практикум часть 1. Практикум по медицинской и биологической физике учебное пособие для самостоятельной работы
 Скачать 34.72 Mb.
|
|
Тема занятия Изучение аналогового и комбинированного устройств отоб- ражения и регистрации информации 2.6.1. Цели и задачи 1. Студент должен изучить принцип работы комбинированного (электронно-лучевой трубки) и аналогового регистратора (электрокардио- граф). Научиться определять метрологические характеристики УОР. 2. Уметь сделать вывод о возможности применения УОР при регистра- ции биологических сигналов. 3. Изучить устройство, принцип действия, метрологические характери- стики вибратора с термозаписью, его преимущества и недостатки. 4. Принцип действия, метрологические характеристики электронно- лучевой трубки. 2.6.2. Приборы и принадлежности Звуковой генератор, электромагнитный вибратор от ЭКГ (аналоговое УОР), электроннолучевая трубка осциллографа (комбинированное УОР), соединительные провода. 2.6.3. Вопросы к занятию 1. Классификация УОР. Привести примеры различных типов УОР. 2. Каковы основные требования к УОР медицинского назначения. 3. Дискретные УОР, их классификация (основные представители). 4. Устройство, принцип действия, метрологические характеристики вибратора с термозаписью, его преимущества и недостатки. 5. Устройство, принцип действия фоторегистратора. 6. Нарисуйте амплитудную характеристику аналогового УОР, поясните по ней как определяются основные метрологические характеристи- ки. 7. Нарисуйте частотную характеристику аналогового УОР, поясните, как по ней определить частотный диапазон. 8. Устройство, принцип действия и основные метрологические харак- теристики электромагнитного вибратора. 9. Приведите классификацию последовательных принтеров. Принцип действия, метрологические характеристики матричного принтера. 106 10. Приведите классификацию последовательных принтеров. Принцип действия, метрологические характеристики пьезоэлектрического принтера. 11. Что такое принтер, классификация (ответ поясните примерами). 12. Приведите классификацию строчных принтеров. Принцип действия, метрологические характеристики ленточного принтера. 13. Приведите классификацию страничных принтеров. Принцип дей- ствия, метрологические характеристики феррографического принте- ра. 14. Приведите классификацию плоттеров. Принцип действия двухкоор- динатного плоттера. 15. Что такое комбинированные УОР, классификация (ответ поясните примерами). 16. Что такое дисплей, как получается растр на экране дисплея? 17. Принцип действия, метрологические характеристики электронно- лучевой трубки. 18. Что такое магнитные регистраторы и их разновидности. Принцип записи информации на магнитном носителе. 19. Типы магнитных регистраторов, метрологические характеристики, методы считывания информации. 2.6.4. Теоретическое введение Устройства отображения и регистрации информации (УОР) Основные требовании к УОР: 1. Минимальная погрешность; 2. Минимальная потребляемая мощность; 3. Высокая чувствительность; 4. Большой динамический диапазон; 5. Максимальный частотный диапазон; 6. Сохранение информации после регистрации; 7. Удобство считывания информации; 8. Минимальные габариты и масса; 9. Простота и надёжность. УОР: аналоговые; дискретные; комбинированные 107 АНАЛОГОВЫЕ УОР Чернильно-пишущий гальванометр: Частотный диапазон: 0 - 150 Гц. Амплитуда записи: 30 - 40 мм (при длине пера 100 - 120 мм). Преимущества: простота, наглядность записи, возможность многока- нальной записи (несколько параметров), дёшев. Недостатки: большая инертность (малая скорость записи), разбрызги- вание чернил, криволинейность записи. Струйный гальванометр: Частотный диапазон: 0 – 1000 Гц. Светолучевые регистраторы: Частотный диапазон: 0 – 10000 Гц. а б Рис. 1. Схемы теплового (а) и электрохимического (б) регистраторов. Стрелочные приборы Самописцы Светочувствительные регистраторы (фоторе- гистраторы) Перьевые Тепловые Струйные Электрохимические 108 Рис.2. Схемы электромагнитного вибратора (а), струйного само- писца (б), рамочного (в) и шлейфного (г) магнитоэлектрических гальванометров. Дискретные УОР Циф- ровые ин- дикаторы Сигнали- зир. устрой- ства Прин- теры Плот- теры Системы вывода рече- вой инфор- мации 109 Рис.3. Индикаторы: оптические (а), газоразрядные (б), электролюминес- центные (в). Принтеры Последовательные Строчные Страничные Ударные Безударные Лазерные Феррографические Литерные Матричные Барабанные Ленточные (10 зн/с) (до 150 зн/с) (20-25 строк/мин) (до 600 строк/мин) Струйные (непрерывного действия)- до 100 зн/с Пьезоэлектрические (дискретные) 110 Плоттеры Однокоординатные 2-х координатные (барабанные) (планшетные) Сигнализирующие устройства: звонки, зуммеры, световые табло. Речевые синтезаторы: устройства синтезирования звуков (до 300 и более слов). Комбинированные УОР ЭЛТ Магнитные регистраторы Осциллографические Запоминающие Дисплеи Символьные Графические Растровые (точечные) 2-х градационные (чёрно-белые) Тоновые Цветные Рис.4. Схема электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) временные диаграммы генератора развертки. 111 Магнитные регистраторы С последовательным доступом С прямым доступом НМЛ НГМД НЖМД Частотный диапазон: 20 – 20 000 Гц. Рис.5. Схема магнитной головки 2-зазор , 3-ферромагнитный сердечник, 4-обмотки. 112 Выполнение работы и составление отчета по лабораторной №6 ТИТУЛЬНЫЙ ЛИСТ ГОУВПО «СМОЛЕНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ РОСЗДРАВА» ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ЗДРАВООХРАНЕНИЮ И СОЦИ- АЛЬНОМУ РАЗВИТИЮ» Кафедра медицинской и биологической физики Тема: Медицинская электроника Лабораторная работа 4э Изучение аналогового и комбинированного устройств отобра- жения и регистрации информации Студент:_________________________ Группа: _________________________ Преподаватель:___________________ Дата:____________________________ Смоленск 113 6.2 Цели и задачи 1. Студент должен изучить принцип работы комбинированного (электронно-лучевой трубки) и аналогового регистратора (электрокардио- граф). Научиться определять метрологические характеристики УОР. 2. Уметь сделать вывод о возможности применения УОР при регистра- ции биологических сигналов. 3. Изучить устройство, принцип действия, метрологические характери- стики вибратора с термозаписью, его преимущества и недостатки. 4. Принцип действия, метрологические характеристики электронно- лучевой трубки. Основные понятия Классификацию УОР. Привести примеры различных типов УОР. Како- вы основные требования к УОР медицинского назначения. Устройство, принцип действия, метрологические характеристики вибратора с термоза- писью, его преимущества и недостатки. Электрокардиограф и его особенно- сти. Что такое комбинированные УОР, классификацию. Приборы и принадлежности Звуковой генератор, электромагнитный вибратор от ЭКГ (аналоговое УОР), электроннолучевая трубка осциллографа (комбинированное УОР ), соединительные провода. Рис.1. Электрокардиограф с термозаписью (аналоговое УОР) 114 Рис.2. Комбинированное УОР, электроннолучевая трубка осциллографа 6.3 Краткое теоретическое введение Устройства отображения и регистрации информации (УОР) Основные требовании к УОР: 1. Минимальная погрешность; 2. Минимальная потребляемая мощность; 3. Высокая чувствительность; 4. Большой динамический диапазон; 5. Максимальный частотный диапазон; 6. Сохранение информации после регистрации; 7. Удобство считывания информации; 8. Минимальные габариты и масса; 9. Простота и надёжность. УОР: аналоговые; дискретные; комбинированные 115 Метрологические характеристики УОР: L В А U вх мin U вх max U вх Амплитудная характеристика УОР 1. Динамический диапазон: m = U вх мах / U вх min . 2. Чувствительность: g = L / U вх . L 0,67 L max 3 дб 0 в Частотная характеристика УОР 3. Частотный диапазон: н --- в Электромагнитный вибратор является представителем аналоговых УОР. Электромагнитный вибратор с термозаписью: Частотный диапазон: 0 - 150 Гц. Амплитуда записи: 30 - 40 мм (при длине пера 100 - 120 мм). Преимущества: простота, наглядность записи, возможность многоканаль- ной записи (несколько параметров), дёшев. Недостатки: большая инертность (малая скорость записи), разбрызгивание чернил, криволинейность записи. Рис.3.Схема работы теплового регистрирующего устройства для электро- магнитного вибратора 116 Следует отметить, чтов настоящее время в практику входит третий, наиболее совершенный вид записи — тепловая. Запись производится писчи- ком (пером) особого устройства, на конце которого расположен продолговатый миниатюрный нагревательный элемент, питаемый электрическим током. За- пись производится на специальной черной (или цветной) бумаге, покрытой бе- лым легкоплавким слоем (воск с мелом). При движении кончика писчи- ка по бумаге верхний слой расплавляется и на белом фоне появляется черная (или цветная) линия записи. Запись происходит по прямой линии благодаря продолговатой форме нагревательного элемента (А—Б на рис.3), несмотря на то, что конец писчика (подобно чернильному перу) совершает дугообразные движения. С этой целью на столе, по которому движется бумага 3 (рис.3), в месте касания пера 2 устраивается узкий поперечный выступ 4. Двига- ясь по дуге (рис.), нагревательный элемент касается бумаги только вдоль это- го выступа и таким образом осуществляет прямую запись. Рис.4. Устройство электромагнитного вибратора 6.4 Практическая часть Задание 1. Определение метрологических характеристик ЭЛТ. 1. Проверить правильность соединения на стенде электронных приборов (осциллографа и звукового генератора). 2. Включить приборы в электрическую сеть с напряжением 220 В. 3. Добиться ручками управления осциллографа появления светового луча и сфокусировать ими изображение. Органами управления генерато- ра выставить частоту его выходного сигнала 20 Гц при нулевой ампли- туде. Снятие частотной характеристики ЭЛТ 1. Получить на выходе генератора ГЗ-33 такое напряжение, чтобы его амплитуда составила 50 мм размаха луча на ЭЛТ осциллографа при частоте сигнала 20 Гц. 2. Поддерживая постоянной величину выходного напряжения гене- 117 ратора изменять его частоту согласно данным таб. 1. Результаты запи- сать в таблицу. Таблица 1 ,Г ц 20 40 60 80 100 120 150 200 1000 2000 4000 6000 10000 15000 U в ых, В L, мм Снятие амплитудной характеристики ЭЛТ 1. Выставить на звуковом генераторе частоту выходного сигнала 1000Гц. 2. Менять амплитуду напряжения выходного сигнала генератора в интервале от 0 до величины, когда размах осциллограммы на ЭЛТ до- стигает 50-60 мм. Шаг изменения напряжение 2-3 В. 3. Результаты измерений записать в таблицу 2. Таблица 2 U вх, В 0 2 4 6 8 10 12 14 … 40 L,мм Задание 2. Определение метрологических характеристик перьевого регистратора. I 1. Ознакомиться с лабораторной установкой для исследования ана- логового УОР и подготовить ее к работе. 2. Проверить правильность соединения приборов стенда и работо- способность электрокардиографа (работоспособность перьевого реги- стратора). Нажать кнопку "Вкл." При включении стрелка индикатора ИП отклонится вправо. Нажав кнопку 'Запись' проверить запись колебаний от звукового генератора. Включить в электросеть генератор и электро- кардиограф. Снятие частотной характеристики перьевого регистратора 1. Установить начальную частоту сигнала звукового генератора = 20 Гц. 2. Установить выходное напряжение генератора (U вых ) = 40 В. В дальнейшем U вых поддерживать стабильным. 118 3. Менять частоту генератора с шагом 10 Гц в интервале 20 Гц – I50 Гц, при этом, каждый раз нажимать на кнопку 'Запись'. Примечание: при нажатии кнопки 'Запись' лента перьевого реги- стратора начинает двигаться с задержкой на время 3 с, необходимое для разогрева термического пера регистратора. Запись каждой частоты про- водить для участка бумажной регистрационной ленты длиной 20-30 мм. 4. Результаты измерений записать в таблицу 3. Таблица 3 ,Гц 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 150 U вх ,В L,мм Снятие амплитудной характеристики перьевого регистратора 1. Выставить на генераторе частоту, при которой наблюдается наибольшая амплитуда отклонения пишущего узла регистратора. 2. Уменьшить до 0 амплитуду выходного сигнала генератора и затем, изменяя ее с шагом U = 5 В, записать на ленте электрокардиографа раз- мах колебаний термического пера для каждого напряжения генератора. Частоту поддерживать постоянной для всех измерений. 3. Результаты измерений записать в таблицу 4. Таблица 4 U вх , В 0 5 10 15 20 25 30 35 … 50 L, мм 6.5 Обработка результатов эксперимента Электроннолучевая трубка По полученным данным построить частотную характеристику ЭЛТ (L =f ( ), при U вх = const). График строить в полулогарифмиче- ском масштабе. L,мм 119 L,мм Lg(ν) Рис. 5. Частотная характеристика Примечание: по оси 'X' отложить частоту в логарифмическом мас- штабе, а по оси 'Y' отложить полный размер осциллограммы. Зависи- мость построить на миллиметровой бумаге. . По полученной характеристике определить величину частотного диапазона ЭЛТ на уровне 3 децибела и записать его в отчет. Построить амплитудную характеристику ЭЛТ (L = f(U вх ), при = 1000 Гц). Отметить на построенной зависимости линейный участок. Опре- делить динамический диапазон и чувствительность ЭЛТ. L,мм U Вх , В Рис.6. Амплитудная характеристика 120 Перьевой регистратор Построить частотную характеристику перьевого регистратора (L=f(), при U вх =const). Обе величины откладывать в десятичном мас- штабе. По построенной зависимости определить частотный диапазон перь- евого регистратора на уровне затухания 3 децибела. L мм ν, Гц Рис.7. Частотная характеристика Построить амплитудную характеристику перьевого регистрато- ра L= f(U вх ), при =const. L, мм UВх,В Рис. 8. Амплитудная характеристика На амплитудной характеристике отметить линейный участок. Опре- делить по характеристике динамический диапазон и чувствительность перьевого регистратора. Сделать вывод, с учетом найденных в работе метрологических ха- 121 рактеристик УОР, о возможности применимости данных УОР для реги- страции биоэлектрических сигналов. Вопросы для самоконтроля 1. Какие метрологические характеристики можно определить по ампли- тудной характеристике УОР? 2. Какие метрологические характеристики можно определить по час- тотной характеристике УОР? 3. Как выбрать УОР для регистрации заданного биоэлектрического сигнала? 4. Как определить верхнюю граничную частоту перьевого регистратора' 5. Как определить динамический диапазон ЭЛТ по полученной характе- ристике? 6. Перечислить основные метрологические характеристики УОР, полу- ченные е работе и сделать вывод для анализа каких биоэлектриче- ских сигналов может быть использовано данное устройство? Основная литература 2. Курс физики: Учебник для вузов / А.Н. Ремизов, А.Я. Потапенко- 2-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2004.--720 с.: ил. 3. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика, изд. 3-е, испр. М.: Высшая школа, 1987. -- 643с. Дополнительная 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). 122 Приложение Таблица 1 Десятичные и кратные дольные единицы Мно житель Приставка Мно житель Приставка Наиме- нование Обо- значение Наиме- нование Обо- значение 10 18 10 15 10 12 10 9 10 6 10 3 10 2 10 экса пета тера гига мега кило гекто дека Э П Т Г М к г да 10 -1 10 -2 10 -3 10 -6 10 -9 10 -12 10 -15 10 -18 деци санти милли микро нано пико фемто атто д с м мк н п ф а Таблица 2 Значения t - критерия Стьюдента при различных уровнях надежности γ и объемах выборки n. n\γ 0,95 0,99 0,999 n\ 0,95 0,99 0,999 5 2,78 4,60 8,61 20 2,093 2,361 3,883 6 2,57 4,03 6,86 25 2,064 2,797 3,745 7 2,45 3,71 5,96 30 2,045 2,756 3,659 8 2,37 3,50 5,41 35 2,032 2,720 3,600 9 2,31 3,36 5.04 40 2,023 2,708 3,558 10 2,26 3,25 4,78 45 2,016 2,692 3,527 11 2,23 3,17 4,59 50 2,009 2,679 3,502 12 2,20 3,11 4,44 60 2,001 2,662 3,464 13 2,18 3,06 4,32 70 1,996 2,649 3,439 14 2,16 3,01 4,22 80 1,001 2,640 3,418 15 2,15 2,98 4,14 90 1,987 2,633 3,403 16 2,13 2,95 4,07 100 1,984 2,627 3,392 17 2,12 2,92 4,02 120 1,980 2,617 3,374 18 2,11 2,90 3,97 1,960 2,576 3,291 19 2,10 2,88 3,92 123 Таблица 3 Значения некоторых постоянных Величина Числовое значение Постоянная Больцмана k=1,380662*10 -28 Дж/К Постоянная Планка h=6,626176*10 -34 Дж*с Число Авогадро N=6,02200943* 10 28 моль -1 Атомная единица массы 1 a.e.м. = l,660555*10 -27 кг Газовая постоянная К=8,31441 Дж/моль*К Обьем 1 моля газа при нормальных условиях У=22,41383*10 -8 м з /моль Постоянная Стефана— Больцмана у=5,67032*10 -8 Вт/м 2 *К 4 Постоянная Вина b=2,89782*10 -8 м*К Заряд электрона е = 1,6021892*10 -19 Кл Масса покоя электрона m e =0,9109534*10 -30 кг Энергия, 1 электрон- вольта 1 эВ=1,60202*10 10 Дж Температура, соответ- ствующая 1эВ T=11606 К |