|
Создавая свои первые технические системы (ТС), человек использовал в них макрофизические (в частности, макромеханические) свойства окружающего его мира. Это не случайно, так как научное познание природы началось исторически именно с механических процессов на уровне вещества. Вещество с его внешними формами и геометрическими параметрами является объектом, непосредственно данным человеку в ощущениях. Это тот уровень организации материи, на котором она предстает перед человеком как явление, как форма, как количество. Поэтому каждый технологический метод воздействия и контроля соответствовал (во многих современных технических системах и сейчас соответствует) простейшей форме движения материи – механической.
С развитием науки и техники методы совершенствуются, но в их соотношении можно проследить известные изменения. Механические методы в большинстве случаев заменяются более эффективными физическими и химическими методами. Например, вместо механического дробления руды и подъема ее на поверхность получают распространение методы выщелачивания рудного тела и получения раствора металла с последующим его выделением химическим путем.
Дальнейшее развитие приводит к использованию воздействий сильных электрических, магнитных, оптических полей, которые способны изменить внутренние свойства вещества. Другими словами происходит переход от макротехнологии к микротехнологии, которая основывается на совершенно иных принципах.
Микротехнология строится на основе применения к производству современных достижений химической физики, ядерной физики, квантовой механики. Это новая ступень взаимодействия человека и природы, и это взаимодействие происходит на языке законов природы. Здесь нет инструмента непосредственного воздействия, орудия труда или рабочей части машины, как это имеет место при механических методах. Эти функции выполняют частицы веществ, участвующих в процессе – молекулы и атомы, причем на этом уровне процессы происходят бесшумно, безотходно и полностью автоматически.
Переход от макрофизических методов воздействия к микрофизическим позволяет значительно упростить любой технологический процесс, добиться при этом большего экономического эффекта, получить безотходные процессы. Надо только помнить, что безграничность возможностей научно-технического прогресса может успешно реализоваться лишь при соблюдении границ возможного в самой природе.
В основе методов воздействия или контроля в современных сложных технических системах всегда лежит какой-либо первичный физический эффект (термостойкость, электропроводность, фотоэлектрические явления и т.п.).
Существует множество физических явлений и эффектов, видов преобразования свойств вещества и энергии, которые можно использовать в технических системах.
В первую очередь эти явления используются в сенсорах (датчиках), являющихся источником информации о текущем состоянии технической системы. Датчики сами по себе могут иметь сложную структуру, используя несколько преобразований контролируемой физической величины. Выходные сигналы сенсоров, как правило, являются электрическими.
После переработки информации, поступившей от датчиков, в ТС вырабатывается управляющее воздействие, которое реализуется в исполнительных механизмах (ИМ) также с использованием физических свойств материи.
Знание физических законов, явлений и эффектов помогает лучше понять принципы работы технических систем, их фундаментальные физические возможности и ограничения.
Рассмотрим один из вариантов классификации физических законов, явлений и эффектов [1], показанный на рисунке.
Внешние эффекты и явления – это когда под воздействием воспринимаемой физической величины изменяется положение какой-либо части (органа) элемента, которое затем может посредствам дополнительных преобразований превратиться в перемещение индикатора или входного органа ИМ. Типичным примером является отклонение рамки с током в магнитном поле – принцип работы стрелочных индикаторов.
Внутренние эффекты позволяют получить непосредственную функциональную связь между изменением воздействия исходной физической величины и электрическими, магнитными и другими свойствами и параметрами вещества.
Внутренние эффекты в свою очередь подразделяются на простые и сложные внутренние эффекты.
Простые внутренние эффекты – эффекты, когда выходной сигнал появляется в результате только одного воздействия (механического, теплового или др.). Другие воздействия считаются несущественными, хотя реально всегда имеют место.
Сложные эффекты – когда естественный выходной сигнал определяется результатом действия не менее двух различных внешних воздействий на вещество.
Как воздействие, так и выходной сигнал могут быть механическими, тепловыми, оптическими, электрическими, магнитными, физико-химическими и др. Воздействия одного типа могут одновременно приводить к различным физическим эффектам. Например, механическое воздействие на вещество приводит к механическому эффекту в виде упругой деформации, к тепловому эффекту (нагреву), электрическому эффекту в форме изменения электрического сопротивления, к изменению оптической плотности и т.д. Любое из этих явлений может быть положено в основу создания соответствующего сенсора. Примером двойных внутренних эффектов являются фотопьезоэффект, термоэлектрический эффект, магнитотепловые эффекты и др.
Описанию первичных физических эффектов, используемых в науке и технике, посвящено данное учебное пособие, которое предназначено в первую очередь для специалистов, занимающихся вопросами изучения и разработки различных технических систем.
Do'stlaringiz bilan baham: |
