Измерительные системы, их компоненты

4.2.1. Основные понятия.

Сначала несколько определений.

Устройство — система, отправляющая некоторую сравнительно узкую функцию и имеющая обособленную конструкцию и компоновку, но не заключенная в отдельный корпус (кожух).

Прибор — заключенные в отдельный корпус устройство или несколько функционально взаимосвязанных устройств.

Измерительная установка — это системная совокупность функционально взаимосвязанных или несвязанных приборов, устройств, вспомогательных конструктивных элементов, предназначенная для измерения одного или нескольких измеряемых факторов. Измерительная установка может состоять из нескольких конструктивно обособленных частей, каждая из которых включает в себя один или несколько приборов (устройств). Обычно в установке можно различить части, каждая из которых обеспечивает выполнение относительно самостоятельной функции. Если эти части установки расположены (локализованы) в одном ее месте, их называют блоками установки. Установку, четко разделенную на такие блоки — называют блочной.

Измерительная система часто состоит из 2 разделенных расстоянием блоков: один закреплен на объекте измерения и может перемещаться вместе с ним, другой на том или ином расстоянии от первого, он стационарный — это блок оператора.

Телеметрия (tele+metreo далеко+измеряю) — измерение на расстоянии. Применяют, если измеряемый объект по роду своей двигательной активности перемещается, отдаляясь от оператора на несколько метров и далее (даже на километры), либо если характер движений объекта таков, что проводники, связывающие его с блоком оператора, неизбежно запутываются и могут порваться или существенно мешают движениям, и потому проводная связь между блоками объекта и оператора не годится для передачи сигнала. Это относится и к механической связи между блоками объекта и оператора.

Идея одного типа телеметрических систем в том, что датчики, усилитель и часть преобразовательной системы устанавливается на объекте измерения, удаленном от оператора, а вторая часть преобразовательной системы и регистратор — у оператора. Связь осуществляется электромагнитными колебаниями (обычно радиоволнами).

Идея другого типа телеметрических систем: на движущемся объекте стоит излучатель или отражатель, остальные части измерительной системы находятся у оператора, расположенного в пределах прямой видимости на расстоянии до нескольких сот метров. Путь, траекторию, скорость и ускорение объекта можно определить лоцированием: направленная приемная антенна «следит» за объектом, принимая отраженный от него сигнал, и по изменениям ее положения можно рассчитать названные характеристики.

Иногда говорят о проводной телеметрии, когда от датчиков, поставленных на удаленном объекте, сигнал идет к основной части измерительной системы по проводам. Однако нет критерия, по которому можно было бы сказать, начиная с какой длины проводов или удаленности объекта можно считать установку телеметрической.

Очень важно, чтобы уровень (амплитуда) сигнала, снимаемого с датчика (прибора, устройства), был, пусть с допустимым приближением, пропорционален уровню измеряемого фактора. Это свойство называют линейностью датчика (устройства, прибора) и линейным соответствием сигнала измеряемому фактору. Отклонения от пропорциональности, т.е. проявления нелинейности, не должны выходить за пределы, обеспечивающие требуемую точность измерений.

Чувствительность датчика или прибора определяется его порогом чувствительности и разрешением (порогом различения, дифференциальным порогом).

Порог чувствительности — это наименьшая величина измеряемого фактора, на которую реагирует датчик (устройство, прибор), т.е. которая вызывает появление его сигнала.

Разрешение датчика (устройства, прибора) — то наименьшее изменение измеряемого фактора, на которое реагирует датчик (устройство, прибор), т.е. то, которое вызывает изменение сигнала датчика, выдаваемого датчиком; другими словами, это то наименьшее различие между двумя значениями измеряемого фактора, при котором датчик (устройство, прибор) реагирует на эти значения как на различные, позволяя заметить различие.

Верхний порог датчика. Это важная характеристика датчика (измерительного устройства, прибора) — предельное для него значение (уровень значения) измеряемого фактора, т.е. такое значение, превышение которого либо уже не изменяет величину сигнала (по сравнению с его величиной при предельном значении измеряемого фактора), либо опасно для датчика (устройства, прибора), может его повредить. Разумеется, при измерениях недопустимо забывать о верхнем пороге датчика.

Погрешность (ошибка) измерения — отличие результата измерения от истинного значения измеряемого фактора.

Абсолютная погрешность (d) — абсолютное значение погрешности, которое выражается в тех же единицах, что и значение измеряемого фактора. d = А₀ – А, где А₀ — истинное значение измеряемого фактора, А — его значение, полученное измерением (измеренное значение).

Относительная погрешность — отношение абсолютной погрешности к некоторой фиксированной величине, т.е. частное от деления абсолютной погрешности на эту величину.

Действительная относительная погрешность — отношение абсолютной погрешности к истинному значению измеряемого фактора: d _од = d ½ А₀.

Приведенная относительная погрешность — отношение абсолютной погрешности к максимальному значению шкалы измерительного прибора (устройства): d _оп — d ½ А_max. Приведенная относительная погрешность (d _оп) характеризует класс точности измерительного прибора (устройства).

Если измерение рассматриваемого фактора связано с измерением несколькими приборами (устройствами), то суммарная ошибка (d _S) вычисляют по формуле: d _S = Öd ₁ + d ₂ +...+ d _n.

4.2.2. Датчики и «задатчики». Датчик — измерительный преобразователь воздействия измеряемого фактора в сигналы той или иной физической модальности. Чаще всего датчик преобразует воздействие на него измеряемого фактора в электрический сигнал, но не обязательно: сигнал на выходе датчика, «снимаемый» с него, может быть и механическим, и электромагнитным (световым, радиоволновым и др.), тепловым, звуковым, химическим. Сигнал, снимаемый с датчика, часто очень слаб, и чтобы преобразователь и регистратор нормально приняли и обработали его, нужно предварительно подать его на усилитель, где амплитуда (сила) сигнала увеличивается до значений, позволяющих преобразовывать его без искажений и после этого (непосредственно, если преобразователь не предусмотрен) фиксировать.

Датчики различают по принципу реагирования на измеряемый фактор, по физической сущности выходного сигнала (чаще он электрический, но, как сказано выше, не обязательно), по чувствительности, по механической прочности, по конструкции, по размерам.

«Задатчик». Нередко интересующий нас предмет измерения трудно воспринять непосредственно, и тогда он задается косвенно как некоторый фактор, изменяющий другой фактор, и датчик воспринимает этот другой, опосредствующий фактор или его изменения. Чаще всего таким опосредствующим фактором служит электромагнитное (световое, радиоволновое) или электрическое поле, создаваемое особой частью измерительной установки — задатчиком. Например, лазер или обычный источник света, источник электрического напряжения, постоянный магнит или электромагнит. Изменение светового потока, электрического тока, магнитного поля или вызываемые в таком случае изменения другой физической величины становится измеряемым фактором, улавливается датчиком и преобразуется им в соответствующий сигнал.

Но во многих случаях датчик может воспринимать измеряемый фактор и без образованного «задатчиком» силового поля: например, датчиком в обычном кистевом динамометре служит плоская пружина в форме замкнутого овала или 2 цилиндрические пружины с упорами на концах, меняющая свою форму в результате давления пальцами сжимаемой кисти. Датчиком температуры служит термопара: соединение 2 стержней или пластинок из разных металлов либо сплавов, разность электрических потенциалов которых меняется в зависимости от тепла, получаемого от исследуемого тела. Так же работает бытовой термометр: в нем от тепла расширяется ртуть или спирт.

Пластины термопары соединены одними концами, и это соединение воспринимает температуру тела (рис.4.1,а), с других (свободных) концов снимается разность электрических потенциалов (электрическое напряжение). Датчиком температуры может служить закрепленная одним концом биметаллическая пластинка (рис.4.1,б), которая из-за различия коэффициентов расширения соединенных с ней (одной стороной) металлов при нагревании изгибается, свободный конец пластины перемещается, через систему рычажков двигая стрелку по шкале (биметаллический датчик температуры).

ось ось

а б

Рис.4.1. а — термопара; б — биметаллический датчик температуры.

Важны размеры, вес и прочность датчика: часто, например, требуется, чтобы он был миниатюрным, легким, не боялся сотрясений и даже ударов. Большое значение имеет и способ его крепления: оно должно быть надежным и не должно вносить помехи в функцию объекта измерения. К телу спортсмена датчики можно приклеивать к коже, закреплять ремнями, тесемками, лейкопластырем или клейкой лентой, прикреплять к одежде. Датчики, непосредственно не контактирующие с телом спортсмена, могут быть механически закреплены в измерительном устройстве. Некоторые датчики вообще не нужно закреплять (например, сейсмодатчик просто кладут на дорожку стадиона, микрофон держат в руках или кладут на стол).

Еще одна характеристика — надежность функции датчика: это вероятностная характеристика степени безотказности его работы, ее количественное значение надежности есть значение вероятности удовлетворяющего нас функционирования — невзирая на помехи и нестандартность условий (разумеется, в заданных пределах).

4.2.3. Усилители. Усилитель должен не только усиливать сигнал с датчика, т.е. увеличивать его амплитуду, но и производить это с возможно меньшими искажениями. В качестве усилителей в подавляющем большинстве случаев применяют усилители электрического тока либо напряжения. Искажения бывают нескольких типов.

1. Нелинейность усиления, т.е. непропорциональность отношения приращений (DА) величины (количественного значения) сигнала на выходе усилителя к соответствующим приращениям (DВ) величины сигнала на его входе (отношения приращений усиленного сигнала к соответствующим приращениям исходного сигнала). Нелинейность, если она наперед известна — например, если построена так называемая тарировочная (калибровочная) кривая — можно учесть применением соответствующей неравномерной (нелинейной) шкалы прибора (устройства). Либо, при равномерной шкале, всякий раз по тарировочной кривой пересчитывать полученное на выходе усилителя значение сигнала, и если данные записываются на компьютере, пересчет может происходить автоматически по программе, отражающей эту нелинейность.

Если характер нелинейности усиления меняется в зависимости от внешних факторов, нужно перед каждой серией измерений, проходящей в стабильных условиях, строить тарировочную кривую, определяя таким образом нелинейность. Если нелинейность меняется по мере нагревания прибора в ходе его работы, нужно сначала вывести его на стабильный режим, дав прогреться (для разных приборов — от 10 мин до 1 часа). Если же нелинейность усиления не изучена, такой усилитель можно применять лишь в тех случаях, когда достаточно только определять, есть сигнал или его нет.

2. Смещение значений на известную нам величину. В таком случае из результата на выходе усилителя алгебраически (т.е. с учетом знака) вычитается эта величина. Часто причина смещения в плохом заземлении или нагревании прибора. Поправив заземление прибора или прогрев прибор работой «вхолостую», его выводят на режим с известным постоянным смещением выходного результата.

3. Наводки — искажения, индуцируемые (возбуждаемые) посторонними (чаще всего электрическими, но не только) помехами: близко расположенной проводкой электросети, недалеко работающим электромотором, разного рода искрением, а иногда и атмосферными электрическими помехами, магнитными полями, колебаниями температуры среды, громкими звуками, вибрацией и др.). От наводок предохраняются экранированием прибора и ведущих к нему и от него проводов, электрическими фильтрами (основу которых составляют нужной емкости конденсаторы), звукоизоляцией, креплением приборов на подвеске или поролоновой подушке.

Усиление сигнала (а это значит увеличение его энергии) происходит за счет энергии специального вспомогательного ее источника. При этом обязательно нужно позаботиться о том, чтобы сам этот источник не вносил существенных искажений в процесс усиления сигнала. Иногда используют дополнительные электрические фильтры. Обычно применяют усилители электрического тока или напряжения, но применяют и другие: усилители механических, звуковых, световых сигналов. Для этого используют механические (рычажные, зубчатые, шкивные), пневматические, гидравлические, электрические, электромеханические устройства.

Усилители могут выполнять и другие функции, помимо усиления сигнала. Пример — тензоусилители.

Усилители усложняют установку и к тому же обычно, невзирая на принимаемые меры, вносят те или иные искажения в сигнал, поэтому их применяют только в случаях, когда сигнал с датчика слишком слаб и его нельзя с желаемой точностью измерить, записать, передать на расстояние с неизбежной при этом потерей его мощности.

4.2.4. Преобразователи. Преобразователи служат для перевода сигнала из одной физической величины (или из одного вида энергии), почему-либо неудобной или непригодной для его измерения, фиксации либо передачи в следующую часть измерительной системы, в другую физическую величину (в другой вид энергии). Например, в телеметрических системах сигналы датчиков, установленных на теле спортсмена, кодируют, преобразуют в электрические колебания радиочастоты, а затем через антенну радиопередатчика в радиоволны определенной длины, принимаемые затем настроенным на эту частоту радиоприемником, где они усиливаются и раскодируются, а иногда перекодируются.

Преобразование может быть и более простым: например, деформация плоской пружины кистевого динамометра посредством системы рычагов и зубчатых колес преобразуется в движение стрелки по круговой шкале. Здесь преобразователь представлен простым механическим устройством, механизмом из нескольких деталей.

Преобразование может заключаться и в изменении формы или характера сигнала: например, можно модулировать сигналом генерируемые специальным источником постоянные по частоте и амплитуде электромагнитные колебания (радио или световой частоты), которые называют несущими, затем их детектировать, вновь выделяя этот сигнал в «чистом» виде. Можно дискретизировать аналоговый (непрерывный) сигнал, переводя его в форму, приемлемую для компьютера, можно, наоборот, преобразовывать дискретный сигнал в аналоговый, приемлемый для аналоговых устройств.

Разнообразные преобразования измерительной информации производятся на ЭВМ, где, например, данные о скорости в рассматриваемом интервале времени могут быть интегрированием преобразованы в значение пройденного пути, а время фазы полета — в высоту подъема («подлёта») ц.м.т. Вычислительные машины и устройства бывают цифровые (ЦВМ) и аналоговые (АВМ). Цифровые могут быть механическими (но их сейчас практически уже на используют) и электронные — всем знакомые компьютеры, калькуляторы, микропроцессоры. Наиболее широкое распространение получили персональные цифровые электронные машины (ПЭВМ). Измерительную информацию в ЭВМ можно вводить только в дискретной, цифровой форме, о чем выше упомянуто. Поэтому, если информация носит непрерывный (аналоговый) характер — например, данные о пути, времени, скорости, силе и т.п., нужен дополнительный преобразователь этой информации в дискретную, а именно — в цифровую форму. Это аналого–цифровой преобразователь (АЦП), представляющий собой специальную электронную плату, подключаемую к ЭВМ, у которой для этого имеется входной порт. Во многих ЭВМ АЦП предусмотрен конструкцией, содержится в ней.

АВМ бывают механические, пневматические, гидравлические, магнитоэлектрические, радиотехнические, электронные. Это наборы по тому или иному плану (в зависимости от принятой математической модели исследуемого процесса) соединяемых устройств-схем, функция каждой из которых выполняет некоторую математическую операцию (сложение, вычитание, умножение, деление, возведение в нужную степень, извлечение корня нужной степени, дифференцирование, интегрирование и др.). Входы и выходы этих схем соединяют в цепи в соответствии с некой математической моделью, и на выходе последней схемы получают искомый результат. Факторы, определяющие в конечном счете измеряемый фактор, подаются на вход (входы) АВМ, значение измеряемого фактора получают на выходе. Если вводимые факторы не аналоговые, а дискретные, цифровые, то предварительно ставят цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).

Преимущество АВМ сказывается при больших сериях измерений по одной математической модели: результаты получают мгновенно. Недостатки АВМ в трудоемкости перенастройки АВМ на другую модель процесса, из-за чего их невыгодно использовать для одиночных или малосерийных измерений, а также в невысокой точности получаемых результатов. Преимущество ЦЭВМ (или просто ЭВМ) в легкой смене программ и высокой точности, простоте фиксации входных данных и результатов и дальнейших манипуляций с ними, а также в универсальности. Серьезный недостаток — возможны большие погрешности при дифференцировании.

В механических преобразователях используют различного рода рычаги, тяги, толкатели, зубчатые колеса, винтовые, ременные, цепные и фрикционные (основанные на трении) передачи. В электрических преобразователях используют сопротивления, электромагнитные реле, соленоиды (катушки самоиндукции), конденсаторы, трансформаторы, умформеры (преобразователи напряжения постоянного тока: соединение генератора напряжения с электромотором), выпрямители. Механические преобразователи нередко более доступны в «самодеятельном» изготовлении, чем другие, пусть более совершенные. Поэтому их широко используют в практике.

4.2.5. Регистраторы. Регистраторы (регистрирующие системы, приборы, устройства) могут выдавать аудиовизуальную («слухо-зрительную») информацию или ее запись. Индикаторами чаще называют регистраторы, дающие информацию типа «да — нет», т.е. достигает измеряемый фактор некоторого порогового (для индикатора) значения или не достигает. Либо, в другом варианте, переходит ли измеряемый фактор некоторый верхний порог — наибольшее допустимое значение. Однако подчас индикаторами называют и градуальные (показывающие количественные значения) регистраторы. Градуальные регистраторы фиксируют значения измеряемого фактора в диапазоне от порога чувствительности до верхнего порога. Такие регистраторы представлены различного рода шкальными устройствами, аудио- или видеомагнитофонами, самописцами, электроннолучевыми и шлейфовыми (шлейфными) осциллографами, ЭВМ.

Шкальные регистраторы бывают стрелочные и световые: стрелка или световое пятно перемещается по шкале. Шкалы бывают цифровые и цветовые (каждому цвету соответствует определенный интервал значений измеряемого фактора.

Электроннолучевые осциллографы нередко используют как осциллоскопы, т.е. без записи измерительной информации. Если наблюдаемый процесс строго циклический (циклы строго повторяют друг друга), изображение при некоторой подобранной частоте развертки (базового горизонтального равномерного перемещения луча), изображение на экране в виде графика «стоит» неподвижно, что достигается благодаря кратковременному постсвечению (послесвечению) покрытого изнутри люминисцирующим веществом экрана. Но если требуется измерить единичный процесс, нужно, чтобы картинка на экране долго не пропадала: это позволяет ее проанализировать. Поэтому бывают осциллографы с длительным (до нескольких часов) «запоминанием» на экране полученного графика измеряемой величины. График получается потому, что световое пятно по горизонтали (развертка) движется с заданной постоянной скоростью, тем самым задавая масштаб времени и временну¢ю координату по оси абсцисс, а сигнал вызывает пропорциональное его силе смещение светового пятна вверх либо вниз (в зависимости от знака сигнала), тем самым задавая — в заданном масштабе — координату по оси ординат. Бывают 2-х, 3-х и многолучевые (2-х, 3-х и многоканальные) осциллографы, рисующие графики сразу нескольких измеряемых факторов.

Существуют и такие электроннолучевые осциллографы, у которых 2 измеряемых фактора можно отображать один на оси абсцисс, другой на оси ординат, т.е. показать зависимость одного от другого. На экране возникает изображение годографа радиусов-векторов точек, репрезентирующих взаимозависимость 2 измеряемых факторов. Годограф — линия, проходящая через концы изменяющегося во времени радиуса-вектора. По годографу можно проследить характер изменений 2-мерной векторной величины.

Изображение на экране электроннолучевого осциллографа (ИЭЛ — индикатор электроннолучевой) можно фиксировать фотографированием, переводом на бумагу «на просвет», срисовыванием.

Самописцы и шлейфовые (шлейфные) осциллографы на выходе дают графики на фотобумаге, тепловой бумаге или фотопленке. Самописцы часто бывают 1–4-канальные, но иногда каналов значительно больше. Осциллографы могут иметь до 60–80 каналов.

Шлейфами нередко условно называют сменные гальванометры, помещаемые в поле сильного постоянного магнита (это поле неизменно). В действительности же шлейф — деталь этого гальванометра, проволочная петля или рамка, к которой прикреплено миниатюрное зеркальце, отражающее луч света от сильного источника, проникающий внутрь гальванометра через прозрачное окошко в корпусе. Гальванометр имеет вид цилиндра, длина которого много больше диаметра. Каждый гальванометр «обслуживает» один измеряемый фактор, т.е. один канал. Шлейф (рис.4.2) представляет собой 2 расположенных рядом и параллельно проводника, по которым ток сигнала течет в противоположных направлениях. Так как гальванометр помешен в сильном постоянном магнитном поле, возникают 2 одинаковые противоположные по направлению так называемые силы Лоренца (тут можно говорить и о силе Ампера). Они образуют пару сил, и потому скручивают шлейф на угол, пропорциональный силе тока сигнала (сопротивление скручиванию оказывает упругий элемент шлейфа; в рабочем диапазоне упругие силы сопротивления повороту шлейфа практически пропорциональны величине скручивания).

Крепление зеркальца Заделка шлейфа

Клеммы входного сигнала

Рамка

Зеркальце

Рис.4.2. Шлейф.

При скручивании шлейфа прикрепленное к нему зеркальце меняет направление отраженного луча, который выходит через то же прозрачное окошко в корпусе гальванометра, через которое проник внутрь него. Через оптическую систему отраженный луч падает на равномерно передвигаемую лентопротяжным механизмом фотобумагу или фотопленку, вычерчивая график сигнала по времени. Скорость движения бумажной ленты (пленки) задается в зависимости от ожидаемой быстроты изменений сигнала. Зная скорость протяжки бумаги (пленки), получаем отсчет времени (по оси абсцисс). Часто имеется механизм графической отметки на бумаге (пленке) отдельными «зубцами» заданных равных временных промежутков. Диапазон доступных скоростей обычно от 0,5 мм/с до нескольких (даже десятков) м/с. ЭВМ вытесняют осциллографы ены из применения ЭВМ.

Гальванометры («шлейфы») бывают разной чувствительности, обозначаемой обычно номерами — чем больше номер, тем чувствительнее гальванометр, и тем ниже его верхний порог, превышение которого выводит гальванометр из строя.

Самописцы бывают перьевые, струйные, с тепловым пером, с фотозаписью, с магнитной записью. Пером называют тонкую трубочку, отклоняющуюся от нейтрального положения в ту или другую сторону на расстояние, пропорциональное силе тока сигнала и в соответствии с его направлением). Через перо на бумажную ленту подается специальная паста или чернила. Тепловое перо — тонкий подогреваемый током стерженек, перемещение которого по тепловой бумаге (она двухслойная) ведет к расплавлению верхнего слоя в месте касания пером бумаги. Так как нижний слой бумаги («основа») другого цвета, получается график. Струйная запись осуществляется тоже через тонкие трубочки, они либо неподвижны, а напор чернил в трубочке (и выбор «срабатывающей» трубочки, если в пишущем узле их несколько) управляется, либо перемещаются, почти контактируя с бумагой. Запись на магнитной ленте (посредством записывающей магнитной головки) не видна, но позволяет считывать сигнал посредством другой магнитной головки (читающей) и выводить его в цифровом или графическом отображении на экран дисплея.

К регистраторам можно отнести фото-, кино- и видеосъемочные камеры, счетчики импульсов, «запоминающие» устройства..

4.2.6. Микропроцессоры и компьютеры в измерительных системах. Сейчас все чаще в качестве регистраторов используют персональные ЭВМ, которые обеспечивают и визуальное наблюдение результатов измерений по их ходу, и их фиксацию (запись), и последующие их преобразования и сравнения. Помимо записи на магнитные диски, можно осуществлять запись посредством соединенных с ЭВМ принтеров (матричных, струйных, лазерных) и графопостроителей. Записи можно не только сохранять, но и (при наличии соответствующих программ) проводить быстрый их поиск, сравнивать их между собой, показывать одновременно, проводить их математическую, в том числе статистическую обработку, рисовать графики и даже графические рисунки. Современные компьютеры обладают таким высоким быстродействием, что способны производить очень сложные операции за короткое время.

Миниатюризация и совершенствование технологии производства полупроводниковой техники сделали доступными мощные микропроцессоры, способные по определенной программе управлять механическими устройствами, в том числе помогающими в двигательном обучении — и в том числе устройствами, принудительно определяющими движения тела и телодвижения спортсмена.

В современных компьютеризованных установках можно отслеживать движение выбранных и отмеченных точек на объекте измерения путем количественной оценки их координат и изменения координат с последующим анализом в соответствии с формулами механики. В качестве исходного отображения движений объекта можно использовать кино- или видеозапись. Компьютерная система по специальной программе отцифровывает «картинку»: переводит визуальное изображение в цифровой массив, отражающий координаты точек изображения. Отцифровывают и контрольные точки — их координаты отслеживают через каждые, например, 0,04 с. Это позволяет определить их скорости и ускорения, а по ускорению и характеристикам тела — приложенные силы и моменты сил. Пока такие системы очень дороги и практически недоступны большинству заинтересованных. Однако можно предвидеть быстрое снижение цен.

4.2.7. Измерительные системы. Измерительные системы, применяемые в физическом воспитании и спорте, в подавляющем большинстве случаев резко отличаются от тех, которые применяют исследователи или технологи в области естественных наук и в промышленности. Это легко понять: в физическом воспитании и спорте измеряют в основном человека — его тело, движения и психику.

Именно поэтому широкое применение находит разнообразная медицинская измерительная аппаратура: электро-, балисто- и эхокардиографы, электромиографы, энцефалографы, приборы для измерения черезкожного электрического сопротивления и потенциалов референтных точек, аппаратура для антропометрических измерений, измерения кровяного давления, проведения биохимических анализов и др. Однако для измерения параметров спортивных систем движений нужна аппаратура другого рода, более близкая к той, которой пользуются механики, но в тоже время адаптированная к задаче измерения движений человека.

Измерительные системы, применяемые в физическом воспитании и спорте, должны быть по возможности портативными и легкими, чтобы без особого труда переносить их с места хранения к месту проведения измерений, чтобы они не парализовали нормальную тренировочную работу занимающихся, не участвующих (по крайней мере в данный момент) в измерениях.

Некоторые измерительные системы для работы нуждаются лишь в электрических батарейках, но многим необходимо более мощное электропитание. В таких случаях на месте проведения измерений должен быть достаточный источник питания для измерительной системы: химические батареи, аккумулятор — либо электросеть: проводка электросети с розеткой.

Измерительную установку (систему), собранную из конструктивно и пространственно автономных блоков (каждый из которых может включать один или несколько конструктивно связанных приборов и устройств), называют блочной.

Измерительные установки собирают в большинстве случаев по универсальной схеме, показанной на рис.4.3. Как видно на рисунке, измеряемый фактор непосредственно влияет на датчик. Сигнал с

Измеряемый Усилители,

фактор Датчики преобразователи Регистраторы

Задатчики Блоки питания Вычислительное устройство

Рис.4.3. Блок-схема измерительной установки. Тонкими линиями очерчены блоки, которых может в установке и не быть. Соответственно и связи с ними показаны тонкими стрелками, обязательные связи — жирными.

датчика поступает или непосредственно на вход регистратора (это показано жирной стрелкой), или, если сигнал должен быть предварительно усилен и (или) преобразован, он подается на вход усилителя и (или) преобразователя (которые в таком случае включаются в измерительную систему; нередко они совмещены в одном приборе), и лишь затем — с выхода усилителя или преобразователя на вход регистратора (это показано дополнительными тонкими участками стрелок, связанными с блоком «Усилитель, преобразователь»).

Особняком среди измерительных систем стоят системы, основанные на использовании в качестве входных данных материалов кино- и видеосъемки, т.е. своего рода визуальной или магнитной модели объекта, подлежащего измерению.

Более доступны, но и трудоемки фото- и кинциклография, позволяющие определять перемещения (а расчетным путем и скорости и ускорения) контрольных точек тела. Циклограмма представляет собой изображение траекторий контрольных точек тела в виде пунктирных линий. Расстояние между двумя соседними точками соответствует пути (в соответствующем масштабе), пройденному точкой за фиксированный интервал времени (поскольку все соседние точки разделяет одинаковый временной интервал (например, 0,01 с).

Поделив расстояние между двумя рассматриваемыми соседними точками на этот интервал времени, получаем значение средней скорости за этот интервал. Если он очень мал, то значение скорости очень близко к мгновенному. Если разность скоростей на соседних участках разделить на тот же интервал времени, получим значение среднего за интервал ускорения, а так как интервал очень мал, можно принять его (конечно, с некоторой погрешностью) за мгновенное ускорение. С учетом характеристик тела можно приблизительно вычислить приложенные к телу силу и момент силы (пары сил).

Многие измерения проводят, используя оптронные пары: комбинацию из светоизлучателя и светоприемника.

Дата добавления: 2015-04-30