Приборостроение и измерительная техника

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. История развития измерительной техники

2. Научные основы приборостроения

3. Технологии приборостроения

Список использованной литературы

Введение

Приборостроение - это область науки и техники, изучающая методы и средства получения опытным путём информации о величинах, характеризующих свойства и состояния объектов исследования и процессов и используемые для разработки измерительной техники - средств измерения (измерительные устройства и измерительные приборы), средств анализа, обработки и представления информации, устройств регулирования, автоматических и автоматизированных системы управления.

1. История развития измерительной техники

Измерительная техника существуют с глубокой древности. За несколько тысячелетий до н. э. развития товарообмена привело к измерениям веса и появлению весов; примитивная измерительная техника требовалась также при разделе земельных участков (измерение площадей); при установлении распорядка дня и суток, выработке календаря (измерение времени); в астрономическихнаблюдениях и кораблевождении (измерение углов и расстояний); в строительстве (измерение размеров). В античную эпоху в процессе научных исследований были выполнены некоторые тонкие измерения, например были измерены углы преломления света, определена дуга земного меридиана. Примерно до 15 в. измерительная техника не отделялась от математики, о чём говорят такие названия, как «геометрия» (измерение Земли), «тригонометрия» (измерение треугольников), «пространство трех измерений» и т. д. Средневековые математические трактаты часто содержали простое перечисление правил измерения площадей и объёмов. Математическая идеализация реального процесса измерения сохранилась в ряде важных математических понятий (от иррационального числа до интеграла). Среди великих открытий и изобретений феодальных времён стали очки и компас. Место и время изготовления первых очков точно неизвестно. Впервые оптические очки появились в Европе, в Венеции, в XIII в. Потребность в очках вызвала развитие стекольного дела, и в частности шлифовки стекол. В XIV--XV вв. стекольно-шлифовальное дело начинает быстро развиваться преимущественно в Голландии. Изготовление и применение очков подготовили изобретение подзорной трубы, микроскопа и привели к созданию теоретических основ оптики. Возникновение оптики дало не только огромный материал наблюдений, но и совершенно иные, чем раньше, средства для науки, позволило сконструировать новые приборы для исследований. Использование явления магнетизма и создание компаса позволили человеку значительно расширить масштабы путешествий как по суше, так и по морю. Точные данные о времени и месте применения магнетизма и изобретения компаса неизвестны. По-видимому, магнетизм впервые был обнаружен в виде естественной намагниченности некоторых железных руд. Наиболее древнее практическое применение магнетизма известно в Китае, где в летописи III в. до н. э. имеются записи о применении компаса, первоначально употреблявшегося при сухопутных путешествиях. До наших дней сохранилась медная с делениями пластинка от компаса, стрелкой которого служил природный магнитный железняк, отшлифованный в виде ложечки. Своей выгнутой поверхностью стрелка прикасалась к дощечке. Первое упоминание о компасе в Европе относится к XII--XIII вв. Вначале компас представлял собой магнитную стрелку, укрепленную на пробке, которая плавала в сосуде с водой. В начале XIV в. компас был усовершенствован: к стрелке прикрепили небольшой круг, получивший название «картушка». Круг разделялся на 16 делений, румбов. Вращающаяся стрелка с картушкой помещалась в круглой коробке. В XVI в. картушка делилась на 32 румба, по 11,4°. В России поморы в XVI в. называли компас «маткой». Главное применение компас нашел в морском деле, став основным прибором для судовождения. Компас, подзорная труба, а также выросшая техника морского дела» позволили в конце XV и в XVI в. осуществить великие географические открытия. Совершенствование измерительная техника шло вместе с бурным развитием физики, которая, основываясь в то время только на эксперименте, полностью опиралась на измерительную технику. К этому периоду относятся усовершенствование часов, изобретение микроскопа, барометра, термометра, первых электроизмерительных приборов и др. измерительных устройств, использовавшихся главным образом в научных исследованиях. Уже в конце 16 -- начале 17 вв. повышение точности измерений способствовало революционным научным открытиям. Так, например, точные астрономические измерения Т. Браге позволили И. Кеплеру установить, что планеты обращаются по эллиптическим орбитам. В создании измерительных приборов и разработке их теории принимали участие крупнейшие учёные -- Г. Галилей, И. Ньютон, Х. Гюйгенс, -- Г. Рихман и др. Каждое открываемое физическое явление воплощалось в соответствующем приборе, который, в свою очередь, помогал точно определить значение исследуемой величины и установить законы взаимодействия между различными величинами. Так, например, постепенно было выработано понятие температуры и создана температурная шкала. В конце 18 и первой половине 19 вв. в связи с распространением паровых двигателей и развитием машиностроения резко повысились требования к точности обработки деталей машин, что обусловило быстрое развитие промышленной измерительной техник. В это время совершенствуются приборы для определения размеров, появляются измерительные машины, вводятся калибры и т. д. В 19 в. были созданы основы теории измерительной техники и метрологии; получила распространение метрическая система мер, обеспечившая единство измерений в науке и производстве. Огромное значение для И. т. имели труды К. Гаусса, разработавшего метод наименьших квадратов, теорию случайных погрешностей, абсолютную систему единиц (CGSE) и заложившего вместе с В. Вебером основы магнитных измерений. Благодаря развитию теплоэнергетики, внедрению электрических средств связи, а затем и первых электроэнергетических установок в промышленности начали использоваться методы и средства измерения, которые до этого применялись лишь при научных исследованиях, -- появились теплотехнические и электроизмерительные приборы. На рубеже 19 и 20 вв. в промышленно развитых странах стали создаваться метрологические учреждения. В России в 1893 была образована Главная палата мер и весов, которую возглавил Д. И. Менделеев. В начале 20 в. знаменует новый этап в развитии измерительной техники -- электрические, а позднее и электронные средства начинают применяться для измерения механических, тепловых, оптических величин, для химического анализа, геологической разведки и т. д., т. е. для измерений любых величин. Появляются такие новые отрасли, как радиоизмерения, спектрометрия и др. Возникает приборостроительная промышленность. Качественный скачок в развитии измерительной техники произошёл после 2-й мировой войны 1939--1945, когда измерительная техника выступила как отрасль кибернетики, занимающаяся получением и преобразованием информации (измерительной), наряду с такими отраслями, как автоматика и вычислительная техника.

2. Научные основы приборостроения

Измерения -- важнейший этап деятельности исследователей и экспериментаторов во всех отраслях науки и техники. Измерительная аппаратура -- основное оборудование научно-исследовательских институтов и лабораторий, неотъемлемая часть оснастки любого технологического процесса, главный полезный груз метеорологических ракет, искусственных спутников Земли и космических станций. Современная измерительная аппаратура предназначается не только для воздействия на органы чувств человека, как, например, в случае сигнализации или отсчёта результатов измерения наблюдателем, но всё чаще для автоматической регистрации и математической обработки результатов измерения и передачи их на расстояние или для автоматического управления какими-либо процессами. В приборах и системах на разных участках измерительных каналов используются механические, электрические, пневматические, гидравлические, оптические, акустические сигналы, амплитудная, частотная и фазовая модуляции; чрезвычайно широко применяются импульсные и цифровые устройства, следящие системы. Процесс измерения современными измерительными устройствами состоит в целенаправленном преобразовании измеряемой величины в форму, наиболее удобную для конкретного использования (восприятия) человеком или машиной. Например, смысл действия всех электроизмерительных приборов (амперметров, вольтметров, гальванометров и др.) заключается в том, что с их помощью измеряемая электрическая величина, изменения которой непосредственно органами чувств человека не могут быть оценены количественно, преобразуется в определённое механическое перемещение указателя (стрелки или светового луча). Таково же назначение и многих механических измерительных приборов и измерительных преобразователей, с помощью которых разнообразные физические величины преобразуются в механическое перемещение (штангенциркуль, микрометр, пружинные весы, ртутный термометр, пружинный манометр или барометр, волосяной гигрометр и т. п.). Для начала 21 в. характерно осознание того факта, что измерительная техника, является не столько « искусством» измерения, сколько особой научной дисциплиной со своей собственной системой понятий и своими методами анализа. В основе технологий приборостроения лежит метрология. Метрология - (от греч. mйtron -- мера и ...логия), наука об измерениях, методах достижения их единства и требуемой точности.

К основным проблемам метрологии относятся:

а) общая теория измерений;

б) образование единиц физических величин и их систем;

в) методы и средства измерений;

г) методы определения точности измерений (теория погрешностей измерений);

д) основы обеспечения единства измерений и единообразия средств измерений (законодательная метрология):

е) создание эталонов и образцовых средств измерений,

ж) методы передачи размеров единиц от эталонов образцовым и далее -- рабочим средствам измерений.

Первоначально метрология занималась описанием различного рода мер (линейных, вместимости массы, времени), а также монет, применявшихся в разных странах, и соотношений между ними. Поворотным моментом в развитии метрологии стало заключение в 1875 Метрической конвенции и учреждение Международного бюро мер и весов. Современная метрология опирается на физический эксперимент высокой точности, она использует достижения физики, химии и других естественных наук, но вместе с тем устанавливает свои специфические законы и правила, позволяющие находить количественное выражение свойств объектов материального мира. Общая теория измерений окончательно ещё не сложилась, в неё входят сведения и обобщения, полученные в результате анализа и изучения измерений и их элементов: физических величин, их единиц, средств и методов измерений, получаемых результатов измерений. В метрологии, как и в физике, физическая величина трактуется как свойство физических объектов (систем), общее в качественном отношении многим объектам, но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта, т. е. как свойство, которое может быть для одного объекта в то или иное число раз больше или меньше, чем для другого (например, длина, масса, плотность, температура, сила, скорость). Каждый объект обладает определённой длиной, массой и т.д., для него понятие величины становится конкретным (длина стола, масса гири и т.д.). Измерять можно только конкретные величины. Для того чтобы объективно оценить величину, нужно выбрать единицу (для некоторых величин -- шкалу). Единица -- это физическая величина (конкретная), числовое значение которой по условию принято равным 1. Шкалой величины называется принятая по соглашению последовательность значений одноимённых величин различного размера (например, температурная шкала, шкала твёрдости по Бринеллю). С развитием науки перешли от случайного выбора единиц отдельных величин к построению систем единиц. В метрологии рассматриваются теоретические аспекты связей между физическими величинами и принципы построения систем единиц, а также конкретные системы единиц. В частности, в настоящее время одной из наиболее распространённых является Международная система единиц(СИ). Для достижения единства измерений (т. е. получения результатов, выраженных в узаконенных единицах независимо от времени, места и средств измерений) должна производиться правильная градуировка и периодическая поверка всех применяемых средств измерений. Для этого необходимы эталоны единиц и парк образцовых средств измерений. Метрология изучает способы воспроизведения единиц с помощью эталонов и пути повышения их точности, а также методы передачи размеров единиц (методы поверки). В области метрологии следует особо выделить тенденцию перехода от эталонов, изготовленных человеком, к естественным эталонам, основанным на волновых и дискретных свойствах материи. Так, единица длины воспроизводится с помощью длины световой волны, а единица времени -- с помощью периода колебаний естественного излучателя. Подобно этому, единица электрического заряда может быть установлена через заряд электрона, единица массы -- через массу какой-либо из элементарных частиц и т. д. В приборостроении широкое промышленное применение находят методы измерений, которые прежде считались сугубо лабораторными и даже метрологическими, например автоматические интерферометры с цифровым отсчётом для измерений малых перемещений. Важнейшей тенденцией в приборостроении является миниатюризация и микроминиатюризация средств измерений с использованием новейших достижений науки, в частности физики твёрдого тела. Насущной задачей является формирование общих теоретических основ измерительной техники. Трудность разработки заключается в том, что теория измерительной техники граничит со сложными вопросами гносеологии и математики. Большой раздел метрологии посвящен методам нахождения оценок погрешностей измерений, для чего используется аппарат теории вероятностей и математической статистики, а иногда и других разделов математики. Законодательная метрология рассматривает вопросы, связанные с достижением единства измерений и единообразия средств измерений, которые нуждаются в регламентации и контроле со стороны государства. Для проведения в жизнь всех необходимых для этого мероприятий в странах организуются метрологические службы. Вследствие увеличения роли метрологии в развитии науки, техники и промышленности в ряде стран ещё в конце 19 в. и начале 20 в. были созданы специальные метрологические научно-исследовательские институты: Главная палата мер и весов в России (1842) (ныне Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии (ВНИИМ) им. Д. И. Менделеева, подчинён Федеральному агентству по техническому регулированию и метрологии), Государственный физико-технический институт в Германии (1887), Национальная физическая лаборатория в Великобритании (1899), Национальное бюро стандартов в США (1901) и др. В 20 в. был создан ряд Международных метрологических организаций, призванных вырабатывать и принимать единые для всех стран-участниц рекомендации и постановления по рассматриваемым метрологическим вопросам. Приборостроительная наука представлена тематикой отраслевых и академических организаций, дисциплинами высших и средних специальных учебных заведений, многочисленным персоналом учёных, книжными и периодическими изданиями, научно-техническими советами и обществами. Международная кооперация в приборостроении имеет очень большое значение. Она позволяет обеспечить создание и производство приборов и средств автоматики с учётом традиционных возможностей и рационального использования научно-производственного потенциала разных стран. Международная кооперация позволяет производить параметрические ряды унифицированных приборов контроля и регулирования температуры, давления, уровня, расхода, количества жидкостей и газов и др. теплоэнергетических величин. Кооперирование даёт возможность разрабатывать и выпускать системы управления технологическими процессами на базе средств извлечения, формирования, обработки, представления и использования информации. Приборостроение занимает видное место в промышленности развитых стран. Разнообразные измерительные, аналитические, геофизические и другие приборы, вычислительные и испытательные машины, устройства передачи данных, средства телемеханики и оргтехники, комплексные системы контроля и регулирования выпускают большое количество компаний США, Европейского Союза, Китая, России, Ю.Кореи и многих других стран.

приборостроение измерительный техника

3. Технологии приборостроения

Наибольшее развитие в приборостроении получило производство механических и электрических измерительных приборов с деталями высокого класса точности. Наряду с классическими видами машиностроительной технологии при изготовлении деталей приборов применяют ультразвуковую, электроннолучевую, лазерную, электрохимическую, электроэррозионную и др. прогрессивные виды обработки. Всё большее место в приборостроении занимает производство электронной техники с поточными автоматизированными гальваническими, электрофизическими, электрохимическими, фотохимическими, диффузионными и др. процессами обработки полупроводниковых и изоляционных материалов, процессами печатного монтажа элементов и схем на модульных платах, специализированным оборудованием для получения электронных функциональных блоков. Достижения вычислительной техники позволяют приборостроению существенно расширить арсенал методов и средств автоматизированного управления технологическим оборудованием, энергетическими установками, промышленными предприятиями, транспортными средствами, научными исследованиями. Вычислительные устройства также входят в состав измерительных, аналитических, испытательных, разведочных установок и систем в качестве средств хранения и математической обработки информации для получения синтезированных результатов. Они применяются и как средства программного управления различными машинами, станками, манипуляторами и поточными линиями. Приборостроением создаются разнообразные средства обработки данных, ручного и автоматического формирования текстовой и графической информации для непосредственного использования в и передачи для дальнейшей машинной обработки. Разработкой принципов и методов автоматизации управления занимается, в частности, институт проблем управления и Центральный научно-исследовательский институт комплексной автоматизации в Москве. Развитие автоматизации управления связано с совершенствованием сбора, передачи, обработки и представления информации посредством совмещения анализа технологических и экономических параметров для своевременного получения синтезированных показателей производства и деятельности предприятия в целом. Это путь развития интегрированных систем. Создание и распространение интегрированных систем связаны с выпуском необходимых унифицированных экономически целесообразных комплексов технических средств, алгоритмов, программ и типовых проектных решений автоматизации управления, применимых в различных отраслях народного хозяйства. Важное значение имеет повышение информативности систем при одновременном сокращении количества частных сведений, представляемых человеку, что достигается за счёт расширения аналитической функции измерительных и вычислительных устройств. Существенно повышение автоматичности управления. Исследование технологических процессов, различных режимов работы оборудования и машин даёт возможность шире использовать методы адаптации систем управления для получения наилучших технико-экономических показателей. Научные достижения в изучении различных состояний твёрдого тела, динамики движения жидкостей и газов, плазменной формы материи, физико-химических свойств веществ, энергетических преобразований, нестационарных полей, колебаний и излучений позволяют не только находить новые принципы действия приборов, но и повышать точность, надёжность и экономичность важнейших изделий приборостроения и обновлять их номенклатуру. Ведущее место в приборостроении по количеству и разнообразию выпускаемых приборов занимают средства измерительной техники.

Созданы методы и приборы измерения:

· электрических и магнитных величин (напряжение, ток, мощность, частота, фазы, сопротивление, ёмкость, магнитные величины);

· теплоэнергетических величин (температура, давление, расход, уровень);

· механических величин (вес, сила, вибрация, твёрдость, деформация, прочность).

Крупным, быстро развивающимся направлением является аналитическое приборостроение, создающее устройства для определения состава и концентрации веществ в различных средах, материалах и продуктах. К ним относятся электрохимические, ультразвуковые, оптические, ядерные и иные анализаторы, сложные многопараметровые аналитические системы. Современные средства физико-химического анализа используют разнообразные явления, вызываемые воздействием электрического тока, электромагнитных волн или проникающей радиации на исследуемую среду. Отбор и подготовка проб, преобразование, разделение, дозирование веществ, возбуждение их активности, селектирование сигналов и представление информации автоматизируются. Развитие металлургии, химии, биологии и др. связано с необходимостью точного анализа руд, металлов и сплавов, нефтепродуктов, примесей в полупроводниках, присутствия различных элементов в пищевых продуктах и живых средах в широком диапазоне состава и концентрации, требует применения многокомпонентных анализаторов. Такими приборами являются рентгеновские квантометры, полярографы, масс-спектрометры, хроматографы, точно фиксирующие элементарную картину многих минеральных и органических соединений. Приборостроение не только создаёт и выпускает такие приборы, но и обеспечивает возможность комплексного применения средств аналитической техники в системах автоматического контроля и регулирования технологических процессов. Достижения вычислительной техники позволяют приборостроению существенно расширить арсенал методов и средств автоматизированного управления технологическим оборудованием, энергетическими установками, промышленными предприятиями, транспортными средствами, научными исследованиями. Вычислительные устройства также входят в состав измерительных, аналитических, испытательных, разведочных установок и систем в качестве средств хранения и математической обработки информации для получения синтезированных результатов. Они применяются и как средства программного управления различными машинами, станками, манипуляторами и поточными линиями. Значительное место в приборостроении занимают средства передачи информационных сигналов и управляющих импульсов на большие расстояния (телемеханика). Автоматизация технологических процессов невозможна без исполнительных механизмов, преобразующих управляющие импульсы в перемещение регулирующих органов производственного оборудования. Кроме основных средств извлечения, формирования, хранения, передачи, представления и использования информации широкого научного и промышленного назначения, приборостроение создаёт и выпускает много различных специальных приборов длягеофизики, гидрометеорологии, медицины, сельского хозяйства, транспорта, лабораторное оборудование, специализированные комплектные лаборатории, часы и ювелирные изделия. Развитие микроэлектроники, оптоэлектроники, нелинейной оптики, микромеханики обогащает приборостроения, способствует созданию компактных надёжных экономичных измерительных, аналитических, разведочных и др. приборов, средств управляющих ЭВМ, телемеханики и автоматики. Монокристаллы с особыми физическими свойствами, полупроводниковые, эпитаксиальные и др. плёнки, жидкие кристаллы, твёрдотельные интегральные схемы, магнитострикционные элементы в качестве чувствительных воспринимающих, преобразующих и индикаторных сред качественно меняют характер изделий и технологию приборостроения. Ведущей тенденцией в современном приборостроении является унификация элементно-конструктивной базы приборов и их системное применение. Унификация обеспечивается нормализацией информационных сигналов, параметров источников питания, метрологических показателей, конструктивных форм и размеров, технических требований и технологий, а также условий эксплуатации. Этим существенно упрощается и удешевляется проектирование систем и повышается надёжность их функционирования.

Список использованной литературы

1. Арутюнов В. О., Электрические измерительные приборы и измерения, М. -- Л., 2008,

2. Курс электрических измерений, под ред. В. Т. Прыткова и А. В. Талицкого, ч. 1--2, М. -- Л., 2000;

3. Островский Л. А., Основы общей теории электроизмерительных устройств, М. -- Л., 2005;

4. Туричин А. М., Электрические измерения электрических величин, основы информационной теории измерительных устройств, Л., 1968.

6. http://www.e-reading.club

7. http://www.allbest.com

8. http://bse.sci-lib.com

9. http://www.lomonosov-fund.ru

Размещено на Allbest.ru