Физические основы информатики быстропротекающих процессов

ФГУП «Российский федеральный ядерный центр –  
Всероссийский научно-исследовательский институт  
экспериментальной физики» 
 
 
 
 
 
 
 
В. А. Огородников 
 
 
 
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНФОРМАТИКИ 
БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИХ ПРОЦЕССОВ 
 
Учебное издание 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Саров 
2010 

 
     ББК 
22.3 
 
О-39 
     УДК 53 
 
 
 
Рецензенты: доктор физ.-мат. наук О. Б. Дреннов,  
доктор техн. наук В. А. Пушков 
 
 
Огородников В. А. 
 
     О-39 
Физические основы информатики быстропротекающих 
процессов: Учебное издание. – Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 
2010. – 222 с.: ил. 

ISBN 978-5-9515-0135-6 
 
 
В книге изложены физические основы теории информации, метрологии, теории и техники измерений, построения 
информационных систем. Особое внимание уделено вопросам 
получения информации о кинематических и термодинамических параметрах быстропротекающих процессов. 
Учебное издание рассчитано на студентов, аспирантов и 
научных работников, занимающихся проблемами получения 
информации о быстропротекающих процессах в условиях интенсивных ударно-волновых воздействий на вещество. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
     ISBN 978-5-9515-0135-6 
         © ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2010 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
Основные обозначения и сокращения ………………………….. 
6
Введение ………………………………………………………….. 
8

Глава 1. Информационные и измерительные системы ………… 11
1.1. Измерение как основа получения информации  
для построения объективной картины мира ……………. 
11
1.2. Пассивная и активная формы информации,  
роль возбудителя и эталона ………………………………. 
17
1.3. Единицы, система единиц и эталоны ……………….. 
19
1.4. Структура информационной (измерительной)  
системы ……………………………………………………. 
32
1.4.1. Измерительный преобразователь ……………… 
37
1.4.2. Обработка информации ………………………… 43
1.4.3. Устройства индикации …………………………. 
44
1.4.4. Регистрация и хранение информации …………. 44
1.4.5. Управление и обратная связь …………………... 46
1.5. Методы акустических измерений как пример  
построения информационной (измерительной)  
системы ……………………………………………….……. 
47
1.6. Планирование и организация измерений …………… 
53
Список рекомендуемой литературы …………………………….. 
57

Глава 2. Метрология физических измерений …………………… 58
2.1. Общие сведения о метрологии, основные  
определения и термины …………………………..……….. 
58
2.2. Измерение физических величин ……………………... 
59
2.3. Средства измерительной техники …………………… 
62
2.4. Классификация измерений по принципу  
и физическому эффекту преобразования ………………… 70
2.5. Принципы, методы и методики измерений ………… 
71
2.6. Результаты измерения физических величин ………... 
73
2.7. Теория ошибок ………………………………………... 
75
2.7.1. Погрешности измерений ………………………... 
75

Содержание  
4 

2.7.2. Нормальный закон распределения вероятности ... 84
2.7.3. Закон равномерного распределения  
вероятности …………………………………………….. 
89
2.7.4. Доверительная вероятность и доверительный  
интервал ………………………………………………… 
92
2.7.5. Случайные погрешности косвенных измерений ... 95
2.7.6. Метод наименьших квадратов ………………….. 
99
2.8. Методы квантовой метрологии ……………………… 102
Список рекомендуемой литературы ……………………………. 105

Глава 3. Электрическая и оптическая формы получения,  
трансляции и обработки информации ………………………….. 
 
106
3.1. Методы измерения малых напряжений, токов  
и зарядов .……………………………………………………. 106
3.1.1. Магнитоэлектрические приборы ………………. 108
3.1.2. Электростатические приборы …………………. 110
3.2. Методы измерения высоких напряжений  
и больших токов ………...…………………………………. 112
3.2.1. Шунты …………………………………………... 113
3.2.2. Добавочные сопротивления …………………… 115
3.2.3. Делители напряжения ………………………….. 116
3.2.4. Метод масштабного преобразования …………. 117
3.3. Электрофизические методы …..................................... 119
3.3.1. Газоразрядный метод ………………………….. 120
3.3.2. Метод ускорения заряженных частиц ………... 122
3.3.3. Метод резонансных ядерных реакций ………... 123
3.4. Развитие электрических измерений и становление  
оптоэлектроники …………………………………………... 123
3.4.1. Свет и его основные свойства ………………… 126
3.4.2. Эффекты, использующие модуляцию  
параметров света ……………………………………... 128
3.4.3. Основные элементы схем оптических  
измерений …………………………………………….. 132
3.4.4. Применение (виды) волоконно-оптических  
датчиков ………………………………………………. 140
Список рекомендуемой литературы …………………………….. 150

Содержание 
5 

Глава 4. Физические величины, характеризующие параметры 
динамических процессов, и методы их измерения …………….. 
 
151
4.1. Особенности получения информации при исследова- 
нии быстропротекающих процессов ……………………... 151
4.2. Измерение кинематических величин ………………... 153
4.2.1. Измерение деформации …………………………. 153
4.2.2. Измерение перемещений ………………………... 159
4.2.3. Измерение скорости …………………………….. 168
4.2.4. Измерение ускорения …………………………… 174
4.3. Измерение термодинамических величин …………… 178
4.3.1. Измерение давления …………………………….. 178
4.3.2. Измерение температуры ………………………… 188
4.3.3. Измерение ионизирующих излучений …………. 199
Список рекомендуемой литературы …………………………….. 207

Глава 5. О контроле качества продукции ……………...………... 208
5.1. Контроль геометрических размеров ………………… 208
5.2. Методы определения плотности …………………….. 215
5.3. Методы определения разноплотности детали …….… 218
5.4. Методы контроля дефектности внутренней  
структуры ……………………………….………………….. 220
Список рекомендуемой литературы …………………………….. 221
 

Основные обозначения и сокращения 
 
x, y, z – пространственные координаты 
t 
– время 
u 
– перемещение 
ε 
– деформация 
V 
– скорость 
а 
– ускорение 
m 
– масса 
v 
– объем 
ρ 
– плотность 
μ 
– коэффициент Пуассона 
с 
– скорость звука 
θ 
– теплота 
T 
– температура 
,
p
v
c
c  – теплоемкость при постоянном давлении и объеме 
р 
– давление 
F 
– сила 
M 
– момент сил 
α 
– угол 
W 
– энергия 
N 
– мощность теплового потока 
Δ 
– толщина 
r 
– радиус 
d 
– диаметр 
l 
– длина 
S 
– площадь 
U 
– напряжение 
I 
– ток 
R 
– сопротивление 
С 
– емкость 
Е 
– напряженность электрического поля 
Н 
– напряженность магнитного поля 

Основные обозначения и сокращения 
7 

Q 
– электрический заряд 
Φ 
– магнитный поток 
B 
– магнитная индукция 
ν 
– частота 
ψ 
– фаза световой волны 
λ 
– длина волны 
n 
– показатель преломления 
е 
– заряд электрона 
L 
– длина свободного пробега электрона 
k 
– постоянная Больцмана 
h 
– постоянная Планка 
СИ 
– международная система единиц 
ТТШ – термодинамическая температурная шкала 
МПТШ – международная практическая температурная шкала 
ФЭУ – фотоэлектронный умножитель 
ВОЛС – волоконно-оптическая линия связи 
АЦП – аналого-цифровой преобразователь 
ПК 
– персональный компьютер 
КД 
– конструкторская документация 
ЭДС – электродвижущая сила 
СФР – скоростной фоторегистратор 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Динамика развития современного общества свидетельствует 
о том, что информационные процессы играют важную роль в различных сферах деятельности человека, особенно в науке и технике. 
Среди этих процессов хотелось бы выделить измерение физических величин, которое является основой научных экспериментов, 
комплексных испытаний, тестирования и даже повышения качества 
продукции. Огромные потоки информации, регистрируемые в этих 
измерениях немыслимы без создания и использования новейших 
видов преобразователей, действие подавляющего большинства которых основано на электрических и оптических явлениях. В процессе получения информации о событии очень важно хорошо 
представлять суть физических явлений и эффектов, которые лежат 
в его основе, принципы работы и построения первичных преобразователей или датчиков информации. Наряду с этим необходимо 
уметь правильно представлять результаты измерений и давать реалистические оценки их погрешностей, иметь навыки обработки и 
хранения информации. Особенно это относится к получению информации о динамических быстропротекающих процессах, характерных для работы современной техники в горнодобывающей, военной и космической отраслях. Это детонация взрывчатых веществ, соударение объекта с преградой, динамическое разрушение 
материалов и конструкций. Поскольку информацию о таких интенсивных процессах необходимо получать за времена микро- и миллисекундной длительности, то преобразователи и методы регистрации должны отвечать очень высоким требованиям. Требования базируются на таких принципах, как дублирование методик во всем диапазоне измерений, что исключает возможность потери информации, 
и использование методик, построенных на различных физических 
явлениях или эффектах, что позволяет повысить информативность, 
надежность и точность измерений при получении информации. 
Целью настоящего учебного издания является знакомство 
с основными фундаментальными вопросами теории и практики 

Введение  
9 

информатики как науки о получении, трансляции и обработке информации, построении и функционировании информационных систем. При этом основное внимание уделяется методам получения 
информации в электрическом и оптическом видах, при исследовании кинематических и термодинамических параметров динамических быстропротекающих процессов.  
Правильный выбор технических средств, метрологически 
грамотное их использование и представление полученных результатов в рамках нужной информационной системы – неотъемлемая 
часть подготовки специалистов в любой области знаний, особенно 
в наше время. 
В основу учебного издания положен расширенный курс лекций, который читается автором в течение последних пяти лет студентам физико-технического факультета СарФТИ. В подготовке и 
чтении некоторых лекций принимала участие О. В. Огородникова. 
В первой главе учебного издания дано определение самой 
информации и различных форм ее существования, изложены теоретические основы информатики, рассмотрены структура построения 
и функционирование измерительных и информационных систем, 
приведен пример построения информационной системы на основе 
акустических измерений, кратко представлена международная система единиц измерения и эталоны физических величин. 
Вторая глава посвящена метрологии физических измерений, 
основным определениям, терминологии и методам их проведения, 
правильному представлению результатов с учетом доверительных 
интервалов. Подробно рассмотрены вопросы теории ошибок, приведен конкретный пример обработки результатов измерений в полном объеме. 
В третьей главе рассмотрены особенности электрических и 
оптических измерений как основных видов получения, трансляции, 
обработки и хранения информации, основные методы измерения 
как малых, так и больших токов и напряжений. Прослежены эволюция электрических измерений, становление и развитие оптоэлектроники, рассмотрены основные используемые в технике физические эффекты, связанные с модуляцией интенсивности, поля

Введение  
10

ризации, частоты и фазы света. Приведены примеры использования 
волоконно-оптических датчиков. 
В четвертой главе изложены основные методы получения 
информации о кинематических (деформация, перемещение, скорость, ускорение) и термодинамических (давление, температура) 
параметрах динамических систем и их особенностях при исследовании быстропротекающих процессов. Особое внимание уделено 
независимым методам получения информации как в электрической, так и оптической формах. Здесь же кратко описаны методы 
регистрации ионизирующих излучений. 
И, наконец, пятая, заключительная, глава книги посвящена 
теме, связанной с контролем качества продукции и проводимых 
при этом измерениях, как правило, не рассматриваемой в традиционных курсах по данной дисциплине. Этот материал основан на 
технологии опытного производства деталей зарядов из взрывчатых 
веществ, используемой в Институте экспериментальной газодинамики и физики взрыва (ИФВ) ВНИИЭФ, к качеству которых 
предъявляются особенно высокие требования. 
По существу в этом учебном издании предпринята попытка 
заполнить существующий пробел в отечественной литературе по 
информатике и дать введение в современную технику электроннооптических измерений и информационных систем, используемых 
при исследовании динамических быстропротекающих процессов.  
Отметим также, что в предлагаемом издании речь идет только о физических величинах. Нефизические величины (интеллект, 
усталость, религиозность и т. п.) очень трудно, а иногда и невозможно измерить из-за того, что они являются характеристиками 
очень сложных систем (люди, организации, общества и т. п.). С измерениями нефизических величин можно познакомиться в специальной литературе. 
Автор признателен за ценные советы В. А. Пушкову и 
О. Б. Дреннову при обсуждении рукописи книги, а также выражает 
искреннюю благодарность И. Б. Кузиной за помощь в ее подготовке и оформлении. 

ГЛАВА 1. ИНФОРМАЦИОННЫЕ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ 
СИСТЕМЫ 
 
1.1. Измерение как основа получения информации  
для построения объективной картины мира 

Одним из существенных аспектов проблемы познания окружающего мира является сбор информации. Информация дает возможность свести сложные характеристики, состояния, явления к более простым законам и взаимозависимостям. Таким образом, мы 
имеем возможность интерпретировать полученные результаты и 
формировать достаточно простую, но объективную картину мира, 
основанную на информации, полученной в результате измерений 
(рис. 1.1). Другими словами, эта информация позволяет строить модели мира (и его частей), формулировать законы и теории. Дают ли 
эти модели, гипотезы, теории и законы верное представление о мире, 
проверяется путем выполнения тестов (дополнительных измерений), 
позволяющих сравнивать теорию с действительностью. 
Такова процедура измерений в чистых науках при описании 
окружающего мира (см. рис. 1.1). Здесь же показана роль измерений в прикладных науках. Под «прикладной» наукой подразумевается отрасль знаний, предназначенных для изменения мира. 
Даже сравнительно простое измерение, такое как проверка 
давления в шинах автомобиля, укладывается в рамки рассмотренной 
схемы. У нас есть гипотеза, что давление в шинах перед дальней поездкой мало. Выполняем измерение. Убеждаемся, что мало. Изменяем это давление. Снова измеряем, пока оно не станет нужным. 
В этом контексте цель измерений состоит в том, чтобы прямо 
или косвенно осуществлять регулирование процессов в окружающем мире, контролировать их или вносить в них изменения на основе результатов измерений и существующих моделей и законов. 
Проверяем результаты регулирующего воздействия, сравниваем их 
с желаемыми результатами и делаем необходимые поправки. Такова философская основа измерений при получении информации. 

Глава 1 
12

В этом смысле можно дать следующее определение измерения. 
Измерение – это получение с помощью измерительных систем 
(приборов) информации в форме результата измерения, отражающего характеристику, состояние или явление окружающего нас 
мира (объекта измерения). При этом измерительная система должна гарантировать наглядность описания, избирательность (то, что 
хотим) и объективность измерения. 
 

Рис. 1.1. Измерение как звено между реальным миром и представлением  
о нем в «чистых» и «прикладных» науках 
 
Можно провести различие между двумя типами информации: 
структурной, т. е. информации о состоянии, структуре или природе 
определенной характеристики, и метрической, т. е. информации 
о величине, амплитуде или интенсивности определяемой характеристики. Говорят, что получение структурной информации происходит в результате качественного измерения, а получение метрической информации – в результате количественного измерения. 
С помощью качественного измерения устанавливают природу того, 
что должно быть измерено, т. е. получают информацию, необходимую для выбора приборов для количественных измерений. Напри
 Окружающий мир 
 Представления о нем

Измерения 

Сбор информации

Проверка (измерения) 

Интерпретация 
путем обработки 

Результаты измерений

Управление (изменение) 

Гипотезы 
Законы 
Теории 

Чистые 
науки 
(описание
мира) 

Прикладные 
науки 
(изменение 
мира)