Дистанционный курс "Измерительные преобразователи"

1. Несколько важных слов об измерительных преобразователях
2. Место и роль дисциплины в учебном процессе
3. Основные задачи и структура дисциплины
4. Информация об обучающей системе
5. Обучение

1. Несколько важных слов об измерительных преобразователях

Вся история развития человеческого общества связана с необходимостью измерения тех или иных физических величин: веса, времени, размеров, расстояний и сопровождается созданием и совершенствованием методов измерений и приборов. Человек сталкивается с необходимостью измерений в обыденной повседневной жизни, но особенно важное значение они имеют в производственных условиях и при проведении научных исследований. Практически любое исследование или эксперимент представляют собой измерение тех или иных физических величин. Д.И. Менделеев писал: "Наука начинается с тех пор, когда начинают измерять".
С развитием технического прогресса повышаются требования к точности и достоверности измерения регистрируемых параметров, а также к глубине исследования сущности взаимодействия составных частей исследуемого объекта. Возникает необходимость исследования объектов, процессы функционирования которых носят сложный характер и подвержены влиянию внешней среды. Все большее применение в промышленности имеют автоматизированные системы управления технологическими процессами, которые обеспечивают бесперебойную работу управляемых объектов. Для гибкого управления такими системами необходимо в каждый момент времени иметь сведения о состоянии объекта управления. Эту задачу выполняют многочисленные преобразователи, от конструкции которых зависит достоверность оцениваемой информации. Чрезвычайно широкий диапазон задач, которые приходится решать при создании измерительных систем, обусловили применение в системах управления разнообразных по своей конструкции и физической сущности измерительных преобразователей. В настоящее время измерительная техника позволяет контролировать около двухсот различных физических величин – механических, тепловых, электрических, магнитных, акустических и т.д. Практически большая часть этих величин в процессе измерения преобразуется в электрический сигнал, который является наиболее удобным для точного измерения, передачи, в том числе и на большие расстояния, усиления и математической обработки. Все измерения осуществляются при помощи "измерительных преобразователей", которые выполнены на основе определенного физического принципа: пьезоэлектрический, индуктивный, магнитоупругий, емкостный и т.д. На объект измерения обычно выносится "датчик", который состоит из одного или нескольких измерительных преобразователей. Датчик – это устройство, воспринимающее сигнал с преобразователя и передающее его для регистрации другим приборам. В технической литературе измерительные преобразователи часто называют просто датчиками.
Понимаем, что небольшой курс, представленный для изучения, не сможет сделать из Вас квалифицированного специалиста в области измерительных преобразователей, но его изучение поможет Вам при проведении экспериментальных исследований, связанных с Вашей профессиональной деятельностью, а полученные знания и навыки в области измерительных преобразователей будут дополняться и совершенствоваться в процессе практических исследований. Каждый исследователь стремится уменьшить число измеряемых переменных, поскольку это упрощает работу и снижает вероятность появления ошибок. В конце эксперимента каждый исследователь должен проанализировать полученные результаты и дать им объяснение. Измерения являются краеугольным камнем любого научного эксперимента. От работоспособности и точности преобразователя, квалификации и аккуратности исследователя значительным образом зависит успех исследования.

2. Место и роль дисциплины в учебном процессе

Дисциплина "Измерительные преобразователи" входит в цикл профессиональной и практической подготовки для бакалавров направления 6.051001 Метрология и измерительные технологии".
Программа дисциплины "Измерительные преобразователи" рассчитана на предварительную подготовку, полученную при изучении следующих дисциплин: "Высшая математика", "Физика", "Основы метрологии", "Общая электротехника", "Математическая статистика", "Теория электрических сигналов и цепей", "Материаловедение".
Полученные при изучении дисциплины "Измерительные преобразователи" знания, умения и навыки используются в дальнейшем при изучении последующих дисциплин цикла профессиональной и практической подготовки: "Методы и средства измерений", "Измерительные приборы", "Измерительные системы" (рис. 1)

Рис. 1 - Связь дисциплины Измерительные преобразователи" с другими дисциплинами

учебного плана

3. Основные задачи и структура дисциплины

Все виды работ по дисциплине “Измерительные преобразователи” проходят в среде LearningSpace, со следующим разбиением материала:
· Начальный уровень обучения (базовый курс)
· Средний уровень обучения (основной курс)
· Специальный уровень обучения (расширенный курс)
· Лабораторные занятия
· Практические занятия
· Курсовой проект
· Расчетно-графическая работа
· Материалы для тестового контроля знаний и умений.
Методическое обеспечение 1-го уровня может быть использовано самостоятельно для начальной подготовки по основам измерительных преобразователей (ИП)(например, в специализированных лицеях, школах); методическое обеспечение второго уровня, как общеобразовательное в технических университетах; методическое обеспечение третьего уровня – для будущих специалистов в области метрологии и измерительной техники (в области измерительных преобразователей).
В лабораторных работах проводятся реальные эксперименты с помощью виртуальных средств измерительной техники, которые позволяют формировать умения и навыки по измерению физических величин.

4. Информация об обучающей системе

4.1. Цель создания системы
4.2. Область знаний и целевая аудитория
4.3. Состав и объем дистанционного курса

Обучающая система предназначена для изучения курса "Измерительные преобразователи", который входит в планы подготовки бакалавров большинства инженерных специальностей. Предполагаемое время начала обучения – 5-й семестр. Предполагается, что студенты имеют базовый уровень знаний в области математики (дифференциальное и интегральное счисление, основы теории вероятностей), физики и метрологии.
Обучающая система включает в себя лекции, лабораторные занятия, практические занятия, расчетно-графическую работу и курсовой проект. Изучение лекций и проведение лабораторных занятий сопровождается тестированием и контрольными работами, что позволяет осуществить контроль за процессом обучения.
Выделены три основных уровня обучающей системы: 1-й уровень – начальный , 2-й уровень – средний, 3-й уровень – специальный.
Перечень лабораторных работ выбирают из лабораторного практикума, имеющегося в системе, исходя из направленности и специфики конкретной специальности.
Практические занятия, а также курсовое проектирование являются завершающей частью учебной программы по дисциплине "Измерительные преобразователи" и предназначены для закрепления и углубления теоретических знаний, получения навыков расчетов отдельных элементов измерительных преобразователей, разработки и расчетов схем подключения измерительных устройств. Приобретенные в результате выполнения практических занятий и курсового проекта навыки и полученные результаты могут использоваться при выполнении следующих курсовых проектов, расчетно-графических работ, дипломного проекта и магистерской выпускной работы. Практические задания являются одним из важнейших элементов учебного процесса, которые позволяют обнаружить студентам свои творческие способности во время решения конкретных инженерно-технических задач. При выполнении практических заданий и курсового проекта должны использоваться также знания, полученные из предыдущих курсов и смежных дисциплин, в частности: из механики, электроники, материаловедения, метрологии, теории сигналов и цепей, автоматического управления.
Расчетно-графическая работа позволяет закрепить практические навыки, полученные при изучении лекционного курса и практических занятий.

4.1. Цель создания системы

Система предназначена для изучения основ теории измерительных преобразователей; выработки у обучающихся метрологического подхода, который основывается на установлении зависимостей между метрологическими характеристиками и конструктивными параметрами преобразователя для определения оптимальных значений последних; системного подхода к проектированию этих средств измерений; для изучения вопросов, посвященных развитию новых физических принципов и средств преобразования, а также совершенствованию методов коррекции их характеристик.
Для реализации поставленной цели у студентов вырабатываются:
- знания основных понятий и определений в отрасли измерительных преобразователей;
- знания основных характеристик измерительных преобразователей;
- знания основных методов и средств формирования исходных информативных сигналов;
- знания физических явлений, которые используются при построении измерительных преобразователей;
- знания основных методов и средств измерения неэлектрических величин;
- навыки работы с измерительной аппаратурой;
- опыт разработки отдельных измерительных преобразователей.

4.2. Область знаний и целевая аудитория

Области знаний, положенные в основу системы – физика, химия, материаловедение, метрология, теория погрешностей измерений, конструирование механизмов.
Целевая аудитория – студенты младших курсов направления подготовки специальностей 6.051001 "Метрология и информационно-измерительные технологии", студенты младших курсов технических специальностей, студенты старших курсов направления полготовки "Метрология и информационные измерительные технологии", студенты старших курсов технических специальностей, связанных с измерениями, специалисты в области измерительных преобразователей, специалисты других направлений, связанных с разработкой и использованием средств измерительной техники, интеллектуальных средств измерений, систем мониторинга, технической диагностики.

4.3. Состав и объем дистанционного курса

Состав обучающей системы приведен на рис. 2.

Рис. 2. Состав обучающей системы по дисциплине "Измерительные преобразователи"

При обучении полный лекционный материал представляет собой совокупность базового курса, включающего материал 7 лекций, одинаковых для всех специальностей, и основного курса, специфического для данной специальности и включающего 13 лекций. Расширенный курс рассчитан на самостоятельную работу с материалом студентов, желающих углубить подготовку в области измерительных преобразователей (а также метрологии и измерительной техники), и состоит из 10 лекций.
Структура лекционного курса представлена на рисунке 3.

Рис. 3. – Структура лекционного материала по дисциплине "Измерительные преобразователи"

Темы лекций приведены ниже.
Л.1. Введение. Основные характеристики измерительных преобразователей
Л.2. Динамические характеристики измерительных преобразователей
Л.3. Методы и средства формирования выходных электрических информативных сигналов в ИП. Схемы формирования сигналов параметрических ИП
Л.4. Мостовые схемы формирования сигналов параметрических ИП
Л.5. Схемы формирования сигналов генераторных ИП
Л.6. Уменьшение влияния соединительных проводников
Л.7. Влияние помех на измерительные цепи
Л.8. Резистивные измерительные преобразователи. Терморезистивные преобразователи
Л.9. Тензорезисторы
Л.10. Резистивные измерительные преобразователи. Фоторезисторы. Магниторезисторы
Л.11. Емкостные измерительные преобразователи. Измерительные преобразователи заряда
Л.12. ИП разности потенциалов, электрического напряжения и тока
Л.13. ИП разности потенциалов, электрического напряжения и тока (продолжение)
Л.14. Фотоэлектрические ИП
Л.15. Электрохимические ИП. Ионизационные ИП
Л.16. Электромагнитные ИП
Л.17. ИП ядерного магнитного резонанса
Л.18. Механические (упругие) измерительные преобразователи
Л.19. Волоконно-оптические датчики
Л.20. Волоконно-оптические датчики (продолжение)
Л.22. Методы измерения тепловых величин
Л.23. Измерение температуры (продолжение)
Л.24. Измерение давления, массы и веса
Л.25. Измерение массы и веса (продолжение)
Л.26. Измерение геометрических величин
Л.27. Измерение геометрических величин (продолжение)
Л.28. Измерение скорости потока и измерение расхода
Л.29. Измерение скорости потока и измерение расхода (продолжение)
Л.30. Некоторые методы измерения концентрации и состава
Л.31. Спектрофотометры

Лабораторные работы проходят в виртуальной лаборатории с использованием виртуальных инструментов, разработанных с помощью программных средств National Instruments – среды программирования LabVIEW. Тематика лабораторных работ приведена ниже.
ЛАБ.1- Емкостные датчики давления. Статические характеристики
ЛАБ.2- Динамические характеристики термопреобразователей
ЛАБ.3- Термопары
ЛАБ.4- Пьезоэлектрические преобразователи и ультразвуковая толщинометрия (часть I)
ЛАБ.5- Линейные дифференциальные трансформаторы
ЛАБ.6- Полупроводниковые оптические приемники
ЛАБ.7- Пьезоэлектрические преобразователи и ультразвуковая толщинометрия (часть II)
ЛАБ.8- Датчики виброускорений
ЛАБ.9- Тензорезисторы
ЛАБ.10- Терморезисторы
ЛАБ.11- Измерение деформаций и механических напряжений с помощью тензорезисторов
ЛАБ.12- Измерение температуры
ЛАБ.13- Исследование фотоэлектрических измерительных преобразователей
ЛАБ.14- Исследование характеристик взаимоиндуктивного измерительного преобразователя перемещений

Вводная информация к лабораторным занятиям содержит следующее:
- порядок выполнения лабораторной работы;
- программное обеспечение;
- общие требования к отчету.
Методический материал к каждой лабораторной работе состоит из следующих подразделов:
- цель работы;
- теоретические положения;
- контрольные вопросы (выходной контроль готовности к выполнению лабораторной работы);
- практическая часть (состоит из нескольких заданий, которые выполняют в соответствии с номером варианта в индивидуальном задании);
- содержание отчета;
- методические указания по обработке результатов измерений (при необходимости).

Практические занятия, которые сопровождают изучение дисциплины, охватывают разделы
Тематика практических занятий приведена ниже.
П1. Термоэлектрические измерительные преобразователи. Термопары.
П2. Пьезоэлектрические ИП.
П3. Разработка измерительного канала устройства ввода информации в компьютер для измерения деформации на базе тензорезистора.
П4. Резистивные измерительные преобразователи. Терморезисторы медные.
П5. Резистивные измерительные преобразователи. Термисторы.
П6. Резистивные измерительные преобразователи. Расчет линеаризирующего резистора.

Материал каждого практического занятия состоит из следующих подразделов:
- цель занятия;
- план практического занятия;
- теоретические положения (при необходимости);
- работа в классе, включающая решение задачи обязательного минимума, задач для закрепления полученных умений и навыков;
- домашнее задание;

Курсовой проект является завершающей частью учебной программы по дисциплине "Измерительные преобразователи".
Тематика курсовых проектов охватывает такие варианты:
- разработка первичного ИП, разработка сенсора;
- модернизация существующих ИП;
- разработка измерительных устройств;
- разработка методики измерений с использованием промышленного ИП.
Курсовой проект включает вопросы проектирования отдельных ИП, схем соединения ИП, расчета статических и динамических характеристик, анализ метрологических характеристик.
В методических материалах представлены:
- основные положения, общие требования к курсовому проекту и к его оформлению;
- методические указания по отдельным разделам курсового проекта.

Расчетно-графическая работа позволяет закрепить практические навыки, полученные при прохождении практических занятий.

Контроль знаний студентов производится с помощью тестов к лабораторным работам и вопросов к контрольным работам.
Для того чтобы приступить непосредственно к выполнению лабораторной работы, необходимо пройти входное тестирование, проверяющее готовность к выполнению данной лабораторной работы. Относительный уровень обученности оценивают как отношение количества набранных студентом баллов к общему количеству баллов теста.
Контрольные работы предназначены для проверки систематичности и регулярности работы студентов над отдельными разделами дисциплины.
В соответствии с рабочим учебным планом, в течение учебного семестра проводятся две контрольные работы. Контрольные работы проводятся в течение семестра:
первая контрольная работа - на 9 учебной неделе;
вторая – на 17 учебной неделе;
Контрольные вопросы сформированы из тематических разделов цикла лекций, которые были прочитаны к моменту проведения контрольной работы. При выполнении контрольной работы, за время одного учебного часа, нужно дать письменный ответ на три теоретических вопроса.
Контрольные задания дисциплины “Измерительные преобразователи” состоят из трех вопросов лекционного курса, каждое из которых оценивается отдельно.

Работа студентов оценивается по таким показателям:
- соответствие ответа сути контрольного вопроса;
- полнота ответа;
- умение самостоятельно анализировать вопрос;
- применение общих знаний из других разделов дисциплины и смежных дисциплин;
- правильность применения приобретенных теоретических знаний.
Основным показателем является полнота ответа.

Словарь терминов и определений состоит из основных терминов и определений, которые используются в материале курса.

Раздел литература содержит перечень основной и дополнительной литературы по курсу.

Библиотека содержит ссылки на литературные источники, нормативно-техническую документацию, полезные и интересные Internet – ресурсы, предназначенные для повышения профессионального уровня инженера и расширения кругозора о новшествах в сфере измерительных преобразователей, а также полнотекстовые литературные источники.

5. Обучение по дисциплине "Измерительные преобразователи"
для бакалавров, специалистов и магистров
по специальности "Метрология и информационно-измерительные технологии"

Уважаемые студенты, вашему вниманию предлагается курс "Измерительные преобразователи", входящий в обязательный перечень дисциплин бакалаврской подготовки студентов инженерных специальностей, и предназначенный для получения необходимых знаний, умений и навыков в области измерительных преобразователей, метрологии и измерительной техники и помощи в Вашей дальнейшей профессиональной деятельности.

Данный курс состоит из следующих компонентов:
Ш Лекционный материал
Ш Лабораторные работы
Ш Контрольные работы
Ш Практические занятия
Ш Расчетно-графическая работа (РГР)
Ш Курсовой проект

Лекционный материал включает 30 лекций, которые содержат логически объединенные лекции из так называемого базового курса (7 лекций, предназначенных для изучения студентами всех инженерных специальностей), основного курса (13 предметно-ориентированных лекций) и расширенного курса (10 лекций для самостоятельной работы с материалом студентов, желающих углубить подготовку в области измерительных преобразователей).
Перечень лекций представлен в разделе Расписание данного курса. Изучение лекций необходимо осуществлять в порядке, предложенном разработчиками курса.
Ниже приводится расшифровка принадлежности лекций к базовому, основному и расширенному курсам дисциплины "Измерительные преобразователи".

Тема	Базовый Основной Расширенный курс
Лекция № 1. Введение. Основные характеристики измерительных преобразователей	Базовый курс
Лекция № 2. Динамические характеристики измерительных преобразователей	Базовый курс
Лекция № 3. Методы и средства формирования выходных электрических информативных сигналов в ИП. Схемы формирования сигналов параметрических ИП	Базовый курс
Лекция № 4. Мостовые схемы формирования сигналов параметрических ИП	Базовый курс
Лекция № 5. Схемы формирования сигналов генераторных ИП	Базовый курс
Лекция № 6. Уменьшение влияния соединительных проводников	Базовый курс
Лекция № 7. Влияние помех на измерительные цепи	Базовый курс
Лекция № 8. Резистивные измерительные преобразователи. Терморезистивные преобразователи	Основной курс
Лекция № 9. Тензорезисторы	Основной курс
Лекция № 10. Резистивные измерительные преобразователи. Фоторезисторы. Магниторезисторы	Основной курс
Лекция № 11. Емкостные измерительные преобразователи. Измерительные преобразователи заряда	Основной курс
Лекция № 12. ИП разности потенциалов, электрического напряжения и тока	Основной курс
Лекция № 13. ИП разности потенциалов, электрического напряжения и тока (продолжение)	Основной курс
Лекция № 14. Фотоэлектрические ИП	Основной курс
Лекция № 15. Электрохимические ИП. Ионизационные ИП	Основной курс
Лекция № 16. Электромагнитные ИП	Основной курс
Лекция № 17. ИП ядерного магнитного резонанса	Основной курс
Лекция № 18. Механические (упругие) измерительные преобразователи	Основной курс
Лекция № 19. Волоконно-оптические датчики	Основной курс
Лекция № 20. Волоконно-оптические датчики (продолжение)	Основной курс
Лекция № 22. Методы измерения тепловых величин	Расширенный курс
Лекция № 23. Измерение температуры (продолжение)	Расширенный курс
Лекция № 24. Измерение давления, массы и веса	Расширенный курс
Лекция № 25. Измерение массы и веса (продолжение)	Расширенный курс
Лекция № 26. Измерение геометрических величин	Расширенный курс
Лекция № 27. Измерение геометрических величин (продолжение)	Расширенный курс
Лекция № 28. Измерение скорости потока и измерение расхода	Расширенный курс
Лекция № 29. Измерение скорости потока и измерение расхода (продолжение)	Расширенный курс
Лекция № 30. Некоторые методы измерения концентрации и состава	Расширенный курс
Лекция № 31. Спектрофотометры	Расширенный курс

Параллельно с изучением лекционного материала для закрепления знаний студента и приобретения умений и навыков использования средств измерительной техники, обработки экспериментальных данных студенту предлагаются Лабораторные работы.
Лабораторные занятия состоят из 14 лабораторных работ (1-14). Рекомендуемый порядок выполнения лабораторных работ в сочетании с изучением лекционного материала представлен в разделе Расписание. Лабораторную работу рекомендуется выполнять не ранее изучения лекций, после которых расположена лабораторная работа в списке раздела Расписание.
Перед началом выполнения лабораторных работ необходимо произвести Инсталляцию программного обеспечения согласно рекомендациям, приведенным в соответствующей закладке курса. Начальным этапом выполнения лабораторной работы является изучение теоретических сведений к данной лабораторной работе и повторение соответствующего лекционного материала, которые указываются при запуске лабораторной работы.
Перед тем как приступить непосредственно к выполнению лабораторной работы необходимо пройти входное тестирование. Для этого нужно выбрать раздел Тесты в закладке Контроль данного курса, а затем тестовые вопросы, относящиеся к данной лабораторной работе.
Ответы на задания теста оцениваются автоматически и результат оценивания правильности выполнения теста отсылается каждому студенту. Относительный уровень подготовленности студента оценивают как отношение количества правильных ответов к общему количеству заданий в тесте. Заключение об уровне освоения лекционного материала делают на основе следующих рекомендаций (тест к лабораторной работе состоит из 5 заданий):

v Допуск к выполнению лабораторной работе при правильном ответе не менее чем на 4 задания теста;
v При ответе менее чем на 4 задания теста рекомендуется повторить соответствующий лекционный материал и теоретические сведения, снова пройти тестирование.

Контрольные работы, находящиеся в закладке Контроль, предназначены для проверки систематичности и регулярности работы студентов над отдельными разделами дисциплины. Вопросы Вы найдете, выбрав соответствующую закладку курса. Основным показателем оценивания является полнота ответа.
Ответ на каждый вопрос оценивается по четырехбальной шкале: 2, 3, 4, 5.
В процентном соотношении:

Полнота ответа, %	Оценка
0 - 40	2
40 - 60	3
60 - 80	4
80 - 100	5

Итоговая оценка рассчитывается, как среднее с округлением к меньшему целому числу, при разнице баллов 2, 3 и с округлением к большему целому числу, при разнице баллов 1.
Практические занятия, а также Курсовой проект являются завершающей частью учебной программы по дисциплине "Измерительные преобразователи".
Расчетно-графическая работа может выполняться как после прохождения практических занятий, так и по ходу изучения куста по мере получения необходимых для решения задач знаний и умений. Отсылается выполненная работа преподавателю один раз в конце изучения курса по указанному им электронному адресу.
Оценку по расчетно-графической работе выставляет преподаватель практических занятий в соответствии со следующими рекомендациями:

Оценка	неудовлетворительно	удовлетворительно	хорошо	отлично
Процентное отношение правильно выполненного задания	меньше 50 %	50 – 70 %	70 – 90 %	90 – 100 %