Физические основы получения информации

Г.Г. РАННЕВ

В.А. СУРОГИНА
А.П. ТАРАСЕНКО
И.В. КУЛИБАБА

УЧЕБНИК

Москва
КУРС

ИНФРА-М

2018

ФИЗИЧЕСКИЕ 

ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ 

ИНФОРМАЦИИ

Рекомендовано 

в качестве учебника для студентов

высших учебных заведений, обучающихся по направлению 

подготовки 2.12.03.01 “Приборостроение” 

(квалификация Бакалавр)»

УДК 681.586
ББК 32.96-04
 
Р22

Раннев Г.Г.,
Физические основы получения информации : учебник / Г.Г. 

Раннев, В.А. Сурогина, А.П. Тарасенко, И.В. Кулибаба. — 2-е 
изд., перераб. и доп. — М.: КУРС: ИНФРА-М, 2018. — 304 с.; 
цв. ил. (8 с.)

ISBN 978-5-906818-97-3 (КУРС)
ISBN 978-5-16-012454-4 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-105503-8 (ИНФРА-М, online)
Основы взаимодействия физических полей с веществом; физические яв
ления и эффекты, используемые для получения измерительной информации: 
механические, электрические, магнитные, оптические, химические, ядерные 
и др.; области и возможности применения физических явлений и эффектов 
в технике измерений; закономерности проявления физических эффектов, их 
техническая реализация, измерение как процесс получения информации о 
значениях физических величин различной природы; методы и средства решения задачи информационного поиска, анализа и синтеза физических явлений и эффектов для создания средств измерений, управления, диагностики и 
контроля электрических, магнитных и неэлектрических величин.

Учебник предназначен для студентов высших учебных заведений, обуча
ющихся по направлению подготовки бакалавров 12.03.01 «Приборостроение».

УДК 681.586
ББК 32.96-04

Р е ц е н з е н т:

В.Л. Шкуратник — д-р техн. наук, профессор кафедры «Физические процес
сы горного производства и геоконтроль» Горного института НИТУ МИСиС;

В.И. Нефедов —д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Телекоммуникаци
онные системы» Московского технологического университета.

Р22

© Раннев Г.Г., Сурогина В,А., 
Тарасенко А.П., Кулибаба И.В., 
2017
© КУРС, 2017

ISBN 978-5-906818-97-3 (КУРС)
ISBN 978-5-16-012454-4 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-105503-8 (ИНФРА-М, online)

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

Оригинал-макет подготовлен в Издательстве «КУРС»

Подписано в печать 11.09.2017.

Формат 60×90/16. Бумага офсетная. Гарнитура Newton.

Печать цифровая. Усл. печ. л. 19,0.
Доп. тираж 100 экз. Заказ № 00000

ТК 359000-756155-011216

ООО Издательство «КУРС»

127273, Москва, ул. Олонецкая, д. 17А, офис 104.

Тел.: (495) 203-57-83.

E-mail: kursizdat@gmail.com      http://www.kursizdat.ru

Предисловие

Предлагаемая книга является учебником по курсу «Физические 

основы получения информации» в высших учебных заведениях для 
специальности «Информационно-измерительная техника и технологии» по направлению 200100 — «Приборостроение».

Большое внимание в книге уделено рассмотрению общих во
просов получения и оценки измерительной информации; явлениям, 
эффектам и принципам, положенным в основу измерения геометрических, механических и физических величин; средствам измерения, являющимся основным способом получения и регистрации 
измерительной информации.

Подбор излагаемого материала базируется на многолетнем опыте 

чтения лекций по данной дисциплине, а также на работах авторов 
по практическому использованию физических методов для измерения различных величин.

В написании книги приняли участие д-р техн. наук, проф. 

Г.Г. Раннев, канд. физ.-мат. наук, доц. В.А. Сурогина, канд. техн. 
наук, доц. МАМИ А.П. Тарасенко и ст. преп. МАМИ И.В. Кулибаба.

Авторы признательны рецензентам данного учебника: зав. ка
федрой «Физико-технический контроль производства» Московского 
горного университета, д-ру техн. наук, проф. В.Л. Шкуратнику и зав. 
кафедрой «Телекоммуникационные системы» Московского технологического университета д-ру техн. наук, проф. В.И. Нефедову 
за ряд ценных замечаний и огромный труд по рецензированию, позволивший осуществить издание учебника.

Авторы

введение

Содержание дисциплины «Физические основы получения инфор
мации» включает в себя следующие разделы: взаимодействия физических полей с веществом; физические явления и эффекты, используемые для получения измерительной информации: механические, 
электрические, магнитные, оптические, химические, ядерные и др. 
возможности применения физических явлений и эффектов в технике 
измерений; закономерности проявления физических эффектов, их 
техническая реализация, понятие преобразователя информации; измерение физических величин различной природы, постановка и методы решения задач информационного поиска, анализа и синтеза 
физических явлений и эффектов для создания средств измерений 
управления, диагностики и контроля.

Дисциплина нацелена на формирование ряда общекультурных 

компетенций и профессиональных компетенций выпускника согласно ООП «Приборостроение»:
• способность использовать основные законы естественнонаучных 

дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы 
математического анализа и моделирования теоретического и экспериментального исследования (ПК-1);

• способность рассчитывать и проектировать элементы и устрой
ства, основанные на различных физических принципах действия 
(ПК-7);

• способность участвовать в разработке функциональных и струк
турных схем приборов (ПK-10);

• способность к обобщению, анализу, восприятию информации, 

постановке цели и выбору путей ее достижения, владение культурой мышления (ОК-1):

• способность понимать сущность и значение информации в раз
витии современного информационного общества, сознание опасности и угроз, возникающих в этом процессе, соблюдение основных требований информационной безопасности, в том числе 
защиты государственной тайны (OK-11);

• способность применять основные методы, способы и средства 

получения, хранения, переработки информации, навыки работы 
с компьютером как средством управления информацией (ОК-12);

• способность проводить исследования, обрабатывать и представ
лять, экспериментальные данные (ПК-4);

• способность выполнять математическое моделирование процес
сов и объектов на базе стандартных пакетов автоматизированного 
проектирования и исследований (ПК-23);

• способность проводить измерения и исследования по заданной 

методике с выбором средств измерений и обработкой результатов 
(ПК-25).
Основной задачей измерений является получение информации 

и значений физической величины в виде некоторого числа принятых 
для нее единиц. Результат измерения дает только оценку истинного 
значения физической величины с некоторой неопределенностью.

Измерение физических величин является основой научных экс
периментов, комплексных испытаний и массовых измерений во всех 
сферах человеческой деятельности. Велика роль измерений для повышения качества продукции и обеспечения ее государственной 
приемки. Современная практика требует измерений множества физических величин, подавляющее большинство которых в процессе 
измерений преобразуется в электрические величины и измеряется 
методами и средствами электрических измерений.

Глава 1

общие воПросы Получения и оценки 

измерительной информации

1.1. основные понятия и определения

информация и измерение. Под информацией понимают не сами 

предметы и процессы, а их существенные характеристики, их отображения в виде чисел, формул, описаний, чертежей, символов, 
образов и других характеристик. Процесс приема и преобразования 
информации об измеряемой величине с целью получения количественного результата ее сравнения с принятой шкалой или единицей 
измерения в форме, наиболее удобной для дальнейшего использования человеком или машиной, составляет понятие измерения.

Измерительную информацию можно определить как количе
ственные сведения о каком-либо свойстве материального объекта 
(явления, тела, вещества), полученные опытным путем с помощью 
технических средств, измерительного прибора или системы. Информация поступает к получателю в виде сообщения, которое передается 
по каналам связи, представляющим собою совокупность каналообразующих средств и линии связи.

Измерительный канал — это измерительная цепь, образованная 

последовательным соединением средств измерений (СИ) и других 
технических устройств, образующих непрерывный путь прохождения 
измерительного сигнала от входа до выхода, обеспечивающих осуществление всех его преобразований, и предназначенная для измерения одной величины.

Измерение — это нахождение значения физической величины 

опытным путем с помощью специальных технических средств, таких как меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы.

Измерение предполагает сравнение исследуемой физической ве
личины с однородной физической величиной, значение которой 
принято за единицу, и представление результата этого сравнения 
в виде числа.

Измерение следует рассматривать как многооперационную про
цедуру, для выполнения которой необходимо осуществление основных измерительных операций: воспроизведения, сравнения, 
измерительного преобразования и масштабирования.

Воспроизведение величины заданного размера — это операция со
здания выходного сигнала с заданным размером информативного 
параметра. Она реализуется средством измерений — мерой.

Сравнение — это определение соотношения между однородными 

величинами, осуществляемое путем их вычитания. Данная операция 
реализуется устройством сравнения или компаратором.

Измерительное преобразование — операция преобразования вход
ного сигнала в выходной, реализуемая измерительным преобразователем. Выходные сигналы измерительных преобразователей и их 
информативные параметры унифицированы. Унифицированными 
сигналами являются постоянное напряжение 0–10 В, постоянный 
ток 0–5, 0–20 и 4–20 мА.

Масштабирование — это создание выходного сигнала, однород
ного с входным и пропорционального ему по размеру информативного параметра. Масштабное преобразование реализуется в устройстве, которое называется масштабным преобразователем.

Физическая величина. Физической величиной называется характе
ристика одного из свойств физического объекта, общая в качественном отношении многим физическим объектам, но в количественном 
отношении индивидуальная для каждого из них. Например, ток как 
физическая величина, различен для каждой электрической цепи, или 
сопротивление и температура как физические величины у различных 
тел различны.

Свойствами физической величины являются ее размер и единицы 

измерения.

Размер физической величины — количественная определенность 

физической величины, присущая конкретному материальному объекту, системе, явлению или процессу. Например: 3 А, 1,2 кг, 25 с и т.д.

Единица измерения физической величины — физическая величина 

фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное единице, применяемая для количественного выражения однородных физических величин. Например: 1 А, 1 кг, 1 с и т.д.

классификация измерений. В зависимости от способа получения 

результата измерения делятся на виды: прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Прямые измерения — это измерения, при которых искомое значе
ние величины находят непосредственно из опытных данных. К прямым измерениям относится нахождение физической величины 
по шкале прибора.

Косвенные измерения — это измерения, при которых искомое зна
чение величины находят на основании известной математической 

зависимости между этой величиной и величинами, найденными прямыми измерениями. При этом числовое значение искомой величины Y определяется по формуле

Y = f(X, Z, .., W),

где — X, Z, .., W — значения непосредственно измеряемых величин.

Примером косвенных измерений могут служить нахождение зна
чения мощности в нагрузке по показанию амперметра и вольтметра, 
определение значения активного сопротивления резистора на основе 
прямых измерений силы тока через резистор и падения напряжения 
на нем. Хотя косвенные измерения сложнее прямых, они широко 
применяются в практике измерений, особенно там, где прямые измерения практически невыполнимы либо когда косвенное измерение позволяет получить более точный результат по сравнению с прямым измерением.

Совокупные измерения — это измерения, при которых искомые зна
чения величин находят решением системы уравнений из нескольких 
одноименных величин, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин. К совокупным измерениям относится, 
например, нахождение сопротивлений двух резисторов по результатам измерения их сопротивления при последовательном и параллельном их включении или нахождение массы отдельных гирь набора 
по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений 
масс различных сочетаний этих гирь. Так, при наличии равноплечных 
весов, одной образцовой гири массой 1 кг и мелких гирь с массами xa, 
xb путем проведения измерений и решения совокупности линейных 
уравнений можно определить массы гирь набора x1 и x2:

х1 = 1 кг + ха,

х2 = х1 + 1 кг + хb.

Из полученных уравнений с двумя неизвестными определяют 

точные значения масс рабочих гирь данного набора.

Совместные измерения — это производимые одновременно изме
рения двух или нескольких не одноименных величин для нахождения зависимости между ними. Числовые значения искомых величин, как и в случае совокупных измерений, определяются из системы 
уравнений, связывающих значения искомых величин со значениями 
величин, измеренных прямым или косвенным способом. Число 
уравнений при этом соответствует числу искомых величин. Так, при 
определении зависимости сопротивления резистора от температуры 
используют известное выражение

R
R
t
t
t =
+
+


20

2
1
20
20
α
β
(
)
(
)
,

где Rt — сопротивление резистора при некоторой температуре t °С;
R20 — сопротивление резистора при температуре 20 °С; α и β — температурные коэффициенты. Искомые значения R20, α и β находят 
решением системы из трех уравнений, составленной для трех различных значений температуры.

По точности результатов измерения делятся на равноточные и не
равноточные.

Равноточные — измерения физической величины, выполненные 

одинаковыми по точности средствами измерений и в одних и тех же 
условиях.

Неравноточные — измерения физической величины, выполнен
ные различными по точности средствами измерений и (или) в различных условиях.

По числу проводимых измерений их делят на однократные, прово
димые один раз, и многократные — ряд следующих друг за другом 
измерений одной и той же физической величины. С целью повышения надежности и точности результатом однократных измерений 
следует считать среднее из трех разовых измерений одного и того же 
значения физической величины. 

При многократных измерениях точность результата зависит 

от числа измерений, времени измерений, условий измерений, выбранного средства измерений и методики обработки полученных 
результатов измерений.

в зависимости от скорости изменения измеряемой величины разли
чают статические и динамические измерения.

Статические — измерения неизменных на протяжении времени 

измерения физических величин.

Динамические — измерения изменяющихся во времени величин. 

Результатами динамических измерений являются одно- и многомерные (чаще двумерные) реализации исследуемых процессов, в общем 
случае пространственно-временных физических полей. Полученные 
реализации могут быть представлены в виде таблиц, графиков, 
функций. Динамические измерения сложны в реализации и обработке данных, но более информативны.

классификация методов измерения. Метод измерения — это сово
купность приемов использования принципов и средств измерений 
для определения значения величин. Под принципом измерения понимают совокупность физических явлений, на которых основаны 
измерения, а под средствами измерений — технические средства, 

используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические свойства.

Методы измерения можно классифицировать по различным при
знакам:
• по физическому принципу, положенному в основу измерения, их 

делят на электрические, механические, магнитные, оптические 
и т.д.;

• степени взаимодействия средства и объекта измерения — кон
тактный и бесконтактный. Например, измерение температуры 
тела термометром сопротивления (контактный), а измерение температуры объекта пирометром (бесконтактный);

• режиму взаимодействия средства и объекта измерения — стати
ческие и динамические;

• виду измерительных сигналов — аналоговые и цифровые;
• организации сравнения измеряемой величины с мерой — метод 

непосредственной оценки и метод сравнения.
Метод непосредственной оценки (отсчета) заключается в том, что 

о значении измеряемой величины судят по показанию прибора, заранее отградуированного в единицах измеряемой величины. Этот 
метод отличается своей простотой, но точность его невысока.

Методы сравнения (с мерой) — это методы, при которых измеря
емая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой. 
Эти методы сложны, но характеризуются высокой точностью. Методы сравнения включают в себя дифференциальный и нулевой методы, метод противопоставления, метод замещения и метод совпадений.

Дифференциальный (разностный) метод заключается в том, что 

измерительным прибором оценивается разность между измеряемой 
величиной и образцовой мерой. Точность метода возрастает с уменьшением разности между сравниваемыми величинами, например при 
измерении параметров цепи — сопротивления, индуктивности и емкости.

Нулевой метод является частным случаем дифференциального 

метода и заключается в том, что результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводится 
до нуля. Например, измерение электрического сопротивления мостом постоянного тока.

Метод противопоставления (компенсационный) состоит в том, что 

измеряемая величина и противопоставляемая ей образцовая мера 
одновременно воздействуют на прибор сравнения, по которому устанавливают их соотношение. В схеме измерения имеются два источ