.

МЖ 1 заполняет стеклянную трубку 2, к донышку которой прижата пьезопластинка 3, возбуждающая звуковые волны. Для улучшения акустического контакта между донышком и пьезопластинкой нанесен тонкий слой контактной смазки (на рисунке не показан). Силовые линии внешнего магнитного поля, показанные крестиками в кружках, проходят перпендикулярно оси трубки. Верхняя поверхность МЖ принудительно стабилизируется пленкой 4. Для приема переменной ЭДС используется измерительная катушка индуктивности 5 с числом витков 1100, изготовленная из медного провода диаметром 0,07 мм. Измерительная катушка имеет округлую форму и непосредственно прилегает к внешней стенке трубки. Измерительная катушка индуктивности и входная емкость приемника-усилителя 6, соединенные последовательно, образуют входной колебательный контур.

Входной колебательный контур характеризуется резонансной частотой

где С – входная емкость усилителя, L – индуктивность измерительной катушки. На индуктивность измерительной катушки в определенной мере оказывает влияние жидкий магнетик, находящийся в трубке.

Для определения резонансной частоты колебательного контура были получены амплитудно-частотные характеристики колебательного контура «измерительная катушка индуктивности - входная емкость приемного устройства» при различных значениях напряженности магнитного поля.

Следовательно, наличие магнитного коллоида в трубке, полуохватываемой катушкой, смещает резонансную частоту не более, чем на 4%.Кроме того, диапазон частот для исследования АМЭ (20-60 кГц) находится вдали от резонанса и лежит на почти пологом участке левой ветви амплитудно-частотной характеристики.