Учебное пособие 1559

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный технический университет»

Кафедра системного анализа и управления в медицинских системах

-2018

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Методические указания к выполнению лабораторной работы № 4

по дисциплине «Измерительные преобразователи и электроды»для студентов направления 12.03.04 «Биотехнические системы и технологии», направленности «Биотехнические и медицинские аппараты и системы») очной формы обучения

САУМС

Воронеж 2018

1

УДК 681.3(075.8) ББК 32.37Я7

Составитель

В. Н. Коровин, канд. техн. наук

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ: методические указания к выполнению лабораторной работы № 4» для студентов направления 12.03.04 «Биотехнические системы и технологии», направленности «Биотехнические и медицинские аппараты и системы» очной формы обучения / ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»; сост.: В. Н. Коровин. - Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2018. – 28 с.

Методические указания предназначены для проведения лабораторной работы по дисциплине «Измерительные преобразователи и электроды».

Предназначены для студентов 4-го курса. Методические указания подготовлены в электронном

виде и содержатся в файле ЛР№4_ИПиЭ_Параметры среды.

Табл. 4. Ил. 15. Библиогр.: 5 назв.

УДК 681.3(075.8) ББК 32.37Я7

Рецензент – Е. А. Назаренко, д-р мед. наук, проф.

Издается по решению учебно-методического совета Воронежского государственного технического университета

2

Лабораторная работа № 4

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Цели:

1.Исследование зависимости тока и напряжения солнечных батарей при последовательном и параллельном соединениях.

2.Изучение зависимости мощности солнечной батареи от площади ее поверхности.

3.Изучение зависимости мощности солнечной батареи от интенсивности светового излучения.

4.Исследование параметров при прямом и обратном включении солнечной батареи.

5.Изучение зависимости мощности солнечной батареи от длины волны воздействующего света.

1.Теоретическая часть

1.1.Освещённость. Люксметр

Любой источник света является источником светового потока, и чем больший световой поток попадает на поверхность освещаемого предмета, тем лучше этот предмет видно. Физическая величина, численно равная световому потоку, падающему на единицу площади освещаемой поверхности, именуется освещенностью. Освещенность обозначают символом Е, и находят ее значение по формуле

Е = Ф/S,

где Ф – световой поток, а S – площадь освещаемой поверхности. В системе СИ освещенность измеряется в Люксах (Лк), и один Люкс — это освещенность, при которой световой поток, попадающий на один квадратный метр освещаемого тела, равен одному Люмену. То есть 1 Люкс = 1 Люмен/1 м2.

3

Освещённость прямо пропорциональна силе света источника света. При удалении его от освещаемой поверхности её освещённость уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния.

Когда лучи света падают наклонно к освещаемой поверхности, освещённость уменьшается пропорционально косинусу угла падения лучей. Освещённость Ev от точечного источника находят по формуле

,

где Iv – сила света в канделах; r – расстояние до источника света; i – угол падения лучей света относительно нормали к поверхности.

Освещение бывает естественным и искусственным. Источниками естественного освещения являются солнце, луна (отражённый ею свет солнца), рассеянный свет небосвода. Источниками искусственного освещения являются разного рода формы и конструкции, лампы и светильники, свет дисплеев компьютеров и мобильных устройств, экраны телевизоров и так далее. Существуют определённые нормы освещённости, которым должны соответствовать офисные и иные нежилые здания. Уровни освещенности относятся ко всему помещению или к зоне этого помещения – рабочей поверхности, расположенной обычно на высоте 0,85 м над поверхностью пола. В табл. 1 приведены нормы освещенности для некоторых учреждений.

Освещенность измеряют портативным прибором – люксметром (рис. 1). Принцип работы люксметра основан на явлении фотоэлектрического эффекта. Свет при попадании на полупроводниковый фотоэлемент передает свою энергию электронам. В результате происходит высвобождение электронов в объеме полупроводника, вследствие чего через фотоэлемент начинает проходить ток. Величина силы тока пропорциональна освещенности фотоэлемента.

4

Рис. 1. Внешний вид люксметра DT-1300

Например, в яркий солнечный день освещенность составляет от 32 тысяч до 130 тысяч люкс, а при полнолунии в ясном небе – всего 0,27 люкс.

5

В первых аналоговых люксметрах шкалой служил гальванометр, проградуированный в люксах. Освещенность вычислялась по углу отклонения стрелки гальванометра. Сейчас широкое распространение получил цифровой портативный люксметр. Такие приборы отображают результат на цифровом жидкокристаллическом экране. Корпус портативного люксметра сделан из прочного материала, а приемная часть прибора покрыта матовым стеклом для защиты фотоэлемента от механических повреждений и попадания на него прямых солнечных лучей. Измерительная часть прибора может быть жестко закреплена с корпусом, или соединятся с ним посредством гибкого провода. Последний тип соединения позволяет измерять освещенность в труднодоступных местах.

Измерительный элемент люксметра – фотоэлемент – состоит из стальной пластины, на которую нанесен светочувствительный слой селена (рис. 2). На поверхность селена напылен тончайший (5 нм) полупрозрачный слой золота или платины. Между этими двумя слоями образуется так называемый «запирающий слой» с односторонней проводимостью. Стальная пластина и полупрозрачный слой являются двумя электродами.

При освещении фотоэлемента между этими электродами возникает фототок, пропорциональный падающему световому потоку. Величину фототока регистрирует миллиамперметр, проградуированный в люксах.

Рис. 2. Упрощённая схема люксметра с селеновым фотоэлементом

Обычно при использовании люксметра в бытовых нуждах (например, при измерении освещенности в жилой ком-

6

нате или на рабочем месте) нет необходимости применять дополнительные приспособления. Если же возникает проблема измерения очень высокого уровня освещенности (больше 100 тысяч люкс), используют специальную светорассеивающую или светопоглощающую насадку. При этом показания люксметра необходимо умножать на поправочный коэффициент, который корректирует приборное значение, полученное при определенных условиях измерения с тем, чтобы согласовывать это значение со значением, полученным при эталонных условиях измерения.

Фотоэлемент также является чувствительным к ультрафиолетовому и инфракрасному излучениям. Человеческий глаз не воспринимает свет в этом диапазоне. Поэтому многие люксметры имеют задерживающие фильтры в этих двух диапазонах. Нужно также учитывать, что различные источники света имеют разные спектры излучения. Это приводит к погрешности измерений прибора. Поэтому для каждого конкретного люксметра необходимо использовать свои поправочные коэффициенты для разных типов ламп.

Если стоит задача более точных измерений освещенности, необходимо приобрести люксметр с корригирующим светофильтром. Спектральная чувствительность таких приборов подбирается так, чтобы она максимально совпадала с чувствительностью человеческого глаза. Существуют также специальные насадки для повышения точности измерений при падении света под углом. Если необходимо составить пространственную карту освещенности помещения, используют насадки сферической или цилиндрической формы. Для бытовых целей нет нужды использовать специальные приспособления. Точности обычного люксметра вполне достаточно, чтобы провести необходимые оценки освещенности.

7

1.2. Микрофон

Микрофон – электроакустический прибор, преобразующий акустические колебания в электрический сигнал.

Принцип работы микрофона заключается в том, что давление звуковых колебаний воздуха, воды или твёрдого вещества действует на тонкую мембрану микрофона. В свою очередь, колебания мембраны возбуждают электрические колебания; в зависимости от типа микрофона для этого используются явление электромагнитной индукции, изменение ёмкости конденсаторов или пьезоэлектрический эффект.

Свойства акустико-механической системы сильно зависят от того, воздействует ли звуковое давление на одну сторону диафрагмы (микрофон давления) или на обе стороны, а во втором случае от того, симметрично ли это воздействие (микрофон градиента давления) или на одну из сторон диафрагмы действуют колебания, непосредственно возбуждающие её, а на вторую — прошедшие через какое-либо механическое или акустическое сопротивление или систему задержки времени (асимметричный микрофон градиента давления).

Микрофоны характеризуются следующими параметрами: Чувствительность микрофона — это отношение напряжения на выходе микрофона к воздействующему на него звуковому давлению при заданной частоте (как правило, 1000 Гц), выраженное в милливольтах на паскаль (мВ/Па). Чем больше это значение, тем выше чувствительность микрофона. Номинальный диапазон рабочих частот — диапазон частот, в котором микрофон воспринимает акустические ко-

лебания и в котором нормируются его параметры. Неравномерность частотной характеристики — раз-

ность между максимальным и минимальным уровнем чувствительности микрофона в номинальном диапазоне частот.

Модуль полного электрического сопротивления — нормированное значение выходного или внутреннего электрического сопротивления на частоте 1 кГц.

8

Характеристика направленности — зависимость чувствительности микрофона (в свободном поле на определённой частоте) от угла между осью микрофона и направлением на звук.

Уровень собственного шума микрофона — выраженное в децибелах отношение эффективного значения напряжения, обусловленного флуктуациями давления в окружающей среде и тепловыми шумами различных сопротивлений в электрической части микрофона, к напряжению, развиваемому микрофоном на нагрузке при воздействии на микрофон сигнала с эффективным давлением 1 Па.

Динамический диапазон микрофона – это разность между самым тихим сигналом и самым громким, который микрофон может воспроизвести без искажений.

Микрофоны классифицируются по способу преобразования акустических колебаний в электрические, а также по функциональному назначению. По способу преобразования выделяют несколько типов микрофонов:

1.Конденсаторные,

2.Электретные,

3.Динамические микрофоны (катушечного типа и ленточного типа),

4.Угольные,

5.Оптоакустические,

6.Пьезоэлектрические.

Конденсаторный микрофон (рис. 3) — представляет собой фактически конденсатор, включенный в электрическую цепь последовательно с источником напряжения постоянного тока (так называемое «фантомное питание») и активным нагрузочным сопротивлением.

9

Рис. 3. Схема конденсаторного микрофона

Выполненные из электропроводного материала мембрана и электрод разделены изолирующим кольцом и вместе представляют собой конденсатор. Жёстко натянутая мембрана под воздействием звукового давления совершает колебательные движения относительно неподвижного электрода.

При колебаниях мембраны ёмкость (а соответственно и заряд) конденсатора меняется с частотой воздействующего на мембрану звукового давления, в электрической цепи появляется переменный ток той же частоты и на нагрузочном сопротивлении возникает переменное напряжение, являющееся выходным сигналом микрофона.

Электретные микрофоны — представляют собой практически те же конденсаторные микрофоны, но постоянное напряжение в них обеспечивается зарядом электрета, тонким слоем нанесённого на мембрану и сохраняющим этот заряд продолжительное время (свыше 30 лет). Поскольку электретные микрофоны обладают высоким выходным импедансом (имеющим емкостный характер, конденсатор ёмкостью порядка десятков пФ), то для его уменьшения, как правило, в корпус микрофона встраивают истоковый повторитель на полевом n-каналыюм транзисторе с р-n переходом. Это позволяет снизить выходное сопротивление и уменьшить потери сигнала при подключении к входу усилителя сигнала микрофона. Ввиду наличия встроенного транзистора, несмотря на отсутствие необходимости в поляризующем напряжении, такие микрофоны требуют внешний источник электропитания (рис. 4)

10