Лабораторная работа №16
Электрические методы измерения
неэлектрических величин
Студент должен знать: структурную схему измерения неэлектрических величин электрическими методами, датчики температуры и их использование в медицине (проволочные и полупроводниковые термисторы, термопары), устройство электротермометра, вывод условия равновесия моста Уитстона, основные характеристики датчиков и требования, предъявляемые к ним при использовании их в медико-биологических исследованиях.
Студент должен уметь: собрать схему моста Уитстона, рассчитать неизвестное сопротивление, уметь пользоваться электроприборами.
Краткая теория
Электронная техника расширила исследовательские возможности в области не только электрических явлений, происходящих в живом организме, но и неэлектрических процессах, связанных с жизнедеятельностью организма.
Для преобразования неэлектрических (механических) величин, возникающих в живом организме, в электрический сигнал используются датчики, которые или преобразуют неэлектрическую величину (давление, пульс, тоны и шумы, возникающие в сердце при его сокращении и т.д.) в электрический сигнал или под влиянием неэлектрических величин меняют свои параметры.
Рис. 1.
Принципиальная схема измерения неэлектрических величин
1 – датчик
2 – усилитель
3 – передатчик
4 – канал связи
5 – приемник
6 – регистратор
Датчики делятся на параметрические и генераторные.
Параметрические датчики – устройства, у которых под действием механической величины меняется параметр датчика (сопротивление, емкость, индуктивность и т.д.).
Генераторные датчики – датчики, у которых под действием механической величины генерируется разность потенциалов.
Параметрические датчики
-
Проволочные тензометры – устройства, предназначенные для измерения механических деформаций и напряжений, возникающих в биологических объектах во время их жизнедеятельности. Это может быть изменение параметров грудной клетки при вдохе и выдохе, частоты дыхания, изменения давления и т.д. В этих датчиках изменяется сопротивление проводника под влиянием механической величины.
-
Емкостные преобразователи – датчики, в действии которых используется зависимость емкости конденсатора от расстояния между обкладками, площади обкладок и диэлектрической проницаемости среды между ними.
В медицине емкостной датчик можно использовать для измерения кровенаполнения сосудов пальца – емкостной плетизмограф.
-
Индуктивные преобразователи – датчики, у которых под влиянием исследуемой величины изменяется индуктивное сопротивление XL катушки преобразователя в зависимости от положения сердечника в катушке.
,
где L – индуктивность катушки,
ω – круговая частота.
Индуктивность катушки определяется уравнением:
,
n – число витков катушки,
l – длина соленоида,
S – площадь поперечного сечения соленоида,
μ – магнитная проницаемость,
μ0 – магнитная постоянная.
При изменении положения сердечника в катушке меняется XL и, соответственно, изменяется сила тока в цепи.
.
Генераторные датчики
-
Пьезодатчик – работает на принципе пьезоэффекта, заключающегося в том, что при растяжении или сжатии пластинок, изготовленных из определенных материалов (пьезокристаллов), на их гранях появляется разность потенциалов, величина которой пропорциональна действующей силе.
,
d – коэффициент пропорциональности между величиной заряда q и приложенной силы F.
C – емкость конденсатора.
-
Термодатчики – устройства, преобразующие изменение тепловой энергии в электрический сигнал. К ним относятся термопары, для которых разность потенциалов, возникающая на концах спаев пропорциональна разности температур: , где k – постоянная термопары.
-
Индукционные датчики – преобразователи, в которых механические перемещения постоянного магнита, расположенного между двумя неподвижными катушками (или, наоборот, перемещение катушек по отношению к магниту) вызывает в них индукционный ток, колебания которого отражают характер колебания магнита под действием механической величины.
,
- скорость изменения магнитного потока,
k – коэффициент пропорциональности.
Характеристики датчиков
-
функциональная зависимость выходной величины «у» от входной «х», т.е. у=f(х);
-
чувствительность датчика (отношение изменения сигнала на выходе преобразователя к вызываемому его изменению измеряемой величины );
-
диапазон (х1 и х2) входных величин, измерение которых производится без заметных искажений.
-
время реакции – минимальное время, в течение которого происходит установка выходной величины на уровень, соответствующий уровню входной величины.
-
частотная характеристика у=f(ν) при постоянном уровне входной величины x=const.
В данной работе рассматривается термоэлектрический датчик (полупроводник), у которого сопротивление зависит от температуры, т.е. R=f(t).
Измерение сопротивления полупроводника производят методом моста Уитстона, принципиальная схема которого приведена на рис.1
Условие равновесия моста Уитстона
Мост находится в равновесии, если IВД = 0 (рис. 2), тогда по закону Ома:
т.е. В = Д.
С
Рис. 2.
Схема включения
измерительного
моста Уитстона
и В - С = Д - С
или UАВ = UАД и UВС = UДС (1)
Т.к. IВД = 0, то IАВ = IВС = I1 (обозначим как I1) и
IАД = IДС = I2 (обозначим как I2).
Из закона Ома условия (1) можно записать в следующем виде: I1 RАВ = I2 RАД
I1 RВС = I2 RДС
После почленного деления получаем: или .
Т.е. формула - используется в данной работе для нахождения .
Порядок выполнения работы
Упражнение 1. Градуировка полупроводникового терморезистора (термистора)
Измерение сопротивления термистора производится с помощью мостовой схемы (рис. 2), в которой нижние плечи моста сопротивлением R2 и R3 изготовлены в виде реохорда – однородной проволоки АС постоянного сечения со скользящим по ней контактом Д. Поэтому отношение сопротивлений RАД/RДС в данном случае равно просто отношению длин участков АД и ДС проволоки: .
При измерении RX передвижением контакта Д добиваются отсутствия тока в гальванометре Г, тогда: .
где R1 – известное сопротивление. Полностью установка для градуировки термистора изображена на рис. 3.
Рис. 3.
Установка для градуировки термистора
1. Собрать установку согласно рис. 3.
2. Налить в сосуд воды на ¾ объема, поставить его на электроплитку и поместить в него термистор, находящийся внутри защитного футляра, и термометр, закрепленный на штативе.
3.После проверки установки преподавателем включить макет в сеть.
4.При выполнении работы необходимо устанавливать ручкой движка Д гальванометр на нуль при указанных температурах и отсчитывать значения l2 и l3 по шкале реохорда, где l2 – число делений шкалы от 0 до движка Д, а l3 – от движка до конца шкалы.
5. По формуле RX = R1 (l2/l3) рассчитать сопротивление термистора RX для указанных температур.
6. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 1:
Таблица 1
№ n/n |
TС |
l2 / l3 |
R1, кОм |
RX, кОм |
1 |
20 |
|
|
|
2 |
30 |
|
|
|
3 |
40 |
|
|
|
4 |
50 |
|
|
|
5 |
60 |
|
|
|
6 |
70 |
|
|
|
7. Включить электроплитку в сеть, и, нагревая воду, определить значение l2, l3 и сопротивление RX термистора через каждые 10С согласно пунктам 4 и 5.
8. Выключить из сети электроплитку и макет.
9
Рис. 4.
График зависимости
сопротивления
термистора
от температуры