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

1. 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.

2. 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.

3. Индуктивные преобразователи – датчики, у которых под влиянием исследуемой величины изменяется индуктивное сопротивление X_L 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 X_L и, соответственно, изменяется сила тока в цепи.

.

Генераторные датчики

1. 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.

2. 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.

3. 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

1. функциональная зависимость выходной величины «у» от входной «х», т.е. у=f(х);

2. чувствительность датчика (отношение изменения сигнала на выходе преобразователя к вызываемому его изменению измеряемой величины );

3. диапазон (х₁ и х₂) входных величин, измерение которых производится без заметных искажений.

4. время реакции – минимальное время, в течение которого происходит установка выходной величины на уровень, соответствующий уровню входной величины.

5. 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 I_ВД = 0 (рис. 2), тогда по закону Ома:

т.е. _В = _Д.

С

Рис. 2.

Схема включения

измерительного моста Уитстона

ледовательно: _А - _В = _А - _Д (т.к._В = _Д)

и _В - _С = _Д - _С

или U_АВ = U_АД и U_ВС = U_ДС (1)

Т.к. I_ВД = 0, то I_АВ = I_ВС = I₁ (обозначим как I₁) и

I_АД = I_ДС = I₂ (обозначим как I₂).

Из закона Ома условия (1) можно записать в следующем виде: I₁ R_АВ = I₂  R_АД

I₁ R_ВС = I₂  R_ДС

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 R_АД/R_ДС в данном случае равно просто отношению длин участков АД и ДС проволоки: .

При измерении R_X 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 R_X = R₁ (l₂/l₃) рассчитать сопротивление термистора R_X для указанных температур.

6. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 1:

Таблица 1

№ n/n	TС	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 R_X термистора через каждые 10С согласно пунктам 4 и 5.

8. Выключить из сети электроплитку и макет.

9

Рис. 4.

График зависимости

сопротивления термистора

от температуры

. По полученным данным построить график зависимости R_X =  (tС) и по формуле: Z_T = R_X / t (кОм/град) найти 2 значения чувствительности Z_T термистора в начале и конце графика (см. график). Сравнить полученные значения и объяснить физическую природу их различия.

33