Основы автоматизации эксперимента
Методы измерений их классификация, различные виды измерений. Автоматизация измерений, основные направления и принципы. Принципы построения и основные технические характеристики цифровых измерительных приборов. Аналоговые электроизмерительные приборы.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 29.05.2015 |
| Размер файла | 145,9 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
Физический факультет
Кафедра оптики
Курсовая работа
Разработка тестовых заданий для студентов по дисциплине специализации
"Основы автоматизации эксперимента"
Содержание
- автоматизация прибор цифровой электроизмерительный
- Введение
- 1. Методы измерений их классификация, различные виды измерений
- 2. Автоматизация измерений, основные направления и принципы
- 3. Цифровые приборы и автоматизированные измерения
- 4. Сравнение возможностей цифровых и аналоговых приборов
- 4.1 Принципы построения и основные технические характеристики цифровых измерительных приборов
- 4.2 Аналоговые электроизмерительные приборы
- 4.3 Сравнение цифровых и аналоговых приборов
- 5. Разработка тестовых материалов по темам лекций «Основы автоматизации эксперимента»
- 5.1 Компьютерное тестирование как эффективный способ проверки знаний
- 5.2 Общая характеристика Moodle
- Заключение
- Список использованных источников
Введение
Необходимость и актуальность дисциплины состоит в повышении эффективности работы исследователей при разработке и применении комплекса средств и методов для ускорения сбора и обработки экспериментальных данных, интенсификации использования экспериментальных установок.
Целью курсовой является овладение студентами основами автоматизации эксперимента.
Задачами курсовой работы являются:
? ознакомление студентов с основами автоматизации физического эксперимента;
? усвоение основных понятий и законов построения автоматизированных систем сбора и обработки информации,
? формирование умений и навыков практической работы в области автоматизации эксперимента, применения технических средств, а также технологии разработки автоматизированных систем в области сбора и обработки информации;
? овладение способами и методиками автоматизации физического эксперимента.
В результате изучения дисциплины для прохождения компьютерного тестирования студент должен иметь представление о роли автоматизации в обеспечении проведения измерений, управлением эксперимента и производственных процессов, основные технические средства, используемые при автоматизации, структуру автоматизированных систем и структуру и функции типовых функциональных подсистем автоматизированных систем управления (АСУ). Также необходимо обладать навыками разработки системы автоматизации эксперимента и производственных процессов и применять на практике различные методы и способы классификации и кодирования технико-экономической информации.
1. Методы измерений их классификация, различные виды измерений
Измерение - совокупность операций для определения отношения одной (измеряемой) величины к другой однородной величине, принятой за единицу, хранящуюся в техническом средстве (средстве измерений). Получившееся значение называется числовым значением измеряемой величины, числовое значение совместно с обозначением используемой единицы называется значением физической величины. Измерение физической величины опытным путём проводится с помощью различных средств измерений - мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, систем, установок и т. д. Измерение физической величины включает в себя несколько этапов:
? сравнение измеряемой величины с единицей;
? преобразование в форму, удобную для использования (различные способы индикации).
Принцип измерений - физическое явление или эффект, положенный в основу измерений.
Метод измерений - приём или совокупность приёмов сравнения измеряемой физической величины с её единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Метод измерений обычно обусловлен устройством средств измерений.
Характеристикой точности измерения является его погрешность или неопределённость.
Примеры измерений:
? в простейшем случае, прикладывая линейку с делениями к какой-либо детали, по сути сравнивают её размер с единицей, хранимой линейкой, и, произведя отсчёт, получают значение величины (длины, высоты, толщины и других параметров детали).
? с помощью измерительного прибора сравнивают размер величины, преобразованной в перемещение указателя, с единицей, хранимой шкалой этого прибора, и проводят отсчёт.
? в тех случаях, когда невозможно выполнить измерение (не выделена величина как физическая, или не определена единица измерений этой величины) практикуется оценивание таких величин по условным шкалам, например, Шкала Рихтера интенсивности землетрясений, Шкала Мооса -- шкала твёрдости минералов.
Рассмотрим, как классифицируются виды измерений в соответствии с признаками, предусмотренными стандартом.
В зависимости от способа обработки экспериментальных данных для нахождения результата, измерения разделяются напрямые, косвенные, совместные и совокупные.
Прямое - это измерение, при котором искомое значение находят непосредственно.
Косвенное - это измерение, при котором искомое значение физической величины определяют на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной. При косвенном измерении значение измеряемой величины получают путём решения уравнения 1, гдеx1, x2,...,xn- значения величин, полученных прямым измерением.
Совместными называют одновременные измерения нескольких разноимённых величин для нахождения зависимости между ними.
Совокупные - одновременно проводимые измерения нескольких одноимённых величин, при которых искомые значения величин определяют путём решения системы уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях. Причём число уравнений должно быть не меньше числа величин.
В зависимости от количества наблюдений, выполняемых для получения результата эксперимента, измерения подразделяются на однократные и многократные.
Наблюдение - экспериментальная операция, выполняемая в процессе измерения, в результате которой получают одно из группы значений величины. Для получения результата измерений с многократными наблюдениями требуется статистическая обработка наблюдений. Измерения вероятностных характеристик случайных процессов называют статистическими измерениями.
В зависимости от режима работы применяемые средства измерения подразделяются на статические и динамические. Статическими называют измерения физической величины, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения. Динамические измерения - это измерения, изменяющиеся по размеру физической величины.
По характеристике точности измерения делятся на равноточные и неравноточные. Равноточными называют ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений и в одних и тех же условиях с одинаковой тщательностью. Неравноточными называют ряд измерений какой-либо величины, выполненных различающимися по точности средствами измерений и (или) в разных условиях.
По выражению результатов измерений разделяются на абсолютные и относительные. Абсолютное измерение основано на прямых измерениях одной или нескольких величин и (или) использовании значений физических констант. Относительное измерение - измерение отношения величины к одноимённой величине, играющей роль единицы, или измерения величины по отношению к одноимённой величине, принимаемой за исходную.
По метрологическому назначению измерения разделяются на технические и метрологические. Техническими называют измерения с помощью рабочих средств измерений. Метрологические проводятся при помощи эталонов и образцовых средств измерений с целью воспроизведения физических величин для передачи их размеров рабочим средствам измерения.
К видам измерений, классифицируемым по признакам, предусмотренным стандартом, добавим измерения, различаемые по другим признакам.
При наличие предварительного измерительного преобразования измерения подразделяют также на: непосредственные, при которых величина измеряется без любых предварительных преобразований сравнением с выходной величиной меры, однородной с измеряемой, и с предварительным преобразованием, при которых измеряемая величина предварительно преобразуется в величину, которая может быть воспроизведена с заданным размером и поддается сравнению.
По мерности измеряемой величины измерения классифицируются на одномерные и многомерные. Например, многомерным называется измерение вектора напряжения, когда требуется раздельно измерять активную и реактивную составляющие, отсекая влияние неинформативных параметров сигнала.
По соотношению между числом n измеряемых величин и числом уравнений измерения m величины измерения разделяют на неизбыточные и избыточные, или множественные. При m=n измерения неизбыточные (т.е. однократные), при m>n - избыточные.
По способу осуществления избыточности множественные измерения подразделяются на многократные и многоканальные, что определяет возможность осуществления избыточности либо повторными измерениями, т.е. многократными наблюдениями, либо разовым m-канальным измерением, либо их комбинацией.
Переходя к классификации методов измерений, уточним определение самого предмета классификации. Здесь также возможны два подхода к трактованию смысла понятия метода измерения.
Первый подход основывается на положениях классической метрологии и закреплен соответствующими формулировками. Согласно стандарту, под методом измерений понимается «прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений».
Второй подход предполагает более широкоетрактование этого понятия: метод измерения определяется «как алгоритм использования операций воспроизведения, сравнения, измерительного преобразования, масштабирования и запоминания с целью получения значения величины - результата измерения». В данной интерпретации присутствует характеристика метода как измерительной процедуры в целом, а не только операции сравнения, предполагается корректное описание последовательности действий (алгоритма) выполняемых при получении результата измерений.
В связи с этим, а также учитывая широкое использование в измерительных процедурах элементов цифровой электроники и программируемой вычислительной техники, предлагается следующее развитие определения: «метод измерений характеризуется последовательностью измерительных преобразований, в которую обязательно входят сравнение, аналого-цифровое преобразование и масштабирование, а также при необходимости дополнительные преобразования, выполняемые в аналоговой и числовой форме и цифроаналоговое преобразование». При этом аналого-цифровое преобразование связывает аналоговые числовые измерительные преобразования, а масштабирование заключает измерительную процедуру.
Соответственно рассмотренным вариантам толкования понятия «метод измерения» существует два варианта классификации методов измерения.
Первый вариант классификации предполагает, что все методы измерений подразделяются на две группы: методы непосредственной оценки и методы сравнения.
Согласно методу непосредственной оценки значение измеряемой величины определяют непосредственно по показывающему средству измерений.
К методам сравнения с мерой относятся методы измерений, в которых производится сравнение измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой. Сравнение может быть непосредственным или опосредованным через другие величины, однозначно связанные с первыми. Отличительная черта методов сравнения - известная величина однородна с измеряемой.
Группа методов сравнения с мерой включает в себя следующие методы: нулевой, дифференциальный, противопоставления, замещения и совпадения.
Нулевой метод измерений - метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля.
Дифференциальный метод измерений - это метод сравнения с мерой, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины, и при котором измеряется разность между этими двумя величинами.
Метод измерения дополнением - метод сравнения с мерой, в котором значение измеряемой величины дополняется мерой этой же величины с таким расчетом, чтобы на прибор сравнения воздействовала их сумма, равная заранее заданному значению.
Метод замещения - метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины. Этот метод можно рассматривать как разновидность дифференциального или нулевого методов, отличающуюся тем, что воздействие на прибор сравнения измеряемой величины и величины, воспроизводимой с мерой, производится разновременно.
Несколько иной представляется классификация методов измерений, если основываться на рассмотренной выше расширенной трактовке понятия метода измерения. По данному варианту классификации, методы прямых измерений подразделяются на методы измерений: комплексными средствами измерений (КСИ) (что эквивалентно методу непосредственной оценки); наборами элементарных средств измерений (ЭСИ); комбинированные с использованием как комплексных, так и элементарных средств измерений.
Методы прямых измерений наборами элементарных средств измерений подразделяются в зависимости от наличия или отсутствия в наборе измерительного преобразователя (ИП) и масштабного преобразователя на четыре группы. Широко используются также варианты синтеза методов и алгоритмов прямых абсолютных измерений наборами элементарных средств без предварительных преобразований рода величин. Эти методы классифицируются по двум существенным признакам: особенности алгоритма и набор средств.
По особенностям алгоритма методы измерения подразделяются на методы сопоставления и методы уравновешивания.Методы сопоставления осуществляются за один прием, параллельно, одноэтапно, на основе многоканального сравнения. В соответствии с основным уравнением измерения Kмпх=Nxqk, если измеряемая величина х изменяется от нуля до хн, то при постоянстве qk для обеспечения равенства правой и левой частей необходимо изменять либо КМП, либо Nх. Данное условие реализуется изменением х, что возможно, если мера и масштабный преобразователь будут либо регулируемыми, либо многоканальными. Причем в уравнении измерения только этих элементарных средств входят числа, определяющие размер их входных величин. Это означает, что для реализации процедуры измерения минимально необходимый набор элементарных средств измерений должен состоять из меры и устройства сравнения. Причем если мера однозначна, то масштабированный преобразователь должен быть многозначным, и наоборот.
Рассмотренные условия реализации процедуры измерений, а также вариации возможных сочетаний в наборах этих и других элементарных средств измерений положены в основу различных методов измерений. Подробнее некоторые из этих методов измерений и их алгоритмы рассмотрены ниже.
Методы уравновешивания осуществляются за несколько приемов, последовательно, на основе многократного сравнения [5].
2. Автоматизация измерений, основные направления и принципы
Возрастание количества измерений, нарастание сложности аппаратуры, повышение требований к точности, расширение использования математических методов обработки результатов измерений и обнаружения ошибок приводит к значительному росту трудоемкости и стоимости измерений и требует создание специализированных автоматизированных средств измерений.
Основные направления автоматизации измерений:
? разработка средств измерений, в которых все необходимые регулировки выполняются автоматически, либо вообще не требуются;
? замена косвенных измерений прямыми, и создание многофункциональных комбинированных приборов;
? разработка панорамных измерительных приборов;
? применение микропроцессоров (МП) и разработка на их основе приборов со встроенным интеллектом;
? разработка измерительно-вычислительных комплексов (ИВК), имеющих в своем составе процессоры с необходимым периферийным оборудованием и программным обеспечением;
? создание на базе ИВК как универсального ядра информационных измерительных систем (ИИС).
В измерительных приборах микропроцессор выполняет следующие функции:
? управление процессом измерений, отдельными узлами и прибором в целом;
? обработка измерительной информации, преобразование результатов измерений и представление их на экране дисплея в различных форматах;
? автоматическая коррекция систематических погрешностей с использованием математических моделей;
? расширяет функциональные возможности прибора (например современные цифровые осциллографы помимо временных и амплитудных измерений позволяют измерять частотные параметры, проводить анализ спектров сигналов, статических характеристик и так далее);
? диагностика неисправностей и самокалибровка.
Измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) - автоматизированное средство измерений, имеющее в своем составе микропроцессоры (МП) с необходимым периферийным оборудованием, измерительные и вспомогательные устройства, управляемые от МП, и программное обеспечение комплекса.
Номенклатура входящих в ИВК компонентов и определяет конкретную область его применения. Но независимо от области применения ИВК должны выполнять следующие функции: измерение электрических величин; управление процессом измерений; управление воздействиями на объект измерения; представление оператору результатов измерения в заданной форме.
Для выполнения этих функций ИВК должен обеспечивать восприятие, преобразование и обработку сигналов от первичных измерительных преобразователей(датчиков или приборов), управление ими и другими компонентами, входящими в состав ИВК, а также выработку нормализованных сигналов воздействия на объект измерения, оценку точности измерений и представление результатов измерений в стандартной форме.
ИВК по назначению классифицируются на:
? типовые-для решения широкого круга типовых задач автоматизации измерений, испытаний и так далее;
? специализированные - для решения уникальных задач автоматизации измерений;
? проблемные - для решения широко распространенной, но специфической задачи автоматизации измерений.
В состав ИВК входят технические и программные компоненты. Программные компоненты включают в себя системное и общее прикладное программное обеспечение. В зависимости от конкретных требований проектируются одноуровневые и многоуровневые ИВК. В одноуровневых ИВК вся измерительная периферия соединена непосредственно с интерфейсом центрального процессора. В многоуровневых ИВК вычислительная мощность распределена между различными уровнями.
Информационно-измерительная система (ИИС) - совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и других технических средств, предназначенная для получения измерительной информации, ее преобразования и обработки с целью представления в удобном потребителю виде, либо автоматического осуществления логических функций контроля, диагностики и идентификации.
В зависимости от назначения и выполняемых функций ИИС делятся:
? измерительные системы;
? системы автоматического контроля;
? технической диагностики.
? распознавание образцов (идентификации).
Для ИИС характерна не только автоматизация таких процедур как регистрация, сбор и передача результатов измерений, но и проведение измерительного эксперимента при активном воздействии на объект исследования в соответствии с принятым планом. Оператор имеет возможность вмешиваться в ход эксперимента и корректировать его в режиме диалога.
Дополнительными являются следующие устройства: датчики, непосредственно воспринимающие от объекта исследования измеряемые величины и преобразующие их в изменение какого-либо параметра электрического сигнала или цепи; нормализующие преобразователи, необходимые для преобразования неунифицированных сигналов датчиков в унифицированные аналоговые или цифровые сигналы; АЦП; коммутаторы, осуществляющие поочередное подключение входных сигналов на общий выход.
Агрегатирование ? это метод стандартизации, который позволяет создавать новые изделия путем компоновки их из ограниченного числа унифицированных функциональных частей (деталей, блоков, узлов или приборов). Важное значение для внедрения агрегатирования имеет совместимость, которая подразделяется на информационную, энергетическую, конструктивную, метрологическую, эксплуатационную, надёжностную. Общие сведения об интерфейсах агрегатных комплексов средств измерений Интерфейс регламентирует правила обмена всеми видами информации между устройством, образующие какую-либо систему. Он включает в себя аппаратные средства и протокол. Протокол - совокупность правил, устанавливающих единые принципы взаимодействия подсистем. Применительно к ИВК и ИИС интерфейс обеспечивает информационную совместимость входящих в них аппаратных средств. Основные классификационные признаки интерфейсов:
? способ соединения средств измерений и автоматизации (СИА);
? способ передачи информации;
? принцип обмена информации;
? режим передачи информации.
По способу соединения СИА интерфейсы подразделяются на:
? магистральные(сигналы, возникающие во всех шинах интерфейса, доступны сразу всем СИА, но в каждый момент времени только один абонент (СИА) может обмениваться информацией по интерфейсу);
? радиальные;
? цепочечные;
? смешанные.
По способу передачи информации интерфейсы подразделяются на: параллельные, последовательные, параллельно-последовательные.
В ИИС и ИВК используются параллельно-последовательные интерфейсы, в которых сочетается быстродействие параллельных и меньшая аппаратная сложность последовательных.
По принципу обмена информацией интерфейсы подразделяются на: синхронные и асинхронные.
Наиболее часто используются асинхронные интерфейсы, которые позволяют сопрягать устройства с различным быстродействием. В зависимости от режима обмена информацией различают интерфейсы: с двусторонней одновременной передачей, с двусторонней поочередной передачей, с односторонней передачей [2].
3. Цифровые приборы и автоматизированные измерения
Цифровыми называются электроизмерительные приборы, преобразующие определяемую аналоговую величину в кодированный сигнал и представляющий результаты измерения в виде цифрового значения на отсчетном устройстве.
В соответствии с определением цифровые измерительные приборы (ЦИП) состоят из аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и цифровых отсчетных устройств (ЦОУ). Результаты преобразования АЦП, в виде кода могут подаваться на регистрирующие или вычислительные приборы.
Иногда, в качестве преобразователя выступают цифро-аналоговые преобразователи, представляющие сигнал в виде аналоговой квантованной величины. ЦОУ отображает результат в виде цифр с заданным количеством разрядов.
В основе цифровых электрических измерений заложено аналого-цифровое преобразование (кодирование), которое заключается в присвоении дискретного значения (кода) искомой величине с определенным шагом по времени. Процесс дискретизации аналоговой величины пояснен иллюстрацией. Преобразователь за каждый промежуток времени t вырабатывает сигнал определенной величины, соответствующий величине измеряемого сигнала.
Рисунок 1 - Процесс дискретизации аналоговой величины
Разницу между значениями t1 и t2, t2 и t3 и т. д. называют шагом дискретизации. Фиксированные значения Х1, Х2, Х3 и т. д. называют уровнями квантования, а разница между соседними значениями Х называется ступенью квантования или квантом
Чем меньше ступень квантования, тем ближе и точнее дискретный сигнал будет соответствовать аналоговой измеряемой величине.
Код в ЦИП выдается в соответствии с квантованным значением Х, принимаемым равным определяемой величине. При преобразовании аналоговой величины в квант, большое значение имеет правило отождествления измеряемой и квантованной величины.
На практике применяются следующие правила отождествления: с ближайшим большим или равным значением, с ближайшим меньшим или равным значением, с ближайшим значением.
На графике четко видно, что ни в один момент времени измеряемая аналоговая величина не совпала с фиксированным значением квантования. Это означает, что АЦП будет присваивать код по одному из вышеперечисленных правил.Число уровней квантования определяется устройством приборов, от этого числа зависит число возможных отсчетов. Для примера, если максимальное значение отсчетного устройства составляет 9999, это значит, что бесконечное количество значений аналоговой измеряемой величины в пределах от 0 до 9999 может быть представлено десятью тысячами различных показаний. ЦИП в данном случае имеет 10000 уровней квантования.
В результате квантования появляется погрешность дискретизации. На рисунке аналоговая величина в момент времени t1 имеет промежуточное значение между Х3 и Х4. АЦП в соответствии с одним из правил отождествления присвоит для времени t1 допустим значение Х4. Разница между фактической величиной и значением Х4 это и есть погрешность дискретизации.
Иногда, по значениям, полученным с помощью дискретизации сигнала, возникает необходимость восстановить все уровни измеряемой аналоговой величины. Практически это всегда выполняется с погрешностью, которую называют погрешностью аппроксимации.
АЦП преобразует входную величину в код одним из следующих методов: метод последовательного счета, последовательного приближения и метод считывания.
Метод последовательного счета заключается в последовательном во времени сравнении измеряемой величины Х с известной квантованной величиной Хк, изменяющейся во времени скачками.
Каждый скачок составляет один уровень квантования. АЦП выдает код соответствующий числу ступеней квантования, при котором наступает равенство с измеряемой величиной.
При инверсном преобразовании происходит сравнение известной квантованной величины с измеряемой квантованной величиной, функционально связанной с входным сигналом.
Рисунок 2- Графики зависимости x(t) при различных методах преобразования входного сигнала
Метод последовательного приближения заключается в сравнении квантованной величины с известной квантованной величиной, изменяющейся во времени скачкообразно по определенному закону.
При совпадении этих величин, происходит отождествление по одному из правил, в соответствии с этим значением выдается код преобразования.
Метод считывания заключается в одновременном сравнении измеряемой величины со всеми доступными уровнями квантования. Код выдается в соответствии с отождествленным уровнем квантования.
Основными достоинствами цифровых приборов являются: возможность их сочетания с другими устройствами; отсутствие возможности неправильного трактования результатов измерения; возможность автоматизации процесса измерения; высокое быстродействие цифровых измерений; возможность передачи кодированных сигналов на расстояние.
К основным недостаткам ЦИП следует отнести сложность устройства, и как следствие - относительно невысокую надежность приборов и сравнительно высокую стоимость [1].
4. Сравнение возможностей цифровых и аналоговых приборов
4.1 Принципы построения и основные технические характеристики цифровых измерительных приборов
Цифровой измерительный прибор (ЦИП) - средство измерений, автоматически вырабатывающее сигналы измерительной информации в цифровой форме. Цифровой измерительный прибор имеет ряд преимуществ перед аналоговыми приборами: удобство отсчитывания значений измеряемой величины, возможность полной автоматизации процесса измерений, регистрация результатов измерения с помощью цифропечатающих устройств и перфораторов. Поскольку результат измерения в ЦИП выражен в цифровом коде, измерительную информацию можно вводить в цифровую ЭВМ.
В ЦИП происходит преобразование непрерывной измеряемой величины в цифровой код. Осуществляется этот процесс с помощью аналогоцифрового преобразователя (АЦП), в котором сигнал измерительной информации подвергается дискретизации, квантованию и кодированию.
Дискретизация, т. е. процесс преобразования непрерывного сигнала измерительной информации в дискретный, может осуществляться как по времени, так и по уровню. Дискретизация по времени выполняется путем взятия отсчетов сигнала X(t) в определенные детерминированные моменты времени. Таким образом, от сигнала измерительной информации сохраняется только совокупность отдельных значений. Промежуток времени между двумя моментами дискретизации называют шагом дискретизации. Обычно моменты отсчетов на оси времени выбираются равномерно, т. е. шаг дискретизации постоянен.
Дискретизация значений измерительного сигнала по уровню носит название квантования. Операция квантования сводится к тому, что непрерывная по времени и амплитуде величина заменяется ближайшим фиксированным значением по установленной шкале дискретных уровней. Эти дискретные (разрешенные) уровни образованы по определенному закону с помощью мер. Разность между двумя разрешенными уровнями называют интервалом (шагом или ступенью) квантования. Интервал квантования может быть как постоянным, так и переменным. Временная дискретизация измерительного сигнала имеет смысл, когда его величина изменяется во времени. Если измерительный сигнал постоянен, достаточно осуществить квантование. Особым случаем является измерение времени (временного интервала). Процесс дискретизации здесь теряет смысл, и осуществляется квантование самого времени.
Следующим преобразованием измерительного сигнала, является кодирование. Цифровым кодом называется последовательность цифр или сигналов, подчиняющаяся определенному закону, с помощью которой осуществляется условное представление численного значения величины. Графическиописанные преобразования поясняются на рис. 3. Исходный измерительный сигнал X(t) (рис. 3а) представляет собой непрерывную функцию времени. Дискретизация выполняется с интервалом. Моменты дискретизации отмечены на рис. 3а цифрами 1…9. Практически такую дискретизацию можно осуществить путем амплитудной модуляции исходным сигналом X(t) последовательности коротких импульсов с периодом. Как видно из рис. 3б значения сигнала полученные после дискретизации, точно соответствуют мгновенным значениям функции X(t). Если на том же рисунке отметить уровни квантования, расположенные друг от друга на расстоянии, то часть дискретных значений сигнала окажется в промежутках между ними. Процесс квантования по уровню сводится к округлению дискретных значений сигнала до значений, соответствующих ближайшим разрешенным уровням. Так, в момент 1 мгновенное значение сигнала превышает уровень Х3 на величину, несколько меньшую (рис. 3б). Округление производится в сторону уменьшения, и квантованное значение выбирается равным Х3. В момент 2 значение сигнала превышает уровень Х4 на величину, большую чем Квантованное значение принимается равным Х5 (рис. 3в). Последний этап заключается в преобразовании квантованного сигнала в цифровой код. На рис. 3г представлен для примера цифровой унитарный код, соответствующий значениям квантованного сигнала. При таком способе кодирования число импульсов в кодовой группе прямо пропорционально уровню квантованного сигнала. Например, отсчету 7 соответствует уровень квантования Х6, и в кодовой группе n7 содержится шесть импульсов.
Рисунок 3 - Цифровой унитарный код значений квантового сигнала
Из рис. 3 ясно, что при дискретизации и квантовании сигнала возникает погрешность преобразования. Непрерывная функция X(t) анализируется только в моменты дискретизации. На интервале между двумя отсчетными точками сигнал предполагается неизменным. Уменьшением интервала, т. е. сближением отсчетных точек можно добиться снижения погрешности до допустимой величины. При измерении постоянных величин погрешность преобразования, связанная с дискретизацией, равна нулю. Погрешность, возникающая при квантовании непрерывной измеряемой величины, обусловлена конечным числом уровней квантования. Эта погрешность характерна для всех ЦИП, она носит название погрешности дискретности. При равномерном квантовании погрешность находится в пределах .
Следующий этап преобразований в ЦИП заключается в превращении цифрового кода в показания цифрового отсчетного устройства. Для этого необходим дешифратор, который превращает кодовые группы в соответствующие напряжения, управляющие работой цифрового индикатора.
Рассмотренная последовательность преобразований, осуществляемая в аналого-цифровом преобразователе (АЦП), дешифраторе и цифровом индикаторе, конечно дает упрощенное представление о работе ЦИП. Примером может служить случай измерения постоянной величины. Для этого достаточно одного цикла преобразований, в результате которого получится кодовая группа. Но кодовая группа это «пакет» импульсов, передаваемый в течение короткого интервала времени. Результат измерений должен сохраняться на экране достаточно долго, например, до следующего цикла. Поэтому в состав ЦИП должно входить запоминающее устройство (ЗУ).
Перечислим возможные режимы работы ЦИП и их характеристики.
Режим однократного измерения. Этот режим удобен, когда измеряемый параметр постоянен. Команда на проведение измерения подается оператором, результат измерения хранится в запоминающем устройстве и воспроизводится на цифровом индикаторе. В ЦИП осуществляется квантование измерительного сигнала и его кодирование.
Режим периодического измерения. Процесс измерения повторяется периодически через интервал, установленный оператором. В ЦИП осуществляются операции дискретизации, квантования и кодирования. После каждого цикла измерения результат на экране цифрового индикатора обновляется.
Следящий режим измерения. Цикл измерения повторяется, после того как изменение измеряемой величины превысит ступень квантования.
Помимо погрешности измерения, к числу важных характеристик ЦИП относится его быстродействие, время измерения и помехоустойчивость. Под быстродействием ЦИП понимается максимальное число измерений, выполняемых в единицу времени с нормированной погрешностью. Время измерения - интервал от начала цикла преобразования измеряемой величины до получения результата. Под помехоустойчивостью понимают способность ЦИП с нормированной погрешностью производить измерения при наличии помех.
Быстродействие ЦИП очень высокое. Современная элементная база позволяет строить ЦИП, обеспечивающие до 107 преобразований в секунду. Это, однако, оказывается излишним, поскольку регистрирующие устройства обеспечивают фиксацию не более 100 результатов измерений в секунду. При визуальном наблюдении требования к быстродействию резко снижаются, поскольку оператор способен оценить не более 2-3 результатов измерений в секунду.
Основные технические характеристики ЦИП:
1) номинальная статическая характеристика преобразования;
2) диапазон измерений;
3) вид кода, применяемого в АЦП, количество разрядов, вес единицы младшего разряда кода;
4) разрешающая способность, характеризующаяся количеством уровней квантования;
5) входное сопротивление;
6) быстродействие;
7) помехоустойчивость - способность ЦИП выполнять свои функции в условиях воздействия помех, численно характеризуется коэффициентом подавления помех на входе ИП;
8) время измерения - интервал времени от момента начала цикла преобразования измеряемой физической величины до момента высвечивания показания на табло;
9) погрешности. Нормируются 4 основных составляющих погрешности:
? погрешность дискретизации;
? погрешность реализации уровней квантования;
? погрешность сравнения;
? погрешность от воздействия помех.
Первая относится к методическим погрешностям, остальные - к инструментальным и обусловлены технической реализацией ИП;
10) класс точности.
4.2 Аналоговые электроизмерительные приборы
Устройство преобразования (УП) состоит из одного или нескольких измерительных преобразователей (ИП), предназначенных для преобразования измеряемой величины x в такой сигнал y, параметры которого соответствуют входным характеристикам отсчётного устройства. В УП могут входить масштабные, функциональные и другие виды ИП.
Отсчетные устройства (ОУ) предназначены для преобразования сигналов измерительной информации y в форму, доступную для считывания значений измеряемой величины.
Образцовые средства (ОС) используют для калибровки АЭП (генератор меток в электронных осциллографах).
Вспомогательные устройства (ВУ) не принимают непосредственного участия в преобразовании сигналов, но обеспечивают необходимые условия работы других узлов (источники питания).
Устройства преобразования и отсчёта являются необходимой принадлежностью структуры АЭП, в то время как, наличие образцовых средств и вспомогательных устройств не является обязательным.
АЭП классифицируются по:
? элементной базе (электромеханические и электронные);
? форме отсчёта (показывающие и регистрирующие);
? методу преобразования (прямого, компенсационного, смешанного);
? назначению (вольтметры, амперметры, омметры).
Технические характеристики СИ влияющие на результаты и погрешности измерений называются метрологическими характеристиками. Подаваемый на вход АЭП сигнал характеризуется, как правило, рядом параметров.
Информативным параметром входного сигнала называют параметр входного сигнала, функционально связанный с измеряемым свойством или являющийся самим измеряемым свойством объекта.
Неинформативным параметром входного сигнала называют параметр входного сигнала, не связанный функционально с измеряемым свойством объекта измерения.
Информативным параметром выходного сигнала называют параметр выходного сигнала функционально связанный с информативным параметром входного сигнала преобразователя или являющийся выходной величиной меры.
Неинформативный параметр выходного сигнала - это параметр выходного сигнала не связанный функционально с информативным параметром входного сигнала преобразователя или не являющийся выходной величиной меры.
4.3 Сравнение цифровых и аналоговых приборов
Не следует считать, что ЦИП в будущем полностью вытесняет аналоговые приборы. Аналоговые приборы просты и надежны. В тех случаях, когда оператору необходимо следить за уровнями изменяющихся во времени сигналов, стрелочные указатели более удобны из-за наглядности представления об изменениях величины, о ее минимальном значении, приближении к порогу и т. п.
По результатам, полученным на основе опыта производства и эксплуатации аналоговых и цифровых приборов, можно обобщенно сравнить аналоговые и цифровые приборы в координатах «точность» и «быстродействие», «стоимость» и «сложность».
Каждый аналоговый и цифровой прибор можно изобразить одной точкой на плоскости в координатах «точность» и «быстродействие», а затем полосы, заполненные точками, сжать в обобщенные кривые, представленные на рис. 4.
Рисунок 4 - Сравнение аналоговых и цифровых измерительных устройств
На основе полученных зависимостей можно сделать следующие выводы. В области средней и высокой точности цифровые приборы имеют значительно более высокое быстродействие, чем аналоговые, а в области наиболее высокого быстродействия более высокую точность имеют аналоговые приборы (рис. 4а). Большая часть цифровых приборов имеет высокое быстродействие, но их возможная точность в этой области резко уменьшается, так как дальнейшее увеличение быстродействия после использования самых быстродействующих ключей возможно путем уменьшения числа ступеней квантования по значению, т.е. снижением точности. Точность аналоговых приборов с повышением быстродействия также уменьшается, но с определенного значения более медленно, чем у цифровых. Это объясняется использованием в аналоговых приборах с наиболее высоким быстродействием в качестве выходной величины перемещения почти безынерционного луча.
Если аналогичное изображение совокупности всех цифровых и аналоговых измерительных приборов представить в координатах стоимости прибора и сложности решаемой измерительной задачи, то получим кривые, анализируя которые можно прийти к следующим выводам:
? менее сложные измерительные задачи с меньшими затратами решаются аналоговыми приборами;
? более сложные измерительные задачи, например задачи измерительно-информационных систем, обрабатывающих результаты измерения по сложной программе, с меньшими затратами решаются автоматически цифровыми измерительными устройствами;
? при повышении быстродействия элементов цифровых приборов точка пересечения кривых в координатах «точность» и «быстродействие» сдвигается вправо, расширяя зону, в которой более совершенны цифровые приборы;
? применение микропроцессоров, позволяющее уменьшить число корпусов микросхем в ЦИП, снижает их стоимость. Это приводит к сдвигу точки пересечения кривых в координатах «стоимость» и «сложность» влево, что еще в большей степени расширяет зону, в которой более экономичны цифровые измерительные приборы [3].
5. Разработка тестовых материалов по темам лекций «Основы автоматизации эксперимента»
На современном этапе развития технологий стало невозможно представить нашу жизнь без современной техники и средств связи. Техника настолько тесно влилась в нашу жизнь, что настигает нас и в стенах учебных заведений.
В последние годы электронное обучение и проверка знаний стали неотъемлемой частью образовательного процесса, так как это весьма удобно с точки зрения экономии большого количества времени, ведь, как правило, тестовые задания предполагают выбор конкретных вариантов ответа, вместо того, чтобы писать.
В качестве материала для работы взяты лекции по дисциплине "Основы автоматизации эксперимента". В качестве средства проведения проверки знаний используется платформа Moodle.
5.1 Компьютерное тестирование как эффективный способ проверки знаний
Систематическая проверка знаний большого числа проверяемых приводит к необходимости автоматизации проведения тестирования знаний, использованию компьютерной техники и соответствующих программ проверки знаний.
Компьютерное тестирование как эффективный способ проверки знаний находит в образовании все большее применение. Одним из его достоинств является минимум временных затрат на получение надежных итогов контроля, и получение результатов практически сразу по завершении контролирующего теста. От традиционных оценок и контроля знаний тесты отличаются объективностью измерения результатов обучения, поскольку они ориентируются не на субъективное мнение преподавателей, а на объективные критерии.
Результаты автоматизированной проверки лучше поддаются анализу, чем субъективно выставляемые оценки.
Применение программ тестирования и компьютерных тестов в образовании является экономически выгодным и обеспечивает повышение эффективности учебного процесса, объективности оценки уровня знаний и является рациональным дополнением к другим методам проверки знаний. Немаловажную роль, при использовании компьютерного тестирования, играет выбор программ для тестирования знаний, разработки и создания тестов.
Однако электронные образовательные технологии, как и любые другие достижения прогресса, обладают и определенными недостатками. Они проистекают из понимания полноценного образования как взаимосвязанного процесса обучения и воспитания: обучение на основе компьютерных программ не способно заменить прямого общения преподавателя с учеником. Чисто электронное обучение безличностно. Позволяя широкую автоматизацию процесса обучения, оно не в состоянии учесть индивидуальные особенности интеллекта и темперамента обучающегося. Жесткая «цифровая» логика, последовательно реализованная в электронном обучении, беднее человеческой логики анализа событий и принятия решений. Зачастую правильные решения в жизни принимаются только при учете эмоциональных факторов и этических соображений, которые не программируются. И, наконец, последнее. Массовое внедрение интернет в повседневную жизнь - несомненное благо цивилизации. Однако уже сегодня, еще только на заре информатизации человечества, выявляются связанные с этим риски. Значительная часть молодежи рассматривает жизнь в сети как вторую реальность, которая в некоторых случаях превращается в реальность первую. Есть риск получить «электронное поколение»с простым механистическим мышлением, оторванное от реальной жизни. Неадекватное использование электронного обучения может способствовать развитию этих негативных тенденций. Разумеется, сказанное выше не означает отказа от полноценного и масштабного внедрения электронных технологий. Доля электронной составляющей в образовании должна возрастать по мере повышения уровня образования в последовательности: школа > вуз > дополнительное образование. То есть в школе, когда ученик находится в стадии активного формирования, личность учителя и прямое общение с ним особенно велики и целесообразно использование только отдельных элементов электронного обучения. Напротив, дополнительное образование, получаемое зрелым, сформировавшимся человеком, может быть чисто прагматическим и реализованным полностью на электронной платформе. Вузовское образование с этой точки зрения находится посередине и допускает широкое использование электронных платформ,интегрированных в традиционные, «лицом к лицу», формам обучения.
На сегодняшний день в мире существует значительное число платформ для организации электронного обучения. Изначально они появились в США, а в последнее десятилетие активно разрабатываются и внедряются и в России. Существующие программы управления учебным курсом делятся на две большие категории: с закрытым кодом (коммерческие) и открытым кодом (распространяются бесплатно). Отличительной особенностью платформ с открытым кодом является то, что исходные коды этих программ открыты для пользователей и допускают любые исправления, модификацию и дополнения. Согласно лицензии, по которой распространяются эти продукты, они совершенно бесплатны и таковыми останутся. На сегодняшний день существуют несколько десятков платформ электронного обучения, построенных по принципу открытых источников. Были отобраны девять наиболее популярных открытых платформ и проведено обширное сопоставление их возможностей. Ниже приводится их перечень (в алфавитном порядке) с указанием интернет-адресов, где заинтересованный читатель может найти детальную информацию о каждой из платформ:
? Atutor - http://www.atutor.ca
? Dokeos - http://www.dokeos.com
? dotLRN - http://www.dotlrn.org
? ILIAS - http://www.ilias.de/index.html
? LON-CAPA - http://www.lon-capa.org
? Moodle - http://moodle.org
? OpenUSS - http://www.openuss.org
? Sakai - http://sakaiproject.org
? SpaghettiLеarning - http://www.spaghettilearning.com
В своей курсовой работе я буду создавать проверочные тесты для студентов в Moodle.
5.2 Общая характеристика Moodle
Moodle является аббревиатурой словосочетания «ModularObject-OrientedDynamicLearningEnvironment» (модульная объектно-ориентированная динамическая среда обучения) и представляет собой автоматизированную, основанную на компьютерныхиинтернет-технологиях, систему управления обучением (СУО). Первая версия Moodle 1.0была разработана Мартином Доугиамасом (MartinDougiamas), преподавателем университета Пэрт (Perth), Австралия и введена в эксплуатацию в августе 2002 г.
Moodle, как любая другая система управления обучением (СУО), является веб-приложением, расположенным на сервере и доступ к нему осуществляется через браузер.
Сервер обычно расположен в здании университета или факультета, но он может находиться в любом другом месте. В своей основе, СУО дает преподавателю возможность создать веб - сайт курса и управлять доступом к нему таким образом, чтобы только записавшиеся на курс студенты имели возможность просматривать его. Кроме контроля доступа, СУО предоставляет широкий набор инструментов, которые сделают учебный курс более эффективным.
Ниже дается краткое описание этих возможностей.
Загрузка материалов.
Большинство СУО имеют средства для простой публикации материалов курса. Вместо использования HTML редактора и загрузки файлов на сервер через FTP в СУО просто используется веб-форма для сохранения материала на сервере. По своему усмотрению преподаватель загружает на сервер планы своих курсов, заметки к лекциям, дополнительные задания для чтения, чтобы обучающиеся могли использовать их в любой удобный момент.
Онлайн тесты.
Возможность размещения онлайн тестов в материалах учебного курса, позволяет получить оценку сразу, как только на вопросы будет дан ответ. Таким образом они являются эффективным средством для оперативной проверки преподавателем и студентами текущего уровня освоения материала.
Сбор и проверка заданий.
Размещение и прием заданий онлайн, значительно упрощает процедуру текущего контроля - оценки отслеживаются автоматически. Кроме этого, средствами Moodle можно организовать кросс-рецензирование заданий с анонимным оцениванием работ студентов друг другом, что позволяет увеличить мотивацию и эффективность обучения.
Контроль успеваемости.
Онлайн-вариант журнала контроля успеваемости позволяет студентам видеть свой прогресс в освоении курса. При этом доступ легко организоватьтак, чтобы студент видел только свои оценки и не знал об оценках сокурсников.
Форумы и чаты.
Форумы и чаты предоставляют для зарегистрированных участников курса средства коммуникации за пределами учебных аудиторий. Форумы дают студентам больше времени на обдумывание и формулирование ответов, позволяя организовать более глубокие обсуждения изучаемого материала. С другой стороны, чаты позволяют организовать легкое и быстрое общение студентов друг с другом (например, для обсуждения совместного проекта) и преподавателем, независимо от того, где они находятся.
Программные коды Moodle относятся к числу открытых источников (opensource) из чего вытекает две важные особенности:
? открытость кодов означает, что каждый пользователь имеет доступ к исходному тексту программы, может проконтролировать работу любых ее частей, исправить ошибки, дорабатывать и дальше развивать эту систему. В настоящее время 158разработчиков из разных стран зарегистрированы в системе с правом вносить изменения в официальную версию программы.
? в отличие от достаточно дорогих коммерческих СУО, требующих приобретения лицензий и контрактов по поддержке, Moodle может быть скачан и инсталлирован бесплатно с сайта http://www.moodle.org. При э том нет никаких ограничений ни на число инсталляций, число пользователей и т.д. И хотя система располагает практически всем набором образовательных инструментов, при наличии грамотных программистов она может быть доработана дальше, чтобы учесть более тонкие особенности образовательного учреждения.
Большинство коммерческих СУО созданы компьютерными инженерами как система инструментов для организации образовательного курса. В отличие от этих разработок,
...Подобные документы
Основные термины и определения в области метрологии. Классификация измерений: прямое, косвенное, совокупное и др. Классификация средств и методов измерений. Погрешности средств измерений. Примеры обозначения класса точности. Виды измерительных приборов.
презентация [189,5 K], добавлен 18.03.2019Общая характеристика объектов измерений в метрологии. Понятие видов и методов измерений. Классификация и характеристика средств измерений. Метрологические свойства и метрологические характеристики средств измерений. Основы теории и методики измерений.
реферат [49,4 K], добавлен 14.02.2011Вероятностный подход к описанию погрешности. Основы теории мостовых схем. Метрологические характеристики средств измерений. Классификация измерительных мостов. Электромеханические приборы и преобразователи. Электронные аналоговые измерительные приборы.
курс лекций [2,0 M], добавлен 10.09.2012Метрологические характеристики и погрешности измерений и измерительных приборов. Технические данные, назначение, устройство и принцип работы логометров. Основные виды, принципы действия и области применения механических и гидростатических уровнемеров.
контрольная работа [580,5 K], добавлен 02.11.2010Классификация контрольно-измерительных приборов. Основные понятия техники измерений. Основные виды автоматической сигнализации. Требование к приборам контроля и регулирования, их обслуживание. Приборы контроля температуры, частоты вращения, давления.
презентация [238,0 K], добавлен 24.10.2014Основы технических измерений. Общая характеристика объектов измерений. Метрологические свойства и характеристики средств измерений. Принципы рациональной организации производственного процесса. Государственный метрологический контроль и надзор.
курсовая работа [39,0 K], добавлен 08.07.2015Исследование системы автоматизации производства спирта. Технические средства автоматизации. Средства измерений и их характеристики. Приборы для измерения параметров состояния сред. Автоматические регуляторы, исполнительные механизмы и регулирующие органы.
курсовая работа [2,7 M], добавлен 05.01.2015Этапы проведения измерений. Вопрос о предварительной модели объекта, обоснование необходимой точности эксперимента, разработка методики его проведения, выбор средств измерений, обработка результатов измерений, оценки погрешности полученного результата.
реферат [356,6 K], добавлен 26.07.2014Общие вопросы основ метрологии и измерительной техники. Классификация и характеристика измерений и процессы им сопутствующие. Сходства и различия контроля и измерения. Средства измерений и их метрологические характеристики. Виды погрешности измерений.
контрольная работа [28,8 K], добавлен 23.11.2010Научно-технические основы метрологического обеспечения. Государственная метрологическая служба Казахстана, ее задачи и функции. Обеспечение единства измерений. Виды государственного метрологического контроля. Калибровка и испытание средств измерений.
курсовая работа [57,4 K], добавлен 24.05.2014Вопросы теории измерений, средства обеспечения их единства и способов достижения необходимой точности как предмет изучения метрологии. Исследование изменений событий и их частоты. Цифровые измерительные приборы. Методы, средства и объекты измерений.
курсовая работа [607,8 K], добавлен 30.06.2015Типы линейных размеров детали: номинальный, действительный, предельный. Виды измерений по способу нахождения численного значения физической величины, числу наблюдений. Калибровка измерительных приборов. Датчики и инструменты контроля линейных размеров.
презентация [1,2 M], добавлен 24.04.2016Цели и основные задачи государственной системы обеспечения единства измерений. Основные принципы обеспечения единства измерений. Правовая, техническая и организационная подсистемы. Государственная метрологическая служба, ее территориальные органы.
контрольная работа [958,9 K], добавлен 16.04.2011Метрологические характеристики, нормирование погрешностей и использование средств измерений. Класс точности и его обозначение. Единицы средств измерений геометрических и механических величин. Назначение и принцип работы вихретоковых преобразователей.
контрольная работа [341,3 K], добавлен 15.11.2010Проведение измерений средствами измерений при неизменных или разных внешних условиях. Обработка равноточных, неравноточных и косвенных рядов измерений. Обработка многократных результатов измерений (выборки). Понятие генеральной совокупности и выборки.
курсовая работа [141,0 K], добавлен 29.03.2011Теоретические основы и главные понятия метрологии. Методы нормирования метрологических характеристик средств измерений, оценки погрешностей средств и результатов измерений. Основы обеспечения единства измерений. Структура и функции метрологических служб.
учебное пособие [1,4 M], добавлен 30.11.2010Роль измерения как важнейшего понятия в метрологии. Классификация измерений, видов, методов и обзор видов совокупных и совместных измерений. Основные принципы и цели стандартизации. Системы добровольных сертификаций, требования и сфера их распространения.
реферат [20,6 K], добавлен 10.11.2010Средство измерений как техническое средство снятия параметров, имеющее нормированные метрологические характеристики. Порядок разработки и требования к методикам поверки средств измерения, сущность методов поверки, их классификация и порядок сертификации.
контрольная работа [19,3 K], добавлен 23.09.2011Технические средства электрических измерений. Классификация электроизмерительных приборов. Приборы непосредственной оценки и приборы сравнения, их принцип действия, преимущества и недостатки. Измерение неэлектрических величин электрическими методами.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 24.07.2012Исследование приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Методы прямых измерений: оценки, противопоставления, полного замещения. Сертификат пожарной безопасности. Добровольная сертификация.
контрольная работа [926,7 K], добавлен 07.01.2015
