Оглавление

Предисловие к английскому изданию

Глава 1
Основные принципы измерений

1.1 Определение измерения
1.2 Зачем мы измеряем?
1.3 Теория измерений
1.4 Измерение нефизических величин

Глава 2
Измерение физических величин

2.1 Единицы, системы единиц и эталоны
     Разность электрических потенциалов
     Электрический ток
     Электрическое сопротивление
     Емкость
     Индуктивность
     Частота
2.2 Методы измерений
     Метод отклонений, разностный метод и нулевой метод
     Метод чередования и метод подстановки
     Компенсационный и мостовой методы
     Метод аналогий
     Метод повторений
     Метод перечисления
     Стратегии измерений
       1 Когерентные выборки
       2 Случайные выборки
       3 Мультиплексирование
2.3 Теория ошибок
2.3.1 Ошибки измерения
     Систематические ошибки
     Случайные ошибки
2.3.2 Распространение ошибок 
     Систематические ошибки
     Случайные ошибки
2.3.3   Источники ошибок
2.3.3.1 Обратное влияние на измеряемый объект:согласование
     Анэнергетическое согласование
     Энергетическое согласование
     Согласование по шуму
2.3.3.2 Характеристики измерительных систем
     Чувствительность
     Порог чувствительности
     Чувствительность к форме сигнала
     Разрешающая способность
     Нелинейность
     Пределы измерений, динамический диапазон
     Отклик системы
     Системы нулевого порядка
     Системы первого порядка
     Системы второго порядка
     Нелинейные системы
2.3.3.3 Помехи
     Термоэлектричество
     Токи утечки
     Емкостная наводка помехи
     Индуктивная наводка помехи
     Помехи, возникающие из-за плохого заземления
2.3.3.4 Влияние наблюдателя: методы сопряжения
2.4. Структура измерительных систем
      Датчики
     Обработка сигналов
     Устройства индикации
     Регистрация данных
     Управление, обратная связь

Глава 3.
Измерительные приборы в электрических измерениях

3.1 Введение
3.2 Входные преобразователи
3.2.1. Электромеханические датчики
      Датчики смещения
     Резистивные датчики смещения
     Емкостные датчики смещения
     Индуктивные датчики смещения
     Оптические датчики смещения
     Датчики скорости
     Преобразование скорость-частота
     Измерение скорости путем дифференцирования и интегрирования
     Индуктивные датчики скорости
     Датчики ускорения
     Датчики усилий
     Пьезоэлектрические датчики силы
3.2.2. Термоэлектрические датчики
     Резистивные датчики температуры
     Датчики температуры в интегральном исполнении
     Термопары
     Термометры излучения
3.2.3. Магнитоэлектрические датчики
3.3 Обработка сигнала
3.3.1 Аттенюаторы
     Входные аттенюаторы
     Делители напряжения
     Характеристические аттенюаторы
     Измерительные трансформаторы
3.3.2. Схемы компенсаторов
3.3.3. Измерительные мосты
3.3.4. Измерительные усилители
3.3.5. Нелинейная обработка сигнала
     Пиковые детекторы
     Детекторы среднего значения
     Детекторы среднеквадратического значения
3.3.6 Цифро-аналоговое и аналого-цифровое преобразование
     Цифро-аналоговое преобразование
     Аналого-цифровое преобразование
3.4 Устройства индикации в измерительных системах
3.4.1 Электромеханические устройства индикации
3.4.2 Электрооптические устройства индикации
3.5 Регистрация
3.5.1 Графическая запись
3.5.2 Магнитная запись
3.5.3 Электронная регистрация

Глава 4.
Электронные измерительные системы

4.1 Измерение частоты
4.2 Измерение фазы
4.3 Цифровые вольтметры
4.4 Осциллографы
     Развертка
     Запуск развертки
     Многоканальный осциллограф 
     Стробоскопический осциллограф
     Осциллографические усилители
     Измерительные пробники
     Точность
4.5 Системы сбора данных
4.5.1 Введение
4.5.2. Оцифровывание
4.5.3 Теория квантования

4.5.4 Теория дискретизации по времени
4.5.5 Теория восстановления
4.5.6 Мультиплексирование
4.5.7 Автоматизированные измерительные системы
     Шина IEEE-488

Приложение

1. Система единиц sI

2.  Запись результатов измерений

З.   Децибелы

4.   V- и I- величины

5.   Таблицы
      5.1.  Физические константы
      5.2.  Коэффициенты перехода
      5.3.  Свойства материалов

Предметный указатель

Список литературы

Предисловие

ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ НА РУССКОМ ЯЗЫКЕ

   Книга Клааса Б. Клаассена закрывает существенный пробел в отечественной учебной литературе, являясь введением в технику электронных измерений. Соответствующая информация в нашей литературе традиционно разбросана по различным курсам: частично она излагается в учебниках физики, частично — в специальных курсах. Написанная на основе лекций, прочитанных автором в Дельфтском университете, книга сохраняет живость изложения; автор непринужденно переходит от фундаментальных аспектов к практическим и даже бытовым примерам. В отличие от стилистики отечественной учебной литературы, где основное внимание уделяется изложению предмета, акцент сделан на объяснении. Не все фигурирующие в тексте формулы строго выводятся, зато они сопровождаются комментариями относительно способа и области применения.
Условно книга К. Б. Клаассена может быть разбита на две части. В первой из них, имеющей более абстрактный характер, обсуждаются основы теории измерений, погрешности, системы единиц, физические эталоны и принципы измерений. Вторая часть книги имеет практическую направленность, включая в себя описание различных преобразователей и конкретных измерительных систем, вопросы оцифровки, борьбы с паразитными сигналами и шумами.
   Книга адресована студентам — физикам и химикам младших курсов университетов, студентам технических университетов, а также инженерам и научным сотрудникам, желающим пополнить или освежить свои знания в области теории, методологии и техники измерений.
Читатель должен ясно понимать, что, будучи вводным курсом, книга К. Б. Клаассена опускает без упоминания ряд принципиальных вопросов. Так, например, в книге вообще не затрагивается проблема измерения характеристик квантово-механических объектов и тесно связанные с ней и широко обсуждаемые в научной литературе последних лет вопросы квантовой криптографии и телепортации. Однако эта книга является идеальной для первого знакомства с предметом или в качестве справочника для широкого круга читателей.

В. Т. Долгополов,
профессор, д. ф.-м. н.
зав. лабораторией ИФТТ РАН

ПРЕДИСЛОВИЕ К АНГЛИЙСКОМУ ИЗДАНИЮ

   Наша способность выполнять точные измерения является одним из фундаментальных факторов, позволяющих заниматься наукой и техникой. Другими слова¬ми: «В физике существует только то, что можно измерить» (Макс Планк). Даже в нашей повседневной жизни постоянно происходит количественная оценка того, что доставлено или израсходовано (электрическая энергия), проверяется, имеет ли та или иная величина желаемое значение и не превосходит ли она допустимых пределов (кровяное давление), а также регистрация и контроль определенных количеств (в транспорте или в торговле).
   У измерений давняя история. За четыре тысячелетия до Рождества Христова вавилоняне и египтяне уже проводили астрономические измерения. Несмотря на то, что сегодня это может выглядеть тривиальным, принятие повсюду в мире Предисловие к английскому изданию
одной системы мер и весов (системы СИ) стало заметной вехой в области измерений.
   Прогресс в электротехнике и грандиозные успехи электроники, в частности, привели к тому, что в настоящее время фактически все измерения производятся «в электрической области». Чтобы измерить неэлектрическую величину, применяют датчик для преобразования того, что должно быть измерено, из соответствующей неэлектрической области в электрический сигнал.
   Цель этой книги состоит в том, чтобы рассмотреть основы теории и практики измерений и не только сообщить необходимые элементарные сведения, но и пробудить интуицию в отношении измерений. Таким образом, имеется в виду дать возможность студенту или инженеру, пользуясь этим учебником, самостоятельно решать его собственные задачи измерений. Выбран такой уровень подачи материала, при котором необходимо владение только самыми основными понятиями электротехники и знакомство с довольно элементарной математикой.
   В этой книге в противоположность общепринятому принципу описания измерительных приборов и инструментов отдано предпочтение подходу, который можно назвать системно ориентированным. В главе 1 вслед за обсуждением таких вопросов, как «Что представляет собой измерение?» и «Зачем мы измеряем?», рассматриваются основополагающие принципы измерений (теория измерений). Глава 2 начинается с объяснения, что для кардинальных измерений, занимающих верхнее место в иерархии измерений, нужна система единиц. Затем показано, что для проведения оптимальных измерений (то есть измерений с требуемой точностью при наименьших затратах времени, усилий и средств) необходимо иметь представление о различных альтернативных методах измерений. С помощью измерения можно получить сведения о значении измеряемой величины лишь с определенной степенью достоверности; всегда имеются погрешности измерения. Поэтому в главе 2 дан анализ погрешностей, а именно: описываются типы ошибок и их распространение, а также причины, приводящие к их возникновению. То, посредством чего измерение осуществляется физически, то есть измерительная система, имеет определенную топологию, предусматривающую выполнение ряда различных функций: преобразование, фиксация и обработка сигнала, отображение и регистрация измеренной величины. Эти этапы измерения описываются в главе 3. В следующей главе рассматриваются несколько примеров собственно электронных измерений, таких, как измерение частоты, фазы, напряжения и др. Основное внимание при этом уделяется полностью автоматизированным измерениям с использованием компьютера, в частности мультиплексированию, взятию выборок, наложению спектров, аналого-цифровому преобразованию, передаче данных по магистрали и т. д. В приложении приводятся система СИ, коэффициенты преобразования и некоторые другие сведения, полезные для тех, кто занимается измерениями.
   В основу этого учебника лег конспект лекций по теории измерений и измерительной технике, которые автор читал студентам старших курсов, будучи профессором факультета электротехники Дельфтского технического университета в Нидерландах. Первоначально книга была издана на голландском языке, а в дальнейшем переведена на английский язык.

К. Б. Клаассен
Май 1995
Сан-Хосе, Калифорния, США