Предисловие. 
Основы проектирования приборов и систем

Дисциплина «Основы проектирования приборов и систем» (ОПИПС) входит в базовую часть основной образовательной программы академического бакалавриата, но направлению подготовки «Приборостроение». Эта дисциплина объединяет наиболее важные разделы теории, закладывает основы расчета и систематизирует содержание основных этапов проектирования приборов и систем. В области общепрофессионального образования она выполняет ту же роль, что и дисциплины «Математика» и «Физика» в естественнонаучном образовании.

Цель дисциплины — вызвать интерес к будущей профессии, дать развернутое представление о проектировании приборов и систем, привить студентам навыки решения типовых расчетно-проектировочных задач, сформировать стремление самостоятельно применять полученные знания и объективно оценивать достигнутые результаты.

К моменту изучения дисциплины ОПИПС студенты должны иметь общее представление о методах и средствах измерений, знать физический принцип действия основных измерительных преобразователей, виды погрешностей средств измерений, принципы конструирования приборов, а также владеть приемами автоматизации расчетно-графических работ. Соответствующие компетенции формируются на стадии изучения предшествующих дисциплин учебного плана: «Физические основы получения информации», «Метрология, стандартизация и спецификация», «Инженерная графика», «Детали и основы конструирования приборов», «Автоматизация инженерных расчетов» и др.

Спецификой современной подготовки выпускников технических вузов является повышение требования к их компетентности, т. е. способности применять знания и личные качества в соответствии с задачами профессиональной деятельности. Этому требованию подчинены структура и содержание учебника.

Книга содержит 11 глав, практикум и приложения.

В главе 1 даны общие сведения о проектировании приборов и систем. Проанализировано место проектирования в жизненном цикле прибора, рассмотрены основные виды и алгоритмы проектно-конструкторских работ, дано представление о современной методологии и особенностях задач проектирования средств измерений.

В главе 2 рассмотрены принципы построения приборов и систем. Основное внимание уделено измерительным преобразователям и схемам их включения, обеспечивающим получение первичного измерительного сигнала, так как они оказывают наиболее существенное влияние на качество приборов и систем.

В главе 3 описана разработка математической модели прибора как объекта проектирования. Показано существенное влияние достоверности математической модели создаваемого средства измерений на результаты проектирования.

Глава 4 посвящена решению типовых задач анализа статических характеристик измерительного устройства (ИУ): расчету статической характеристики и чувствительности ИУ, погрешности от нелинейности статической характеристики, определению градуировочной статической характеристики ИУ и др.

В главе 5 рассмотрены динамические характеристики измерительных устройств. Приведены сведения о полных и частных динамических характеристиках средств измерений и способах их расчета.

Глава 6 посвящена решению типовых задач синтеза приборов и систем. Наряду с общей методологией синтеза даны конкретные методики и примеры расчета, обеспечивающие получение желаемых характеристик приборов.

В главе 7 рассмотрены модели измерительных сигналов, их виды и типы, изложены сведения об энергетических, спектральных, корреляционных, статистических и информационных характеристиках сигналов.

Тема главы 8 — задачи преобразования измерительных сигналов. Рассмотрены основные виды преобразований сигналов; описаны методики и примеры расчета реакции прибора на детерминированный и случайный сигналы, изучены специфические преобразования сигналов, способствующие повышению точности измерений.

В главе 9 изложена методика расчета суммарной погрешности измерений на стадии проектирования прибора. Основное внимание уделяется современным алгоритмическим методам, позволяющим за счет введения дополнительных измерительных каналов и обработки сигналов добиться повышения точности измерений.

В главе 10 рассмотрены эксплуатационные характеристики приборов, дано представление о методах оценки надежности прибора на стадии проектирования.

В главе 11 приведена нормативная база процесса проектирования приборов и систем. Раскрыто содержание стандартных этапов проектирования, изложены требования к проектной документации, дан перечень стандартов, регламентирующих ход и результаты процесса проектирования.

Практикум включает примеры решения типовых задач, задачи для самостоятельного решения, задачи повышенной сложности, описание лабораторных работ и методические указания по курсовому проектированию. Многие примеры содержат вставки из программы Mathcad, они выделены рамкой.

В приложениях даны необходимые справочные данные.

Учебник имеет следующую нумерацию таблиц, рисунков и формул: в основной части — согласно главам (1.1, 1.2 и т. д.), в практикуме — с добавлением буквы «П» (П1.1, П1.2 и т. д.), в приложениях — сквозную (1,2 и т. д.).

В результате изучения данного учебника студент должен:

знать

• • основные тенденции и направления развития изделий приборостроения;
• • классификацию приборов и систем;
• • типовые структуры измерительных приборов и систем;
• • основные характеристики и закономерности преобразования сигналов;
• • способы расчета статических, динамических, метрологических и эксплуатационных характеристик приборов и систем;
• • общие вопросы организации и структуру процесса проектирования приборов и систем;
• • состав и назначение нормативно-технической документации, регламентирующей результаты стандартных этапов проектирования приборов и систем;

уметь

• • самостоятельно составлять функциональные схемы приборов и систем;
• • переходить от принципиальной схемы прибора к его структурноматематической модели;
• • самостоятельно пользоваться ПЭВМ для решения типовых задач моделирования и исследования характеристик приборов и систем с учетом особенностей измерительного сигнала и условий эксплуатации;
• • самостоятельно формулировать типовые задачи анализа, синтеза и оптимизации приборов и систем, выбирать эффективные методы и средства для их решения;

владеть

• • методами разработки математической модели объекта проектирования;
• • современными технологиями решения типовых расчетно-проектировочных задач на стадии функционального проектирования приборов и систем;
• • методикой выбора оптимального проектно-конструкторского решения;
• • навыками работы с учебной, научной и нормативной литературой в области проектирования средств измерений.

Учебник создан в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом и Примерной основной образовательной программой по направлению подготовки «Приборостроение» и может использоваться при подготовке выпускников образовательных учреждений, но приборостроительным специальностям, в том числе бакалавров, специалистов, магистров и аспирантов.

Подбор и изложение материала базируются на многолетнем опыте автора, приобретенном в результате создания и ведения приборостроительных курсов на кафедре «Приборы и информационно-измерительные системы» Московского государственного университета приборостроения и информатики (МГУПИ).

Автор выражает глубокую благодарность и признательность президенту Международного научно-технического общества приборостроителей и метрологов, доктору технических наук, профессору Г. И. Кавалерову, проректору Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики», профессору А. А. Шехонину, доктору технических наук, профессору Московского государственного технического университета им. Ы. Э. Баумана Н. Г. Назарову и кандидату технических наук, доценту Московского государственного университета приборостроения и информатики (МГУПИ) Л. С. Гноенскому за неизменную поддержку и ценные советы при подготовке рукописи к изданию.