Основные параметры датчиков

Основные характеристики датчиков

Функционируя по своему прямому назначению, любой датчик может быть подвержен воздействию самых разных физических факторов: температуры, давления, влажности, света, вибрации, радиации и т. д. При этом отчетливо воспринимать и измерять датчик должен лишь одну конкретную величину, которая называется, применительно к датчику, естественной измеряемой величиной. Обозначим ее буквой «А». Выходную же величину датчика обозначим буквой «В».

Тогда функциональная зависимость выходной величины датчика В от естественной измеряемой величины А, в статических условиях, будет называться статической характеристикой данного датчика S. Статическая характеристика датчика может быть выражена в форме таблицы, графика или в аналитическом виде.

Статическая чувствительность датчика

Среди характеристик любого датчика главной является статическая чувствительность датчика S. Она выражается как отношение малого приращения выходной величины В к малому приращению соответствующей естественной измеряемой величины А в статических условиях. Например В/А (вольт на ампер), если имеется ввиду резистивный датчик тока.

Данное выражение схоже с понятием коэффициента усиления для электронных устройств, который в принципе можно было бы назвать коэффициентом чувствительности или градиентом измеряемой величины.

Динамическая чувствительность датчика

Если условия работы датчика не статичны, если при изменениях наблюдается «инерционность», то речь можно вести о динамической чувствительности датчика Sd, которая выражается как отношение скорости изменения выходной величины датчика к скорости изменения соответствующей естественной измеряемой величины (входной величины). Например вольт в секунду / Ом в секунду, если имеется ввиду датчик температуры, выходное сопротивление которого изменяется в зависимости от измеряемой температуры.

Порог чувствительности датчика

Минимальное изменение естественной измеряемой величины, которое способно привести к реальному изменению выходной величины датчика, называют порогом чувствительности датчика. Например, порог чувствительности датчика температуры в 0,5 градуса означает, что меньшее изменение температуры (например на 0,1 градуса) на выходной величине датчика может вовсе никак не отразиться.

Нормальные условия эксплуатации датчика

Все эти параметры, как правило, регламентированы в документации для нормальных условий эксплуатации измерительного прибора. Под нормальными условиями понимают температуру окружающей среды в районе +25°С, атмосферное давление в районе 750 мм.рт.ст., относительную влажность воздуха в районе 65%, а также отсутствие вибраций и существенных электромагнитных полей. Допуски относительно отклонений от нормальных условий эксплуатации также указываются в документации на прибор.

Любой датчик имеет дополнительные погрешности, которые могут быть вызваны изменением внешних условий, их значительным отклонением от нормальных условий. Данные погрешности выражаются в доле (выраженной в процентах) естественной измеряемой величины, отнесенной к изменению внешнего параметра, который не измеряется данным датчиком по его назначению. Например, погрешность 1% на 10°С температуры окружающей среды для датчика деформации или погрешность 1% на 10Э внешнего магнитного поля для датчика температуры.

Сегодня промышленностью выпускаются самые разные датчики: тока, магнитного поля, температуры, давления, влажности, деформации (тензометрические датчики), радиации, фотометрические, перемещения и т. д. Датчики различаются между собой по технологии изготовления: они бывают твердотельными, пленочными, мдп (металл-диэлектрик-полупроводник) и т. д. По выходному электрическому параметру встречаются: резистивные, емкостные, индуктивные датчики и т. д.

И хотя физических параметров, которые могут быть измерены при помощи датчиков, не счесть, в основе всех датчиков так или иначе лежат сенсоры, воспринимающие одно из нескольких физических воздействий: давление или деформацию, магнитное поле, температуру, свет, химическое действие газа и т. п.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Выбор датчиков, основные принципы и критерии выбора

Все датчики классифицируются по измеряемому параметру. Помимо этого, они также могут быть классифицированы как пассивные или активные. В пассивных датчиках мощность, необходимая для получения выхода, обеспечивается самим измеренным физическим явлением (например, температурой), тогда как для активных датчиков требуется внешний источник питания.

Кроме того, датчики классифицируются как аналоговые или цифровые на основе типа выходного сигнала. Аналоговые датчики производят непрерывные сигналы, которые пропорциональны воспринимаемому параметру и обычно требуют аналого-цифрового преобразования перед подачей на цифровой контроллер.

Цифровые датчики, с другой стороны, производят цифровые выходы, которые могут напрямую взаимодействовать с цифровым контроллером. Часто цифровые выходы производятся путем добавления аналого-цифрового преобразователя в чувствительный блок.

Если требуется много датчиков, более экономично выбирать простые аналоговые датчики и связывать их с цифровым контроллером, оснащенным многоканальным аналого-цифровым преобразователем.

Обычно выходной сигнал от датчика требует последующей его обработки (конвертации), прежде чем сигнал может быть подан в контроллер. Выходной сигнал датчика может быть демодулирован, усилен, отфильтрован и изолирован, так что сигнал может быть принят обычным аналого-цифровым преобразователем контроллера (смотрите — Унифицированные аналоговые сигналы в системах автоматики). Вся электроника интегрирована в одну микросхему и может быть непосредственно сопряжена с контроллерами.

Производитель датчика обычно предоставляет калибровочные кривые. Если датчики стабильны, то нет необходимости их перекалибровать. Тем не менее, датчик должен быть перекалиброван после его интеграции с системой управления. Это по существу требует, чтобы для датчика был установлен известный входной сигнал, и чтобы его выходной сигнал регистрировался для установления правильного масштабирования.

Если датчик используется для измерения, изменяющегося во времени входного сигнала, необходима динамическая калибровка. Использование синусоидальных входов – самый простой и надежный способ динамической калибровки.

При выборе подходящего датчика для определения требуемого физического параметра необходимо учитывать ряд статических и динамических факторов. Ниже приведен список типичных факторов:

1. Диапазон – разность между максимальным и минимальным значением порога измерения параметра.

2. Разрешение – наименьшее изменение, которое может заметить датчик.

3. Точность – разница между измеренным значением и истинным значением.

4. Прецизионность – Возможность повторного измерения с заданной точностью.

5. Чувствительность – отношение изменения выходного сигнала к изменению входного.

6. Смещение нуля – ненулевое выходное значение при нулевом входном сигнале.

7. Линейность – процент отклонения от наиболее подходящей линейной калибровочной кривой.

8. Дрейф нуля – изменение выходного сигнала из нулевого значения в течение определенного периода времени при отсутствии изменения входного сигнала.

9. Время отклика – временной интервал между входным и выходным сигналами.

10. Полоса пропускания – Частота, при которой выходная величина падает на 3 дБ.

11. Резонанс – частота, при которой происходит пик выходной величины.

12. Рабочая температура – диапазон температур, при котором датчик должен использоваться.

13. Мертвая зона – диапазон значений измерения, который не может измерить датчик.

14. Отношение сигнал/шум – отношение между амплитудами сигнала и шумом на выходе.

Выбор датчика, который удовлетворяет всем вышеперечисленным требованиям, к требуемой спецификации затруднен. Например, выбор датчика положения с точностью до микрометра в диапазоне одного или несколько метров исключает большинство датчиков. Во многих случаях отсутствие необходимого датчика требует перестройки всей системы.

Как только вышеупомянутые функциональные факторы будут удовлетворены, формируют список датчиков. Окончательный выбор датчиков будет зависеть от размера, степени формирования сигнала, надежности, ремонтопригодности и стоимости.

Практически все автоматические системы используют датчи­ки, формирующие на выходе электрические сигналы. Это связано с тем, что:

• электрические сигналы могут быть легко переданы на значи­тельные расстояния, а датчики могут располагаться в любых труд­нодоступных местах технологического оборудования;

• электрические сигналы могут быть легко усилены в тысячи раз, т.е. в тысячи раз может быть повышена при необходимости

чувствительность аппаратуры измерения значений технологиче­ских параметров;

• электрические сигналы обладают малой инерционностью, что позволяет следить за быстро изменяющимися во времени пара­метрами и обеспечивать высокую скорость работы автоматических систем в реальном времени;

• электрические сигналы наиболее удобны для работы с боль­шинством широко распространенных технических средств: уси­лителями, коммутаторами, электрическими двигателями, элект­ромагнитными реле и другими, в том числе с ЭВМ.

Датчики, преобразующие неэлектрические параметры в элект­родвижущую силу (ЭДС), электрическое напряжение или ток, называются генераторными, или активными. Они не требуют для своей работы внешнего источника электрической энергии, так как вырабатывают эту энергию сами, точнее, используют для формирования выходного сигнала энергию устройств или про­цессов, чьи параметры они преобразуют в сигналы. Это может быть механическая, световая, тепловая или иная энергия, преоб­разуемая датчиками в электрическую.

В других датчиках изменение неэлектрического параметра, вос­принимаемое датчиком, приводит к изменению того или иного электрического параметра самого датчика (его сопротивления, электроемкости, индуктивности и т.д.). Такие датчики называют­ся параметрическими, или пассивными. Они нуждаются для фор­мирования выходного сигнала во внешнем источнике электри­ческой энергии.

Основными характеристиками датчиков, определяющими их пригодность для тех или иных целей, являются:

Любые характеристики применимы только в ограниченном диапазоне воздействий на датчик (например, датчик температуры не может нормально работать в условиях, при которых он сам едва ли не плавится от жары). Диапазон изменения преобразуемых параметров, в котором для датчика гарантируются значения его характеристик, называется рабочим диапазоном датчика.

Функция преобразования — это зависимость между выходной ве­личиной ХВЪК датчика и преобразуемым параметром Хт. Ее представ­ляют либо формулой, либо графиком. Для аналоговых датчиков наи­более удобна пропорциональная зависимость между .

где К — постоянный коэффициент.

Чувствительность датчика S — это величина, показывающая, как изменяется выходной сигнал ХВЫХ датчика при изменении вход­ного параметра Хт на единицу (например, на сколько ом изме­нится сопротивление датчика (выходная величина) при измене­нии температуры (входная величина) на 1 °С). Чувствительность равна отношению изменения АХВЫХ выходной величины к измене­нию ДА’их входной величины:

Например, при изменении температуры на 10 К у одного датчи­ка сопротивление изменилось на 100 Ом, а у второго — на 300 Ом. Какой из двух датчиков обладает большей чувствительностью? Конечно, второй, у которого S = 300: 10 = 30 (Ом/К).

Погрешность — это отклонение реального значения выходной величины от идеального (действительного), которое должно быть на выходе датчика при данном значении входного параметра. Раз­личают абсолютную и относительную погрешности.

Абсолютная погрешность — это разность между реальным и иде­альным значениями; она измеряется в тех же единицах, что и выходная величина. Например, идеальная величина сопротивле­ния датчика в процессе преобразования заданного значения тем­пературы должна быть равна 100 Ом, а реально его сопротивле­ние при этой температуре оказалось 105 Ом. Таким образом, абсо­лютная погрешность составляет:

Однако абсолютная погрешность не может служить мерой точ­ности. Действительно, если мы измеряем температуру около 100 °С с абсолютной погрешностью 1 °С, то ошибка составляет 1 %, что неплохо. Но если с той же абсолютной погрешностью 1 °С мы бу­дем измерять температуру около 5 °С, то ошибка составит уже 20%. Поэтому вводят понятие относительной погрешности — это отношение абсолютной погрешности к идеальному значению вы­ходной величины, %:

(Смотри правильные формулы ниже стр 79)

Еще более полное представление о точности датчика дает при­веденная погрешность, которая представляет собой отношение максимальной абсолютной погрешности к максимальному для рабочего диапазона данного датчика значению выходной величи­ны, %:

Значение этой погрешности определяет класс точности датчи­ка, обычно указываемый в его паспорте.

Нелинейность — это отклонение функции преобразования дат­чика от линейной. Если нелинейность велика, то для уменьшения связанной с ней погрешности в ЭВМ, обрабатывающую сигнал датчика, вводят специальную таблицу поправок (градуировочную кривую).

Например, фрагмент индивидуальной характеристики датчика температуры ТСАД2-СР — зависимость между температурой Т и сопротивлением датчика R — приведен в табл. 4.1. Именно с такой точностью данные вносятся в память ЭВМ.

Инерционность характеризует способность датчика осуществлять преобразование быстроизменяющихся входных параметров. Если датчик не успевает за изменением преобразуемого параметра, то появляется дополнительная погрешность, называемая динамиче­ской.

Она тем выше, чем больше скорость изменения преобразуемо­го параметра.

Важной характеристикой датчиков в процессе эксплуатации является взаимозаменяемость. Если датчики взаимозаменяемы, то при выходе датчика из строя достаточно заменить его другим дат­чиком того же типа, больше никаких изменений в системе конт­роля и управления делать не нужно. В противном случае одновре­менно с заменой датчика надо, например, заменять градуировоч­ную таблицу в ЭВМ и т.д.

Среди прочих характеристик датчиков следует отметить надеж­ность, технологичность, стабильность, отсутствие гистерезиса (т. е. зависимости выходной величины от направления изменения вход­ного параметра).

Так как датчики — самые первые устройства в цепи преобразо­вания значений параметров в сигналы для вывода оператору или воздействия на оборудование технологического процесса, их час­то называют первичными преобразователями.

Характеристики датчиков.

Датчик должен воспроизводить физическую величину максимально быстро и точно. Хотя чаще всего датчик выбирают исходя из надежности и удобства обслуживания, его точность, стабильность и повторяемость результатов остаются важнейшими факторами. Основой работы управляющего компьютера является входная информация, поэтому точные и надежные измерения — это необходимое условие качества управления.

Большая часть характеристик датчика, которые приводятся в техническом описа­нии, — статические параметры. Эти параметры не показывают, насколько быстро и точно датчик может измерить сигнал, изменяющийся с большой скоростью. Свой­ства, отражающие работу датчика в условиях изменяющихся входных воздействий, называются динамическими характеристиками. Они суще­ственно влияют на работу системы управления. Идеальный датчик мгновенно реагирует на изменение измеряемой физической величины. На практике любому датчику необходимо некоторое время на отработку нового входного сигнала. Очевидно, что для адекватного отображения реальных изменений наблюдаемой величины время реакции датчика должно быть как можно меньше. Это тот же самый принцип, кото­рый применяется ко всей системе управления (компьютеру) процессом реального времени в целом: временные характеристики физического процесса определяют быст­родействие системы (производительность компьютера). Однако чаще требуется компромисс между скоростью реакции датчика и его чувствительностью к шуму.

Рассматривая датчики используемые СаиУ необходимо знать характеристики определяющие особенности их работы, при этом различают статические и динамические характеристики, кроме них для датчиков характерны такие параметры, как:

— погрешность (ошибка) измерения.

Точность датчика определяет разницу между измеренной и действительной ве­личиной; она может быть отнесена к датчику в целом или к конкретному его показа­нию. Точность датчика зависит не только от его аппаратной части, но и от остальных элементов измерительного ком­плекса.

Разрешение —это наименьшее отклонение измеряемой величины, которое может быть зафиксировано и отражено датчиком. Разрешение намного чаще, чем точность, указывается в технических описаниях.

Погрешность (ошибка) измерения определяется как раз­ница между измеренной и действительной величинами.

Ошибки измерения можно классифицировать и, соответственно, моделировать как детерминированные (или систематические) и случайные (или стохастические). Детерминированные ошибки связаны с неисправностью датчика, нарушением усло­вий его применения или процедуры измерений. Эти ошибки повторяются при каж­дом измерении. Типичная систематическая ошибка — это смещение показаний или сдвиг. В принципе, систематические ошибки устраняются при поверках. Случайные ошибки имеют самое разное происхождение. В большинстве случаев — это влияние окружающей среды (темпера­туры, влажности, электрических наводок и т. п.). Если причины случайных ошибок известны, то эти ошибки можно компенсировать. Часто влияние возмущений харак­теризуют количественно такими параметрами, как средняя ошибка, среднеквадратичная ошибка или стандартное отклонениеи разброс либо погрешность.

Динамические характеристики датчиков

Динамические свойства датчика характеризуются целым рядом параметров, ко­торые, однако, довольно редко приводятся в технических описаниях производителей. Динамическую характеристику датчика можно экспериментально получить как реакцию на скачок измеряемой входной величины (рис.2.5).

Параметры, описываю­щие реакцию датчика, дают представление о его скорости (например, время нараста­ния, запаздывание, время достижения первого максимума), инерционных свойствах (относительное перерегулирование, время установления) и точности (смещение).

В принципе следует стремиться к минимизации следующих параметров.

· Время прохождения зоны нечувствительности— время между началом изменения физической величины и моментом реакции датчика, т. е. моментом начала изменения выходного сигнала.

· Запаздывание— время, через которое показания датчика первый раз достигают 50 % установившегося значения. В литературе встречаются и другие определения запаздывания.

· Время нарастания— время, за которое выходной сигнал увеличивается от 10 до 90 % установившегося значения. Другое определение времени нарастания — величина, обратная наклону кривой реакции датчика на скачок измеряемой величины в момент достижения 50 % от установившегося значения, умноженная на установившееся значение. Иногда используются другие определения. Малое время нарастания всегда указывает на быструю реакцию.

· Время достижения первого максимума— время достижения первого максимума выходного сигнала (перерегулирования).

· Время переходного процесса, время установления— время, начи­ная с которого отклонение выхода датчика от установившегося значения становится меньше заданной величины (например, ± 5 %).

· Относительное перерегулирование — разность между мак­симальным и установившимся значениями, отнесенная к установившемуся значению (в процентах).

· Статическая ошибка — отклонение выходной величины датчи­ка от истинного значения или смещение. Может быть устранена калибровкой дат­чика.

В реальных условиях некоторые требования к датчикам всегда противоречат друг другу, поэтому все параметры нельзя минимизировать одновременно.

Статические характеристики датчиков

Статические характеристики датчика показывают, насколько корректно выход датчика отражает измеряемую величину спустя некоторое время после ее изменения, когда выходной сигнал установился на новое значение. Важными статическими па­раметрами являются: чувствительность, разрешающая способность или разрешение, линейность, дрейф нуля и полный дрейф, рабочий диапазон, повторяемость и вос­производимость результата.

• Чувствительностьдатчика определяется как отношение величины выходного сигнала к единичной входной величине (для тонких измерительных технологий определение чувствительности может быть более сложным).

•Разрешение — это наименьшее изменение измеряемой величины, ко­торое может быть зафиксировано и точно показано датчиком.

•Линейностьне описывается аналитически, а определяется исходя из градуировочной кривой датчика. Статическая градуировочная кривая показыва­ет зависимость выходного сигнала от входного при стационарных условиях. Бли­зость этой кривой к прямой линии и определяет степень линейности. Максимальное отклонение от линейной зависимости выражается в процентах.

•Статическое усилениеили усиление по постоянному току— это коэффициент усиления датчика на очень низких частотах. Боль­шой коэффициент усиления соответствует высокой чувствительности измери­тельного устройства.

•Дрейфопределяется как отклонение показаний датчика, когда измеряемая величина остается постоянной в течение длительного времени. Величина дрейфа

может определяться при нулевом, максимальном или некотором промежуточном значении входного сигнала. При проверке дрейфа нуля измеряемая величина поддерживается на нулевом уровне или уровне, который соответствует нулевому выходному сигналу, а проверка дрейфа на максимуме выполняется при значении измеряемой величины, соответствующем верхнему пределу рабочего диапазона » датчика. Дрейф датчика вызывается нестабильностью усилителя, изменением ок­ружающих условий (например, температуры, давления, влажности или уровня вибраций), параметров электроснабжения или самого датчика (старение, выра­ботка ресурса, нелинейность и т. д.).

• Рабочий диапазондатчика определяется допустимыми верхним и нижним пределами значения входной величины или уровня выходного сигнала.

• Повторяемостьхарактеризуется как отклонение между несколькими последовательными измерениями при заданном значении измеряемой величины в одинаковых условиях, в частности приближение к заданному значению должно происходить всегда и либо как нарастание, либо как убывание. Измерения должны быть выполнены за такой промежуток времени, чтобы не проявлялось влияние дрейфа. Повторяемость обычно выражается в процентах от рабочего диапазона.

• Воспроизводимостьаналогична повторяемости, но требует большего интервала между измерениями. Между проверками на воспроизводимость датчик должен использоваться по назначению и, более того, может быть подверг­нут калибровке. Воспроизводимость задается в виде процентов от рабочего диа­пазона, отнесенных к единице времени (например, месяцу).

Метрологические параметры датчиков;

1. Чувствительность – это изменение выходной величины датчика ∆у при изменении входной ∆х на единицу.

2. Чувствительность Z датчика измеряется, например, в микроамперах на нанометр мкА/нм, в милливольтах на Кельвин мВ/К, в миллиамперах на грамм мА/г и т.д.

2. Порог чувствительности датчика – минимальное значение входной величины, которое можно обнаружить с помощью датчика.

3. Динамический диапазон датчика – диапазон частот и амплитуд входного сигнала, измеряемый без заметных погрешностей.

4. Погрешность измерений – максимальная разность между результатом измерений и действительным значением измеряемой величины.

5. Время реакции (инерционность) – минимальный промежуток времени, в течение которого выходная величина принимает значение, соответствующее входной. Процессы в датчиках происходят не мгновенно и это приводит к запаздыванию изменения выходной величины по сравнению с входной. Поэтому регистрация результатов измерений с помощью датчика должна производиться с учетом промежутка времени, соответствующего времени реакции датчика.

№75. Виды датчиков: пьезо, индукционные, термоэлектрические, емкостные, индуктивные, тензодатчики и резистивные датчики дыхания.

По типу преобразуемых величин датчики могут подразделяться на механоэлектрические, термоэлектрические, фотоэлектрические, хемиэлектрические и т.д.

Механоэлектрический пьезодатчик основан на явлении пьезоэффекта. В пьезодатчике возникает напряжение U при воздействии на пьезокристалл К силой F. Эта разность потенциалов пропорциональна деформирующей силе или деформации кристалла.

U = kF, где k – чувствительность датчика.

Входной величиной для этого датчика явля­ется сила или абсолютная деформация, выходной – напряжение на гранях кристалла. Пьезодатчик применяется для снятия сфигмограммы, в автоматических измерителях артериального давления по методу Короткова, где он встраивается в манжету и дает сигнал о начале и конце колебаний стенок сосуда.

Механоэлектрические индукционные датчики разных модификаций применяются в различных областях диагностики. Например, при регистрации фонокардиограммы, изменений диаметра крупных сосудов. При прохождении пульсовой волны, изменения давления в сосудах и т.д

В датчике перемещение магнитного сердечника относительно катушки приводит к возникновению ЭДС индукции ε.

Скорость изменения магнитного потока Ф, пересекающего витки катушки, пропорциональна относительной скорости V перемещения магнитного сердечника и катушки. Поэтому генерируемая ЭДС индукции пропорциональна скорости V.

где k – чувствительность датчика. Входной величиной такого датчика является скорость V, а выходной – ЭДС индукции ε.

Термоэлектрический датчик или термопара. В таких датчиках за счет тепловой энергии объекта нагревается контакт разнородных металлов или полупроводников, что приводит к возникновению термозлектродвижушей силы:

где α- коэффициент пропорциональности-чувствительность термопары. Входной величиной датчика является разность температур между нагретым и холодным контактами ∆Т=Тн-Тх, выходной – термоэлектродвижущая сила ε. Термопара может применяться для измерения температуры тела.

Механоэлектрический емкостной датчик. При изменении расстояния между пластинами конденсатора в процессе измерения некоторого размера изменяется емкость датчика С~1/d

Соответственно изменяется его емкостное сопротивление Хс =1/ωС и, как следствие, переменный ток в измерительной цепи с источником питания ε.

ЭДС электромагнитной индукции в измерительной катушке 2 пропорциональна скорости изменения тока в первичной катушке 1

Механоэлектрический тензодатчик, применяется, например, при исследовании деформационных свойств костей, мягких тканей, стенок сосудов. При удлинении за счет силы F проводника

длиной l, по которому течетток, уменьшается площадь сечения проводника S. Оба эти фактора приводят к увеличению сопротивления проводника,

где ρ – удельное сопротивление материала проводника. Это, в свою оче­редь, приводит к уменьшению тока в измерительной цепи, которое пропорционально силе F.

Существуют и более специализированные датчики. Например, в резистивном датчике дыхания в качестве чувствительного элемента используется пояс из токопроводящей резины.

Пояс одевается на пациента. При дыхании резина деформируется в такт вдоху и выдоху, что ведет к изменению ее сопротивления. Соответственно, изменяется и ток в измерительной цепи.

№76. Генераторы гармонических и импульсных колебаний и их применение в медицине.

Генераторами колебаний различной формы являются устройства производящие их неопределенно долго за счет энергии постороннего источника.

Одним из основных элементов является колебательный контур (см. рисунок).

Контур состоит из емкости – С, индуктивности -L и активного сопротивления (резистора) -R. Ключ К, (в левом положении) подключает емкость к источнику постоянного тока E, при этом она заряжается до напряжения источника тока. При переключении ключа К в правое положение емкость С разряжается на цепь R – L и возникают гармонические колебания с периодом:

Чтобы создать на основе колебательного контура генератор, необходимо компенсировать потерю энергии. Это может быть осуществлено с использованием блок – схемы представленной на рисунке.

Она состоит из регулятора, который осуществляет компенсацию потерь энергии в колебательном контуре синфазно с колебательным процессом. Синфазность обеспечивает обратная связь (положительная). Энергия поступает от постороннего источника. Постоянство амплитуды колебаний является следствием полной компенсации потерь.

Электрическая схема простейшего генератора на транзисторе представлена на рисунке.

Регулятором в данной схеме является транзистор. Цепь обратной связи состоит из катушки обратной связи Lо.с., индуктивно связанной с катушкой Lк (индуктивностью) колебательного контура, емкости Сс и сопротивления. Сигнал обратной связи попадает на базу транзистора, усиливается и в соответствующей фазе попадает в колебательный контур, что и обеспечивает отсутствие затухания колебаний. Питание обеспечивает источник Е.

Схема импульсного генератора и форма его колебаний.

Генератор состоит из неоновой лампы Л, конденсатора С и сопротивления R. Питание подается от источника постоянного тока к “+” и “-“. При подаче напряжения конденсатор С заряжается через сопротивление R. Напряжение на конденсаторе растет по экспоненте до величины Uз (точка А на графике). При этом напряжении зажигается неоновая лампа, ее сопротивление падает и конденсатор разряжается через лампу (участок А – В на графике) до напряжения Ur. При этом напряжении лампа гаснет и опять начинается заряд конденсатора. Процесс повторяется неограниченное число раз. В результате работы такого генератора на выходе создаются колебания пилообразной формы.

Генераторы используются во многих медицинских электронных приборах: в физиотерапевтической аппаратуре. приборах функциональной диагностики, лабораторной технике и других.

№77. Электронные усилители. Коэффициент усиления и полоса пропускания усилителя. Особенности усиления биоэлектрических сигналов.

Усилитель электрического сигнала – это устройство, усиливающее входной сигнал по напряжению, току или мощности за счет энергии постороннего источника (источника питания). Входной (подлежащий усилению) сигнал подают на вход усилителя, на выходе снимают усиленный в “К” раз сигнал. “К” – это коэффициент усиления усилителя. В зависимости от того, с каким усилителем мы имеем дело, коэффициент усиления определяется как отношение приращения напряжения (тока, мощности) на выходе усилителя к соответствующему приращению напряжения (тока, мощности) на входе усилителя. Коэффициент усиления является основной характеристикой усилителя Для обеспечения постоянства коэффициента усиления принимается ряд технических мер, вводится температурная компенсация, стабилизируются источники питания.

Зависимость коэффициента усиления от частоты называется частотной характеристикой усилителя. Частота υ и циклическая чистота ω связаны так: ω = 2πυ

Область, где коэффициент усиления падает не более, чем до 0,707 от максимального значения называется полосой пропускания усилителя от ω1 до ω4. Изменение коэффициента усиления в зависимости от частоты приводит к искажению сигнала при усилении,т.к. различные частотные составляющие сложного сигнала усиливаются различно. Обычно усилитель проектируют таким образом, чтобы весь спектр частот, подлежащий усилению, размещался между ω1 и ω4, лучше между ω2 и ω3.

Амплитудная характеристика – это зависимость коэффициента усиления от амплитуды входного сигнала. Если связь между выходным и входным напряжениями линейная (коэффициент усиления постоянен), то усиление сигнала происходит без искажений. Если связь нелинейная, то возникают искажения, т.е. форма сигнала на выходе не соответствует форме сигнала на входе усилителя.