Введение к работе
Актуальность проблема. Развитие народного хозяйства и науки їависит в большой степени от наличия и совершенства методов и гредств. измерений (СИ).
Многие задачи в обширной области измерений решаются с по-ющью измерительных систем (ИС). В большинстве случаев качество 10 определяет ее первичное звено - датчик. К датчикам, как правите, предъявляются жесткие и порой противоречивые требования. Так, іапример, датчики должны иметь приемлемые метрологические харак-геристики, высокую надежность работы в условиях эксплуатации, іолжньг быть технологичными и изготавливаться на недорогостоицей элементной базе широкого применения. Датчик должен оказывать ми-шмальное воздействие на исследуемый объект и быть "избиратель-тм" к измеряемой величине и "неизбирательным" ко всем остальным злиящим величинам, поступающим на вход ИС. Вместе с тем при ре~ зении многих научных и производственных задач с использованием ИС іатчики должны формировать измерительные сигналы о нескольких эходных величинах, действие которых сосредоточено в относительно юбольшом пространстве. Например, при оценке функционального состояния человека необходимо получать информацию о биоэлектрических ютенциалах, температуре и других величинах в биоэлектрически активных точках [11. В связи с этим желательно, чтобы датчики ИС зоспринимали несколько величин и были миниатюрными. В настоящее зремя имеется серьезное отставание в развитии датчиков по сравнено» с другими составными частями ИС; оно частично преодолевается з сенсорах-датчиках, изготавливаемых по микроэлектронной технологи.
Одной из причин, задерживающей надлежащее развитие датчиков, шляется отсутствие основ их проектирования, которые бы позво-шли использовать упорядоченный и систематизированный опыт разра-)0тки датчиков разнообразных физических величин и определять дли-ельную перспективу их развития. Это является очень сложной за-;ачей, комплексное решение которой в настоящее время не просмат-давается. При создании ИС в первую очередь необходимо произвести знбор принципа измерений, т.е. совокупности физических явлений ;ФЯ), на которых основаны измерения. Принцип измерения определяет :тратегию создания будущей ИС. Как правило, совокупность физичес-сих явлений реализуется в аналоговой части ИС, включающей датчи-си. Выбор совокупности физических явлений может быть эффективным, юли он опирается на научно-обоснованные физические, математичес-че обобщения, характеризующие процесс измерения самых разнооб-
разных величин. Такие обобщения могут быть полезны при вьшвлении и использовании методов измерений и при разработке обобщенных показателей для сравнительной оценки этих методов и создаваьмых на их основе НС.
Разработке теоретических основ проектирования СИ посвящены научные труда российских ученых: А.А.Харкевича, Б.С.Сотскова, Н.Н.Шумиловского, Д.И.Агейкина и др.(г.Москва); П.В.Новицкого, Е.С.Левшиной, В.Г.Кнорринга, Э.М.1Шакова, С.А.Спектора, В.Д.Мази-на и др. (г.Санкт-Петербург); К.Б.Карандеева, А.Г. Козачка, И.Ф. Клисторина, А.Н.Серьезнова, В.А.Гридчина, В.Н.Москвина (г.Новосибирск); А.И. Половинкина, A.M. Дворянкина (Волгоград); В.Я. Лож-никова (Омск) и многих других. Из работ зарубежных ученых в данном направлении следует выделить научные труды L.I. Brlllouln, L. Flnkelatein, Р.К. Stein, S. Mlddlboek, P.H. Sydenham, М.Ф. Зарипова, Ф.Б.' Гриневича и др.
Существующие метода проектирования, как правило, разработаны для одного вида измеряемых величин и позволяют выбирать принципы измерения из известных. Они не в состоянии формировать новые совокупности физических явлений и предполагают разработку комплекса сложных критериев выбора, проведения ранжирования этих критериев для конкретной выбранной величины.
В связи с тем, что при создании ИС используются результаты многих научных направлений, уровень обобщенности описания принципов измерений должен быть достаточно высок.
В данной работе для анализа и синтеза совокупности физических явлений, используемых в аналоговых частях ИО, предлагается "вещественно-энергетический" аспект обобщения. При этом понимается, что анергия характеризует, общую количественную меру движения и взаимодействия всех видов материи, а вещество - качественную сущность вида материи. Целесообразность рассмотрения энергетических преобразований в аналоговом измерительном сигнале обусловлена взаимосвязью его энергии и измерительной информации. Преобразование энергии вне вещества, как правило, не происходит. Кроме того энергия и вещество эквивалентны в физическом смысле. Поэтому при рассмотрении измерительных преобразований необходимо одновременно учитывать как энергетические, так и вещественные преобразования.
Предложенное обобщение используется далее при нахождении и описании методов измерений любых физических величин, обладающих "вещественными" и "энергетическими" свойствами. Под такими свойствами понимаются признаки величин, составляющие их отличительную особенность по отношению к веществу или энергии. Например, счита-
ется, что такие электрические величины, как напряжение, заряд, ток, обладают "энергетическими" свойствами, а параметрические величины типа сопротивления, емкости, диэлектрической проницаемости и др. - "вещественными" свойствами. Следует заметить, что введение такой классификации дополняет общепринятую классификацию величин по энергетическому признаку (активные и пассивные). По этому же признаку разделяются и вещества. Но следует особо отметить вещества, способные преобразовывать виды энергии (термоэлектрические, пьезоэлектрические, фотоэлектрические и др.).
В большинстве работ по анализу и синтезу СИ рассматриваются закономерности энергетических преобразований, используя известный негэнтропийный принцип Вриллюэн-з, и выводятся соотношения между размером энергии и пвреносшой ею информацией при различных видах модуляции. При этом, как правило, ограничиваются 2-мя преобразованиями видов энергии различной физической природа при построении конкретных СИ, в качестве критерия оценки эффективности при этом используется информационно - энергетический к.п.д.
В диссертации предполагается,что основой аналоговой информационной техники, являются не только энергетические преобразования и обмен энергией, но и вещественные преобразования. Под вещественными преобразованиями понимается изменение "энергетических" и "вещественных" свойств материалов чувствительных элементов и других веществ, которые имеют место при измерениях. Вещественные преобразования происходят только совместно с энергетическими преобразованиями. Совместное рассмотрение характерных особенностей вещественных и энергетических преобразований при формализации процесса измерения физических величин может позволить разработать новую методику формирования совокупностей физических явлений и обосновать критерии для оценки эффективности создаваемого СИ. в том числе, и основанного на многократных преобразованиях вещества и энергии. Предлагаемый "вещественно-энергетический" аспект обобщения попользуется для создания основ синтеза совокупности физических явлений н.-і уровне структуры преобразований, соответствующей конкретному методу измерений. Предполагается, что во всех методах измерений с применением аналоговых СИ имеют место закономерности, которые проявляется в вещественных и -энергетических ітрЄ"бразованиях измерительных сигналов. Выявленные закономерности позволят разработать принципы действия однофункциинальных и многофункциональных датчиков с больший», по сравнению с традиционным, t<цчч^птвом посл^Оовг^р.іьностеО. преобразований. Такие пр^о.чр:!'<'.«
вания в аналоговых цепях ИС могут осуществиться над сигналами с различными видами модуляции. Так как в аналоговой части ИС чаще всего используется амплитудная модуляция, то в диссертации ограничились этим видом модуляции.
Несмотря на то, что в России используются около Імлр. СИ, основную массу которых составляют датчики неэлектрических величин, необходимость в создании датчиков, основанных-на новых принципах действия не отпадает . По нашему мнению, в новых методах измерений нуждаются в первую очередь медико-биологические отрасли приборостроения. Зачастую использование существующих методов по прямому назначению (в этой отрасли) не только не обеспечивает заданных метрологических характеристик, но и ставит под сомнение достоверность проведения таких измерений. Здо связано с ростом номенклатуры, и спецификой измеряемых физический: величин, особен-постами объекта исследования и условиями проведения измерителъньз: процедур. Поэтому практическая реализация СИ, подтверждающая основные теоретические положения, акцентирована в диссертации на применении ив первую очередь в медицине и сельском хозяйстве. Даже при изобилии датчиков и СИ в будущем оно не может перекрыть потребность практики в таких средствах,.не удовлетворит комплекс требований по диапазонам измерения, условиям эксплуатации, измеряемым величинам (особенно при оценке состояния живых организмов, космических измерениях и т.п.), Нарастающая потребность в новых датчиках и совершенствовании существующих очевидна. Очевидна также потребность в создании общей теории измерительных преобразователей. В этой связи основы теории вещественных, и энергетических преобразований измерительных сигналов должны сыграть заметную роль в создании такой теории.
Следует отметить, что представленная диссертация является результатом многолетней работы автора, причем некоторые частные задачи в этом направлении были поставлены и рассмотрены в диссертации на соискание им ученой степени кандидата технических наук [НЗ.
Связь с государственными программами и НИР. Работа по теме диссертации выполнялась в соответствии с государственной научно-технической программой ТЕСТ: "Научные приборы для АПК" . задание 02, утвераденной постановлением ГКНТ СССР от 21.10.91 N1304, конкурсной фундаментальной НИР ЦДЛ 12.II: "Разработать теоретические основы структурного синтеза биотехнических эколого-совместимых ИИС" и 10 госбюджетными прикладными НИР СО Россельхозакадемии.
Цель роботи. Создание основи синтеза и оценки свойств струк-гур вещественных и энергетических преобразований аналоговых сиг-їалов в ИО, позволяющей выбирать известные методы и принципы из-, лерений или находить неизвестные, и разработка новых НС, преднэз-їаченньк для оценки жизнедеятельности биологических объектов и условий их обитания.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих основных научных задач:
обоснование положений и постулатов, позволяющих реализо-зать методику поиска совокупностей вещественных и энергетических преобразований в измерительных сигналах;
определение обобщенных физических величин, необходимых и достаточных для составления алгоритмов, характеризующих эти преобразования # и создания методики оценки эффективности действия принципов измерений;
-разработка рабочих алгоритмов, описывающих основные вещественные и энергетические преобразования измерительных сигналов и завод базисных алгоритмов, опредвляидих закономерности протекания гаких пребразований;
нахождение путей поиска новых совокупностей физических чвлений (на основе базисных алгоритмов);
осуществление поиска (в том числе и автоматизированного) зовокупности физических явлений, определяющей принципы и методы измерений с учетом разработанных путей и методик;
-реализация результатов поиска физических, явлений при разра-5отке датчиков и других СИ, предназначенных для оценки жизнедеятельности биологических объектов и условий их обитания;
- исследование метрологических характеристик разработанных
ЗИ и подтверждение их функционального назначения в практике.
Объект исследований - вещественные и энергетические преобразования аналоговых сигналов в физических явлениях, определяющих нетоды измерения физических величин.
Методы исследований в работе включают натурный эксперимент, георию аналогий и подобия, теорию измерений, теорию графов, функциональный анализ и моделирование на ЭВМ.
Научная иадизна работы заключается в следу щем:
- впервые разработаны, обоснованы и подтверждены результата
ми экспериментальных исследований положения и постулаты, предназ-
іачетше для использования при анализе вещественных и энергети-
іеских преобразований сигналов в методах измерения физических
величин;
создана методика, приемлемая для синтеза совокупностей вещественных и энергетических преобразований, характеризующих принципы измерений СИ разнообразных физических величин;
предложена и развита однокритериальная методика отбора и оценки эффективности получаемой совокупности физических явлений;
разработаны алгоритмы, раскрывающие закономерности вещественных и энергетических преобразований измерительных сигналов;
впервые выявлены и экспериментально подтверждены пути поиска новых методов измерения физических величин.
йраатческая значимость. Результаты теоретических и экспериментальных исследований реализованы в научно-производственной практике и в учебном процессе. Разработанная методика позволяет применять ее для поиска новых методов измерений большинства физических величин. На основе предложенной методики получены новые совокупности ФЯ, которые легли в основу структурных схем СИ и конструкций датчиков, испытания которых в производственных условиях дали положительные результата. Создано и внедрено 21 СИ, предназначенное для оценки жизнедеятельности биообъектов и условий их обитания, технические решения которых защищены авторскими свидетельствами и патентами.
Апробация работы. Основные- положения работы докладывались на 3-х международных (Германия, Болгария), 12 всесоюзных и республиканских научно-технических конференциях, симпозиумах и семинарах, в том числе и на научно-технических конференциях ИИС-9І, ИИС-94.
Публикации. По результатам исследований автором лично и в соавторстве опубликовано 108 печатных работ, включая 2 монографии и 53 авторских свидетельства на изобретения, под научным руководством автора и лично написано более 20 научно-исследовательских отчетов.
На защиту быносяяся:
основы вещественных и энергетических преобразований измерительных сигналов в аналоговых СИ;
методика поиска состава вещественных и энергетических преобразований измерительных сигналов и алгоритмы их использования в аналоговых СИ;
оценка эффективности алгоритмов вещественных и энергетических преобразований измерительных сигналов;
пути поиска совокупностей физических явлений и методика их использования при выборе или создании неизвестных ранее принципов измерения;
патентнозащищеште структуры и конструкции СИ, предназначенные для оценки жизнедеятельности биологических объектов и условий их обитания.
Структура и объём работ. Диссертационная работа включает введение, семь глав и заключение, имеет 226 страниц машинного текста, 20 таблиц, 43-рисунка, список литературы (165 наименований) и приложения на 155 страницах.
