- •355 Електростатика Розділ 4. Електродинаміка медико-біологічних систем
- •Електростатика
- •4.1.1. Основні характеристики електричного поля
- •4.1.2. Електричний диполь
- •4.1.3. Діелектрики, поляризація діелектриків
- •4.1.4. Діелектричні властивості біологічних тканин
- •4.1.5. П’єзоелектричний ефект
- •Постійний струм. Електропровідність біологічних тканин
- •4.2.1. Характеристики електричного струму
- •4.2.2. Електропровідність біологічних тканин і рідин
- •4.2.3. Дія електричного струму на живий організм
- •Магнітне поле
- •4.3.1. Магнітне поле у вакуумі і його характеристики
- •4.3.2. Закон Біо–Савара–Лапласа
- •4.3.3. Дія магнітного поля на рухомий електричний заряд. Сила Ампера і сила Лоренца
- •4.3.4. Магнітні властивості речовини
- •4.3.5. Магнітні властивості тканин організму, фізичні основи магнітобіології
- •Електромагнітні коливання
- •4.4.1. Рівняння електричних коливань
- •4.4.2. Вимушені електричні коливання, змінний струм
- •4.4.3. Повний опір кола змінного струму (імпеданс). Закон Ома для кола змінного струму
- •4.4.4. Імпеданс біологічних тканин
- •Електромагнітні хвилі
- •4.5.1. Струм зміщення
- •4.5.2. Рівняння Максвелла
- •4.5.3. Плоскі електромагнітні хвилі. Вектор Умова-Пойнтінга
- •4.5.4. Шкала електромагнітних хвиль
- •Семінар “Методика одержання, реєстрації та передачі медико-біологічної інформації”
- •Контрольні питання для підготовки до семінару
- •Додаткова література
- •Типові задачі з еталонами розв’язків
- •Теоретичні питання, що розглядаються на семінарі
- •Додаткові теоретичні відомості
- •4.6.1. Прилади для вимірювання електричних параметрів та їх класифікація
- •Точність вимірювальних приладів
- •4.6.2. Вимірювання сили струму, напруги, ерс, опору в електричному колі
- •Вимірювання опорів
- •Вимірювання невідомої ерс компенсаційним методом. Дільники напруги
- •4.6.3. Осцилографи, генератори, підсилювачі, датчики
- •Підсилення і генерація електричних сигналів
- •Електроди та датчики медико-біологічної інформації
- •Структурна схема кола для одерження, передачі і реєстрації медико-біологічної інформації
- •Завдання для перевірки кінцевого рівня знань
- •Хід роботи
- •Контрольні питання
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні питання
- •Хід роботи
- •Контрольні питання
- •Хід роботи
- •Обробка результатів вимірювань
- •Контрольні питання
Вимірювання невідомої ерс компенсаційним методом. Дільники напруги
Дільники напруги. Якщо напруга на затискачах джерела більша, ніж потрібно для живлення споживача, то використовують дільники напруги. Їх принцип роботи базується на простій залежності опору провідника від його довжини: R = L/S. Якщо напругу потрібно змінювати в ході експерименту, то використовують реостати із ковзаючим контактом. В коло струму вмикають один кінець обмотки реостата і ковзаючий контакт (мал. 4.45), таким чином отримують простий пристрій, який дозволяє знімати напругу в межах U0, де U0 – напруга між кінцями реостата, U – напруга між розімкненими точками b i с: U = U0r1/r, де r – повний опір реостата, r1 – опір його частини між затискачем d і ковзаючим контактом. Такий пристрій називають дільником напруги.
Схема, яка використовується для вимірювання ЕРС 1 компенсаційним методом, зображена на мал. 4.46. Два джерела та 1 увімкнені назустріч одне одному. Опори R1 та R2 – змінні, причому
R1 + R2 = R = const.
Якщо можна обмежитись не дуже високою точністю (~1%), то r – однорідний провідник з ковзаючим контактом (реоход). У більш точних вимірюваннях R1 і R2 – магазини опорів.
Мал. 4.45. |
Мал. 4.46. |
Виберемо позитивний напрямок обходу контура і обмежимося при цьому частинним випадком, коли внутрішні опори джерел значно менші за R1 та R2. Припустимо, що R1 і R2 підібрані таким чином, що струм через гальванометр дорівнює нулю. Тоді
I = i1, I(R1 + R2) = , IR1 = 1.
З двох останніх рівностей маємо
1 = . (4.100)
Ця рівність і лежить в основі вимірювання ЕРС 1 компенсаційним методом.
4.6.3. Осцилографи, генератори, підсилювачі, датчики
Електронний осцилограф – прилад, який використовується для дослідження періодичних та аперіодичних процесів. За його допомогою можна спостерігати криві періодичного процесу, вимірювати напругу, фазу, глибину модуляції.
Блок-схема найпростішого осцилографа представлена на мал. 4.47 і містить: електронно-променеву трубку (ЕПТ); блок живлення (БЖ), генератор горизонтальної розгортки (ГР), який подає пилкоподібну напругу, підсилювач вертикального відхилення (ПідсY), який дозволяє збільшувати амплітуду досліджуваного сигналу, блок синхронізації (БС), дільники напруги.
До складу електронно-променевої трубки, яка являє собою вакуумну колбу, входить ряд електродів (електронна гармата), котрі фокусують пучок на екрані трубки і надають електронам необхідну швидкість (мал. 4.48).
Мал. 4.47. |
Мал. 4.48. |
Крім вказаних електродів, у трубці знаходяться вертикально (Y) і горизонтально (X) відхиляючі пластини, а також електрод А3, завдяки якому відводять електрони, що накопичуються на екрані.
Блок синхронізації. Частота генератора не зовсім стабільна з ряду причин – флуктуації напруги й опору залежно від змін навколишніх умов та інших причин. Джерела досліджуваних сигналів також не стабільні. Це приводить до нестійкості осцилограми. Для усунення цього недоліку генератор горизонтальної розгортки узгоджують з досліджуваним сигналом, примушуючи їх працювати синхронно. Цю функцію в електронному осцилографі виконує блок синхронізації.
Блок живлення. Забезпечує необхідну постійну напругу на електродах електронно-променевої трубки. До катода трубки прикладається негативна напруга більше 1000 В, а до анода – позитивна напруга до 5 кВ. Блок забезпечує також живлення нитки розжарення електронно-променевої трубки.
Г
Мал.
4.49.
Для спостереження синусоїдальних коливань (напруг) служить неперервна розгортка. Якщо спостерігаються процеси, які повторюються через неоднакові проміжки часу чи мають вигляд аперіодичних або одноразових імпульсів, то тривалість розгортки повинна бути трохи більшою, ніж тривалість досліджуваного сигналу. Такі розгортки називаються очікуючими чи одноразовими. Генератори такої розгортки приводяться в дію за допомогою зовнішнього пускового сигналу, під дією якого генератор очікуючої розгортки створює тільки один пилкоподібний імпульс. Часто генератор очікуючої розгортки сам виробляє сигнал, тоді відпадає необхідність синхронізації.
Генератор міток часу. Сучасні осцилографи високого класу мають генератор міток часу або калібратор тривалості. Короткі імпульси цього генератора певної частоти підсилюються і подаються на модулятор. Позитивний потенціал модулятора утворює на осцилограмі ряд яскравих точок, негативний – утворює ряд менш яскравих, ніж осцилограми, точок. Точність визначення тривалості процесів зростає зі збільшенням кількості відміток часу на осцилограмі.
Генератор калібрувального сигналу. Щоб вимірювати напругу, необхідно порівняти досліджуваний сигнал із сигналом каліброваної напруги – тобто такої, що має точно визначену величину. Для її отримання в осцилографі існує спеціальний генератор, який працює від стабілізатора напруги. За допомогою калібрувального сигналу визначають ціну поділки Z = Uк (B)/Aк (мм) або, якщо сітка екрана проградуйована, перевіряють правильність роботи приладу. Генератор калібрувального сигналу є не тільки в осцилографі, а і в більшості вимірювальних приладів (цифрових вольтметрах, реографах, кардіографах тощо).
Отримання осцилограм. На екрані електронно-променевої трубки буде видно вертикальну світну лінію, якщо на вертикально відхилюючі пластини (Х) подати змінну напругу. Якщо змінну напругу подати на горизонтально відхилюючі пластини (Y), то на екрані трубки буде горизонтальна лінія. Якщо ж змінну напругу одночасно подати на вертикально та горизонтально відхилюючі пластини, то на екрані буде осцилограма, вигляд якої залежатиме від співвідношення частот, амплітуд і фаз сигналів, які подані на пластини Х та Y.
Для того щоб отримати стійку осцилограму на екрані електронно-променевої трубки, необхідно на Y-пластини подавати досліджувану напругу, а на X – пилкоподібну напругу. Частоти цих напруг повинні бути або рівними або кратними одна одній.
Отже, основними параметрами ЕО є:
1. Чутливість S електронно-променевої трубки – відношення зміщення електронного променя (в мм) до величини напруги (у Вольтах) на відхиляючих пластинах, якою викликане це зміщення:
Sy = Y/Uу (мм/В); Sх = X/Uх (мм/В).
2. Коефіцієнт підсилення за напругою K, який дорівнює відношенню амплітуди напруги на виході до амплітуди вхідного сигналу відповідного підсилювача (X чи Y):
.
3. Частотна смуга пропускання підсилювачів.