Использование достижений естественных наук в приборостроении. Приборостроение.

Проведение исследований в области естественных и технических наук предполагало наличие и дальнейшее совершенствование специальных приборов, аппаратов и инструментов. Особенно это сказалось в период революционных открытий в различных областях естественных наук. Развитие приборостроения способствовало дальнейшей дифференциации и специализации наук, появлению новых отраслей на стыке наук или в результате применения теорий и принципов одних дисциплин в смежных областях.

Требования науки и техники к увеличению точности измерений начали реализовываться с созданием во второй половине XIX в. контактных микрометров. В конце XIX в. П. Штюкрат сконструировал весы, позволявшие проводить измерения с точностью до 0,0001 мг. На них можно было взвешивать воздух. В то же время начали применять хроноскоп Гиппа для измерения промежутков времени с точностью до 0,001 секунды.

Успехи электротехники также были связаны с созданием новых измерительных и контролирующих устройств. Большую роль в разработке электротехнических приборов сыграл английский физик У. Томсон (лорд Кельвин)   (1824—1907). Он изобрел сифонметчик, игравший роль приемника при кабельном телеграфировании, квадрантный и абсолютный электрометр — прибор для разложения периодических функций в ряд синусоидальных функций, внес усовершенствования в такие приборы, как глубиномер, компас, гальванометр и др.

В 1898 г. английский физик и химик, член Лондонского Королевского общества Дж. Дьюар (1842—1923) изобрел сосуд с двойными стенками, между которыми был создан вакуум для сохранения газов, приведенных в жидкое состояние (сосуд получил его имя ').

В 1870 г. К. Фирордт в Германии создал спектрофотометр для измерения спектров поглощения и количественного анализа, а в 1877 г. П. Глен и К. Г. Хюфнер сконструировали фотометр, в котором интенсивность света регулировалась с помощью поляризатора.

После открытия в 1887 г. Г. Герцем явления внешнего фотоэффекта в 1888 г. А. Г. Столетов в России создал первый в мире газонаполненный фотоэлемент, основанный на явлении внешнего фотоэлектрического эффекта.

В 1897 г. англичанин Дж. Дж. Томсон (1856—1940) сконструировал электронно-лучевую трубку, с помощью которой он исследовал отклонение катодных лучей в магнитном и электрическом полях и установил, что они представляют собой поток электронов. В 1907 г. Томсон разработал масс-спектрометр для определения и точного измерения массы ионизированных атомов или молекул газов посредством разделения ионов с различным отношением масс к заряду при прохождении ионизированных частиц в электромагнитном поле. Масс-спектрометры (после усовершенствования их в 1919 г. Ф. Астоном) стали широко применяться в химическом анализе для определения относительного содержания в веществе различных компонентов.

Новейшие достижения естествознания успешно использовались в приборостроении.После того как в 1895 г. немецкий физик В. К- Рентген (1845— 1923) открыл лучи, в дальнейшем получившие его имя, он создал тип рентгеновской трубки с вогнутым катодом и платиновым антикатодом, которая нашла широкое применение в медицине, химии, физике, металлургии и т. д.

В 1899 г. знаменитый- английский' физик Э. Резерфорд (1871 — 1937), закладывая основы современного учения о радиоактивности и строении атома, создал ряд приборов, помогающих успешному осуществлению его экспериментов.

Дальнейшее усовершенствование гироскопического успокоителя в 1911 г. связано с именем Э. Сперрй. Немецкий изобретатель А. Бем изобрел в 1913 г. эхолот — навигационный прибор для определения глубины морского дна путем измерения времени, необходимого звуку, чтобы дойти до дна и, отразившись от него, вернуться на судно.

Успехи метрологии. В результате создания, развития и совершенствования всякого рода измерительных приборов и аппаратов к концу XIX в. обозначилась настоятельная необходимость в разработке общих основ измерений, что привело к созданию метрологии—специальной науки о единицах, средствах и методах измерений.

Дальнейшее развитие приборостроения дает толчок к появлению новых отраслей производства (точное машиностроение, оптическое приборостроение)  и наук  (инструментоведение,  металлография).

Значительно возросло количество и разнообразие точных приборов, многие из которых приобрели современные очертания.

Возникновение оптики дало не только огромный материал наблюдений, но и совершенно иные, чем раньше, средства для науки, позволило сконструировать новые приборы для исследований.

Использование явления магнетизма и создание компаса позволили человеку значительно расширить масштабы путешествий как по суше, так и по морю.

Совершенствование измерительная техника шло вместе с бурным развитием физики, которая, основываясь в то время только на эксперименте, полностью опиралась на измерительную технику. К этому периоду относятся усовершенствование часов, изобретение микроскопа, барометра, термометра, первых электроизмерительных приборов и др. измерительных устройств, использовавшихся главным образом в научных исследованиях. Каждое открываемое физическое явление воплощалось в соответствующем приборе, который, в свою очередь, помогал точно определить значение исследуемой величины и установить законы взаимодействия между различными величинами. Так, например, постепенно было выработано понятие температуры и создана температурная шкала.

Наибольшее развитие в приборостроении получило производство механических и электрических измерительных приборов с деталями высокого класса точности. Наряду с классическими видами машиностроительной технологии при изготовлении деталей приборов применяют ультразвуковую, электроннолучевую, лазерную, электрохимическую, электроэррозионную и др. прогрессивные виды обработки. Всё большее место в приборостроении занимает производство электронной техники с поточными автоматизированными гальваническими, электрофизическими, электрохимическими, фотохимическими, диффузионными и др. процессами обработки полупроводниковых и изоляционных материалов, процессами печатного монтажа элементов и схем на модульных платах, специализированным оборудованием для получения электронных функциональных блоков.

 Научные достижения в изучении различных состояний твёрдого тела, динамики движения жидкостей и газов, плазменной формы материи, физико-химических свойств веществ, энергетических преобразований, нестационарных полей, колебаний и излучений позволяют не только находить новые принципы действия приборов, но и повышать точность, надёжность и экономичность важнейших изделий приборостроения и обновлять их номенклатуру.

Ведущее место в приборостроении по количеству я разнообразию выпускаемых приборов занимают средства измерительной техники. Созданы методы и приборы измерения:

• электрических и магнитных величин (напряжение, ток, мощность, частота, фазы, сопротивление, ёмкость, магнитные величины);
• теплоэнергетических величин (температура, давление, расход, уровень);
• механических величин (вес, сила, вибрация, твёрдость, деформация, прочность).

Крупным, быстро развивающимся направлением является аналитическое приборостроение, создающее устройства для определения состава и концентрации веществ в различных средах, материалах и продуктах. К ним относятся электрохимические, ультразвуковые, оптические, ядерные и иные анализаторы, сложные многопараметровые аналитические системы. Современные средства физико-химического анализа используют разнообразные явления, вызываемые воздействием электрического тока, электромагнитных волн или проникающей радиации на исследуемую среду. Отбор и подготовка проб, преобразование, разделение, дозирование веществ, возбуждение их активности, селектирование сигналов и представление информации автоматизируются.

Развитие металлургии, химии, биологии и др. связано с необходимостью точного анализа руд, металлов и сплавов,нефтепродуктов, примесей в полупроводниках, присутствия различных элементов в пищевых продуктах и живых средах в широком диапазоне состава и концентрации, требует применения многокомпонентных анализаторов. Такими приборами являются рентгеновские квантометры, полярографы, масс-спектрометры, хроматографы, точно фиксирующие элементарную картину многих минеральных и органических соединений. Приборостроение не только создаёт и выпускает такие приборы, но и обеспечивает возможность комплексного применения средств аналитической техники в системах автоматического контроля и регулирования технологических процессов.

Значительное место в приборостроении занимают средства передачи информационных сигналов и управляющих импульсов на большие расстояния (телемеханика).

Развитие микроэлектроники, оптоэлектроники, нелинейной оптики, микромеханики обогащает приборостроения, способствует созданию компактных надёжных экономичных измерительных, аналитических, разведочных и др. приборов, средств управляющих ЭВМ, телемеханики и автоматики. Монокристаллы с особыми физическими свойствами, полупроводниковые, эпитаксиальные и др. плёнки, жидкие кристаллы, твёрдотельные интегральные схемы, магнитострикционные элементы в качестве чувствительных воспринимающих, преобразующих и индикаторных сред качественно меняют характер изделий и технологию приборостроения.