Коловский Ю В. и др. Метрология, стандартизации и технические измерения. Пособие по курсовому проектированию

Подождите немного. Документ загружается.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Сибирский федеральный университет»

Н. А. Алексеева, Ю. В. Коловский, В. П. Тен

МЕТРОЛОГИЯ СТАНДАРТИЗАЦИЯ

И ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Версия 1.0

Пособие по курсовому проектированию

Красноярск

СФУ

2007

УДК 389(075)

Рецензенты:

Алексеева Н. А.

К Метрология, стандартизации и технические измерения. Версия 1.0.

[Электронный ресурс]: пособие по курсовому проектированию; Н. А. Алексеева, Ю. В.

Коловский, В. П. Тен / Электрон. дан (объем 2 Мб). СФУ Красноярск: 2007 – 70 с. 1

электрон. опт. диск (CD-ROM).

ISBN

Рассматриваются исходные положения теории измерений, сведения о свойствах и

источниках погрешностей, Рассмотрены отдельные положения прикладной статистики,

регламентированные в нормативной документации и используемые для оценки погрешностей

измерения; методики определения показателей точности прямых, косвенных, совместных и

совокупных измерений. Изложение сопровождается примерами расчета показателей точности.

Приводятся практические рекомендации по разработке различных нормативных документов.

Рекомендуется

студентам изучающим вопросы метрологии и стандартизации.

УДК 389(07)

ISBN

©СФУ, 2007

©Н. А. Алекесеева, 2007

©Ю. В. Коловский, 2007

©В. П. Тен, 2007

Редактор А. А. Гетьман

Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиками.

Нелегальное копирование и использование данного продукта запрещается.

Подп. к использованию

Сибирский федеральный университет 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79

Введение

Основные радиотехнические устройства применяются практически во

всех отраслях гражданской и военной промышленности, науке, технике и

повседневной человеческой деятельности. Одной из проблем в настоящее

время является разработка и производство приборов соответствующих

мировому современному уровню для обеспечения конкурентоспособности,

которая определяется их качеством, надежностью, безопасностью

эксплуатации, экологическими и экономическими показателями.

Проектирование современной радиоаппаратуры – сложный процесс, в

котором взаимно увязаны принципы действия радиотехнических систем,

схемы и конструкции аппаратуры, технология ее изготовления и

метрологические характеристики.

Требования, предъявляемые к радиоаппаратуре, постоянно

ужесточаются, а усложнение аппаратуры приводит к необходимости

внедрения последних достижений науки и

техники в разработку,

конструирование и технологию.

Основное требование при проектировании радиоаппаратуры состоит в

том, чтобы создаваемое устройство было эффективнее своего аналога, т.е.

превосходило его по качеству функционирования, степени миниатюризации

и технико-экономической целесообразности (рис.1.1).

При разработке современной радиоаппаратуры необходимо

обеспечить: снижение стоимости, в том числе и энергоемкости; уменьшение

объема

и массы; использование современной элементной базы; магнитную

совместимость и интенсификацию теплоотвода; внедрение САПРовских

методов; высокую технологичность; обеспечение необходимых

метрологических характеристик; максимальное использование

стандартизации.

В общем виде эффективность радиоаппаратуры можно оценить

основной целевой функцией.

)()...,,(

ZfzzzfE



где

ZznizZ



 };,...,2,1,{

Такая функция дает количественную оценку степени достижения

поставленной цели и поэтому называется целевой функцией. Элементами

множества Z являются частные целевые функции, т.е. отдельные

качественные и количественные показатели, определяющие пригодность

применения радиоаппаратуры в соответствии с назначением. Такими

показателями для радиоаппаратуры являются: масса, объем,

энергопотребление, диапазон частот, быстродействие, чувствительность,

коэффициент усиления, полоса пропускания, дальность действия, выходное

напряжение, точность, электромагнитная совместимость, ударопрочность,

влагостойкость, уровень унификации, технологичность, безопасность,

себестоимость,

экономичность, экологичность и т.д.

Рис. 1.Показатели эффективности РЭА

Целевая функция формируется в интересах оптимизации, т.е. наиболее

рационального решения задачи проектирования радиоаппаратуры и выбора

компромисса между частными целевыми функциями

 . Целевая функция

может относится как к техническим показателям (например, достижение

максимальной мощности при минимальной массе), так и к экономическим

Унификация и

стандартизация

Технологичность

конструкции

Безопасность

Минимизация

затрат на

аз

аботк

Минимизация

затрат на

изготовление

Минимизация

затрат на

экспл

атацию

Минимизация

энергопотреблени

Тактико-

технические

ебования

Допустимые

отклонения тактико-

технических

требований

Надежность

Стойкость к

дестабилизующим

факторам

Минимизация

массы

Минимизация

объема

Эффективность РЭА

Микроминиатюризация

Качество функционирования

Технико-экономическая

целесообразность

(получение максимального экономического эффекта при принятом числе

типоразмеров).

В задачах оптимизации показателей качества самым ответственным

моментом является определение вида целевой функции и ее составляющих

т.е. установление связи между оптимизируемыми и другими показателями

качества и технико-экономическими характеристикам изделия.

Для успешного определения целевой функции необходимо стремиться

к минимальному числу оптимизируемых показателей, вводя комплексные,

интегральные, или обобщенные показатели качества. Из схемы разработки

эффективной радиоаппаратуры (см. рис. 1.1) видно, что практически все

показатели имеют решающее значение, поскольку

должны обеспечивать

устойчивое функционирование аппаратуры с необходимой точностью,

надежностью и безопасностью при наличии воздействий со стороны

окружающей среды, обслуживающего персонала, взаимодействие элементов

через электромагнитное поле. От того, насколько оптимально выбрана

элементная база и методы разработки изделия во многом зависит отдача от

затраченных средств, времени и продвижения изделия на рынке аналогичных

устройств.

Стремление создать эффективные методы проектирования и

разработки радиоаппаратуры, сделать их достаточно универсальными,

приводит к необходимости формализовать процесс разработки.

Формализация деятельности разработчиков требует выбора, построения и

обоснования моделей будущих устройств.

Разработанная модель подвергается тщательным исследованиям с

точки зрения удовлетворения параметров устройства заданным техническим

требованиям. Таким образом, проводят анализ и оптимизацию параметров

устройства.

Оптимизацию разрабатываемой аппаратуры обычно сводят к

нахождению из множества просмотренных вариантов единственного,

обеспечивающего выполнение поставленной задачи с максимальной

эффективностью при минимуме затрат. Поиск оптимальных вариантов

увеличивает объем работ высокой квалификации и требует использования

компьютерных средств поиска и обработки информации.

Одна из основных особенностей процесса разработки новой

аппаратуры или методов

измерений – переход к системным методам решения

задач. Системные методы связаны с понятием «система». Под системой

будем понимать совокупность взаимосвязанных разнородных устройств,

частей, подсистем, совместно выполняющих заданные функции, решающих

общую задачу в условиях взаимодействия с внешней средой, с учетом

развития противоречий. При системном подходе изучаемый, проектируемый,

изготавливаемый объект рассматривается как система.

Системный

подход базируется на рассмотрении изучаемого объекта во

взаимосвязи с окружающими объектами. Его задачами являются

исследование специфических связей, установление закономерностей,

присущих отдельным типам систем, разработка на этой основе определенных

методов их описания и изучения.

Основные положения системного подхода можно сформулировать

следующим образом:

1. Параметрическое описание, которое является простейшей формой

научного анализа. Представляет собой исследование любого объекта,

которое базируется на эмпирических наблюдениях, описании свойств,

признаков и отношений исследуемого объекта к другим.

Структурное описание исследуемого объекта, которое выполняют

после выявления параметров. Предусматривает переход к определению

поэлементного строения исследуемого объекта. Основная задача состоит в

том, чтобы установить взаимосвязи свойств, признаков, выявленных при

параметрическом описании исследуемого объекта.

3. Функциональное описание исследуемого объекта, которое может быть

выполнено исходя из функциональных зависимостей между параметрами

(функционально-параметрическое

описание) или частями объекта

(функционально-структурное описание). Специфика состоит в том, что

функция части объекта задается на основе характеристики всего объекта.

Приведенные положения показывают постепенное усложнение подхода

к исследуемому объекту, так как каждый последующий этап включает все

предыдущие и, кроме того, решает некоторые новые задачи.

Использование системного подхода упрощает процесс

исследования.

Особенность системного подхода заключается в новой ориентации всего

хода исследования, которая состоит в стремлении построить целостную

картину исследуемого объекта.

Системный подход базируется на следующих принципах:

1. При исследовании объекта как системы описание его частей не имеет

самостоятельного значения, так как каждая часть объекта

описывается не отдельно, а с учетом

ее роли во всем объекте.

2. Специфика системного объекта не исчерпывается особенностями

составляющих его частей, а связана с характером взаимосвязей между

отдельными частями.

3. Один и тот же исследуемый объект выступает как обладающий

одновременно разными характеристиками, параметрами, функциями,

структурой. Проявлением этого является иерархичность строения

системы.

4. Исследование системы, как правило, неотделимо

от условий ее

функционирования.

5. При исследовании сложного объекта учитывается зависимость

состояния частей от состояния всей системы.

6. Анализ функциональной характеристики исследуемого объекта

может оказаться недостаточным, так как весьма важно установить

целесообразность функционирования системы.

Использование системных методов позволяет избегать односторонних

ошибочных представлений, заключений и решений. Системный подход

является средством анализа и синтеза при одновременном использовании

большого числа компонентов и факторов, а также взаимосвязей, образующих

данную систему. Он позволяет рассматривать радиоэлектронную аппаратуру

как единое целое при анализе и проектировании ее частей.

Радиоэлектронная аппаратура является частью (подсистемой)

радиотехнических систем

Свойства таких систем описываются совокупностью электрических,

конструктивно-технологических, эксплуатационных и экономических

параметров и характеристик. Для исследования и проектирования

целесообразно разделять радиоэлектронные устройства, как систему на

подсистемы:

― по выполняемым функциям;

― по физической сущности процессов и особенностям их

закономерностей.

Деление радиоэлектронной аппаратуры по выполняемым функциям на

устройства удобно с точки зрения принципов действия и схемотехники.

Однако при этом важные вопросы конструкций

, технологии и технической

эксплуатации рассредоточиваются. Поэтому широко используется деление

радиоаппаратуры на устройства, когда в радиоаппаратуре выделяются схема,

конструкция, технология производства, эксплуатация. Устройства, входящие

в систему радиоэлектронной аппаратуры, основаны на различной физической

сущности процессов и находятся в сложном взаимодействии друг с другом.

Проектирование современной радиоэлектронной аппаратуры включает

принятие решений по принципам

действия, схемам и построению

конструкции, по элементной базе, а также по совокупности технологических

процессов, предлагаемых для использования при изготовлении, и основных

принципах технической эксплуатации.

Все отрасли человеческой деятельности существуют и развиваются с

применением развернутой системы измерений, которые определяют не

только уровень контроля и управления конструкторскими и

технологическими процессами, но и качество

производимой продукции.

Из всего разнообразия средств измерений наиболее распространены

электрические, которые позволяют измерять различные параметры в

широком диапазоне, имеют высокую чувствительность и точность, что

упрощает процессы автоматизации получения, обработки и хранения

результатов измерений.

Совершенствование электроизмерительной техники основывается на

современной элементной базе электроники и достижениях автоматики и

вычислительной техники при успешном

решении технических вопросов.

Например, электромеханические приборы приобрели иной вид и качество

вследствие замены опор осей подвижных систем на кернах растяжками и

подвесами. Применение элементной базы микроэлектроники позволило

освоить выпуск аналоговых измерительных приборов без подвижных частей

и др.

Совершенно иными свойствами обладают цифровые измерительные

приборы – наиболее перспективные средства измерений, поскольку имеют

более высокую точность и быстродействие, потребляют мало мощности из

измерительной цепи, а их применение дает возможность использовать при

измерениях вычислительную технику.

Современное направление совершенствования средств измерений –

применение микропроцессоров. Имея малые размеры и массу они могут

заданной программе учитывать

при измерениях постоянную составляющую

измеряемой величины, контролировать ее значение относительно заданных

границ, вычислять статические параметры исследуемого процесса,

корректировать характеристики измерительных средств.

Электрические методы измерения электрических и неэлектрических

величин используют огромное число различных методов и приборов. В этих

условиях особое значение приобретает умение специалиста провести анализ

и критически подойти к выбору

метода и средства измерения для решения

конкретной научной или технической задачи.

Основная задача учебного пособия – научить комплексно использовать

полученные знания по отдельным дисциплинам на основе системного

подхода при проектировании, постановке многовариантных задач и выборе

оптимального метода или средства измерения.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

Дисциплиной «Метрология и техника измерений» по

специальности

«Конструирование и производство радиоаппаратуры» предусмотрено

выполнение курсового проекта, особенностью которого является то, что он

требует от студента применения совокупности сформированных

компетенций, умения работы с научной литературой, аналитических навыков

и самостоятельности мышления при выборе методов и средств измерений.

Перед студентами при выполнении курсового проекта поставлены

задачи, основными из которых являются

― Систематизация и расширение теоретических знаний при решении

комплексных задач разработки методов и средств измерений;

― Навыки работы с научной литературой и информационными

поисковыми системами;

― Сравнительный анализ рассмотренных устройств и методов измерений

с целью выбора оптимального варианта;

― Расчет погрешностей выбранного устройства или метода измерений;

― Обоснование предложений по

снижению погрешностей;

― Выводы и рекомендации на основе проведенных исследований.

Таким образом, курсовое проектирование ставит своей целью

систематизацию, закрепление и расширение теоретических знаний в области

эскизного проектирования средств и методов измерений, углубленное

изучение методов поиска и анализа информации в соответствии с темой

проекта, проведение сравнительного анализа и расчета погрешностей,

навыки самостоятельной работы.

Темой курсового проекта является эскизное проектирование средств и

методов измерений.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Предусматривает рассмотрение студентом индивидуального задания на

курсовое проектирование и уточнение совместно с руководителем проекта

объема и содержания работ, которые необходимо выполнить при эскизном

проектировании средств и методов измерений

В начале семестра каждому студенту выдается индивидуальное задание

на курсовое проектирование руководителем проекта. В задании указывается

срок выдачи, сроки проведения рубежного контроля выполнения студентом

отдельных этапов проектирования и дата защиты проекта. Задание

оформляется на специальном бланке, в котором записываются: тема проекта;

исходные данные к проекту; объем и содержание графических работ;

объем

и содержание расчетно-пояснительной записки; рекомендуемая литература;

дополнительные указания к проекту.

ТЕМА ПРОЕКТА

В качестве темы для курсового проекта рекомендуется проведение

сравнительного анализа и расчет погрешностей предлагаемых методов или

средств измерений.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ К ПРОЕКТУ

Основными исходными данными для выполнения проекта являются:

1. выбранное по согласованию с

руководителем устройство или метод

измерения физической величины;

2. перечень анализируемой литературы и глубина поиска;

3. количество источников, необходимых для проведения анализа;

4. методика расчета погрешностей;

5. дополнительные указания к проекту.

Раздел 5 используется руководителем проекта для включения

дополнительных требований к проекту исследовательского характера, а

также для включения дополнений, которые появляются у

студента при

работе над курсовым проектом.

ОБЪЕМ И СОДЕРЖАНИЕ РАСЧЕТНЫХ РАБОТ

Расчетная часть проекта включает расчет погрешности выбранного

метода или устройства. При этом составляющими погрешности средств

измерений являются: значения систематической составляющей или ее

математическое ожидание; среднеквадратическое отклонение случайной

составляющей (или ее функция спектральной плотности): составляющая от

гистерезиса - вариация выходного сигнала средств измерений.

Для аналоговых средств измерений

в качестве полных динамических

характеристик выбирают любую из следующих: переходную, импульсную,

амплитудно-фазовую, амплитудно-частотную, а для аналого-цифровых,

добавляется (кроме перечисленных для аналоговой части) погрешность

датирования отсчета и максимальная скорость измерений.

ОБЪЕМ И СОДЕРЖАНИЕ РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ

Расчетно-пояснительная записка должна включать следующие разделы:

1. содержание;

введение;

3. пояснение к каждому из рассмотренных методов или средств

измерений (не менее 15) из которого понятен принцип работы

устройства или суть метода измерения;

4. анализ рассмотренных устройств на предмет их достоинств и

недостатков, областей применения и погрешностей и обоснование

выбора устройства, погрешность которого будет рассчитываться;

5. расчет погрешности выбранного метода

или устройства;

6. анализ полученных результатов и рекомендации по уменьшению

погрешностей;

7. возможный вариант решения этой технической задачи, предлагаемый

студентом;

8. выводы;

9. список используемой литературы, интернет-данных и программного

обеспечения.

10. приложение.

Расчетно-пояснительная записка должна содержать не менее 30 листов.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Руководитель проекта называет литературу, которую студенту

необходимо

использовать при выполнении курсового проекта.