АНАЛОГОВЫЕ И ЦИФРОВЫЕ ЭЛЕКРОННЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
СМИРНОВА
Тема №1
АНАЛОГОВЫЕ И ЦИФРОВЫЕ ЭЛЕКРОННЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Принципы и средства электрических измерений
Электрические величины и общие сведения об их измерениях
Средства измерений электрических величин играют особую роль в измерительной технике, так как дают возможность не только получать измерительную информацию о значениях электрических величин, но также обеспечивают получение измерительной информации практически о любых физических величинах.
В медицинской практике широко используются электрические измерительные устройства для измерений электрических сигналов, возникающих в различных органах человека. Электроизмерительные устройства имеют еще более широкое применение для измерений сигналов многочисленных первичных измерительных преобразователей и аналитических устройств, используемых для измерений неэлектрических показателей живого организма, для измерений и преобразований сигналов различных детекторов излучений в аппаратах для диагностики, для контроля режимов работы медицинских аппаратов, применяемых для лечебных воздействий на человека, вспомогательных аппаратов и т. д.
Электрические измерительные устройства обеспечивают выработку, преобразование и передачу сигналов измерительной информации в сложных медицинских информационно-измерительных и вычислительных системах.
Все эти возможности определяются высокой скоростью и простотой передачи и обработки электрических сигналов. В табл. 1 приведены сведения об электрических величинах, измерение которых осуществляется в медицинской практике.
Таб.1. Электрически величины
В литературе по измерительной технике используется несколько различных признаков, по которым классифицируют электрические измерительные устройства. В данном учебном пособии выделены классификации электроизмерительных устройств только по следующим признакам:
1. по принципу действия (электромеханические, электронные, термоэлектрические);
2. по методу измерительного преобразования (прямой, прямой дифференциальный, уравновешивающий, в том числе статический и астатический, программный уравновешивающий);
3. по способу представления величин (аналоговые, цифровые, аналого-цифровые);
4. по способу представления показаний (показывающие, регистрирующие, в том числе самопишущие и печатающие);
5. по наличию в составе микропроцессоров;
6. по измеряемой электрической величине (амперметры, вольтметры, омметры, ваттметры, частотомеры и т. д).
Электромеханические измерительные приборы
Рис.1. Структурная схема электромеханического измерительного прибора Входная измерительная цепь служит для преобразования электрической измеряемой величины X в некоторую промежуточную…Магнитоэлектрические измерительные приборы.
Наиболее распространенными являются магнитоэлектрические измерительные приборы, представленные на рис. 2, а, в которых проводник представляет собой… Рис.2. Конструкция магнитоэлектрического измерительного прибора и его условные обозначения на электрических…Электромагнитные измерительные приборы
Противодействующий момент создается спиральными пружинами. Для успокоения подвижной системы прибора к его оси жестко присоединяется воздушный… Рис.4. Конструкция электромагнитного измерительного прибора:Электростатические измерительные приборы.
При подаче напряжения электроды получают противоположные по знаку заряды, поэтому между пластинами возникает сила электростатического… , где - постоянный коэффициент, зависящий от конструкции прибора.Электродинамические измерительные приборы.
Рис.6. Конструкция и схемы включения электродинамического измерительного прибора: 1-неподвижная катушка; 2-подвижная…Аналоговые электронные измерительные приборы и преобразователи
Аналоговые электронные измерительные приборы и преобразователи представляют собой средства измерений, в которых преобразование измерительных сигналов осуществляется с помощью различных аналоговых электронных устройств. При этом выходной сигнал таких средств измерений является непрерывной функцией измеряемой величины.
Применение для преобразования измерительных сигналов различных электронных устройств, использующих электрическую энергию источников питания, расширяет функциональные возможности средств измерений и обеспечивает высокий уровень их метрологических характеристик.
Аналоговые электронные вольтметры
В аналоговых электронных вольтметрах постоянного тока (рис. 7, а) сигнал измеряемого напряжения U - постоянного тока поступает во входную… Рис.7. Схемы аналоговых электронных вольтметров: 1- входная цепь вольтметра постоянного тока; 2- электронные усилитель…Аналоговые электронные частотомеры.
Рис.8. Схема аналогового электронного частотомера: 1- формирователь импульсов постоянной длительности; 2- источник…Аналоговые электронные омметры
Рис.9. Схемы аналоговых электронных омметров: 1- источник стабилизированного…Цифровые электронные измерительные приборы
Цифровые измерительные приборы используют для измерений практически всех электрических величин. Их преимуществами перед аналоговыми электрическими… Рис.10. Схемы цифрового вольтметра (а) и уравновешенного моста (б) постоянного тока: 1- входное устройство; 2-…Цифровые частотомеры
Если длительность интервала выбрать равной 1 с, то число им пульсов N равно… В цифровых частотомерах предусмотрена возможность задания значений из ряда, удовлетворяющего условию , где n - целое…Медицинские электроизмерительные приборы
Значения биопотенциалов составляют от нескольких микровольт до нескольких милливольт, а частота колебаний - от десятых долей герца до сотен герц.… Выходной сигнал медицинских электроизмерительных приборов представляется в…Электрокардиографы
Наибольшее применение для исследования сердечной деятельности человека имеет фронтальная проекция профиля кривой, описываемой концом вектора, т. е.… Рис.12.Схема образования электрокардиосигнала (а) и форма электрокардиограммы здорового человека (б)Электроннолучевой осциллограф
Рис.13. Блок-схема электронного осциллографаСветолучевой осциллограф
Шлейфовый осциллограф, светолучевой, вибраторный осциллограф, прибор для визуального наблюдения и автоматической регистрации фотографическим методом физических процессов (например, деформации, изменений температуры, давления, скорости), периодических (с частотой повторения от долей гц до 10-15 кгц), апериодических и одиночных. На входе. изменение физической величины, характеризующей исследуемый процесс, преобразуется соответствующими датчиками в пропорциональное изменение электрического напряжения или тока.
Рис.14. Шлейфовый осциллограф (схема устройства)
Шлейфовый осциллограф состоит из одного или нескольких магнитоэлектрических зеркальных гальванометров (шлейфов) светооптической системы, блока протяжки (на рис. не показан), носителя записи (светочувствительной бумаги или фотоплёнки) и устройства визуального наблюдения, показанного на рисунке 14. Светооптическая система формирует световой луч, фокусирует его и направляет на зеркало шлейфа. Отразившись от зеркала, луч попадает на светочувствительную плёнку (бумагу) и оставляет на ней след в виде кривой,
отображающей изменение исследуемой физической величины во времени. Развёртка кривой во времени обеспечивается равномерным перемещением носителя записи в направлении, перпендикулярном отклонению светового луча. Скорость движения носителя записи у различных шлейфовых осциллографов регулируется в пределах от 1 до 10 000 мм/сек. Для визуального наблюдения записываемой кривой служит сферический матовый экран, на который попадает часть светового луча, отражённого зеркалом шлейфа. Развёртка во времени визуально наблюдаемой кривой осуществляется с помощью равномерно вращающегося многогранного зеркального барабана. При вращении барабана луч света, отражаясь от его зеркальных граней, периодически пробегает по экрану. Регулируя частоту вращения барабана, можно добиться неподвижного изображения кривой.
Для одновременной регистрации нескольких физических величин используют т. н. многоканальные шлейфовые осциллографы, содержащие от 4 до 60 шлейфов, обеспечивающих одновременную запись соответствующего числа кривых. Шлейфовый осциллограф широко применяются при научных исследованиях, лабораторных и производственных испытаниях.
Устройство и принцип работы кинескопа.
Рис.15. Устройство чёрно-белого кинескопа. В баллоне 9 создан глубокий вакуум — сначала выкачивается воздух, затем все металлические детали кинескопа нагреваются…Угол отклонения луча
При увеличении угла отклонения луча уменьшаются габариты и масса кинескопа, однако: · увеличивается мощность, потребляемая узлами развёртки. Для решения этой… · возрастают требования к точности изготовления и сборки отклоняющей системы, что было реализовано путём компоновки…Ионная ловушка
Однако данное построение вынуждало увеличивать диаметр горловины кинескопа, что приводило к росту необходимой мощности в катушках отклоняющей… В начале 1960-х годов был разработан новый способ защиты люминофора:…Задержка подачи напряжения на анод либо модулятор
Внедрение в узлы строчной развёртки полностью полупроводниковой схемотехники породило проблему ускоренного износа катодов кинескопа по причине… РазвёрткаПринцип работы телевизионного приемника
Рис.16. Структурная схема телевизионного приемника Сигнал из антенны Ant1 поступает на вход селектора каналов. Обязанности селектора - выбор определенной (рабочей…ПРАКТИКА
Измерение амплитудных и временных параметров сигналов с помощью осциллографа
Цель работы: изучить принцип действия универсального осциллографа, освоить осциллографические методы измерения параметров сигналов.
.
Измерение формы сигнала
Классификация осциллографов
Основным прибором является электронный осциллограф (осциллум – лат. колебание, графо – греч. пишу), который предназначен для визуального наблюдения формы сигнала и измерения его параметров.
По назначению электронные осциллографы могут быть:
- универсальные;
- скоростные;
- стробоскопические;
- запоминающие;
- специальные.
В зависимости от схемных решений все универсальные осциллографы можно разделить на:
- одноканальные;
- многоканальные (по количеству одновременно исследуемых сигналов);
- многофункциональные;
- цифровые.
Принцип действия универсальных осциллографов
Рис. 5. На ЭЛТ обозначены:Канал горизонтального отклонения создает напряжение развертки, усиливает и (при необходимости) преобразует сигналы синхронизации, усиливает сигналы подаваемые на вход Х.
Блок синхронизации преобразует различные по амплитуде и форме сигналы синхронизации в стандартные импульсы, запускающие ГР.
ГР – вырабатывает развертывающее напряжение.
Канал управления скоростью модулирует яркость свечения и гасит обратный ход луча.
Калибраторы амплитуды и длительности представляют собой встроенные генераторы сигналов с точно установленными параметрами.
С их помощью перед измерениями устанавливают требуемые значения коэффициента развертки и коэффициента отклонения.
Основные характеристики осциллографов. Основные параметры канала Y.
. 2. Полоса пропускания - диапазон частот, в пределах которого коэффициент… Например: для С1-65А .Основные параметры канала Х.
Например: для С1-65А . Скорость перемещения луча по оси Х – величина обратная . Общие параметры входов осциллографа:Три основных режима работы ГР.
1. Автоколебательный – при котором развертка периодически и непрерывно запускается;
2. Ждущий – когда развертка запускается только при наличии сигнала запуска (используется для сигналов с большой скважностью);
3. Одиночного запуска – когда запуск происходит один раз с последующей блокировкой ГР.
 |
Рис. 10.
Рассмотрим временные диаграммы режимов работы ГР:
Измерение параметров сигнала с помощью осциллографа С1-65А.
Рис.11.
Определение амплитудного значения и частоты сигнала
Uампл= Ub·Ua/2
δ=((Uр-Uизм)/Uизм) · 100%
fизм =1/Т
δf=((f–fизм)/fизм)·100%
 |
Рис.12.
Измерение глубины модуляции АМ-сигнала.
 |
m = ((b-a)/(b+a))·100%
Рис.13.
Измерение частоты по фигурам Лиссажу.
1. Подать напряжение на вход Y. Установить переключатель режима развёрток в положение “Непрерывная”, а переключатель “Род синхр.” в положение… 2. Измерить период сигнала на экране в миллиметрах, помня, что период – это… 3. Переключить кабель из входа Yна вход X.Электроннолучевой осциллограф
Светолучевой осциллограф
Шлейфовый осциллограф, светолучевой, вибраторный осциллограф, прибор для визуального наблюдения и автоматической регистрации фотографическим методом…Устройство и принцип работы кинескопа
Рис.2.3 Устройство чёрно-белого кинескопа. В баллоне 9 создан глубокий вакуум — сначала выкачивается воздух, затем все металлические детали кинескопа нагреваются…Угол отклонения луча
При увеличении угла отклонения луча уменьшаются габариты и масса кинескопа, однако: · увеличивается мощность, потребляемая узлами развёртки. Для решения этой… · возрастают требования к точности изготовления и сборки отклоняющей системы, что было реализовано путём компоновки…Ионная ловушка
Однако данное построение вынуждало увеличивать диаметр горловины кинескопа, что приводило к росту необходимой мощности в катушках отклонящей… В начале 1960-х годов был разработан новый способ защиты люминофора:…Задержка подачи напряжения на анод либо модулятор
Внедрение в узлы строчной развёртки полностью полупроводниковой схемотехники породило проблему ускоренного износа катодов кинескопа по причине… Развёртка Чтобы создать на экране изображение, электронный луч должен постоянно проходить по экрану с высокой частотой — не…Принцип работы телевизионного приемника
Рис.2.4 Структурная схема телевизионного приемника Сигнал из антенны Ant1 поступает на вход селектора каналов. Обязанности селектора - выбор определенной (рабочей…БОГДАНОВА
Теоретические сведения
Медицинские электроизмерительные приборы
Значения биопотенциалов составляют от нескольких микровольт до нескольких милливольт, а частота колебаний — от десятых долей герца до сотен герц.… Выходной сигнал медицинских электроизмерительных приборов представляется в… Многие медицинские электроизмерительные приборы содержат в своем составе микропроцессоры или согласующие устройства,…Электрокардиографы
Электрокардиограф — это медицинский электроизмерительный прибор, с помощью которого измеряют и регистрируют разность потенциалов между характерными… Появление этих потенциалов вызвано механическими сокращениями сердца и… Наибольшее применение для исследования сердечной деятельности человека имеет фронтальная проекция профиля кривой,…Назначение прибора
Электрокардиограф ЭК1Т «Малыш» одноканальный портативный с комбинированным питанием и непосредственной записью предназначен для измерения зависимости разности потенциалов электрического поля сердца от времени при исследовании сердечнососудистой системы человека в условиях клиник, больниц, полевых медицинских учреждений, скорой и неотложной помощи (рис. 3.9).
Рис. 3.9. Электрокардиограф и принадлежности к нему:
1 - электрокардиограф; 2 - сумка для переноски и хранения прибора; 3 - кабель отведений; 4 - провод заземления; 5 - предохранители; 6 - электроды для конечностей; 7 - грудной электрод; 8 - отвертка; 9 - струбцина для шланга заземлений; 10 - шланг заземлений; 11 - резиновые ленты для крепления электродов к конечностям; 12 - тепловые перья.
Технические характеристики
- чувствительность - 5, 10, 20 мм/мВ;
- частотная характеристика - 0,15-60 Гц;
- постоянная времени - 2 с;
- входное сопротивление – 2*20 мОм;
- скорость движения диаграммной ленты - 25, 50 мм/с;
- ширина диаграммной ленты - 50 мм;
- эффективная ширина записи - 40 мм;
- вид записи - тепловая;
- регистрируемые отведения: I, II, III, aVR, aVL, aVF, V;
- питание:
а) от сети переменного тока напряжением - 127/220 В, частотой -50 Гц;
б) от блока аккумуляторов напряжением - 11-14 В;
- время непрерывной работы, ч:
а) при питании от сети переменного тока - 8;
б) при питании от полностью заряженного блока аккумуляторов - 2;
- потребляемая мощность, Вт:
а) от сети - 30;
б) от аккумуляторного блока – 8;
- габаритные размеры — 270 * 170 * 92 мм;
- масса, кг:
а) с блоком стабилизатора — 4,2;
б) с блоком аккумуляторов — 3,8;
- испытательное напряжение усиленной изоляции сетевой части прибора по отношению к рабочей части и корпусу - 4000 В;
- условия эксплуатации электрокардиографа:
а) температура окружающей среды - от 10 до 35° С;
б) относительная влажность воздуха при 25° С и атмосферном давлении 750 + 30 мм рт. ст. - до 90%.
Устройство и принцип работы
Электрокардиограф работает от сети переменного тока напряжением 127/220 В ± 10%, частотой 50 ± 1 Гц через установленный в нем стабилизатор или от… Конструктивно прибор состоит из следующих основных узлов: усилителя,… Усилитель (рис. 3.10) выполнен в виде отдельного съемного блока, основанием которого служит кронштейн. К кронштейну…ШАБАЛИНА
Теоретическая часть
Общие сведения об измерениях перемещений и силы
В измерительной технике вторыми, после электрических, по важности и широте применения являются измерения перемещений и силы, используемые для измерения таких важных физических величин, как давление, температура, расход, объем, масса, скорость, ускорение и др. При этом дополнительно применяются промежуточные преобразования названных физических величин в перемещение.
Как линейные, так и угловые перемещения измеряют в основных единицах СИ: в метрах (м), радианах (рад), угловых градусах(°).
Сила в соответствии с СИ является производной физической величиной, а ее единица – ньютон (Н) определяется как сила, сообщающая телу массой 1 кг ускорение 1 
в направлении действия этой силы.
Выделение устройств для измерений силы в определенной степени является условным, так как в работе таких устройств также используется измерение деформации, которую можно рассматривать как малые перемещения.
В медицинской практике применяют специальные устройства для измерений перемещений при исследованиях механической активности сердца, системы дыхания, сосудистой системы и т. д.
Средства измерений перемещений в зависимости от наличия или отсутствия механического контакта между объектом измерений и средством измерений принято разделять на контактные и бесконтактные, а в зависимости от используемого принципа измерения – на электромеханические, электрофизические и спектрометрические (волновые). В медицинской практике применяют электромеханические средства измерения перемещения.
Резистивные преобразователи
Простейшим резистивным преобразователем является контактный преобразователь (рис. 7.1, а), имеющий один электрический контакт. При приложении между… Рис. 7.1 Схемы резистивных измерительных преобразователей:Тензорезистивные преобразователи
Количественно тензоэффект принято характеризовать коэффициентом относительной тензочувствительности, который определяется выражением , где εR = ∆R/R – относительное изменение электрического сопротивления; εl= ∆l/l– относительное…Емкостные преобразователи
, где ε0 – электрическая постоянная (ε0 = 8,85*10-12 Ф/м2); ε –… Если зазор между электродами конденсатора заполнен воздухом (ε для воздуха близок к 1), то емкость конденсатора…Индуктивные преобразователи
Индуктивность L обмотки, снабженной ферромагнитным сердечником или магнитопроводом, описывается выражением , где g – геометрический фактор, определяемый конструкцией электромагнитной системы; n – число витков обмотки; µ и µв –…Трансформаторные преобразователи
Рис. 7.6. Схемы трансформаторных преобразователей: 1 – первичная обмотка; 2, 2' – вторичные обмотки; 3 – ферромагнитный магнитопровод; 4 – ферромагнитная подвижная…ШАРИПОВА
Устройство и принцип работы газового хроматографа