9-3. СВЕТОЛУЧЕВЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ

Назначение и устройство. Современные светолучевые осциллографы применяют в основном для регистрации изменяющихся во времени электрических величин. Ранее выпускаемые осциллографы были предназначены также и для наблюдения исследуемых процессов. В светолучевых осциллографах регистрация или наблюдение процессов осуществляется с помощью осциллографических гальванометров специальной конструкции и устройств развертки изображения во времени.

Рис. 9-3. Устройство светолучевого осциллографа

Выпускаемые промышленностью осциллографы имеют несколько гальванометров (6, 12, 24 и более), что позволяет одновременно регистрировать соответствующее число процессов. Максимальная частота регистрируемых сигналов, ограниченная в основном динамическими свойствами осциллографических гальванометров и скоростью развертки, не превышает 30 кГц.

На рис. 9-3 изображена упрощенная схема осциллографа, предназначенного для регистрации и наблюдения изучаемого процесса. Луч света от лампы проходя через конденсорную линзу 2 и диафрагму попадает на зеркальце 4 гальванометра 5. Отраженный от зеркальца световой луч частично направляется к поверхности многогранного зеркального барабана 7, а от него на матовый стеклянный экран 8. Часть луча при помощи призмы 6 направляется на поверхность фотопленки 9 (или светочувствительной бумаги).

Если через гальванометр пропустить исследуемый переменный ток, то подвижная часть гальванометра будет совершать колебания. При неподвижных фотопленке 9 и барабане 7 на экране 8 видна световая полоса, а на фотопленке после ее проявления — черная полоса. Если же барабан 7 заставить вращаться с такой постоянной частотой, при которой время поворота зеркального барабана на угол (см. рис. 9-3) равно — целое число, Т — период исследуемой кривой), то на экране появится неподвижная кривая изучаемого тока. Поэтому в осциллографе предусматривается регулировка частоты вращения зеркального барабана 7. Перемещение луча по экрану вдоль оси времени называют разверткой.

Развертка луча по поверхности фотопленки (фотобумаги) осуществляется путем перемещения ее с постоянной скоростью, в результате чего на фотопленке фиксируется кривая процесса — осциллограмма.

Масштаб по оси времени определяется скоростью движения фотопленки или по одновременно записанной осциллограмме сигнала известной частоты. Для получения такой осциллограммы используется один из гальванометров или специальное устройство, называемое отметчиком времени.

Масштаб по оси ординат кривой зависит от чувствительности гальванометра. Он определяется по паспортным данным на гальванометр или экспериментально путем пропускания известного тока через гальванометр.

Устройство и теория осциллографического гальванометра.

Устройство осциллографического гальванометра показано на рис. 9-4, а. Многовитковая обмотка-рамка 3 закреплена между полюсами магнитной системы 4 на двух металлических растяжках 1, натягиваемых пружиной 5. Растяжки служат также для

Рис. 9-4. Схема устройства (а) и конструкция (б) магнитоэлектрического осциллографического гальванометра

подведения тока к рамке и создания противодействующего момента. К рамке приклеено зеркальце 2, на которое направляется световой луч. Длина рамки составляет примерно 10—15 мм при ширине мм; размеры зеркальца мм.

Представление о конструкции гальванометра-вставки дает рис. 9-4, б.

Гальванометры-вставки имеют небольшие размеры (в корпусе размещена только подвижная часть), легко заменяются и предназначены для установки в общей магнитной системе, что позволяет создавать компактные многоканальные осциллографы.

В результате взаимодействия тока протекающего по рамке, с полем постоянного магнита возникает вращающий момент. Мгновенное значение этого момента, созданного парой сил (рис. 9-5), , где В — индукция в зазоре; — площадь рамки; — число витков рамки. Угол отклонения а в осциллографических гальванометрах невелик — обычно не превышает нескольких градусов. Поэтому можно принять Как было показано в § 5-2, движение рамки гальванометра описывается дифференциальным уравнением

где — противодействующий момент, возникающий при закручивании растяжек; - тормозящии момент, определяемый в основном либо магнитоиндукционным успокоением, либо (в некоторых гальванометрах) трением о жидкость, в которую помещена рамка гальванометра (см. ниже); — момент инерции рамки. Особенностью осциллографических гальванометров является малый момент инерции что необходимо для регистрации переменных во времени процессов.

Разделив уравнение (9-1) на и учитывая, что частота собственных колебаний, степень успокоения, чувствительность гальванометра на постоянном токе, получим

Следовательно, гальванометр представляет собой динамическое звено второго порядка (см.§ 4-6) с параметрами

Динамический режим такого звена рассмотрен в § 4-6, где вместо и используются соответственно обозначения Здесь же кратко остановимся на основных причинах возникновения динамической погрешности при регистрации светолучевым осциллографом.

При прохождении синусоидального тока через рамку «идеального» (безынерционного) гальванометра на носителе регистрировалась бы кривая при любой частоте со. Для идеального гальванометра характерно постоянство чувствительности для любых частот и отсутствие угла фазового сдвига между При прохождении этого же тока через реальный (инерционный) гальванометр регистрируется кривая где — чувствительность по току гальванометра на частоте ; — угол фазового сдвига между а

Зависимость чувствительности гальванометра от частоты, или его амплитудно-частотная характеристика АЧХ, и зависимость угла фазового сдвига от частоты, или его фазовочастотная характеристика ФЧХ [см. (4-71, 4-72) и рис. 4-18], определяются выражениями

Если требуется «жесткая привязка» по времени регистрируемого сигнала, например, относительно линий отметчика времени,

Рис. 9-5. Рамка гальванометра в магнитном поле

то возникает динамическая погрешность При таком определении погрешности существенное влияние оказывает угол фазового сдвига (см. рис. 4-20). Часто этот сдвиг не является существенным, поскольку он не искажает формы кривой и может быть учтен при обработке результатов регистрации. Тогда погрешность регистрации находится как разность между смещенным зарегистрированным сигналом а на время т. е. В этом случае динамическая погрешность полностью определяется АЧХ гальванометра. Относительная погрешность при этом

При регистрации сложного полигармонического тока, например где — число гармоник тока, на носителе будет зафиксирована кривая а в отличие от «идеальной» кривой Возникающая погрешность регистрации обусловлена, во-первых, различной чувствительностью гальванометра на различных частотах и, во-вторых, нелинейной зависимостью угла фазового сдвига от частоты. Последнее проявляется в том, что каждая гармоническая составляющая смещается на свое время задержки причем где Это приводит к смещению во времени гармоник относительно друг друга, что в итоге искажает форму кривой. Возможные оценки динамической погрешности для такого сигнала приведены в § 4-6.

Из анализа причин появления погрешностей регистрации следует, что для уменьшения этих погрешностей необходимо выбирать такие гальванометры и режимы их работы, при которых для полосы частот исследуемого сигнала с требуемой точностью соблюдаются условия т. е. чувствительность в заданном диапазоне частот практически не зависит от частоты, а ФЧХ имеет линейный характер изменения. Полосу частот, в которой соблюдается равенство с некоторой погрешностью, например называют рабочей полосой частот осциллографического гальванометра.

Амплитудно-частотная и фазово-частотная характеристики звена второго порядка приведены на рис. 4-18, из которого видно для гальванометра], что наилучшие, в смысле минимизации погрешностей регистрации, характеристики имеет

Таблица 9-1 (см. скан)

гальванометр при степени успокоения При такой степени успокоения гальванометр в наиболее широком частотном диапазоне удовлетворяет указанным выше условиям.

Кроме того, из рис. 4-18 и выражений (9-2) следует, что погрешности регистрации будут тем меньше, чем меньше отношение Это означает, что необходимо выбирать гальванометр с частотой собственных колебаний существенно превышающей максимальную частоту исследуемого сигнала. Так, при чувствительность гальванометра отличается на от практически линейна. Однако следует иметь в виду, что высокочастотные гальванометры имеют относительно небольшое число витков рамки (для уменьшения момента инерции), вследствие чего они обладают пониженной чувствительностью.

Степень успокоения обеспечивается либо конструктивно, путем помещения рамки гальванометра в специальную жидкость, обладающую определенной вязкостью, для получения необходимого тормозящего момента, либо за счет магнитоиндукционного успокоения (см. § 5-2). В последнем случае для получения заданного режима работы гальванометр должен быть замкнут на цепь, имеющую определенное сопротивление.

Для примера в табл. 9-1 приведены основные характеристики осциллографических гальванометров типов Гальванометры типа М040 имеют магнитоиндукционное успокоение. Для обеспечения оптимальной степени успокоения внешнее сопротивление должно иметь значения, указанные в таблице.

Гальванометры типов имеют жидкостное успокоение, поэтому внешнее сопротивление может быть любым.

Светолучевые осциллографы снабжают обычно набором гальванометров различных типов, отличающихся друг от друга частотой собственных колебаний, рабочей полосой частот, чувствительностью к току, наибольшим допустимым током и т. д. Это позволяет выбрать наиболее подходящий к условиям эксперимента тип гальванометра.