Правительство Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования
реклама
Правительство Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики" Московский институт электроники и математики Национального исследовательского университета "Высшая школа экономики" Факультет электроники и телекоммуникаций Программа дисциплины «Методы и средства измерений, испытаний и контроля» для специальности 220501.65 «Управление качеством» подготовки специалиста Автор программы: Юрин А.И., к.т.н., [email protected] Одобрена на заседании кафедры Микросистемной техники, материаловедения и технологий «___»____________ 20 г Зав. кафедрой В.П. Кулагин Рекомендована секцией УМС «___»____________ 20 г Председатель Утверждена УС факультета «___»_____________20 г. Ученый секретарь ________________________ Москва, 2012 Настоящая программа не может быть использована другими подразделениями университета и другими вузами без разрешения кафедрыразработчика программы. -2«МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ, ИСПЫТАНИЙ И КОНТРОЛЯ» 1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ Целью преподавания дисциплины «Методы и средства измерений, испытаний и контроля» является формирование у студентов понимания взаимосвязи процессов измерений, испытаний и контроля с метрологическим обеспечением проектирования, производства и эксплуатации продукции, находящей широкое применение в различных областях науки и техники. Особенно это актуально в настоящее время, когда непрерывно повышаются требования к качеству продукции и услуг. При этом растут требования к точности измерений и возможности воспроизведения в процессе испытаний на воздействие различных внешних факторов. Содержание дисциплины подчинено требованиям, предъявляемым при подготовке инженеров-менеджеров, специализирующихся в области систем управления качеством, связанных с метрологическим обеспечением, стандартизацией, сертификацией, информационно-измерительной техникой. Задачами изучения дисциплины являются: Приобретение студентами знаний средств измерений, контроля и испытательного оборудования, а также методов их использования. Умение разрабатывать комплексы научно-технических и организационных мероприятий, предусматривающих обеспечение единство измерений и испытаний. Умение формулировать требования к точности задания и поддержания испытательным оборудованием значений параметров испытательных режимов в установленных допусках. Организация осуществления контроля, измерений и испытаний в процессе проектирования и производства. Анализ и синтез результатов измерений, испытаний и контроля значений параметров продукции и услуг с целью усовершенствования процессов ее проектирования и производства. Разработки новых, более эффективных средств измерения, испытаний и контроля. 2. ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ОСВОЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ В результате изучения дисциплины студенты должны обладать следующими знаниями, умениями и навыками: знать принципы действия аналоговых и цифровых средств измерений; знать принципы построения информационно-измерительных и автоматизированных систем, используемых в процессах измерений, испытаний и контроля; знать цели и методику осуществления поверки (калибровки), а также аттестации испытательного оборудования; -3 знать принципы действия испытательного оборудования и применяемых в процессе испытаний преобразователей и специальных средств измерений; знать основы применения вычислительной техники в измерительных и испытательных устройствах и системах; уметь правильно использовать аналоговые и цифровые средства измерений при решении конкретных научных и производственных задач; уметь на основании технических требований разрабатывать программу и методики проведения испытаний; владеть методиками оценки и контроля качества в своей деятельности; владеть навыками работы со средствами измерений и испытательным оборудованием. 3. ОБЪЁМ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ Вид учебной работы Общая трудоемкость дисциплины Аудиторные занятия Лекции Практические занятия (ПЗ) Семинары (С) Лабораторные работы (ЛР) и (или) другие виды аудиторных занятий Самостоятельная работа Курсовой проект (работа) Расчетно-графические работы Реферат Вид итогового контроля (зачет, экзамен) Семестры Всего часов 5 108 68 34 34 - 6 108 68 51 17 - 40 зачет 40 экзамен 216 136 85 51 - 80 - 4. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ 4.1. Разделы дисциплины и виды занятий № п/п 1.1. 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 Раздел дисциплины Лекции Введение. Определение и классификация средств измерения электрических величин. Сигналы измерительной информации. Электромеханические измерительные приборы. Методы и средства измерений сопротивлений, индуктивностей, ёмкостей. Компенсаторы постоянного тока. Электронные приборы для измерения напряжения. Электронные приборы для измерения фазы и частоты. Электроннолучевые осциллографы. 2 2 4 4 4 2 4 4 4 ПЗ (или С) - ЛР - - - 8 - 8 8 8 -4Электронные приборы для измерения и анализа параметров спектра. Измерительные генераторы, электронные усилите1.11 ли и аттенюаторы. 1.12 Методы и средства исследования нанообъектов 1.13 Автоматизация измерений Общие сведения о современных испытаниях и их 2.1 отличие от технического контроля. Воздействующие факторы: внешние и внутренние; 2.2 внешние воздействующие факторы (ВВФ), виды испытаний. Опасные воздействия на человека, его имущество и 2.3 окружающую среду и виды испытаний Особенности испытаний на функционирование, на 2.4 безопасность и надежность. Структурные схемы испытаний Испытания на механические воздействия: вибрацию, 3.1- удары, линейные ускорения и акустические шумы. 3.4 Средства измерений и применяемое оборудование: классификация, основные параметры конструкции Испытания на климатические воздействия: повышен4.1- ную и пониженную температуру, повышенную влаж4.7 ность, пониженное атмосферное давление, воздействие солнечной радиации, морского тумана. Биологические воздействующие факторы. Испыта5 ния на грибоустойчивость 6.1- Классификация испытаний по основным признакам 6.3 видов 7.1Разработка программы и методик испытаний 7.2 8 Автоматизация испытаний 1.10 2 7 2 10 1 - 2 - - - 4 4 - 2 6 6 6 6 4 - 4 - 4 4 - 4.2. Содержание разделов дисциплины Раздел 1. Методы и средства измерений. 1.1. Введение. Общие термины и определения. Измерение электрических величин основа всех направлений человеческой деятельности. Понятие, цели и особенности измерений и контроля. Роль измерений, испытаний и контроля в повышении качества продукции, услуг и производства. Методы измерений и контроля. Понятие средства измерений. Погрешности при измерениях. Классы точности приборов. 1.2. Определение и классификация средств измерения электрических величин. Объекты измерения. Аналоговые и цифровые измерительные приборы. Основные характеристики средств измерения. Классификация СИ. Измерительные преобразователи. Классификация измерительных преобразователей: по назначению, по связи чувствительного элемента с изделием, по принципу преобразования, по физическому явлению, -5положенному в основу принципа действия. Измерительные цепи генераторных и параметрических преобразователей. 1.3. Сигналы измерительной информации. Виды сигналов. Кодирование измерительной информации. Модуляция сигналов. Аналого–цифровое преобразование сигналов. Параллельные АЦП, АЦП с двухтактным интегрированием, АЦП с последовательной аппроксимацией. Цифро-аналоговое преобразование сигналов. ЦАП с двоично – взвешенными сопротивлениями и ЦАП типа R – 2R. 1.4. Электромеханические измерительные приборы. Структурная схема, системы приборов и моменты, действующие в измерительном механизме. Уравнение шкалы. Чувствительность и вариация показаний прибора. Общие элементы, условные обозначения. Приборы магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической, ферродинамической, электростатической и индукционной систем. Гальванометры. Логометры. Конструкции измерительных механизмов, принцип действия. Измерительные цепи, расчет электрических параметров амперметров, вольтметров и ваттметров. Схемы компенсации температурной погрешности. Отсчётные устройства. 1.5. Методы и средства измерения сопротивлений, индуктивностей, емкостей. Прямые и косвенные методы. Мосты. Общая теория мостов постоянного тока. Одинарные и двойные мосты. Электрические схемы. Принцип действия. Мосты переменного тока. Общая теория мостов переменного тока. Измерение полных сопротивлений, ёмкости, индуктивности, взаимной индуктивности с помощью мостов переменного тока. Автоматические мосты. Электрические схемы. Принцип действия. 1.6. Компенсаторы постоянного тока. Компенсационный метод измерения электрических величин. Принцип измерения, электрические схемы потенциометров. Методы измерения напряжения, тока, сопротивления. 1.7. Электронные приборы для измерения напряжения. Параметры напряжения. Общие сведения, структурные схемы вольтметров и их функциональные части. Вольтметры постоянного тока. Вольтметры переменного тока. Преобразователи амплитудного, действующего и среднего значений переменного напряжения. Универсальные вольтметры. Импульсные и селективные вольтметры. Цифровые электронные вольтметры. Измерение напряжений различной формы электронными вольтметрами. Источники основной и дополнительной погрешности. 1.8. Электронные приборы для измерения фазы и частоты. Общие сведения, структурные схемы и принцип действия. Емкостные и резонансные частотомеры. Электронно-счётный частотомер. Основные характеристики и параметры частотомеров и фазометров. Особенности применения приборов для измерения частоты и сдвига фаз. 1.9. Электроннолучевые осциллографы. Общие сведения, структурные схемы и их функциональные части. Принцип получения осциллограммы. Специальные виды разверток - непрерывная, ждущая, круговая. -6Методы измерения частоты, фазы, временных интервалов, амплитуды напряжения, величины толков с помощью осциллографа. Определение параметров импульсных сигналов. Специальные электроннолучевые осциллографы (скоростные и стробоскопические). 1.10. Электронные приборы для измерения и анализа параметров спектра. Понятие амплитудного и фазового спектра сигнала. Анализаторы спектра, анализаторы гармоник, измерители нелинейных искажений. Общие сведения, структурные схемы и функциональные части. Основные характеристики и практическое применение. 1.11. Измерительные генераторы. Общие сведения, классификация. Основные типы. Структурная схема и принципы построения. Выходные устройства генераторов. Области применения. Электронные усилители и аттенюаторы. Требования к усилителям, коэффициент усиления. Обратные связи в усилителях. Аттенюаторы. Основные типы, принцип действия. Метрологические характеристики. 1.12. Методы и средства исследования нанообъектов. Основы нанометрологии. Основные термины и определения, разрешающая способность, погрешность и неопределенность. Классификация, параметры и свойства нанообъектов. Основы элементного и структурного анализа параметров и свойств нанообъектов. Метрологическое обеспечение наноизмерений. Проблемы, задачи развития и перспективы нанометрологии. 1.13 Автоматизация измерений. Раздел 2. Методы и средства испытаний. 2.1. Общие сведения о современных испытаниях. Отличие испытаний от технического контроля. Воздействующие факторы: внутренние и внешние. 2.2. Факторы, определяющие качество изделий на стадиях жизненного цикла изделий (исследований, проектирования, изготовления и эксплуатации). Внешние воздействующие факторы (ВВФ) - действие окружающей среды (климатические, биологические, радиационные, космические и другие факторы). Особенности эксплуатации, связанные с местом установки изделия и (или) условиям его транспортирования (механические ВВФ). Внутренние воздействующие факторы – процессы старения и изнашивания. Задачи испытаний на стадиях исследований, проектирования и изготовления. 2.3. Опасные воздействия на человека, имущество, окружающую среду. 2.4. Особенности испытаний на функционирование, на безопасность и надежность. Структурные схемы испытаний. Раздел 3. Испытания на механические воздействия. 3.1. Испытания на воздействие вибрации. Цель и условия проведения испытаний на воздействие вибрации. Определение резонансных частот испытуемых изделий и проверка их отсутствия, испытания на виброустойчивость и вибропрочность. -7Структурная схема установки для испытаний на воздействие вибрации. Классификация и основные параметры установок. Средства измерений параметров вибрации, их классификация и основные параметры. Рекомендации по применению средств испытаний. Методы испытаний. Аттестация вибрационных средств испытаний. 3.2. Испытания на воздействие ударов. Цель и условия проведения испытаний на воздействие одиночных и многократных ударов. Особенности испытаний на удароустойчивость и ударопрочность. Структурная схема ударной установки. Классификация установок одинарных и многократных ударов, их основные параметры. Средства измерений параметров удара, их классификация и основные параметры. 3.3. Испытания на воздействие линейных ускорений. Цель и условия проведения испытаний на воздействие линейных ускорений. Структурная схема установки линейного ускорения. Основные параметры центрифуг. Средства измерения линейных ускорений. Методы испытаний на линейные ускорения. 3.4. Испытания на воздействие акустических шумов. Цель и условия проведения испытаний на воздействие акустических шумов. Структурная схема испытательного оборудования и его основные параметры. Источники акустического шума. Средства измерения акустического шума. Раздел 4. Испытания на климатические воздействия. 4.1. Климатические воздействующие факторы: радиационный режим, циркуляция атмосферы, влагооборот, физико-географические условия Земли. Основные параметры, характеризующие климат: атмосферное давление, температура, влажность, интенсивность дождя, диапазон электромагнитных волн, излучаемых Солнцем, скорость ветра и т.д. Виды испытаний на климатические воздействия. 4.2. Классификация климатических мер и их основные параметры. Основные физические закономерности, лежащие в основе регулирования значений параметров климатических камер. Структурная схема автоматического регулирования температуры и влажности в камерах. Общие сведения об аттестации климатических камер. 4.3. Испытания на воздействие повышенной температуры. Цель и условия проведения испытаний на воздействия повышенной температуры. Способы нагрева камер. Классификация средств измерения температуры воздуха в камерах и их основные свойства. Методы испытаний. Методы и средства аттестации камер повышенной температуры. 4.4. Испытания на воздействие пониженной температуры. Цель и условия проведения испытаний на воздействие пониженной температуры. Основные параметры камер для испытаний на воздействие температуры. Способы охлаждения. Особенности средств измерения пониженной температуры воздуха в камерах. Методы испытаний. -84.5. Испытания на воздействие повышенной влажности. Цель и условия проведения испытаний на воздействие повышенной влажности. Классификация и основные параметры камер. Способы получения повышенной влажности. Средства измерений повышенной влажности. Сорбционные и термодинамические средства измерений. Методы испытания: длительные, ускоренные и кратковременные испытания. 4.6. Испытания на воздействие повышенного и пониженного атмосферного давления. Цель и условия проведения испытаний на воздействие пониженного и повышенного атмосферного давления. Барокамеры. Термобарокамеры. Основные параметры испытательных режимов. Взаимосвязь параметров давления и температуры. Средства измерений. Методы испытаний. 4.7. Испытания на воздействие солнечной радиации. Спектр солнечного излучения и его воспроизведение. Средства измерений. Комбинированные испытания. Испытания на воздействия морского соляного тумана. Особенности камер и получения тумана. Параметры. Средства измерений. Раздел 5. Биологические воздействующие факторы. Воздействие плесневых грибов, микроорганизмов, насекомых и грызунов. Условия интенсификации биологических воздействий. Испытания на грибоустойчивость. Раздел 6. Классификация испытаний по основным признакам видов. 6.1. Классификация испытаний, проводимых на стадиях исследований, проектирования и изготовления: по назначению (цели), по условиям (месту) проведения, по продолжительности и величинам воздействующих нагрузок, по принципу осуществления, по степени (результатам) воздействия, по виду воздействия, по виду воздействия, по определяемым характеристикам объекта, по стадиям жизненного цикла изделий. 6.2. Ускоренные испытания. Цель ускоренных испытаний и их особенности. Математическая модель ускоренных испытаний. Испытания методами математического моделирования. 6.3. Способы проведения испытаний: последовательный, параллельный, последовательно-параллельный и комбинированный. Раздел 7. Разработка программы и методик испытаний. 7.1. Программа испытаний. Разработка программы испытаний: выбор объекта испытаний, определение назначения (цели) испытаний в зависимости от стадий жизненного цикла изделия, выбор принципов осуществления испытаний и состава видов испытаний в зависимости от условий эксплуатации, обоснование выборов испытательных режимов по всем видам испытаний, определение продолжительности проведения испытаний в зависимости от величин воздействующих нагрузок, определение допустимых пределов измерения электрических режимов и продолжительности проведения испытаний, определение общей продолжительности испытаний и количества испытываемых изделий, установление периодичности испытаний. Выбор ти- -9пов испытательного оборудования и средств измерения параметров испытательных режимов, характеристика приспособлений, используемых для установки испытываемых изделий, метрологическое обеспечение всего процесса испытаний, требования по технике безопасности и производственной санитарии. 7.2. Методика испытаний. Разработка методик проведения испытаний. Метрологическое обеспечение испытаний. Раздел 8. Автоматизация испытаний. 5. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ № раздела № дисциплиНаименование лабораторных работ п/п ны 1. 1.4 Исследование приборов магнитоэлектрической системы. 2. 1.5 Мостовые методы измерений 3. 1.9 Исследование электроннолучевого осциллографа 4. 1.5 Автоматический мост Исследование сигналов с помощью виртуального спек5. 1.10 троанализатора Исследование основных принципов защиты электронных 6. 3.1 средств от вибрационных воздействий Исследование стационарных тепловых режимов кон7. 4.3. струкций блоков на микросхемах и дискретных электрорадиоэлементах Исследование влияния конструкций теплоотводов на 8. 4.3. тепловой режим полупроводниковых приборов 6. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ 6.1. Рекомендуемая литература а) Основная литература: 1. Карцев Е.А. Физические основы преобразования неэлектрических величин в электрические. – М.: РИО МИЭМ, 2005. 2. К.К. Ким, Г.Н. Анисимов. Метрология, стандартизация, сертификация и электроизмерительная техника – Спб.: Питер 2006, 368 с. 3. Артемьев Б.Г. Метрология и метрологическое обеспечение – М.: Стандартинформ, 2010 – 568 с. 4. Г.А. Садовский. Теоретические основы информационно-измерительной техники: Учебное пособие- М.: Высшая школа 2008, 478 с. 5. В.В. Макаров. Метрология и электрические измерения: учебное пособие в 2 ч. – М.: МИЭМ, 2001. 6. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин, – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 318 с. б) Дополнительная литература: 1. А.А. Афонский, В.П. Дьяконов. Измерительные приборы и массовые электронные измерения М.: СОЛОН-Пресс, 2007. - 10 В. Б. Топильский. Схемотехника измерительных устройств М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. 3. Ю.П. Пытьев (изд.2-е перераб.). Методы математического моделирования измерительно-вычислительных систем. Монография М: Физматлит, 2004. 4. С.И.Боридько и др. Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах. Учебное пособие для студентов вузов М.: Горячая линия - Телеком, 2007. 5. В.Н. Строителев. Методы и средства измерений, испытаний и контроля. – М.: Европейский центр по качеству, 2002.– 152 с. 6. Шалумов А.С. Методы и средства испытаний аппаратуры на механические воздействия: Учеб. пособие. - М: изд. МИЭМ, 2009. - 81с. 7. Малинский В.Д. Испытания продукции на безопасность. – М.: Стандартинформ, 2008. – 328 с. 8. В.К. Фёдоров, Н.П. Сергеев, А.А. Кондрашин Контроль и испытания в проектировании и производстве радиоэлектронных средств. – М.: Техносфера, 2005. – 504 с. б) Методические указания к лабораторным работам: 1. Исследование приборов магнитоэлектрической системы: МУ к ЛР по курсу «Методы и средства измерений, испытаний и контроля»/ МИЭМ. Сост. А.И. Юрин, М. 2009 -12 с. 2. Мостовые методы измерений: МУ к ЛР по курсу «Методы и средства измерений, испытаний и контроля»/ МИЭМ. Сост. А.И. Юрин, А.В. Клименков, Г.Ю. Злодеев. М, 2011 -18 с. 3. Исследование электроннолучевого осциллографа: МУ к ЛР по курсу «Методы и средства измерений, испытаний и контроля»/ МИЭМ. Сост. А.И. Юрин, С.В. Юшин, М. 2011 -12 с. 4. Автоматический мост: МУ к ЛР по курсу «Методы и средства измерений, испытаний и контроля»/ МИЭМ. Сост. А.И. Юрин, М. 2009 -10 с. 5. Исследование сигналов с помощью виртуального спектроанализатора: МУ к ЛР по курсу «Методы и средства измерений, испытаний и контроля»/ МИЭМ. Сост. А.И. Юрин, О.В. Нестеров. М. 2007 -12 с. 6. Исследование эффективности средств виброизоляции и охлаждения узлов РЭС. Методические указания к лабораторно-конструкторскому практикуму. МИЭМ, Сост. Н.Н. Грачев, Д.В. Лазарев, М., 2007 – 179 с. 6.2. Средства обеспечения освоения дисциплины Лабораторные работы по дисциплине «Методы и средства измерений, испытаний и контроля» проводятся на основе комплектов методических указаний в двух лабораториях кафедры: – по измерениям - на специализированных стендах с использованием аналоговых, цифровых и автоматических приборов; – по испытаниям - на специализированном оборудовании с использованием средств испытаний и ЭВМ. 2. - 11 7. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ Приборы, используемые в лаборатории средств измерений: автоматический мост КСМ-4, автоматический потенциометр КСП, цифровой вольтметр В7-16, анализатор спектра С4-8, электронно-лучевой осциллограф С1-68, ЦУИП, вольтметры В3-41, В7-26, источники питания, измеритель нелинейных искажений С6-7, специализированные стенды. В лаборатории испытаний используются: камеры тепла КТХ-0,05, компенсационный следящий мост КСМ-4, вибрационная установка 12 МВЭ 2/50-010, система управления вибрационной установкой (СУВУ-3), пьезоэлектрические вибропреобразователи (Д-14, ИС-313 А-1), вибрационная установка, генератор сигналов низкочастотный управляющий, бесконтактный электретный вибропреобразователь (БЭВ), электродинамический вибростенд, измеритель нелинейных искажений С6-11, ЭВМ. 8. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОРГАНИЗАЦИИ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ 1. Изложение материала по дисциплине должно опираться на ранее изученные дисциплины: «Линейная алгебра и аналитическая геометрия», «Математический анализ», «Физика», «Электротехника», «Радиоэлектроника», «Основы метрологии». 2. Закрепление материала, изучаемого в дисциплине, должно проводиться при выполнении лабораторных работ. Лабораторные работы предполагают изучение конструкции и принципа действия средств измерений и испытательного оборудования, а также получение навыков работы на нём. 3. В часы самостоятельной работы студентов под руководством преподавателя изучаются отдельные теоретические вопросы, которые не излагались на лекциях. Предполагается подготовка обзоров по темам, рекомендуемым преподавателем, изучение материалов лекций и подготовка ответов на контрольные вопросы, выполнение заданий с соответствующим оформлением, подготовка к выполнению лабораторных работ. 4. Самостоятельная работа предусматривает также: – Изучение тем дисциплины по указанной литературе и составление конспекта. – Обоснование выбора средств и методов измерений значений параметров режимов испытательного оборудования при его аттестации. – Разработка программы испытания изделия. – Разработка методики проведения испытаний изделия на определенный вид внешнего воздействующего фактора. – Подготовка доклада по заданной теме. – Подготовка реферата по заданной теме. – Составление обзора по заданной тематике по каталогам фирмпроизводителей измерительного и испытательного оборудования. - 12 Автор программы: __________________ /Юрин А.И./