Погрешность взаимодействия. В осциллографических измерениях, как и в других измерениях, присутствует погрешность взаимодействия прибора с объектом исследования (ОИ) – источником сигнала

В осциллографических измерениях, как и в других измерениях, присутствует погрешность взаимодействия прибора с объектом исследования (ОИ) – источником сигнала, которая определяется соотношением выходного сопротивления источника и комплекс­ного входного сопротивления (импеданса) ЭЛО. Так как осцил­лограф является измерителем напряжения, то чем больше его входное сопротивление по сравнению с выходным сопротивлени­ем источника сигнала, тем лучше. А поскольку ЭЛО подключается к источнику сигнала с помощью входного соединительного кабе­ля, необходимо учитывать как входные параметры собственно прибора, так и параметры кабеля. При подключении ЭЛО к объек­ту исследования важное значение имеют правильный выбор вход­ного кабеля, учет и согласование параметров источника сигнала, кабеля и собственно осциллографа.

Входные кабели (ВК) по своим возможностям делятся на пас­сивные и активные. Группа пассивных (не содержащих активных элементов) ВК – наиболее массовая группа и делится, в свою очередь, на кабели без деления (без уменьшения) входного сигна­ла (1:1) и кабели с делением сигнала (10:1; 100:1).

Самый простой пассивный ВК без деления сигнала (1:1) это по сути отрезок экранированного коаксиального (для уменьшения влияния внешних электромагнитных полей и создания определен­ного волнового сопротивления) кабеля с разъемом для подключе­ния ко входу ЭЛО – с одной стороны, и контактами-щупами для подсоединения к ОИ – с другой. Такие ВК используются при ис­следовании сравнительно малых по амплитуде сигналов невысо­кой частоты, т.е. в тех случаях, когда значительная входная ем­кость (ограничивающая полосу пропускания) ЭЛО не приводит к серьезной погрешности взаимодействия. Схема подключения ВК приведена на рис. 53.

Коаксиальный кабель представляет собой распределенную элек­трическую емкость. Удельная емкость коаксиального кабеля обыч­но составляет (50... 100) пФ на 1 м, поэтому длина ВК имеет су­щественное значение, так как определяет емкостное сопротивле­ние кабеля и, следовательно, общую входную емкость. Таким об­разом, общая входная емкость (с точки зрения источника сигна­ла) С _вх равна сумме емкостей кабеля С _ки усилителя С _у ЭЛО. Ак­тивное сопротивление кабеля пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением входного усилителя ЭЛО, и его можно не учиты­вать. Общее входное сопротивление с учетом ВК определяется па­раллельным соединением активного сопротивления входного уси­лителя R _yи суммарной входной емкости С _вх. Строго говоря, необ­ходимо также учитывать и емкость собственно контактов щупов (наконечников), подсоединяемых к ОИ. Типичное значение этой емкости – 2...5 пФ. Понятно, что чем меньше общая входная ем­кость и чем больше входное активное сопротивление, тем лучше, так как тем меньше будет погрешность взаимодействия и, следо­вательно, шире полоса частот пропускания.

 

Рис. 53. Подключение входного кабеля без деления (1:1)

Пассивные ВК с делением (ВКД) сигнала содержат дополни­тельную внутреннюю резистивно-емкостную цепь (резистор R и конденсатор С), обеспечивающую увеличение входного активно­го сопротивления и одновременно уменьшение входной емкости, т.е. расширение полосы частот исследуемых сигналов. Схема вклю­чения ВКД показана на рис. 54. При соединении ОИ с ЭЛО таким кабелем возникает дели­тель напряжения, верхнее плечо которого образовано суммарным комплексным сопротивлением резистивно-емкостной цепи кабе­ля (R и С), а нижнее – параллельным соединением емкостей ка­беля С _к, усилителя С _у и входного сопротивления R _y усилителя ЭЛО. На рис. 55 приведена эквивалентная схема подключения такого делителя.

 

Рис. 54. Подключение входного кабеля с делением

В этом случае входное активное сопротивление R _вх (с точки зре­ния ОИ) имеет вид

R _вх = R + R _y.

Рис. 55. Эквивалентная схема подключения кабеля с делением

Входная емкость С _вх при этом образована последовательным со­единением емкости конденсатора С резистивно-емкостной цепи ВКД и суммарной емкости параллельного соединения емкостей кабеля С _к и емкости усилителя С _у:

С _вх = C (C _к + С _у) / (C + C _к + С _у).

Таким образом, очевидно, что в данном случае суммарная вход­ная емкость С _вх заметно уменьшается.

Рассмотрим пример для ВКД с коэффициентом деления 10:1. Известны параметры ЭЛО и ВКД:

R _y= 1 МОм; С _у = 50 пФ; C _к = 50 пФ; R = 9 МОм; С = 11 пФ.

Сумма емкостей кабеля С _к и усилителя ЭЛО С _у:

С _к+ С _у = 100 пФ.

Окончательные значения суммарных входного активного сопро­тивления R _вхи емкости C _вх (с точки зрения источника сигнала) равны соответственно:

R _вх = 10 МОм; C _вх = 10 пФ.

Таким образом, в результате применения такого кабеля полу­чаем значительно лучшие входные параметры прибора и, как след­ствие, лучшие динамические характеристики. Хотя, надо отметить, что использование ВКД пропорционально снижает чувствитель­ность измерения. Напряжение U ₂,поступающее на вход усилителя ЭЛО, в коэффициент деления раз меньше, чем измеряемое на­пряжение U ₁. В рассмотренном примере при постоянном (или низкочастотном) входном напряжении отношение U ₂/ U ₁= 10, т.е. чувствительность уменьшается в 10 раз.

Значение емкости конденсатора С ВКД можно изменять в не­больших пределах для настройки частотных свойств делителя.

Если известны значения суммарных (с учетом соединительного кабеля любого типа) входного сопротивления и входной емкости, то погрешность взаимодействия D_вз для случая синусоидального сигнала оценивается следующим образом:

D_вз ≈ - U [ R _и / R _вх + 0,5(ωτ)²],

где U -результат измерения амплитуды; R _и - сопротивление ис­точника сигнала; R _вх-суммарное входное сопротивление ЭЛО; ω - круговая частота сигнала; τ = R _и С _вх(С _вх - суммарная входная емкость ЭЛО с кабелем).

Первое слагаемое в этой сумме характеризует значение погреш­ности при постоянном входном напряжении, а второе — при пе­ременном напряжении определенной частоты ω = 2p f.

Активные ВК содержат усилитель, который позволяет значи­тельно повысить входное сопротивление ЭЛО и тем самым резко уменьшить погрешность взаимодействия.

Открытый и закрытый входы ЭЛО. В режиме так называемого открытого входа усилитель канала Y ЭЛО воспринимает любой сигнал пропорционально его мгновенным значениям.

Рис. 56. Режим открытого входа (а) и его АЧХ {б)

На рис. 56, а приведена эквивалентная схема входного каска­да усилителя Y ЭЛО в режиме открытого входа, а на рис. 56, б показана АЧХ канала Y в этом режиме. В режиме открытого входа ЭЛО воспринимает сигналы в полосе частот от 0 до f _в,Гц.

В режиме закрытого входа усилитель канала Y пропускает толь­ко переменную составляющую сигнала и игнорирует (не пропус­кает) постоянную составляющую. Представим себе сигнал u (t), который содержит постоянную U ₀и переменную составляющие (рис. 57, а).

 

Рис. 57. Переход к режиму закрытого входа:

а - входной сигнал; б - увеличение постоянной составляющей U ₀; в - увеличение переменной составляющей U_m

Предположим, нас интересует только переменная составляю­щая (скажем, ее амплитуда U_m) входного сигнала. Для того чтобы обстоятельно исследовать характер изменения и амплитуду только переменной составляющей, необходимо повысить чувствительность канала. Но в данном случае, в режиме открытого входа при соизмеримых значениях амплитуды U_m переменной составляющей и постоянной составляющей U ₀,невозможно обеспечить требуемое изобра­жение, так как простое увеличение чувствительности канала при такой сумме не дает желаемого результата - изображение выходит за рамки экрана (рис. 57, б). Но если избавиться от постоянной составляющей U ₀, то можно увеличить до необходимого размера толъко переменную (интересующую нас) составляющую (рис. 57, в).Это возможно в режиме так называемого закрытого входа.

 

Рис. 58. Режим закрытого входа (а) и его АХЧ (б)

В режиме закрытого входа (рис. 58, а)на входе усилителя последовательно включается разделительный конденсатор С _р, который как раз и не пропускает постоянную составляющую входного сигнала. Амплитудно-частотная характеристика усилителя Y этом режиме показана на рис. 58, б. В режиме закрытого входа АЧХ имеет полосу частот, начинающуюся не с нуля, а с некоторой нижней частоты f _н.

Рис. 59. Обозначения режимов открытого (а) и закрытого входов (б)

Условные обозначения режимов открытого и закрытого входов, которые наносятся на лицевые панели приборов, могут отличаться для разных приборов (рис. 59). На рис. 59, а приведены обозначения режима открытого входа, а на рис. 64, б - режима закрытого входа.

Англоязычные аббревиатуры DC и АС в обозначениях раскры­ваются так: DC - Direct Current - напряжение постоянного тока; АС - Alternating Current - напряжение переменного тока.

 

Субъективная погрешность

Как известно, субъективная погрешность может складываться в общем случае из погрешности отсчитывания и грубой ошибки (про­маха). Промах непредсказуем и поэтому не может быть заранее оценен.

В случае осциллографических измерений значения амплитудных и временных параметров сигнала находят по его изображению на экране (т.е. по осциллограмме) посредством определения paзмеров линейных отрезков. Поэтому, во избежание значительный погрешностей, важно выбирать оптимальные значения коэффициентов отклонения по каналам Y и X, т.е. такие, при которых интересующий нас параметр представляется отрезком наибольшей возможной (в пределах сетки экрана) длины. Чем меньше размер нужного параметра на осциллограмме, тем хуже, так как тем больше относительная погрешность его определения.

Погрешность отсчитывания D_отс в системе шкала - стрелка (у стре­лочных приборов) и в системе сетка - пятно (у осциллографов) по природе одинаковы. Погрешность отсчитывания содержит две составляющих: интерполяции и параллакса. Погрешность интерпо­ляции неизбежно возникает всегда, когда требуется количественно выразить положение стрелки, точки, границы отрезка в долях де­ления, в координатах сетки шкалы экрана ЭЛО. Погрешность интерполяции определяется квалификацией оператора, размерами пятна, расстоянием между соседними делениями шкалы. Погреш­ность параллакса в ЭЛО вызвана тем, что поток электронов вызы­вает свечение на внутренней поверхности экрана ЭЛТ, а сетка, как правило, нанесена на внешней поверхности защитного стекла. Именно толщина стекла экрана и защитного стекла (аналог расстояния между стрелкой и шкалой у стрелочных приборов) и рож­дает эту погрешность. Количественную оценку этих составляющих в различных изданиях предлагается осуществлять по-разному. Пред­лагаем для простоты и легкости запоминания оценивать значения этих составляющих одинаково (по одной десятой веса одного де­ления сетки экрана):

D_отс = ±(0,1α + 0,1α) = ±0,2 α,

где α - вес одного деления шкалы экрана по оси Y или X.

Это совпадает с подходом к оценке погрешности от­считывания в аналоговых стрелочных измерительных приборах.

У некоторых моделей ЭЛО сетка нанесена на обеих поверхно­стях (внешней и внутренней) защитного стекла. Грамотное исполь­зование этой конструктивной особенности позволяет уменьшить погрешность параллакса до пренебрежимо малых значений. В этом случае следует учитывать только первую составляющую - погреш­ность интерполяции:

D^*_отс = ± 0,1 α.

Если в ЭЛО имеется режим цифрового отсчета значений амп­литудных и временных параметров, то погрешность отсчитывания вообще отсутствует.

ГЛАВА 4. АНАЛОГОВЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА

РЕГИСТРАЦИИ

Общие сведения

Под регистрацией будем понимать процедуру запоминания и хра­нения в любой форме достаточно больших объемов информации. Хо­рошо всем знакомы примеры бытовых регистрирующих средств измерений: медицинский ртутный термометр, индукционный элект­рический счетчик активной энергии, спортивно-медицинский ди­намометр. Но эти устройства регистрируют только одно (обыч­но последнее) значение измеряемой величины, т.е. являются реги­страторами для статических моделей объекта исследования. Обычный фотоаппарат также может быть отнесен к статическим регистрато­рам, правда, не измерительным. Кинематограф, видеотехника - это уже динамическая регистрация (но тоже не измерительная).

К группе аналоговых динамических методов и средств измери­тельной регистрации относятся такие, в которых бесконечное мно­жество значений входного непрерывного (аналогового) сигнала преобразуется в другое бесконечное множество значений выход­ного сигнала-образа (в частности, видимого изображения), пред­ставленного в различных аналоговых формах (диаграмма на бума­ге, запись на магнитном носителе, изображение на экране и т.п.) с заданной достоверностью.

К цифровым методам отнесем такие, в которых бесконечное множество значений входных непрерывных сигналов преобра­зуется в конечное множество дискретных во времени и кванто­ванных по уровню значений. При этом выходная информация может быть представлена в аналоговой (точнее псевдоаналого­вой) форме.

В настоящее время в практике динамических исследований чаще других используются следующие основные методы аналоговой реги­страции (Analog Recording):

• видимая запись на поверхности твердого носителя (бумага, пленка);

• запись на магнитном носителе;

• хранение электрического заряда в диэлектрике.

Каждый из этих методов можно классифицировать на группы; Некоторые из них представлены достаточно разнообразно.

Первый метод реализуется в самопишущих приборах и светолучевых осциллографах. Второй метод представлен магнитографами, которые, кстати сказать, являются измерительными преобразова­телями, а не приборами; третий - аналоговыми запоминающими осциллографами.

В настоящее время среди средств аналоговой регистрации наи­более широко распространены электронные самопишущие при­боры для регистрации различных сравнительно медленно меняю­щихся величин (температуры, относительной влажности, давле­ния, электрических параметров и др.). До сих пор, если требуется регистрировать достаточно высокочастотные процессы (полоса частот сотни герц - единицы килогерц), используются светолучевые осциллографы. В тех ситуациях, где требуется длительная мно­гоканальная регистрация, возможность работы в полевых услови­ях, применяются измерительные магнитографы.

Аналоговые средства регистрации имеют ряд серьезных недостат­ков: сравнительно невысокую точность (1,0... 5 %), не всегда доста­точное число входных каналов, невысокое быстродействие, невысо­кую надежность (вследствие наличия механических узлов), невозмож­ность автоматизированной обработки результатов записи. Кроме того, их практически невозможно использовать в информационно-из­мерительных системах, системах автоматизированного управления.

Основная тенденция современной измерительной техники - решение задач измерения, регистрации, анализа цифровыми ме­тодами и средствами. Одно из важных преимуществ цифровых из­мерительных регистраторов – легкий переход от процедуры реги­страции к процедуре автоматизированного цифрового анализа. Оче­видно, что с дальнейшим развитием цифровой и аналоговой мик­роэлектроники (схемотехники, технологии), вычислительной тех­ники стоимость цифровых решений в деле регистрации процессов будет быстро снижаться, область применения цифровых методов и средств будет расширяться. Следовательно, роль аналоговых реги­страторов будет и в последующем постоянно уменьшаться.

Самопишущие приборы

Как и показывающие, аналоговые самопишущие приборы (СП) разделяются на электромеханические и электронные.

В электромеханических СП могут применяться различные систе­мы преобразователей электрической величины в механическую. Но чаще всего - это магнитоэлектрический измерительный механизм.

Принцип действия простейшего электромеханического (магни­тоэлектрического) СП основан (рис. 60) на взаимодействии под­вижной катушки (рамки) 3 с током (пропорциональным исследу­емому сигналу) с полем постоянного магнита 1.

Рис. 60. Упрощенное устройство электромеханического СП:

1- постоянным магнит; 2 - ось; 3 - катушка; 4 - перо; 5 - двигатель;

6 -бумага; 7 - стрелка; 8 - шкала

Движение - поворот на угол α(t) - катушки 3, закрепленной на оси 2, передается отсчетному устройству (ОУ), состоящему из стрелки 7 и шкалы 8,а также регистрирующему устройству (РУ) образованному пером 4 и движущейся бумагой 6. Развертка во вре­мени осуществляется равномерным перемещением диаграммной бумаги 6, благодаря вращению вала двигателя 5.

Обобщенная структура электромеханического СП показана
на рис. 61, а. Входной сигнал X (t) поступает в измерительную
цепь ИЦ, в которой осуществляются вспомогательные преобразования (масштабирование сигналов, преобразование различных
величин в ток), и далее, обычно в виде тока i (t), на измери­тельный механизм ИМ. Выходная величина ИМ - угол поворота α(t) - определяет показания ОУ и положение пишущего органа (пера) РУ.

Все достоинства обычного магнитоэлектрического механизма сохраняются в СП, но, вследствие большего необходимого вра­щающего момента (причина - заметное трение пишущего органа о бумагу), потребляется большая мощность от источника исследу­емого сигнала.

Типичные значения классов точности электромеха­нических СП 0,5...2,5 %. Полоса частот регистрируемых сигналов узкая - 0...5 Гц.

 

Рис. 61. Обобщенные структуры электромеханического (а) и электронного (б) СП

Электронные СП отличаются от электромеханических как по структуре (рис. 61, б),так и по конструкции. Классический маг­нитоэлектрический измерительный механизм заменен реверсив­ным двигателем, в схеме присутствуют различные аналоговые из­мерительные преобразователи (например, усилители, преобразо­ватели переменного напряжения в постоянное и др.).

Развертка во времени выполняется так же, как и в электроме­ханических СП, т.е. дополнительным двигателем, равномерно пе­ремещающим бумагу.

В основу работы электронных СП положен принцип уравнове­шивающего (компенсирующего) преобразования, в соответствии с которым электромеханическая отрицательная обратная связь (ОС) обеспечивает уравновешивание входного сигнала, например на­пряжения U_Y (t),меняющимся компенсирующим напряжением U _к(t).

Разница D U (t)входного U_Y (t)и компенсирующего U _к(t)сиг­налов поступает на усилитель Ус, выходное напряжение которого управляет реверсивным двигателем РД. Образованный угол пово­рота α(t) определяет показания ОУ и РУ. Компенсирующее напря­жение U _к(t)формируется узлом ОС и меняется таким образом, что уменьшает разницу потенциалов D U (t) на входе усилителя до минимального, различаемого усилителем, значения.

Узел ОС может быть реализован, например реохордом, движок которого перемещается валом РД. Формируемое при этом компен­сирующее напряжение U _к(t) уравновешивает входное напряжение U_Y (t), которое определяет положение стрелки ОУ и пера РУ по оси ординат Y.

Качество уравновешивания и, следовательно, метрологические (статические) характеристики в большей мере определяются уси­лителем Ус и узлом отрицательной обратной связи. Динамика элек­тронных СП характеризуется верхними частотами исследуемых сиг­налов до значений 0,5...2 Гц.

Существует большой класс СП, содержащих преобразователи входных периодических напряжений и токов в постоянные значе­ния (часто - в средние квадратические). Не следует путать частот­ные свойства входных преобразователей таких СП (обычно - до единиц - десятков килогерц) с динамическими возможностями собственно механизма (обычно — единицы герц).

Англоязычные термины этого класса регистраторов: Recorder, Paper Recorder, Y - T Recorder.

В некоторых моделях СП применяется термическая (тепловая) регистрация. При этом РУ представляет собой нагретый стержень (тепловое перо), который, перемещаясь, воздействует на термо­чувствительный носитель (термобумагу), оставляя видимый след.

Быстродействующие самопишущие приборы (БСП) в отличие от обычных СП, имеют более высокое быстродействие. Недоста­точно хорошая динамика обычных СП заставила искать конструктивные и технологические решения, обеспечивающие более широкую полосу частот. В основе этих решений лежат использование увеличенного противодействующего момента и сознательное уменьшение размаха (амплитуды) колебаний подвижной части. Диапа­зоны частот исследуемых сигналов в БСП 0... 150 Гц. Существует разновидность БСП, основанная на струйной записи (отклонение меняющимся электрическим полем заряженной струи краски). Такие приборы обеспечивают еще более высокие динамические ха­рактеристики (до 2 кГц), благодаря меньшей, чем в механической системе, массе подвижной части (струи). Однако из-за своей сложной конструкции и специфики обслуживания они распространены не так широко.

Двухкоординатные самопишущие приборы (ДСП) предназначе­ны в основном для построения функциональных зависимостей меняющихся сигналов X (t)и Y (t). Такой прибор может выступать в роли характериографа, инструмента для построения, например, зависимости вход - выход различных четырехполюсников.

Рис. 62. Конструкция двухкоординатного самопишущего прибора: 1- каретка; 2 - рейка; 3 - реверсивный двигатель оси Y; 4 -реверсивный двигатель оси X; 5 - бумага; 6 - перо

Конструкция ДСП (рис. 68) обеспечивает перемещение пера не­зависимо по двум координатам (Y и X). Каретка 1, на которой закреп­лено перо (фломастер, стеклянный капилляр, карандаш и т.п.) 6, благодаря реверсивному двигателю 3 и нерастяжимой нити, движется по рейке 2. Это определяет положение пера по оси ординат (оси Y). Рейка 2 с расположенной на ней кареткой 1 может пере­мещаться параллельно-поступательно при вращении вала второго реверсивного двигателя 4,что определяет положение пера по оси абсцисс (оси X). Лист бумаги 5 в этой конструкции неподвижен и по окончании регистрации несет двухкоординатное изображение. Структура ДСП содержит два обычно идентичных канала уравновешивающего преобразования Y (t)и Х (t),которые обеспечивают отклонения, соответственно, по осям ординат и абсцисс.

Динамические характеристики ДСП аналогичны характери­стикам электронных СП.

Существует разновидность конструкции ДСП, в которой по одной из осей перемещается лист бумаги. При этом рейка 2 с закрепленным на ней реверсивным дви­гателем 3 неподвижна. По рейке перемещается каретка 1 с пером 6 (как и в предыдущем варианте), что определяет положение пера по оси Y, а положение пера относительно листа бумаги по оси X определяется перемещением собственно листа 5. Эту функцию выполняют реверсивный двига­тель 4 и прижимные ролики. Окончательный результат регист­рации тот же - двухкоординатное изображение (Y - X). Некоторое преимущество подобной конструкции заключается в меньшей механической инерционности тракта X, поскольку масса переме­щаемого листа бумаги меньше суммарной массы рейки, за­крепленного на ней двигателя и каретки с пером.

Двухкоординатный самопишущий прибор может быть ис­пользован и в режиме обычного СП (режим Y - Т). Для этого вместо канала (обычно сменного блока) X (t)используется канал (сменный блок) развертывающего линейно изменяющегося на­пряжения.

Существуют устройства, внешне похожие на ДСП, так называ­емые плоттеры (Plotters), входными сигналами для которых слу­жат цифровые (логические) сигналы. Плоттер не является в пол­ном смысле измерительным прибором, а выступает обычно в ка­честве периферийного устройства графического вывода для средств вычислительной техники.

В настоящее время широко распространен еще один самостоя­тельный класс приборов, которые могут выдавать результат реги­страции в виде диаграммы сигнала на бумаге - цифровые измери­тельные регистраторы (Transient Memory Recorder, ADC Recorder). Но внутреннее содержание таких приборов совершенно другое. Ос­новными узлами их являются аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и достаточно большого объема запоминающее устройство. Полоса частот исследуемых сигналов у таких регистраторов опреде­ляется быстродействием АЦП и значительно шире (может достигать единиц - десятков мегагерц). Зарегистрированный массив кодов за­тем преобразуется в графический образ входного сигнала на бумаге.

Светолучевые осциллографы

Динамика светолучевых осциллографов (СЛО) существенно луч­ше, чем у самопишущих приборов СП, поскольку масса подвиж­ной части (рамки) осциллографического гальванометра СЛО суще­ственно меньше массы катушки или ротора двигателя СП. Понят­но, что отклонять поток света легче, чем поворачивать стрелку ОУ и тем более пишущий орган (например, стеклянный капилляр) РУ.

В основе СЛО (рис. 63) лежит классический принцип магнитоэлектрического механизма - взаимодействие тока рамки б гальвано­метра с полем постоянного магнита 5. Рамка висит на натянутых упругих растяжках, на одной из которых закреплено крошечное зер­кало 4 (обычно кусочек фольги). Поворот рамки (и, следовательно, зеркальца) приводит к отклонению потока света, падающего на зеркальце, и к отклонению светового пятна на светочувствитель­ном носителе (фотобумаге или фотопленке) 8 и/или матовом экра­не 10. Развертка во времени осуществляется равномерным движе­нием носителя (бумаги, пленки) и вращением зеркального много­гранника 9. Поток света (спектр которого обычно смещен в ультра­фиолетовую область) формируется источником 1, конденсором 2 (задача которого - формирование параллельного потока из расхо­дящегося) и диафрагмой 3 (предназначенной для «вырезания» узкого пучка для каждого отдельного гальванометра - канала). Осциллографический гальванометр (ОГ) - Oscillographic Galva­nometer - содержит рамку, растяжки, токоподводы, зеркальце. Он выполнен в виде неразборной конструкции и представляет собой миниатюрный цилиндр длиной 60...90 мм и диаметром 4...6 мм, в котором имеется прозрачное окно для узкого потока света. Корпус ОГ выполнен из немагнитного материала, но в него встроены эле­менты общего магнитопровода. В случае использования жидкостно­го успокоения корпус ОГ заполнен неорганической прозрачной жид­костью, обладающей определенной вязкостью.

 

Рис. 63. Устройство светолучевого осциллографа:

1 - источник света; 2 - конденсор; 3 - диафрагма; 4 - зеркало; 5 - постоянны

магнит; 6 - рамка; 7 - полупрозрачное зеркало; 8 - фотопленка (фотобумага)'

9 - зеркальный многогранник; 10 - матовый экран

Светолучевые осциллографы - многоканальные приборы, по­этому содержат несколько ОГ.

Конструктивно все ОГ объединены общим магнитопроводом.

Важной характеристикой ОГ является его чувствительность S,которая определяется отношением отклонения пятна на фотопленке (бумаге) или на экране к току, вызывающему это отклонение. Отклонение пятна зависит не только от текущего в ОГ тока, но и от «длины луча», т.е. от расстояния от зеркальца до пленки (бума­ги) или до экрана. Поэтому принято приводить значение чувствительности к длине луча L = 1 м. Поэтому размерность чувствительности выглядит, например, так: S = 20 мм/(мА·м). Иногда в паспортных данных ОГ задается обратная чувствительности величина – постоянная ОГ. Зная значение чувствительности и имея результат регистрации, можно определить текущие значения тока, протекавшего в ОГ во время эксперимента. Если с помощью СЛО зарегистрирован некий сигнал, известны значения чувствительности ОГ и скорости движения фотопленки (бумаги), то можно найти его основные параметры. Предположим, что нас интересует амплитудное значение I_m и период T колебаний синусоидального сигнала. Пусть линейные размеры этих параметров на диаграмме равны, соответственно, 40 и 100 мм. Чувствительность ОГ известна: S = 20 мм/(мА·м), скорость движения фотопленки v = 500 мм/с, длина луча L = 1 м.

Пренебрегая всеми погрешностями, найдем интересующие нас параметры.

Амплитудное значение тока I_m = 40 мм · мА · м / (20 мм · 1 м) = 2 мА. Период колебаний сигнала T = 100 мм · с / 500 мм = 0,2 с.

Выбирая ОГ для эксперимента, прежде всего следует руководствоваться его амплитудно-частотной характеристикой. Это особенно важно при исследовании несинусоидальных процессов с высшими гармониками. Затем определяют необходимую чувствительность для получения на диаграмме амплитудных параметров достаточного размера. На этом этапе может возникнуть потребность применения шунтов или добавочных сопротивлений. И, наконец, задают такую скорость движения носителя, которая обеспечит нормальное воспроизведение временных параметров и ВТО же время позволит записать фрагмент процесса достаточной продолжительности.

Основные достоинства СЛО:

· многоканальность (до 30 сигналов могут регистрироваться одновременно);

· возможность получения твердой копии исследуемых сигналов;

· широкая (по сравнению с СП) полоса частот исследуемых сигналов (до 30 кГц);

· отсутствие механического контакта регистрирующего органа и носителя.

Основные недостатки СЛО:

· сложность оптико-механической конструкции и, следовательно, сравнительно невысокая надежность и высокая стоимость;

· невысокая точность получаемых результатов (единицы процентов);

· узкая (по сравнению с электронно-лучевым осциллографом) полоса частот сигналов;

· необходимость специальных расходных материалов (фотобумаги или пленки) и дополнительной их обработки;

· сравнительно большая мощность потребления от источника исследуемого сигнала.

Англоязычная терминология СЛО – Oscillographic Recorder, Ultra-Violett (U-V) Recorder.