Измерительные преобразователи

Так как измеряются свойства, в качественном отношении общие для многих объектов или явлений, эти свойства без участия органов чувств человека должны быть каким-то обра­зом обнаружены, в чем-то должны проявиться. Технические устройства, предназначенные для обнаружения (индикации) физических свойств, называются индикаторами. Стрелка маг­нитного компаса, например, — индикатор напряженности магнитного поля; осветительная электрическая лампочка — индикатор электрического напряжения в сети; лакмусовая бу­мага — индикатор активности ионов водорода в растворах.

Основное назначение датчиков — восприятие физических величин, характеризующих измеряемые явления (движений спортсмена). Это средство измерений служит для преобразова­ния сигнала измерительной информации в форму, удобную для обработки или хранения, а также передачи в показываю­щее устройство. Датчики, воспринимающие информацию, либо входят в конструктивную схему измерительного прибора, либо применяются совместно с ним, но сигнал преобразователя не поддается непосредственному восприятию наблюдателем. Пре­образуемую величину называют входной, а результат преобра­зования — выходной величиной. Основной метрологической характеристикой измерительного преобразователя считается соотношение между входной и выходной величинами, называ­емое функцией преобразования.

Преобразователи подразделяются на первичные (непосред­ственно воспринимающие измеряемую величину), передающие, на выходе которых величина приобретает форму, удобную для регистрации или передачи на расстояние, промежуточные, ра­ботающие в сочетании с первичными и не влияющие на из­менение физической величины.

В качестве первичных преобразователей в физической куль­туре и спорте наиболее популярны: фотодиоды, реостатные дат­чики, тензорезисторы, акселерометры. Фотодиоды используют­ся в устройствах, с помощью которых измеряют время движений. Входная величина фотодиодов — освещенность, выходная — постоянный ток. Они чувствительны в диапазоне от 0 до 500 Гц и имеют погрешность в 1 — 3 %. Эту погрешность можно умень­шить точностью установки фотопреобразователей на дистан­ции, степенью фокусировки и временем переключения.

Реостатные датчики наиболее ча­сто используются в устройствах, с помощью которых измеряют ампли­туду движений в различных суставах (рис. 10). Входная величина реостат­ного датчика — линейное и угловое перемещение, выходная — измене­ние сопротивления. У этих датчиков высокая чувствительность и сравни­тельно небольшие погрешности.

Рис. 10. Крепление датчика гониограммы

Тензорезисторы являются чув­ствительным элементом измери­тельной системы, с помощью ко­торой оцениваются динамические показатели движений. Входная ве­личина тензорезисторов — переме­щение, выходная — изменение со­противления. Достоинством их являются невысокая стоимость, устойчивость к вибрациям и малая погрешность измерений. Акселерометры предназначены для измерения ускорений. В основе работы акселерометров лежит измерение силы инер­ции, возникающей при движении. Сила инерции вызывает от­клонение массы акселерометра, которое прямо пропорциональ­но ускорению. Это отклонение измеряется тензорезистором или пьезоэлектрическим датчиком. С помощью индикаторов уста­навливается наличие измеряемой величины и регистрирует­ся изменение ее размера. В этом отношении индикаторы игра­ют ту же роль, что и органы чувств человека, но значительно расширяют их возможности. Человек, например, слышит в ди­апазоне частот от 16 Гц до 20 кГц, в то время как технически­ми средствами обнаруживаются звуковые колебания в диапа­зоне от инфранизких (доли герца) до ультравысоких (десятки и сотни килогерц) частот. В то же время не создано еще техни­ческих устройств, которые могли бы соперничать с обоняни­ем человека или животных.

Так как индикаторы должны обнаруживать проявление свойств окружающего мира, их важнейшей технической харак­теристикой служит порог обнаружения (иногда его называют порогом чувствительности). Чем меньше порог обнаружения, тем более слабое проявление свойства регистрируется индикатором. Современные индикаторы обладают очень низкими порогами обнаружения, лежащими на уровне фоновых помех и собствен­ных шумов аппаратуры.

Индикаторы служат средствами измерений по шкале поряд­ка. Для измерения по шкале отношений необходимо сравнить неизвестный размер с известным и выразить первый через вто­рой в кратном или дольном отношении. Если физическая ве-

личина известного размера есть в наличии, то она непосред­ственно используется для сравнения. Так, длину измеряют ли­нейкой, плоский угол — транспортиром, массу — с помощью гирь и весов. Если же физической величины известного разме­ра в наличии нет, то сравнивается реакция (отклик) прибора на воздействие измеряемой величины с проявившейся ранее реакцией на воздействие той же величины, но известного раз­мера. Так, силу электрического тока измеряют амперметром, электрическое напряжение - вольтметром, скорость — спи­дометром и т.д. При этом предполагается, что соотношение между откликами такое же, как и между сравниваемыми раз­мерами. Для облегчения сравнения отклик на известное воз­действие еще на стадии изготовления прибора фиксируют на шкале отсчетного устройства, после чего шкалу разбивают на деления в кратном и дольном отношении. Эта процедура на­зывается градуировкой шкалы. При измерениях она позволяет по положению указателя получать результат сравнения непос­редственно на шкале отношений.

Информацию, воспринятую датчиками, необходимо пре­образовать в величину, пригодную для последующего анализа. Делается это по следующим причинам:

— слишком разнообразны входные (измеряемые) величины;

— не для всякой из них есть шкала мер;

— значительны трудности передачи измерений величины в ее исходном виде.

Преобразование осуществляется с помощью устройств, на вы­ходе которых формируется сигнал, удобный для последующего анализа. Например, изменение длины проводника, вызванное воздействием силы, преобразуется в электрическое напряжение. В процессе преобразования измерительной информации проис­ходит и усиление сигнала, воспринятого датчиком. Измеритель­ные преобразователи получили очень широкое распространение. К ним относятся термопары, измерительные усилители, преоб­разователи давления и многие другие. В спорте для усиления сиг­налов, снимаемых с первичных преобразователей биомехани­ческих параметров движений, чаще используют тензоусилители и миниатюрные операционные усилители постоянного тока, коэффициент усиления которых достигает 500 000.