7.6. Светолучевые осциллографы

Светолучевые осциллографы относятся к регистри­рующим приборам прямого действия. Регистрация про­изводится обычным световым лучом или ультрафиолето­вым лучом на специальном фоточувствительном носите­ле, не имеющем диаграммной сетки.

Достоинствами светолучевых осциллографов по срав­нению с широко распространенными электронно-лучевы­ми осциллографами являются:

простота и удобство получения документа регистра­ции, особенно при регистрации на носителе типа УФ;

возможность одновременной регистрации на одном носителе многих (до нескольких десятков) исследуемых динамических процессов.

Основными достоинствами светолучевых осциллогра­фов по сравнению с ранее рассмотренными регистриру­ющими приборами прямого действия являются более ши­рокий диапазон частот регистрируемых электрических сигналов (от 0 до 30 ООО Гц) и возможность одновре­менной регистрации существенно большего числа сигна­лов.

Технические требования к светолучевым осциллогра­фам сформулированы в ГОСТ 9829-81.

В качестве измерительных механизмов в светолуче­вых осциллографах используются миниатюрные магни­тоэлектрические измерительные механизмы, называемые осциллографическими гальванометрами. Технические требования к осциллографическим гальванометрам (ОГ) сформулированы в ГОСТ 11013-81.

Основными узлами светолучевых осциллографов яв­ляются магнитный блок с осциллографическими гальва­нометрами, оптическая система, развертывающее уст­ройство и отметчик времени.

Кратко остановимся на основных узлах светолучевых осциллографов.

Магнитный блок с осциллографическими гальвано­метрами. В светолучевых осциллографах прежних вы­пусков применялись так называемые автономные ОГ. Такой ОГ имел собственный постоянный магнит, в воз­душном зазоре магнитопровода которого размещалась подвижная часть, выполненная в виде петли (петлевые ОГ) или в виде рамки на растяжках (рамочные ОГ). В большинстве современных светолучевых осциллогра­фов автономные ОГ не применяются, а применяются ос- циллографические гальванометры-вставки, не имеющие собственного постоянного магнита с магнитопроводом. Гальванометр-вставка (рис. 7.8, а) представляет собой подвижную часть магнитоэлектрического измерительно­го механизма (подвижная рамка на растяжках), за­ключенную в металлический немагнитный кожух с по­

люсными наконечниками из магнитомягкого материала. Обычно внешний диаметр кожуха равен 6 мм. Гальва­нометры-вставки помещаются экспериментатором в воз­душные зазоры магнитопровода одного большого посто­янного магнита. Выпускаемый промышленностью маг­нитный блок типа М1062 имеет в магнитопроводе гнез­да для размещения од­новременно 12 различ­ных ОГ с шагом в 9 мм.

1Ш.

V^s

цш

©

Основными требо­ваниями, предъявляе­мыми к осциллогра-

Рис. 7.8. Осциллографичес- кий гальванометр. а — общий вид; б — подвижная часть гальванометра с обмоточ­ным успокоением; в — подвиж­ная часть гальванометра с кар­касным успокоением.

а)

6)

фическим гальванометрам и существенно влияющими и на их конструктивное оформление, являются:

1. возможно больший частотный дапазон, а следо­вательно, и возможно большая частота собственных ко­лебаний подвижной части /о;

2. достаточно высокая чувствительность к току Si\

3. возможно меньший диаметр вставки для увеличе­ния числа одновременно устанавливаемых ОГ.

Значения fo и Si можно определить по следующим формулам:

<⁷¹>

где k — постоянный коэффициент; S'j — чувствитель­ность механизма ОГ к току (см. § 1.4 и 5.2).

Нетрудно видеть, что первые два требования к осцил- лографическим гальванометрам противоречивы. Действи­тельно, для увеличения значения f₀, определяемого (7.1), необходимо увеличивать удельный противодейст­вующий момент W. Однако увеличение значения W, как это видно из (7.2), ведет к уменьшению чувствительно­

сти Si. Для увеличения чувствительности Sj желательно увеличение числа витков w, однако это ведет к увеличе­нию момента инерции подвижной части и, как видно из (7.1), к уменьшению значения f₀. В связи с этим про­мышленность выпускает достаточно большое число раз­личных типов ОГ и их модификаций.

На рис. 7.8,6 и в показано конструктивное оформ­ление подвижных частей двух наиболее распространен­ных рамочных ОГ. На рис. 7.8, б изображена подвиж­ная часть ОГ с магнитоиндукционным обмоточным или жидкостным успокоением. Вращающий момент, так же как и в обычных магнитоэлектрических механизмах, со­здается взаимодействием исследуемого тока I в рамке 1, растянутой на блоках 2 с помощью растяжек 3, и по­ля постоянного магнита. Момент успокоения создается взаимодействием поля постоянного магнита и тока /_уСп, возникающего в цепи рамки от ЭДС, индуцированной в рамке при ее движении. Очевидно, что ток /_усп, а следо­вательно, и момент успокоения будут зависеть при обмо­точном успокоении в первую очередь от сопротивления цепи с рамкой. Оптимальным моментом успокоения счи­тают такой момент успокоения, который обеспечивает при заданной допустимой нелинейности амплитудно-час­тотной характеристики наибольшую рабочую полосу ча­стот О Г.

Нелинейность амплитудно-частотной характеристики ОГ с обмоточным успокоением в соответствии с ГОСТ 11013-81 должна быть не более ±5% в диапазоне частот от 0 до 0,60/о (±10% в диапазоне от 0 до 0,75 f₀).

Успокоение ОГ обычно характеризуют коэффициен­том р, называемым степенью успокоения (см. § 5.4). Оптимальное успокоение получают при |3=0,7-ь0,8.

Из сказанного следует, что у ОГ с обмоточным успо­коением в паспорте должно указываться значение внеш­него сопротивления, при котором обеспечивается опти­мальное значение р, а следовательно, и наибольшая воз­можная рабочая полоса частот.

При жидкостном успокоении подвижная часть ОГ заливается специальной жидкостью. Конечно, у такого ОГ присутствует и обмоточное успокоение, однако жид­костное успокоение превалирует над обмоточным успо­коением и поэтому внешнее сопротивление у таких ОГ во многих случаях может быть любым. Вязкость приме­няемых жидкостей зависит от температуры окружающей среды. Поэтому в современных светолучевых осцилло­графах для обеспечения оптимального значения р при­меняют термостатирование.

На рис. 7.8, в показана подвижная часть ОГ с маг- нитоиндукционным каркасным успокоением. Рамка 1 намотана па алюминиевой пластинке 5 с отверстиями для растяжек 3. При движении рамки в пластинке воз­никают вихревые токи, которые, взаимодействуя с по­лем постоянного магнита, и создают момент успокоения. Каркасное успокоение всегда превалирует над обмоточ­ным успокоением, и поэтому ОГ с каркасным успокое­нием, так же как и ОГ с жидкостным успокоением, мо­гут работать при оптимальном значении р независимо от значения внешнего сопротивления гальванометра.

Нетрудно видеть, что пластинка при каркасном ус­покоении существенно увеличивает момент инерции под­вижной части гальванометра и ухудшает его частотные свойства.

Все современные ОГ с широкой рабочей полосой час­тот имеют жидкостное успокоение. Наибольшую рабо­чую полосу частот имеет ОГ типа М042: 0—30 000 Гц при чувствительности S/=0,45 мм/(мА-м).

Выбор ОГ для регистрации данного процесса с воз­можно меньшим искажением зарегистрированной на но­сителе формы кривой с приемлемыми амплитудными значениями осуществляется в два этапа. В первую оче­редь производится выбор ОГ по его частотным свойст­вам, при этом учитывается возможная погрешность ре­гистрации высших гармонических составляющих иссле­дуемого процесса. Обычно при регистрации процессов, имеющих форму кривой, близкую к треугольной, доста­точно иметь ОГ с рабочей полосой частот, соответству­ющей 3—5-кратной частоте основной гармоники регист­рируемого процесса. При регистрации процессов, имею­щих форму кривой, близкую к прямоугольной, рабочая полоса частот ОГ должна уже соответствовать 10— 20-кратной частоте основной гармоники.

После выбора ОГ по частотным свойствам произво­дится окончательный выбор ОГ с учетом его чувстви­тельности (постоянной), желаемых амплитуд кривой на носителе и значений регистрируемого сигнала. Часто на втором этапе выбора ОГ приходится применять шунты, добавочные резисторы, а в некоторых случаях и специ­альные усилители.

Оптическое и развертывающее устройства. Для пере­дачи колебательного движения подвижной части ОГ, для записи на носителе и для визуального наблюдения на экране служит оптическое устройство. Упрощенная схема такого устройства для одного канала изображена на рис. 7.9. Луч света от источника Л, проходя через систему линз и призм, попадает на миниатюрное зер-

Рис. 7.9. Принципиальная схема оптического устройства светолучево- го осциллографа.

кальце 4, укрепленное на подвижной части ОГ (см. рис. 7.8,6 и в). Отразившись от зеркальца (площадь менее 1 мм² при толщине не более 0,1 мм), луч света через ряд линз и призм попадает на носитель Я. При колеба­ниях подвижной части ОГ световое пятно совершает на носителе поперечные колебания. Для получения времен­ной развертки носитель перемещают с определенной ско­ростью с помощью специального лентопротяжного меха­низма.

В некоторых светолучевых осциллографах прежних выпусков кроме регистрации исследуемого сигнала пре­дусматривалась также возможность визуального наблю­дения этого сигнала на специально устанавливаемом экране Э (рис. 7.9). В таких осциллографах часть луча света, отраженного от зеркальца ОГ, попадает на вра­щающийся с постоянной скоростью зеркальный барабан Б. Нетрудно видеть, что при вращении барабана изме­няется угол падения луча на каждую данную грань ба­рабана. Следовательно, создаваемое лучом световое пят­но перемещается вдоль экрана, осуществляя таким об­разом временную развертку исследуемого сигнала,

Расшифровка осциллограмм. При расшифровке ос­циллограмм (рис. 7.10) обычно определяют какие-либо временные интервалы исследуемого процесса и значения тока в каждый данный интересующий экспериментатора момент времени. Для установления масштаба по оси времени в светолучевых осциллографах применяются от­метчики времени. Чаще все­го это специальные электро­механические устройства, на- /К ]4Ш-Ц-Й носящие на носитель свето-

л

\i

Рис. 7.10. Осциллограмма светолу- чевого осциллографа.

вым лучом вертикальные линии через определенные ин­тервалы времени, например 0,2; 0,02 с и т. д. Подсчитав количество линий между интересующими точками за­регистрированной кривой и умножив это число на мас­штаб отметчика времени, получим значение определяе­мого интервала времени.

Для нахождения любого мгновенного значения тока в рамке ОГ достаточно определить в миллиметрах от­клонение соответствующей точки на изображении этого тока на носителе и затем разделить полученное значе­ние на значение чувствительности к току Si применяе­мого ОГ, при этом необходимо помнить, что значение 5i должно соответствовать расстоянию носителя от зер­кальца ОГ в данном светолучевом осциллографе.

7.7. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6. ИЗУЧЕНИЕ СВЕТОЛУЧЕВОГО ОСЦИЛЛОГРАФА И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ

В настоящее время промышленностью выпускается достаточно большое число различных типов светолучевых осциллографов с ре­гистрацией как на обычной фотоленте или фотобумаге, так и на но­сителе, чувствительном к ультрафиолетовым лучам. Независимо от этого в большинстве светолучевых осциллографов используются ОГ-вставки одних и тех же типов.

т

л

V

h

Основными параметрами ОГ являются чувствительность S_r и рабочая полоса частот, определяемая частотой собственных коле­баний подвижной части гальванометра (f₀). В соответствии с ГОСТ 11013-81 на ОГ промышленностью выпускаются ОГ с доста­точно большими отклонениями действительных значений Si н f₀ от значений, указанных в паспорте на данный ОГ. Так, минимальное значение Si может существенно отличаться от номинального значения. Отклонение действительного значения Si от паспортного в сторону

увеличения даже не регламентируется. Отклонение действительного значения собственной частоты ОГ [о от частоты, указанной в паспорте, может доходить до ±20%. Поэтому целесообразно перед примене­нием выбранных ОГ для регистрации какого-либо процесса уточнить и значения S_r и fo.

В работе определяются значения Sj и рабочие полосы частот для двух ОГ — высокочувствительного низкочастотного и низквчув- ствительного высокочастотного. Кроме того, в дайной работе про­водится расшифровка осциллограммы с записью простейшего сиг­нала.

Задание

1. Ознакомиться с приборами, предназначенными для выполне­ния данной лабораторной работы, уделив особое внимание прави­лам пользования применяемого светолучевого осциллографа. Внести в протокол паспортные данные приборов, в том числе и используе­мых в работе ОГ.

2. Определить действительное значение чувствительности низко­чувствительного ОГ.

Для определения чувствительности необходимо собрать схему, изображенную на рис. 7.11, включив для измерения тока в ОГ мил-

I

Рис. 7.11. Схема для определения чувствительности осциллографи- ческих гальванометров.

лиамперметр (переключатель sa1 находится в положении 1). В со­ответствии с ГОСТ 11013-81 чувствительность определяют при токе, равном 0,75 значения градуировочного тока (указывается в паспор­те на ОГ). При выключенной развертке определяют отклонение све­тового пятна на экране осциллографа вначале при одном направле­нии тока /, затем при другом. Для переключения направления тока используют переключатель S/1J?.

Значение Si подсчитывают по формуле

S, = (a_t+а₂)/21,

где а_х и а_г — отклонение светового пятна на экране при изменении направления тока, мм; / — ток в подвижной части гальванометра, мА.

3. Рассчитать постоянную по току исследуемого ОГ:

С, = 1/S/ .

4. 177

   Рассчитать паспортную чувствительность и паспортную по-

12—970

егоянную по току (длина луча 1 м):

S/шсп ^{= S}I Ч f >

где 1=1 м, а /' — длина луча до экрана в применяемом светолу- чевом осциллографе, м;

^/пасп

/паси-

= 1/S

Сравнить полученные значения Smsсп и С_1Пасп со значениями, приведенными в паспорте на данный ОГ.

5. Рассчитать S/ и на носителе, если у применяемого светолучевого осциллографа дли­на луча до экрана V не совпадает с длиной луча до носителя I":

S] = S_I 1Ц'\ c]=l/S"_r

6. Cj данного ОГ при регистрации процесса

   Повторить задания 2—5 для высокочувствительного ОГ. При определении Si этого ОГ используется схема рис. 7.11 с переклю­чателем SA1, находящимся в положении 2.

7. 

   Определить рабочую полосу частот высокочувствительного ОГ. Для этого, используя схему рис. 7.12, снимают амплитудно- частотную характеристику гальванометра. Вначале при синусои-

Рис. 7.12. Схема для снятия ампли­тудно-частотной характеристики ос- циллографического гальванометра.

-		-г
\
		"V 1

50

150 т.Гц

V

V

w

t,9 с,В,

гоо

Рис. 7.13. Амплитудно-частотная характеристика осциллографичес- кого гальванометра.

дальном напряжении с частотой f_u равной 5% /о (устанавливается с помощью генератора синусоидальных колебаний Г), добиваются отклонения светового пятна на экране осциллографа (развертка выключена) в пределах 40—50 мм.

Поддерживая неизменным показание электронного вольтметра, увеличивают частоту напряжения и в пяти-шести точках опреде­ляют отклонение светового пятна на экране при каждой данной частоте. (Верхнее значение частоты не должно быть больше удвоенного значения номинальной собственной частоты данного ОГ ) По полу­ченным данным строят амплитудно-частотную характеристику, при­мерный вид которой приведен на рис. 7.13, где v — относительное

изменение амплитуды отклонения светового пятна на экране:

v = a_m/a_om,

где а_т — отклонение светового пятна на экране при данной часто­те; о₀т — отклонение светового пятна на экране при начальной частоте (для данного ОГ при f_t).

На полученном графике проводят линии при v=l и v = 1 ±А, где Д — значение допустимой нелинейности амплитудно-частотной характеристики данного ОГ. Для ОГ с обмоточным успокоением рекомендуются значения Д=±5%. Для ОГ с жидкостным и каркас­ным успокоением — Д=± 10 % •

Первое пересечение амплитудно-частотной характеристики с ли­ниями v=l+A или v=l—Д определяет верхнюю частоту рабочей полосы частот. На графике, приведенном на рис. 7.13, рабочая по­лоса частот составляет 0—150 Гц при Д=±5%.

8. Определить рабочую полосу частот низкочувствительного ОГ, используя методику, изложенную в п. 7.

9. Произвести регистрацию на носителе с помощью указанного преподавателем ОГ синусоидального сигнала неизвестной частоты.

10. По осциллограмме определить амплитудное значение тока в ОГ и частоту зарегистрированного процесса.

При определении амплитудного значения тока использовать S_{ или C_It полученные при выполнении п. 5.

При определении периода, а затем и частоты зарегистрирован­ного процесса использовать показания отметчика времени применяе­мого светолучевого осциллографа.

11. Составить отчет по требуемой форме.

ГЛАВА ВОСЬМАЯ

ЭЛЕКТРОННЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ