практикум часть 1. Практикум по медицинской и биологической физике учебное пособие для самостоятельной работы
 Скачать 34.72 Mb.
|
Электроизмерительные приборы 2.2.1. Цели и задачи Студент должен изучить основные характеристики приборов: название при- боров, род тока, положение приборов при измерениях, класс точности прибора; научиться определять цену деления однопредельного и многопредельного при- боров; должен научиться определять электрический сигнал (напряжение) мно- гопредельным вольтметром и ламповым вольтметром. Освоить: Измерение величины электрического сигнала при помощи однопредельного прибора; Измерение величины электрического сигнала при помощи многопредельно- го прибора; Измерение напряжения ламповым вольтметром. 2.2.2. Приборы и принадлежности Набор измерительных головок для измерения токов и напряжений; макет, состоящий из генератора синусоидальных колебаний, лампового многопре- дельного вольтметра и соединительных проводов. 2.2.3. Вопросы к занятию 1. Определение параметров приборов, информация на передней фальш- панели. 2. Методы определения погрешностей. 3. Методы определения цены деления. 4. В чем преимущества многопредельных приборов. 41 2.2.4. Теоретическое введение Характеристики электроизмерительных приборов Название прибора указано на его шкале в виде стандартного условного обозначения единицы величины, для измерения которой предназначен прибор: A – амперметр; B – вольтметр; mA – миллиамперметр; mB – милливольтметр; µ A – микроамперметр; µB – микровольтметр . Название многопредельных электроизмерительных приборов, предназна- ченных для измерения одной величины в одних и тех же единицах, обознача- ются на шкалах в виде целого слова, например «Амперметр», «Вольтметр» и т.д. Название многопредельных измерительных приборов, предназначенных для измерения разных величин, указывается возле клемм или переключателя пределов. Род тока. Приборы бывают постоянного тока ( – ), переменного тока ( ), постоянного и переменного тока ( ) . Типы отклоняющих систем стрелочных измерительных приборов. Магнитоэлектрическая отклоняющая система; Электромагнитная отклоняющая система; Количество и числовое значение пределов измерения У всякого прибора имеется нижний и верхний пределы измерения (N н. – N в. ). Нижним пределом почти всегда является нуль (N н. = 0). Верхних преде- лов бывает один или несколько, поэтому различают однопредельные и мно- гопредельные приборы. Многопредельные приборы имеют три и более клем- мы или переключатель пределов. Числовое значение верхнего предела (N в. ) указывается возле клемм или возле переключателя пределов. Класс точности. Это характеристика прибора, определяемая погрешно- стью прибора. Существует восемь классов точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4. Класс точности указывается на шкале, например 0,5 или 1,5 . Зная класс точности, можно определить абсолютную и относительную погрешно- сти, допускаемые прибором. 42 Абсолютная погрешность вычисляется по формуле: ΔN = ± % 100 % в N К , (1) где ΔN – абсолютная погрешность прибора, К% - класс точности при- бора, N в. – верхний предел измерения. Так как у многопредельного прибора несколько верхних пределов, ясно, что абсолютная погрешность вычисляется для каждого предела отдельно. Относительная погрешность определяется по формуле: ε = N N ∙100%, (2) где ΔN – абсолютная погрешность, N – значение измеряемой величины. Из формулы (2) следует, что при N→N в. , т.е. стрелка прибора находится вблизи верхнего предела шкалы, относительная погрешность будет наименьшей. Цена деления шкалы прибора. Под ценой деления понимают скольким единицам измеряемой величины соответствует наименьшее деление шкалы. Делением называется интервал между соседними штрихами. 43 Работа №2 ТИТУЛЬНЫЙ ЛИСТ. ГОУВПО «СМОЛЕНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ РОСЗДРАВА» ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ЗДРАВООХРАНЕНИЮ И СОЦИ- АЛЬНОМУ РАЗВИТИЮ» Кафедра медицинской и биологической физики Тема: Аналоговые измерительные приборы Лабораторная работа 2а Электроизмерительные приборы Студент:_________________________ Группа: _________________________ Преподаватель:___________________ Дата:____________________________ Смоленск 44 Цели и задачи Студент должен изучить основные характеристики приборов: название приборов, род тока, положение приборов при измерениях, класс точности прибора; научиться определять цену деления однопредельного и многопре- дельного приборов; должен научиться определять электрический сигнал (напряжение) многопредельным вольтметром и ламповым вольтметром. Освоить: 1. Измерение величины электрического сигнала при помощи однопре- дельного прибора; 2. Измерение величины электрического сигнала при помощи многопре- дельного прибора; 3. Измерение напряжения ламповым вольтметром. Приборы и принадлежности. Набор измерительных головок для изме- рения токов и напряжений; макет, состоящий из генератора синусоидальных колебаний, лампового многопредельного вольтметра и соединительных про- водов. Краткое теоретическое введение Внешний вид измерительных головок различных систем рис.1. Рис.1. Некоторые виды измерительных головок 45 (а) (б) Рис. 2. Внешний вид шкалы многопредельного (а) и однопредельного (б) приборов 46 2.3 Практическая часть Задание 1. Определение цены деления и производство отсчётов по однопредельным электроизмерительным приборам. Однопредельные электроизмерительные приборы имеют только два электрических зажима и их обозначение указано на его шкале в виде стан- дартного условного обозначения единицы величины, для измерения которой предназначен прибор. Цифры на шкале прибора – единицы измеряемой вели- чины. 1.1. Определить название прибора, измеряемую величину, единицу измерения. 1.2. Определить цену деления прибора для этого: a. Определить разность любых двух соседних чисел, обозна- ченных на шкале ( N 2 – N 1 ) b. Сосчитать n – число маленьких делений, расположенных между этими числами. c. Вычислить цену деления, а по формуле: a = n N N 1 2 (1) 1.3. Измерить величину электрического сигнала N по указанию преподавателя. Для этого: a. К ближайшему именованному штриху на шкале прибора, расположенному слева от стрелки прибора, прибавить число маленьких делений расположенных правее этого именованного штриха до стрелки прибора, умноженное на цену деления. b. Определить абсолютную ∆N и относительную ε погреш- ности по формулам. 1.4. Начертить таблицу 1, занести в неё полученные данные. Все расчёты записать ниже таблицы 1 по форме: формула в бук- вах, она же в цифрах, окончательный результат с указанием единиц из- мерений. Задание 2. Определение цены деления и производство отсчётов по многопредельным электроизмерительным приборам. Многопредельные электроизмерительные приборы имеют либо не- сколько электрических зажимов, либо два электрических зажима и пере- ключатель пределов измерений. В первом случае общий зажим для всех 47 пределов обозначен «*», а возле каждого другого зажима указывается верхний предел измерения. Во втором случае - верхний предел измерения выбирается с помощью переключателя пределов. Название многопредельных приборов, как правило, указывается под шкалой прописью. Цифры на шкале многопредельного прибора выражают не число единиц измеряемой величины, а показания прибора в делениях. 2.1. Определить название прибора, измеряемую величину, количе- ство пределов измерения, единицы измерения. 2.2. Подобрать рабочий предел (N н. – N в. ) так, чтобы при измере- нии стрелка прибора находилась на одной трети шкалы от начала от- счёта и далее. При этом относительная ошибка измерения будет мини- мальной. 2.3. Определить цену деления прибора, а при выбранном рабочем пределе, руководствуясь следующим правилом. Для определения цены делений многопредельного прибора нужно предел измерения N в. разде- лить на число, стоящее у конца шкалы N шк. ., так как оно выражает об- щее число делений на шкале прибора. Понятно, что цены делений при различных пределах измерения будут разными, причём с увеличением предела в несколько раз во столько же раз увеличится и цена делений. 2.4. Определить показание прибора. Для этого число делений, ука- зываемое стрелкой прибора, нужно умножить на цену деления прибора на данном рабочем пределе. 2.5. Определить абсолютную и относительную погрешности при- бора. 2.6. Начертить таблицу 2, занести в неё полученные данные. Все расчёты записать ниже таблицы 2 по форме: формула в буквах, она же в цифрах, окончательный результат с указанием единиц измерений. Задание 3. Измерение напряжения многошкальным электро- измерительным прибором (ламповым вольтметром). 3.1. Ознакомиться с ламповым вольтметром. 3.2. Измерить напряжение, выдаваемое звуковым генератором на определённой частоте по указанию преподавателя. Для этого проде- лать следующее: a. Выбрать рабочий предел, добившись с помощью переключателя пределов того, чтобы стрелка прибора находилась в рабочей обла- сти шкалы (не менее 1/3 части шкалы). При этом, если стрелка воль- тметра находится в левой части шкалы – выбранный предел – велик и его необходимо уменьшить; если прибор зашкаливает – выбран- ный предел мал и его необходимо увеличить. b. Определить рабочую шкалу при данном положении переключателя пределов, исходя из соображений удобства измерения величины напряжения. Если переключатель пределов находится в положениях 48 1, 10, 100 В или мВ, то рабочую шкалу выбираем ту, в конце которой стоит число 10. Если переключатель пределов находится в положе- нии 3, 30, 300 В или мВ, измерения проводим по той шкале, в конце которой стоит число 30. c. Определить по рабочей шкале показание вольтметра, считая его од- нопредельным прибором (это будет показание прибора в делениях). d. Рассчитать коэффициент пересчёта по формуле: К пересчёта = шк. N N B , (2) где N в. – верхнее значение рабочего предела, N шк. – число, стоящее в конце рабочей шкалы. e. Определить измеряемую величину, умножив показание прибора в делениях на К пересчета f. Определить абсолютную и относительную погрешности прибора. g. Записать в отчёт окончательный результат измерения с указанием абсолютной и относительной ошибки полученного результата. 2.4 Обработка результатов эксперимента Таблицы измеренных параметров приборов 49 2.5 Выводы по работе Вопросы для самоконтроля 1. Определите важнейшие характеристики прибора по его внешнему виду и условным обозначениям на шкале. 2. По каким признакам можно отличить многопредельный прибор от однопредельного? 3. Определить абсолютную и относительную погрешность измерения, зная класс точности прибора. 4. Измерить величину тока или напряжения с равномерной и неравно- мерной шкалой. 5. Измерить величину напряжения многопредельным прибором с наименьшей относительной погрешностью и записать результат из- мерения. Основная литература Кириллов С.К., Клементьев В.Н., Адамов П.Г., Козлова Е.К. Меди- цинская и биологическая физика с основами медицинской электроники (Учебное пособие для студентов первого курса СГМА по подготовке к эк- замену по медицинской и биологической физике). Смоленск, 2004.—155с. Дополнительная литература Методические указания для студентов. / Под ред. А.И. Смирнова, СГМА, 1985, выпуск 4, стр. 3 – 17. 50 Работа №3. Лабораторная работа 2б Тема занятия Электронный осциллограф 2.3.1. Цели и задачи 1. Студент должен ознакомиться с устройством электронного осциллографа; знать основные органы управления; знать основные харак- теристики ЭЛТ; 2. Уметь получать устойчивую осциллограмму; знать условия получения устойчивой осциллограммы; 3. Уметь определять величину выходного напряжения звукового генератора с помощью электронного осциллографа; 4. Уметь определять частоту и длительность исследуемого сигнала с помо- щью метода «меток». 2.3.2. Приборы и принадлежности Звуковой генератор ГЗ-34, электронный осциллограф С1-68, соединитель- ные провода. 2.3.3. Вопросы к занятию 1. Что такое электронный осциллограф? Для чего он используется? 2. Нарисуйте блок-схему электронного осциллографа и поясните назна- чение основных его блоков. 3. Нарисуйте электронно-лучевую трубку и объясните принцип её рабо- ты. 4. Что такое развёртка? Виды развёртки в электронном осциллографе и их назначение. 5. Как получить устойчивое изображение на экране осциллографа? 6. Какие основные ручки управления имеет электронный осциллограф? Каково их назначение? 51 7. Как можно измерить амплитуду исследуемого напряжения? Коротко опишите методику измерения. 8. Какие существуют способы измерения частоты исследуемого сигна- ла? Коротко опишите сущность этих способов. 9. Нарисуйте схему и опишите принцип действия генератора пилооб- разного напряжения на неоновой лампе. 10. Что такое электрический импульс? Виды импульсов. 11. Что такое видео импульсы? Виды видео импульсов (ответ поясните рисунками). 12. Что такое радиоимпульсы? (ответ поясните рисунками) 13. Нарисуйте трапециидальный электрический импульс, обозначьте ха- рактерные участки импульса, сделайте пояснения. 14. Что такое длительность импульса? Как можно её определить? (ответ поясните рисунком) 15. Что такое крутизна фронта импульса? Как можно её определить? (от- вет поясните рисунком) 16. Что такое скважность и коэффициент заполнения импульсного тока? Как можно рассчитать эти параметры? 2.3.4. Теоретическое введение Важной задачей современной техники является исследование кратковре- менных процессов, протекающих с очень большой скоростью. Одним из прибо- ров, дающим возможность регистрировать кратковременные процессы длитель- ностью 10 -7 – 10 -9 с, является электронный осциллограф. Осциллограф универ- сальный С1-68 предназначен для наблюдения и исследования формы электри- ческих процессов путем визуального наблюдения и измерения их временных и амплитудных значений. По точности воспроизведения сигнала, измерения вре- менных и амплитудных значений прибор относится ко 2—3 классам ГОСТ 22737-77. Структурная схема осциллографа (рис. 1) состоит из следующих со- ставных частей: входного аттенюатора; входного каскада усилителя вертикального отклонения луча; предварительного каскада усилителя вертикального отклонения луча; оконечного каскада усилителя вертикального отклонения луча; калибратора амплитуды и времени; схемы синхронизации; триггера управления разверсткой; генератора пилообразного напряжения; схемы блокировки запуска; 52 схемы формирования блокирующих импульсов; выходного усилителя развертки; блока питания; электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Исследуемый сигнал подается на гнездо При помощи входного аттенюатора, который представляет собой ком- пенсированный делитель напряжения, выбирают величину сигнала удоб- ную для наблюдения и исследования на экране ЭЛТ; Усилитель вертикаль- ного отклонения луча усиливает сигнал до необходимой величины перед по- ступлением его на вертикально-отклоняющие пластины. Для запуска и син- хронизации развертки может быть использован исследуемый сигнал, уси- ленный усилителем вертикального отклонения луча. Отрегулируйте ручкой «ШКАЛА» яркость подсвета делений на шкале ЭЛТ. Фильтр перед экраном ЭЛ Т служит для увеличения кон- трастности изображения, а также для устранения бликов и отражений от по- верхности экрана ЭЛТ, На экране ЭЛТ нанесена шкала, используемая для измерений по вертикали и горизонтали. Шкала разделена на 6 десятимилли- метровых делений по вертикали и 8 десятимиллиметровых делений по гори- зонтали. На осевых линиях шкалы каждое большое деление разделено на 10 равных частей. Подайте исследуемый сигнал на гнездо усилителя вертикального отклонения. Для подключения исследуемого сигнала в комплект прибора входят соединительные кабели и выносной дели- тель. При подключении кабеля входное сопротивление прибора равно 1 МОм с параллельной емкостью, величина которой зависит от типа используемого ка- беля. Пользуйтесь .выносным делителем во всех случаях при исследовании сиг- налов с амплитудой от 0,1В до 300 В при необходимости увеличения входно- го сопротивления прибора и уменьшения входной емкости. При подключе- нии выносного делителя входное сопротивление прибора становится равным 10 МОм при параллельной емкостью не более 15 пФ. Для проведения необходимых наблюдений и измерений исследуемых сиг- налов изображение на экране прибора должно быть устойчивым и иметь величину, удобную для рассмотрения. Для этого требуется установить необхо- димый вид связи и ослабление входного делителя усилителя вертикального от- клонения, режим работы развертки, вид синхронизации. 53 Переключатель входа выбирает вид связи канала вер- тикального отклонения с источником исследуемого сигнала, В положе- нии связь с источником исследуемого сигнала осуществляется по по- стоянному току. Этот режим может быть использован в подавляющем большинстве случаев.Однако, если постоянная составляющая исследуемого сигнала намного больше переменной, то целесообразно выбрать связь источ- ника исследуемого сигнала с каналом вертикального отклонения по перемен- ному току тогда конденсатор входной цепи пропускает постоянную со- ставляющую. Значение коэффициента отклонения усилителя вертикального откло- нения, обозначенное на передней панели верно лишь при крайнем правом положении ручки «УСИЛЕНИЕ», которая спа- рена с переключателем входного аттенюатора и имеет в крайнем пра- вом положении механическую фиксацию. Установите ручкой «СТАБ.» режим работы развертки (ждущий, автоколебательный). Поверните ручку «СТАБ .» вправо до появления развертки, получите автоколеба- тельный режим. 54 Рис. 1. Структурная схема осциллографа 55 Поворотом ручки влево на от точки срыва развертки устанав- ливается ждущий режим. Выберите источник синхронизации переключателем вида синхронизации («СЕТЬ, ВНУТР., ВНЕШ.»), Внутренняя синхрони за ция м о же т б ы т ь ис по л ьз о ва на в б о л ьш ин ст в е с л учае в. В положении переключателя «ВНУТР.» сигнал поступает из канала вертикального отклонения луча. В положении переключателя «ВНЕШ.» синхронизация осуществляется внешним сигналом, подаваемым на гнездо ВНЕШ.». Для получе- ния устойчивой синхронизации исследуемого процесса внешний сигнал должен зависеть во времени от исследуемого сигнала. Внешний сигнал для синхронизации используется в том случае, если внутренний синхрони- зирующий сигнал слишком мал или содержит составляющие нежелатель- ные для синхронизации. Этот режим удобен тем, что позволяет исследо- вать сигналы различной амплитуды, частоты и формы без перестройки регулировок синхронизации. Переключатель полярности синхронизации дает возможность выбирать вид связи и полярность сигнала, запускаю- щего развертку. В положении переключателя обеспечивается устойчивая синхрони- зация сигналами частотой от 1 Гц до 1 МГц, а также сигналами с малой частотой повторения. В этом режиме ручкой вертикального канала можно изменять уровень за- пуска. В положении «» постоянная составляющая запускающего сигна- ла не поступает на вход схемы синхронизации. Этот режим запуска мо- жет быть использован в большинстве случаев при частоте сигнала от 50 Гц до 1 МГц. Выберите ручкой «УРОВЕНЬ» точку на синхронизирующем сигнале, в которой запускается схема развертки. Когда ручка «УРОВЕНЬ» вращается в правую сторону, схема синхронизации запускается более положительным участком запускающего сигнала, а при вращении в левую сторону — более отрицательным участком запускающего сигнала. Получите устойчивое изображение на экране ЭЛТ, выбрав источник синхронизации, режим запуска развертки и полярность запуска. Установите длительность развертки такой, чтобы можно было наблю- дать форму исследуемого сигнала при помощи ручки и тумблера множителя Плавная регулировка длительности развертки осуществляется при помощи ручки «ДЛИТЕЛЬНОСТЬ», спаренной с ручкой переключателя , Значения длительности развертки, обозначенные на передней панели прибора, верны в крайнем правом положении ручки «ДЛИТЕЛЬ- НОСТЬ». В этом положении ручка потенциометра имеет механическую фикса- цию. |