23091

ЕЛЕКТРОМЕТР

Лабораторная работа

Физика

Електрометричний вимірювач струму. Опис спектрофотометра СФ5 Ця лабораторна робота знайомить із принципами вимірювання і будовою електрометричних вимірювачів струму їхньою конструкцією і способами визначення основних характеристик що дозволяють використовувати такі прилади разом з фотоелектронними помножувачами ФЕП і фотодіодами ФД для реєстрації слабких потоків випромінювання. За допомогою електрометричних вимірювачів реалізується метод виміру постійного струму застосовуваний для таких приймачів випромінювання що мають малий рівень...

Украинкский

2013-08-04

319.5 KB

9 чел.

6

ЕЛЕКТРОМЕТР

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

ФІЗИЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА ОПТИКИ

ПРАКТИКУМ “ОПТИКО-ЕЛЕКТРОННІ ПРИЛАДИ І СИСТЕМИ”

4

Електрометричний вимірювач струму

КИЇВ 2001


Список лабораторних робіт та додаткових матеріалів практикуму

“Оптико-електронні прилади і системи”

--------------------------------------------------------------------------------------------

  1.  Дослідження характеристик фотоелектронного помножувача.
  2.  Дослідження характеристик фоторезистора.
  3.  Дослідження характеристик фотодіода.
  4.  Електрометричний вимірювач струму.
  5.  Синхронний детектор.
  6.  Метод лічби одноелектронних імпульсів.
  7.  Вимірювання форми імпульсу випромінювання.
  8.  Реєстрація спектрів пропускання.
  9.  Реєстрація спектрів випромінювання.
  10.  Вимірювання спектральної чутливості фотоприймачів.
  11.  Вимірювання абсолютної та порогової чутливості фотоприймача.
  12.  Методи модуляційної спектроскопії.
  13.  Мікрофотометри.

  1.  Терміни та визначення
  2.  Спектр випромінювання абсолютно чорного тіла. Функція Планка.
  3.  Опис спектрофотометра СФ-5


Ця лабораторна робота знайомить із принципами вимірювання і будовою електрометричних вимірювачів струму, їхньою конструкцією і способами визначення основних характеристик, що дозволяють використовувати такі прилади разом з фотоелектронними помножувачами (ФЕП) і фотодіодами (ФД) для реєстрації слабких потоків випромінювання.

Теоретична частина.

За допомогою електрометричних вимірювачів реалізується метод виміру постійного струму, застосовуваний для таких приймачів випромінювання, що мають малий рівень власних шумів на низьких частотах. Здебільшого це - ФЕП і фотодіоди. Їхній вихідний опір достатнє великий. Тому як підсилювачі сигналів таких фотоприймачів використовують електрометричні вимірювачі струму.

При вимірі малого постійного струму його необхідно перетворити в напругу. Відомі два види перетворювачів малих струмів у напругу: резистор з великим опором R і конденсатор ємністю C з малими утоками. У першому випадку Ur = IxR, у другому - dUc = Ixdt/C, де dt - час заряду, Ix - вимірюваний струм. Оскільки абсолютні значення струмів перерахованих приймачів випромінювання при вимірі граничних потоків рідко бувають нижче, ніж  10-10...10-11A, то для фотометричних цілей практично не має сенсу застосовувати конденсаторний метод.

У сучасних електрометричних вимірниках струму з високоомним резистором на вході напруга на резисторі виміряється із застосуванням підсилювачів з негативним зворотним зв'язком (НЗЗ). При цьому можливі дві схеми: з послідовним і паралельним НЗЗ по напрузі.

Мал.1. Перетворювачі струм-напруга: а) з послідовним і б) паралельним НЗЗ по напрузі.

У першому випадку (мал.1,а) вимірюваний струм Ix , проходячи через резистор R0, створює на ньому падіння напруги  Ux = IxR0. Ця напруга підсилюється, і на виході маємо:

Uout = UxK/(1+K),   (1)

де K - коефіцієнт передачі підсилювача без НЗЗ (для операційних  підсилювачів K>105), = R2 / (R1+R2) - коефіцієнт передачі ланки НЗЗ.

Формула (1) справедлива лише у випадку, якщо вхідний опір підсилювача багато більший за R0. У свою чергу вхідний опір підсилювача з послідовним НЗЗ по напрузі описується рівнянням;

Rin = (1 + Κ)R*,   (2)

де R* - вхідний опір підсилювача без ланки НЗЗ. Таким чином, вхідний опір такого  підсилювача тим більший чим більше , тобто, чим менше коефіцієнт підсилення підсилювача за напругою. З цього погляду найкращим є режим повторювача напруги:

= 1; Rin = KR*; Uout = Ux = IxR0 .   (3)

В другому випадку (мал.1,б) перетворювач (резистор R0) включений у ланку паралельного НЗЗ підсилювача, і вихідна напруга (за умови R0  Rin) має вид:

Uout = KIxR0/(1 + K) .   (4)

Тому що   = 1, а K » 1, то

Uout = IxR0 .   (5)

Вхідний опір підсилювача з паралельним НЗЗ по напрузі:

Rin = R0/(1 + K)  R0/K,   (6)

тобто в K разів менше ніж у підсилювача без НЗЗ. Тому що напруга на вході вимірювача близька до нуля, то зменшується вплив вхідного імпедансу підсилювача на правильність вимірів.

Нижня межа виміру струму обмежена шумами застосовуваного приймача випромінювання. Для ФЕП, наприклад, поріг чутливості визначається величинами порядку 10-11...10-13 лм/Гц1/2, а інтегральна чутливість - 10...103  А/лм. Якщо прийняти величину типової інерційності реєстратора = 1 с (тобто df = 0,25 Гц), то одержимо середньоквадратичне значення шумового струму на виході ФЕП порядку (15)10-11А.

Таким чином, найбільш чутлива шкала електрометричного вимірювача повинна  відповідати струму повного відхилення -10-10 А. При найбільш зручній для реєстрації вихідній напрузі Uout = 1 В можна визначити значення R0 для реєстрації таких струмів. З (5):

R0 = 1/10-10 = 1010 Ом = 10 ГОм.   (7)

Звідси ясно, що вхідні ланцюги підсилювача, застосовуваного для електрометричного вимірювача, повинні бути досить високоомними. В даний час у вхідних ланках використовують польові транзистори. Виготовлення електрометрів на базі прецизійних інтегральних операційних підсилювачів (ОП) виводить з розгляду питання про шуми і дрейфи електрометра, тому що ними завжди можна зневажити в порівнянні із шумами приймачів випромінювання.

З погляду кращого застосування тієї чи іншої з розглянутих схем обговоримо питання про інерційність електрометричного перетворювача струму. Інерційні властивості підсилювача визначаються його вхідним імпедансом Z. У випадку послідовного НЗЗ його величину визначають як вхідна ємність самого підсилювача, так і ємність з'єднуючого приймач випромінювання з електрометром кабелю, а також паразитна ємність перетворювача C0. У найкращих умовах (ліквідація кабелю, розташування електрометра в безпосередній близькості від приймача випромінювання) вдається одержати = 10-11Ф10100м = 0,1 с.

Суттєво кращу швидкодію можна отримати застосовуючи  підсилювач з паралельним НЗЗ. Розглядаючи коефіцієнт перетворення такого перетворювача як S = Uout/Ix з урахуванням вхідного імпедансу операційного підсилювача, одержимо:

S = Z0KZin/(Z0 +KZin ) , (8)

де  Z0 = R0/(1 + j R0C0); Zin = Rin/(1 + j RinCin); C0 - паразитна ємність ланки НЗЗ, Cin - вхідна ємність ОП і сполучного  кабелю. Таким чином, вихідна напруга так залежить від вхідного струму, начебто ланка перетворювача складається з паралельно з'єднаних Z0 і KZin. На підставі (8) можна скласти еквівалентну схему, зображену на мал.2.

Мал.2. Еквівалентна схема електрометра з паралельним НЗЗ.

Оскільки K > 105, то інерційні властивості такого електрометра визначаються винятково власною постійною часу ланки зворотного зв'язку = R0C0. Ємність високоомних резисторів C0  10-13 Ф, і при R0 = 1010 Ом :

C0R0 = 10-13 Ф1010 Ом = 10-3 с.

Для зменшення постійної часу знижують ємність C0 установкою спеціальних екранів (мал.3), за допомогою яких вдається знизити значення C0 до (1...1,5)10-14 Ф і, відповідно, ще в 10 разів зменшити .

Мал.3. Способи зменшення ємності резистора зворотного зв'язку.

З усього вищевикладеного випливає, що електрометричний вимірювач струму з паралельним НЗЗ по напрузі кращий для використання з струмовими джерелами сигналу, якими є такі приймачі випромінювання як фотоелектронні помножувачі і фотодіоди (у фотодіодному і фотогальванічному режимі короткого замикання).

Експериментальна установка

Мал.4. Електрометричний вимірювач струму.

Призначена для виміру характеристик електрометричного вимірювача струму, принципова схема якого представлена на мал.4. Установка містить регульоване джерело напруги з набором резисторів, які імітують джерело струмового сигналу (вихідна напруга джерела виміряється цифровим вольтметром), а також графобудівник типу Н-306, підключений до виходу електрометра.

Завдання

Перед початком роботи уважно ознайомтеся з усіма матеріалами і літературою, пропонованими до даної лабораторної роботи. Перед початком вимірів спробуйте спрогнозувати свої дії. При необхідності, частіше радьтеся з викладачем чи лаборантом.

1. Вимірити залежність показань електрометра від величини вхідного струму. По побудованій характеристиці визначити відхилення від лінійності, а також точність калібрування випробуваного приладу. Оцінити похибку проведених вимірів.

Корисні поради:

* виміри рекомендується проводити при чутливості 10-9 А;

* графік повинний містити не менш 15-20 точок.

2. Вимірити дрейф нульового відліку електрометра. Оцінити поріг чутливості електрометра. Корисні поради:

* від’єднайте вхід електрометра від джерела вхідного сигналу і встановіть заглушку;

* вихід електрометра "1" приєднайте до входу каналу Y графобудівника Н-306. Чутливість каналу, що рекомендується, Y - 0,5 мв/поділку, швидкість розгортки (канал X) - 50 с/см;

зробіть запис власного шуму електрометра при чутливості 10, 1і 0,1 на при постійних часу 0,1 і 1 с.

УВАГА ! При переключенні меж виміру електрометра, зсуві нуля, установці постійної часу, чи включенні/вимиканні електрометра, а також інших маніпуляціях з ним канал Y графобудівника повинний бути ВІДКЛЮЧЕНИМ ! Включення каналу Y можна проводити, установивши вихідний сигнал електрометра близьким до нуля.

3. Визначити динамічний діапазон електрометричного вимірювача струму для одного з меж виміру. На підставі проведених експериментів оцінити, який з каскадів електрометра дає основний внесок у шумовий сигнал.

Література

1. Илюкович A.M. Техника электрометрии. М.: Энергия.-1976.

2. Ансо М.Х., Роос М.Э., Сакс О.В. и др. Электрометрические измерители тока. Приборы и техника эксперимента.-1989, N6, с.25-38.

7

ЕЛЕКТРОМЕТР


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

2701. Актуальные вопросы ВИЧ-инфекции 109.38 KB
  Актуальные вопросы ВИЧ-инфекции Цель: Сформировать убеждение в необходимости избегать форм поведения, связанных с неоправданным риском для здоровья и жизни. Оборудование: Карты с изображением компании подростков (одна на парту). Текст История...
2702. Бинарный интегрированный урок по географии в 6-м классе на тему: 20.62 KB
  Бинарный интегрированный урок по географии в 6-м классе на тему: Облака Цель: Сформировать представление об облаках, их видах, условиях образования и значении. Задачи: Развитие умений анализировать, классифицировать, выявлять причинно-...
2703. Биогеоценоз леса. Растительный и животный мир лесов Мордовии 31.23 KB
  Биогеоценоз леса. Растительный и животный мир лесов Мордовии. ЦЕЛЬ УРОКА: продолжить формировать знания учащихся о биогеоценозах Мордовии, познакомить учащихся с биогеоценозом леса, его растительным и животным миром, воспитывать чувство бережного о...
2704. Операция Птицам — нашу заботу 22.14 KB
  Внеклассное мероприятие: Операция Птицам — нашу заботу Цели: прививать любовь к птицам, воспитывать экологическую культуру, вовлекать в практическую деятельность по охране птиц зимой. Все классы построены на линейку. ХОД МЕРОПРИЯТИЯ Ведущий: ...
2705. Что? Где? Когда? Мир вокруг нас 26.41 KB
  Внеклассное мероприятие по биологии и экологии: Что? Где? Когда? Мир вокруг нас Цель: развитие логического мышления, памяти, познавательной активности, воспитание навыков работать сообща, выслушивать мнения товарищей, уметь серьезно подойти к кажд...
2706. Берегите землю, берегите! 28.03 KB
  Внеклассное мероприятие по экологии Берегите землю, берегите! Цели: Воспитывать у учащихся бережное отношение к природе, ко всему живому. Привлекать к природоохранной работе. Оборудование:  плакаты, рисунки учащихся,  выставка экол...
2707. Устный журнал — Зеленая жемчужина 31.91 KB
  Внеклассное мероприятие по экологии. Устный журнал — Зеленая жемчужина Цели и задачи: сохранение сосновых и еловых насаждений Ульяновской области, формирование у обучающихся понимания единства человека и природы, вовлече...
2708. Путешествие по заповеднику 35.64 KB
  Внеклассное мероприятие: экологическая познавательная игровая программа Путешествие по заповеднику Хакасский Проводится для учащихся 2-го класса. Цели: 1) развитие познавательного интереса к природе, выработка умения видеть необычное в привычном,...
2709. Внеклассное мероприятие. Викторина Своя игра 24.43 KB
  Внеклассное мероприятие. Викторина Своя игра СИНИЙ РАУНД. 1. Тема: Фольклор, продолжи вторую часть пословицы и поговорки: 10- Пришла беда -… 20- Искру туши до пожара, беду ….. 30- Не зная броду, 40- Перемелется … 50- Ученье-свет, а … Тема: Сказо...