- •200106 «Информационно-измерительная техника и технологии»
- •Введение
- •1.2. Сигналы
- •1.3. Преобразование измерительных сигналов
- •1.4. Спектр периодических сигналов
- •1.5. Модуляция
- •1.5.1. Амплитудная модуляция
- •1.5.2. Частотная модуляция
- •1.5.3. Фазовая модуляция
- •1.5.4. Двукратные виды модуляции
- •1.6. Квантование
- •1.6.1. Квантование по уровню
- •1.6.2. Квантование по времени
- •1.6.3. Квантование по уровню и времени
- •1.7. Кодирование
- •1.7.1. Цифровые коды
- •1.7.2. Помехи
- •1.8. Модель канала
- •Раздел 2 измерительные каналы и их разделение
- •2.1. Канал связи и его характеристики
- •2.2. Согласование канала с источником информации
- •2.3. Линии связи для передачи измерительной информации
- •2.4. Структуры линий связи
- •2.5. Многоканальные системы для передачи измерительной информации
- •2.6. Погрешность систем с частотным разделением каналов
- •2.7. Погрешности систем с временным разделением каналов
- •Раздел 3 принципы обработки данных
- •3.1. Виды погрешностей
- •3.2. Обработка результатов измерений. Оценки измеряемой величины
- •3.3. Обработка результатов прямых равноточных измерений
- •3.4. Обработка результатов косвенных измерений
- •3.5. Обработка результатов совместных измерений
- •3.6. Обработка результатов неравноточных измерений
- •3.7. Проверка статистических гипотез
- •3.7.1. Проверка соответствия гипотезы и экспериментальных данных
- •3.7.2. Исключение резко отклоняющихся значений
- •3.8. Построение эмпирических распределений
- •3.9. Критерии согласия
- •3.9.1. Критерий согласия Пирсона
- •3.9.2. Критерий согласия Колмогорова
- •Раздел 4 планирование многофакторного эксперимента
- •4.1. Задачи планирования эксперимента
- •4.2. Пассивные эксперименты
- •4.3. Дисперсионный анализ
- •4.4. Регрессионный анализ
- •4.5. Активный эксперимент
- •4.6. Полный факторный эксперимент
- •4.7. Дробный факторный эксперимент
- •4.8. Устранение влияния временного дрейфа
- •4.9. Проведение факторного эксперимента и обработка его результатов
- •4.10. Оптимизация
- •4.11. Рандомизация
- •Раздел 5 введение в алгоритмическую теорию измерений
- •5.1. Вводные замечания
- •5.2. Развитие понятий числа и измерения величин
- •5.3. Теория шкал и алгоритмические измерения
- •5.4. Алгоритмы измерения в номинальной шкале, аддитивной и порядка
- •5.5. Моделирование цифровых алгоритмических измерений
- •5.6. Эквивалентность между фильтрацией и алгоритмическим измерением
- •5.7. Моделирование сигналов. Дискретизация
- •5.7.1. Модели дискретизации аналогового сигнала
- •5.7.2. Дискретизация с усреднением
- •5.7.3. Дискретизация сигналов конечной длительности
- •5.8. Цифровое представление информации
- •5.9. Системы счисления с иррациональными основаниями
- •5.9.1. Золотая пропорция
- •5.9.2. Числа Фибоначчи
- •5.9.4. Код золотой p-пропорции
- •5.10. Общий алгоритм метрологического кодирования
- •5.10.1. Алгоритм Стахова
- •5.10.2.Фибоначчиевы алгоритмы цифрового метрологического кодирования
- •Раздел 6 введение в информационную теорию измерений
- •6.1. Основные положения теории информации
- •6.1.1. Энтропия
- •6.1.2. Единицы измерения энтропии
- •6.1.3. Условная энтропия (энтропия помехи)
- •6.1.4. Суммирование нескольких погрешностей
- •6.1.5. Явление «краевой эффект». Приближенность информационных оценок каналов передачи информации
- •6.1.6. Основные положения теории информации для характеристики процесса измерения
- •6.2. Сущность измерения
- •6.2.1. Понятие натурального ряда однородных величин
- •6.2.2. Понятие шкалы реперов измеряемой величины
- •6.2.3. Измерение как сужение интервала неопределенности
- •6.3. Измерительные преобразования, функциональные шкалы, единицы измеряемой величины
- •6.3.1. Функциональная шкала измеряемой величины
- •6.3.2. Понятие единицы измерения
- •6.3.3. Метод построения измерительных устройств
- •6.4. Измерительные преобразования и преобразователи
- •6.5. Энтропийное значение погрешности
- •6.5.1. Математическое определение энтропийного значения погрешности
- •6.5.2. Эффективное значение погрешности
- •6.6. Сравнение энтропийного и среднеквадратического значений погрешности для плавных симметричных одномодальных законов распределения погрешностей
- •6.7. Энтропийное значение погрешности – основной критерий точности приборов и измерений
- •6.8. Определение энтропийного значения погрешности на практике
- •6.9. Суммирование погрешностей измерительных устройств
- •6.10. Статистическое суммирование погрешностей при наличии корреляции
- •6.11. Энтропийное значение результирующей погрешности
- •6.12. Суммирование погрешностей с равномерными законами распределения вероятностей
- •6.13. Суммирование погрешностей при равномерном и нормальном законах распределения составляющих результирующей погрешности
- •6.14. Суммирование погрешностей при произвольной степени корреляции и произвольных законах распределения вероятностей составляющих результирующей погрешности
- •И объемов (n) выборок
- •Интервала
- •Оглавление
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
В.В. КОСУЛИН
ОСНОВЫ ИНФОРМАЦИОННЫХ
И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Учебное пособие
по дисциплинам
«Теоретические основы измерительных и информационных технологий»,
«Теоретические основы информационно-измерительной техники»
2-е издание
переработанное и дополненное
Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов
Россиской Федерации по образованию в области приборостроения
и оптотехники для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениюподготовки 200100 «Приборостроение» и специальности
200106 «Информационно-измерительная техника и технологии»
Казань 2011
УДК 004.9
ББК 32.965
К72
Рецензенты:
Главный метролог ФГУП «Научно-производственное объединение
«Государственный институт прикладной оптики»,
доктор технических наук, профессор В.И. Курт
Доцент кафедры «Процессы и аппараты химических технологий»
ГОУ ВПО «Казанский государственный технологический университет»,
кандидат химических наук, доцент Э.А. Мухутдинов
Косулин В.В.
К72 |
Основы информационных и измерительных технологий. – 2-е издание, переработанное и дополненное: Учебное пособие. – Казань: Казан.гос.энерг.ун-т, 2011. – 316 с. |
ISBN |
|
|
Рассмотрены основные положения информационных и измерительных технологий. Рассмотрены вопросы, касающиеся, кодирования, передачи и обработки измерительной информации, а также планирования факторного эксперимента и обработки полученных при этом данных. Изложены основы алгоритмической и измерительной теорий измерения. Предназначено для студентов обучающихся по направлению подготовки 200100 «Приборостроение» и специальности специальности 200106 «Информационно-измерительная техника и технологии». |
УДК 004.9
ББК 32.965
ISBN |
ã Казанский государственный энергетический университет, 2011 |
Введение
Современный этап развития человечества характеризуется огромными потоками информации, циркулирующей во всех сферах его деятельности. Важную роль среди различных видов информации играет измерительная информация, которая несет количественную оценку состояния технологических процессов, характеристик изделий, результатов научных исследований, параметров окружающей среды, физиологического состояния человеческого организма и т.д.
В связи с интенсивным развитием науки, техники и технологии значение и объем измерительной информации непрерывно увеличиваются. В 20-х годах XX столетия объем измерительной информации не превышал 5% от ее общего объема, а на сегодняшний день он достигает 50%, существенно превышая уровень статистической и экономической информации.
Ни один технологический процесс, ни один объект, ни одна отрасль народного хозяйства не в состоянии функционировать без наличия соответствующих измерительных систем. Возможность получения и обработки измерительной информации в темпе технологического процесса, эксперимента или испытаний, а также ее достоверность являются важными факторами, определяющими уровень развития производства.
Большие объемы информации требуют создания машин и систем, позволяющих осуществлять автоматический сбор, преобразование, минимизацию потока, передачу, обработку информации, а также разработки устройств анализа и поиска требуемой информации.
В настоящее время сформировался класс технических средств, представляющий собой средства информационной техники, причем информационная техника объединяла в своем составе не только разрабатываемые новые специализированные устройства, но и традиционные средства сбора и обработки различных видов информации.
В настоящее время в состав технических средств информационной техники входят: информационно-поисковые системы, информационно-логические комплексы, информационно-вычислительные системы, информационно-контролирующие системы, информационно-диагностические комплексы, информационно-измерительные системы и измерительные приборы. Информационно-поисковые системы осуществляют поиск нужной информации в банке данных. Информационно-логические комплексы на основании полученной извне информации синтезируют алгоритм своего поведения. Информационно-вычислительные системы предназначены для обработки различных видов информации по заданным алгоритмам и программам. Информационно-контролирующие системы осуществляют непрерывное сравнение данных, полученных в процессе измерения и определяющих состояние объекта, с установленными нормами, что позволяет оценить соответствие текущего состояния объекта заданному. Информационно-диагностические комплексы осуществляют измерение параметров, определяющих состояние объекта, сравнивают совокупности полученных знаний с заложенными в память и определяют состояние диагностируемого объекта. Информационно-измерительные системы обладают нормированными характеристиками и предназначены для получения измерительной информации непосредственно от объекта исследования или правления, ее преобразования, передачи, обработки, хранения и выдачи в виде, удобном для восприятия оператором или для передачи на более высокий уровень иерархии. Измерительные приборы обладают ограниченными функциональными возможностями.
Информационно-измерительная система является основой построения подавляющего большинства указанных средств (за исключением информационно-поисковых систем) и определяет их технические и эксплуатационные характеристики. Поэтому специалисты в области разработки средств информационной техники должны знать основы метрологии, методы измерения, способы построения измерительных приборов и систем и ряд других важных разделов измерительной техники.
РАЗДЕЛ 1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ
И ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ
1.1. Методы измерений
Различные методы измерений отличаются организацией сравнения измеряемой величины с единицей измерения. С этой точки зрения все методы измерений делятся на две группы: методы непосредственной оценки (метод прямого преобразования) и метод сравнения (метод уравновешенного преобразования).
Метод прямого преобразования заключается в том, что о значении измеряемой величины судят по показанию прибора, заранее отградуированного в единицах измеряемой величины. Точность этого метода не велика, но он достаточно прост.
При использовании методов сравнения измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой. Данные методы характеризуются высокой точностью, но в реализации достаточно сложны. Методы сравнения включают в себя дифференциальный и нулевой методы, метод противопоставления, метод замещения и метод совпадений.
Дифференциальный метод заключается в том, что измерительным прибором оценивается разность между измеряемой величиной и образцовой мерой. Точность этого метода увеличивается с уменьшением разности между сравниваемыми величинами.
Нулевой метод является частным случаем дифференциального метода и заключается в том, что результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводится до нуля.
Метод противопоставления (метод компенсаций) состоит в том, что измеряемая величина и противопоставляемая ей образцовая мера временно воздействуют на прибор сравнения, по которому устанавливается их соотношение.
Метод замещения состоит в том, что измеряемая величина замещается в измерительной схеме регулируемой образцовой мерой так, чтобы никаких изменений в состоянии измерительной схемы не происходило, т.е. показания прибора будут те же, что и при включении измеряемой величины.
Метод совпадений состоит в том, что измеряют разность между искомой величиной и образцовой мерой, используя совпадения отметок или периодических сигналов. Этот метод применяют для измерения перемещений, периода, частоты и т.д.