Прибор как техническое устройство¶

Прибор — это техническое устройство, предназначенное для измерений, наблюдений, контроля, управления или выполнения иных целевых функций, связанных с преобразованием физических величин в информацию, удобную для восприятия человеком или автоматической обработки. В широком смысле к приборам относят измерительные, оптические, электронные, навигационные и бытовые устройства, объединённые общей чертой: они служат инструментом получения данных о состоянии объекта или среды.

¶Общее понятие и признаки

Ключевое отличие прибора от механизма или машины состоит в его назначении. Машина выполняет работу — перемещает, обрабатывает, преобразует материалы и энергию. Прибор же прежде всего даёт сведения: измеряет, регистрирует, отображает, сигнализирует. Даже если устройство совмещает функции (например, автоматический регулятор), измерительная или контрольная составляющая остаётся определяющей.

Типичные признаки прибора:

наличие чувствительного элемента (датчика), воспринимающего физическую величину;
преобразующего тракта, приводящего сигнал к удобному виду;
устройства отображения или вывода (шкала, стрелка, дисплей, цифровой интерфейс);
градуировки или калибровки, обеспечивающей сопоставление показаний с эталоном.

¶История

Простейшие приборы известны с древности. Астрономические инструменты — гномон, астролябия, квадрант — служили для определения положения светил и времени. В античности применялись уровни, отвесы и первые измерители длины и веса.

Перелом наступил в XVII веке: изобретение телескопа и микроскопа, создание термометра и барометра превратили приборы в основной инструмент научного познания. В XIX веке появились точные электрические измерители — гальванометр, амперметр, вольтметр, а также спектроскоп и фотометр. XX век принёс электронные, а затем цифровые приборы, а с развитием микроэлектроники — компактные многофункциональные устройства с микропроцессорным управлением.

В России значительный вклад в приборостроение внесли работы М. В. Ломоносова (оптические и метеорологические приборы), Д. И. Менделеева (метрология, точные весы), а в советский период сложилась развитая отрасль приборостроения с собственными научными школами.

¶Классификация

Приборы классифицируют по нескольким основаниям.

По назначению:

измерительные — измеряют конкретную величину (вольтметр, манометр, термометр);
контрольные и сигнальные — фиксируют выход параметра за допустимые пределы;
наблюдательные и оптические — расширяют возможности восприятия (телескоп, микроскоп, бинокль);
навигационные — определяют положение и курс (компас, гирокомпас, приёмник спутниковой навигации);
вычислительные и регистрирующие — обрабатывают и записывают данные.

По принципу действия различают механические, оптические, электрические, электронные, пневматические и комбинированные приборы. По способу отсчёта — аналоговые и цифровые. По условиям применения — лабораторные, промышленные, бытовые, бортовые.

¶Устройство и характеристики

Обобщённая структурная схема включает датчик, преобразователь, усилитель, устройство обработки и индикатор. В цифровых приборах добавляются аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер и интерфейс связи.

Основные характеристики:

диапазон измерений;
чувствительность — отношение изменения выходного сигнала к вызвавшему его изменению входной величины;
точность и погрешность;
класс точности, присваиваемый по нормированным правилам;
быстродействие и разрешающая способность;
условия эксплуатации (температура, влажность, помехи).

Точность прибора обеспечивается метрологической поверкой и калибровкой по эталонам, что связывает приборостроение с метрологией.

¶Применение

Приборы применяются практически во всех сферах деятельности:

наука и лабораторные исследования;
промышленность и автоматизация производств;
энергетика и связь;
медицина (диагностическая и измерительная аппаратура);
транспорт и навигация;
метеорология и экологический мониторинг;
быт и повседневная эксплуатация.

В промышленности приборы входят в состав систем автоматического контроля и управления, где показания датчиков используются для регулирования технологических процессов.

¶Приборостроение как отрасль

Приборостроение — отрасль машиностроения, выпускающая средства измерений, контроля, автоматики и вычислительной техники. Оно отличается высокой наукоёмкостью, тесной связью с электроникой, оптикой и информационными технологиями. Продукция отрасли включает как массовые бытовые изделия, так и уникальные научные комплексы.

Развитие отрасли определяется миниатюризацией элементной базы, переходом к цифровой обработке сигналов, интеграцией приборов в сети и распространением «умных» датчиков с самодиагностикой.

¶Значение и особенности

Приборы обеспечивают объективность измерений, без которых невозможно ни научное исследование, ни промышленное производство, ни безопасность. Их показания лежат в основе технических регламентов, медицинских диагнозов, навигации и управления сложными системами.

Особенность современных приборов — совмещение измерительной функции с обработкой и передачей данных, что размывает границу между собственно измерительным устройством и вычислительным комплексом.

¶Источники

Большая российская энциклопедия, статьи «Прибор», «Приборостроение», «Метрология».
Технические и метрологические справочники по средствам измерений.
Учебные издания по общей физике и основам метрологии.