К ВОПРОСУ О КЛАССИФИКАЦИИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

АННОТАЦИЯ

Обосновывается необходимость применения технологического подхода к организации измерений при реализации производственных процессов. Раскрываются причины возникновения такого подхода, связанные с общемировыми тенденциями появления высоких технологий. Представлена классификация измерительных технологий по области прикладных технических наук. В качестве примера измерительных технологий в области электроники приведены такие оптико-электронные и радиоэлектронные измерительные технологии, как «Компьютерное зрение», «Лидар», «Лазерное сканирование», «Спутниковая навигация» и «Позиционирование». Применение технологического подхода позволяет объединять измерительные устройства и методы измерений, используемые в технологических процессах, что необходимо для качественного обслуживания соответствующей области науки и техники.

ABSTRACT

The necessity of applying a technological approach to the organization of measurements in the implementation of production processes is substantiated. The reasons for the emergence of such an approach related to the global trends in the emergence of high technologies are revealed. The classification of measuring technologies in the field of applied technical sciences is presented. As an example of measuring technologies in the field of electronics, such optoelectronic and radioelectronic measuring technologies as "Computer vision", "Lidar", "Laser scanning", "Satellite navigation" and "Positioning" are given. The application of the technological approach makes it possible to combine measuring devices and measurement methods used in technological processes, which is necessary for high-quality service of the relevant field of science and technology.

Ключевые слова: измерительная технология, классификация измерительных технологий, радиоэлектронные технологии измерений, оптико-электронные технологии измерений, компьютерное зрение, лидар, лазерное сканирование, спутниковая навигация, позиционирование.

Keywords: measurement technology, classification of measurement technologies, radio-electronic measurement technologies, optoelectronic measurement technologies, computer vision, lidar, laser scanning, satellite navigation, positioning.

В последнее время наблюдается значительное расширение номенклатуры средств измерений, что ведет к увеличению количества методик измерений. Развитие измерительной техники идет по пути ее высокой специализации и является причиной появления рынка специализированной техники, который меняется очень динамично. В связи с этим для организации процесса измерений в производстве возникают потребности, связанные с описанием специализированной измерительной техники и методов, представленных на современном мировом рынке измерений, оценкой динамики развития средств измерений, выработкой конкретных подходов к организации измерений и интерпретации полученных результатов. Удовлетворение этих потребностей без технологического подхода не представляется возможным.  Таким образом, становится уместным говорить об измерительной технологии, которая позволяет объединять измерительные устройства и методы измерений, используемые в технологических процессах, что необходимо для качественного обслуживания соответствующей области науки и техники [1].

Выделяют следующие области технических наук (рис. 1), которые носят преимущественно прикладной характер и для которых создаются измерительные технологии: строительство и архитектура; электроника, фотоника, приборостроение и связь; энергетика и электротехника; информационные технологии и телекоммуникации; химические технологии, науки о материалах, металлургия; недропользование и горные науки; машиностроение; транспортные системы; биотехнологии [2, 3]. Отдельно следует выделить информационные технологии измерений, которые направлены на обеспечение информационного взаимодействия измерительной техники с объектом измерений. Благодаря применяемым методам получения, обработки, представления и передачи количественной информации о значениях измеряемых величин обеспечивается требуемая достоверность и сохранность этой информации.

Рисунок 1. Классификация измерительных технологий по области технических наук

Очевидно, что современные сложные измерительные информационные технологии могут быть представлены не разрозненными средствами измерений, а интеллектуальными многоканальными измерительными информационными системами, которые обеспечивают комплексные измерения различных величин или параметров и совместную математическую обработку полученных результатов, учитывающую или определяющую их взаимозависимость [4].

Измерительная технология представляет собой совокупность трех взаимосвязанных основных компонентов: научного, формально-описательного и процессуально-действенного [5]. Формально-описательный аспект технологии выражается в логике и четкости действий, зафиксированных в различных документах (проект, программа, методика, инструкция, руководство, технологическая карта) и оснащении средствами для измерений физических величин. Измерение физических величин осуществляется с помощью специально предназначенных для этого технических средств, имеющих нормированные метрологические характеристики, воспроизводящие и (или) хранящие единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.

В свою очередь все средства измерений, подразделяются на типы в зависимости от области измеряемой физической величины, принципа действия и конструкции [ГОСТ Р 8.674-2009]. Средства измерений применяются для измерений следующих физических величин: геометрических, механических, физико-химического состава и свойств веществ, оптико-физических свойств веществ, теплотехнических, электрических, времени и частоты, биологических и биомедицинских. [6]

Технологии измерений в области электроники определяют подходы к организации измерений с помощью различных электронных устройств, к которым также относятся оптико-электронные и радиоэлектронные приборы. Принцип действия этих устройств основан на электрических методах обработки, хранения и передачи информации [7]. Выбор типа электронного устройства в значительной степени определяет и выбор метода измерений, который является наиболее подходящим для данного устройства.

Радиоэлектронные устройства применяются для связи, навигации, локации и видения в темноте с помощью инфракрасных (тепловых) лучей, для контроля изделий (ультразвуковая дефектоскопия), пайки, стирки, а также во многих других случаях [8]. Оптико-электронные приборы позволяют получать сведения о размерах, форме, положении и энергетическом состоянии тела, содержащиеся в потоке излучения, извлекаются путем его специальной обработки и преобразования в электрический сигнал, который также обрабатывается с целью выделения из шумов и последующей регистрации [9].

С физической точки зрения между световыми и другими электромагнитными волна­ми, например радиоволнами, не существует отличий, за исключением того, что световые волны имеют значительно более высокую частоту. Спектр электро­магнитных волн простирается от нескольких тысяч километров до космических лучей с длинами волн в триллионную часть метра [10].  Использование того или иного диапазона частот спектра для передачи инфор­мации определяется параметрами среды распространения электромагнит­ных волн, в частности, показателем затухания и стабильностью постоянного распространения.

В качестве примера радиоэлектронных измерительных технологий можно привести технологии спутниковой навигации и позиционирования, которые служат для установления координат объектов на поверхности Земли, в атмосфере или в околоземном космическом пространстве. В системах спутниковой навигации и позициониро­вания (ГЛОНАСС, GPS, Galileo, BeiDou и др.) используются радиопередающие станции, расположенные на искусственных навигационных спутниках земли, и специализированные приёмники пользователей, чувствительные к радиосигналам спутников данных систем [11]. В состав спутниковой системы позиционирования также входит сеть наземных станций контроля и управления, осуществляющих слежение за спутниками и транслирующих корректировочные радиосигналы.

Все технологии позиционирования делятся на две категории: глобальная и локальная. Глобальная технология основана на использовании спутниковых данных. В основе этой технологии лежит метод линейной засечки [12], позволяющий вычислять координаты спутниковых антенн приемника по известным координатам спутников и передаваемым ими дальномерным кодам. Также получили развитие технологии локального позиционирования: ИК, ультразвуковая, сверхширокополосная, радиочастотная, Bluetooth, Wi-Fi, компьютерное зрение. Эти технологии отличаются друг от друга физическими принципами действия, дальностью, точностью, энергопотреблением и стоимостью [13].

Наиболее широкое распространение получили такие оптико-электронные измерительные технологии, как «Компьютерное зрение», «Лидар» и «Лазерное сканирование». Оптико-электронные измерительные технологии описывают применение оптико-электронных приборов с помощью оптических методов измерений. Среди множества известных оптических методов измерений лучше всего освоены импульсный и фазовый методы. Импульсный метод применяется в технологии «Лидар» для измерения больших расстоя­ний (до нескольких десятков километров). Технология лазерного сканирования позволяет создавать трехмерные изображения различных объектов. При этом используется зондирующий сигнал светодальномера. Технология компьютерного зрения основывается на обобщении информации, полученной из множества изображений и распознавании объектов на основе полученной информации [14].

Процесс совершенствования измерительных технологий тесно связан с общемировой тенденцией появления высоких технологий в промышленном производстве. Причиной их появления обычно является лучшая экономическая конкурентоспособность новых технических решений по сравнению со старыми. Основными тенденциями развития средств измерений являются: миниатюризация, экономичность и, как следствие, усложнение. В условиях рыночных отношений экономический фактор в конечном итоге является решающим. Также можно выделить тенденцию к комплексному подходу в решении задач организации измерений. Исходя из этого, технологический подход к описанию измерений при реализации производственных процессов является достаточно обоснованным.

Список литературы:

1. Бакланов И.Г. Методы измерений в системах связи. – М.: ЭКО-ТРЕНД, 1999, 196 с.
2. Приказ Минобрнауки России от 24.02.2021 № 118 "Об утверждении номенклатуры научных специальностей, по которым присуждаются ученые степени, и внесении изменения в Положение о совете по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук, утвержденное приказом Министерства образования и науки Российской Федерации от 10 ноября 2017 г. № 1093".
3. Основные виды наук, классификация наук, научные дисциплины URL:infoselection.ru/infokatalog/obuchenie-i-znaniya/znaniya-i-nauka-2/item/926-spisok-nauk.
4. Солопченко Г.Н. Измерительные информационные системы: учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки магистров "Системный анализ и управление". Министерство образования и науки Российской Федерации, Санкт-Петербургский политехнический университет. – Санкт-Петербург: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого", 2010. – 200 с.
5. Селевко Г.К. Энциклопедия образовательных технологий. В 2-х т. Т. 1. – М.: Народное образование, 2005. 556 c.
6. Бахтин А.В., Ремизова И.В. Технологические измерения, приборы и информационно-измерительные системы: учебное пособие / ВШТЭ СПбГУПТД. – СПб., 2020. – 67 с.
7. Kaplan, Steven M. Wiley Electrical and Electronics Engineering Dictionary. — Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2004. – P. 234. 
8. Жеребцов И.П. Радиотехника. – 5-е изд., перераб. и доп. – М.: Связь, 1965. – 656 с.
9. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов: Учебное пособие. 3-е изд., испр. и доп. – СПб.: Издательство «Лань», 2010. – 704 с.
10. Носов Ю. Р. Оптоэлектроника. – М.: Радио и связь, 1989. – 360 с.
11. Куприянов А.О. Глобальные навигационные спутниковые системы: Учебное пособие. – М.: МИИГАиК, 2017. – 76 с.
12. Аккерман С.Г., Жидов В.М. Работа со спутниковой аппаратурой позиционирования на примере Trimble 5700: методические рекомендации. – Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2015. – 40 с.  
13. Hasan H., Hussein M., Mad saad Sh., Mat D., Mohd A. An Overview of Local Positioning System: Technologies, Techniques and Applications // International Journal of Engineering and Technology(UAE). – Vol. 7. – P. 1-5. doi:10.14419/ijet.v7i3.
14. Мошкин В.И., Петров А.А., Титов В.С., Якушенков Ю.Г. Техническое зрение роботов; Под общ. ред. Ю. Г. Якушенкова. – М.: Машиностроение, 1990. – 265 с.