Шакунов С. А. Тайшин А. В., Парилов Д. С ., Лю-фа Е

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ САХА (Я)
СРЕДНЕКОЛЫМСКАЯ УЛУСНАЯ ГИМНАЗИЯ
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР ШКОЛЬНИКОВ
Шакунов С. А. Тайшин А. В., Парилов Д. С ., Лю-фа Е. Е.
ЭЛЕКТРОННЫЙ КОМПЛЕКС
для физиологических исследований
ЭКФ – 1
Среднеколымск 2014
СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
I. НАЗНАЧЕНИЕ И СОСТАВ ПРИБОРА…………………………………. ………..3
II. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПРИБОРА…………………………………..
………..3
2.1. Оптофонорефлексометр………………………………………………………….
………..3
2.2. Темпотест……………………………………………………………………………
………..4
2.3. Фонотремометр……………………………………………………………………….
………6
2.4. Офтальмотест………………………………………………………………………
………7
2.5. Измеритель эмоций………………………………………………………………..
………7
III. КОНСТРУКЦИЯ КОМПЛЕКСА…………………………………………
………8
ЛИТЕРАТУРА………………………………………………………………
………12
2
I. НАЗНАЧЕНИЕ И СОСТАВ ПРИБОРА
Электронный комплекс (прибор) для физиологических исследований ЭКФ-1 предназначен, в основном, для применения в научно-исследовательской деятельности
школьников по медико-биологической тематике, однако он может быть использован и более широкой аудиторией для аналогичных целей.
В комплекс включены следующие приборы:
- оптофонорефлексометр (ОФР), измеряющий время реакции на разноцветные
световые и звуковой раздражители;
- темпотест (ТТ), позволяющий определять количество движений испытуемого в
единицу времени;
- фонотремометр (ФТ), предназначенный для исследования координации движений;
- офтальмотест (ОТ) - прибор, измеряющий критическую частоту слияния мельканий (КЧСМ) источника света при его воздействии на глаз испытуемого;
- измеритель эмоций (ИЭ), регистрирующий знак и силу эмоций испытуемого на
различные раздражители.
II. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПРИБОРА
Все входящие в комплекс приборы представляют собой аналоговые электронные
устройства, построенные на дискретных радиоэлектронных компонентах.
2.1. Оптофонорефлексометр
Прибор (рис. 2.1) определяет время реакции на раздражители красного, желтого
синего цветов и на звуковой сигнал, которые устанавливают переключателем S3. Работа
с прибором проста — надо нажимать на кнопку S1 «Пуск» до тех пор, пока на табло не
загорится светодиод выбранного цвета, а затем быстро ее отпустить. Стрелка индикатора-секундомера покажет время реакции.
Рис. 2.1. Принципиальная электрическая схема ОФР
(ЗГ изображен отдельно; светодиоды V8, V9 на схеме не показаны)
3
При нажатии на кнопку S1 «Пуск» включается реле выдержки времени, собранное
на транзисторах VI, V2 и тринисторе V3; одновременно к аноду тринистора подключается
стабилизатор тока на транзисторе V5 и резисторе R5. Пока тринистор не открыт, напряжение на его аноде близко к напряжению источника питания, и конденсатор С2 реле времени практически разряжен. Через некоторое время, определяемое емкостью конденсатора С1 и сопротивлением резисторов R1, R2, тринистор V3 откроется и загорится один
из светодиодов V7-V9 (V8, V9 на схеме не показаны) или включится звуковой генераторЗГ (в зависимости от положения контактов переключателя S3). Стабилизатор тока подключается к общему проводу, и через тринистор V3 начинает заряжаться конденсатор С2.
К этому конденсатору подключен вольтметр постоянного тока, представляющий собой
измерительный мост, образованный полевым транзистором V6 и резисторами R6 — R8, в
диагональ которого включен вольтметр PU1. Когда конденсатор С2 заряжается (его зарядка происходит через стабилизатор тока, т. е. по линейному по времени закону), измерительный мост разбалансирован и стрелка вольтметра отклоняется от нулевой отметки
шкалы. Угол отклонения стрелки прямо пропорционален продолжительности зарядки
конденсатора С2. Как только испытуемый отпустит кнопку S1, зарядка конденсатора С2
прекратится - стрелка индикатора покажет время реакции.
Если испытуемый отпустит кнопку S1 до того, как появится полезный сигнал (фальстарт), то стрелка индикатора будет стоять на нулевой отметке шкалы вольтметра.
После измерений показания секундомера сбрасывают нажатием кнопки S2
«Сброс». При этом сигнал выключается, а конденсатор С2 разряжается через диод V4 и
источник сигнала (светодиод или ЗГ).
Перед началом измерений стрелку прибора PU1 устанавливают на нулевую отметку переменным резистором R7. В качестве вольтметра PU1 нами использован микроамперметр с током полного отклонения 100 мкА с добавочным сопротивлением.
2.2. Темпотест
Название этого прибора происходит от английских слов tempo, т. е. скорость, степень быстроты в исполнении какого-либо задания, и test, т. е. испытания; задания стандартной формы для тренировки умственных, физических и других способностей человека, других сторон его личности. Поэтому все название можно расшифровать как «устройство для тренировки в выполнении задания с наибольшей скоростью».
Рис. 2.2. Принципиальная схема ТТ
4
В данном устройстве испытуемый должен в определенной последовательности
нажать на четыре кнопки, расположенные в углах квадрата, не делая ошибок и с возможно большей скоростью.
Рассмотрим работу ТТ по его принципиальной схеме (рис. 2.2). При нажатии кнопки
S1 открывается тринистор V1, загорается светодиод V5 и напряжение на нижнем (по схеме) контакте кнопки S2 изменяется от нуля до 3... 4 В. Если затем нажать кнопку S2, то
откроется тринистор V2, загорится светодиод V6 и т. д. В результате при открытии тринистора V4 возбудится электромагнитное реле, замыкая свои нормально-разомкнутые контакты, соединенные со счетчиком импульсов, и, размыкая цепь питания прибора. В это
время все тринисторы переходят в исходное-закрытое состояние и светодиоды гаснут. За
счет значительной емкости конденсатора C1 время замыкания контактов реле достаточно
для срабатывания счетчика импульсов, в качестве которого использован микрокалькулятор. При этом, контакты реле соединены с контактами SK клавиши «=» калькулятора (рис.
2.2).
В наше устройство введен электронный таймер (рис.2.3), который сигнализирует об
окончании времени эксперимента.
Рис. 2.3. Принципиальная схема таймера для ТТ
В нем устройство отсчета заданного времени собрано на полевом транзисторе
VT1, а звуковой сигнализатор - на транзисторе VT2. Управляется таймер переключателем
SA1.1. В исходном положении ручка переключателя должна находиться в таком состоянии, чтобы, как показано на схеме, группа контактов SA1.1 была замкнута, а SA1.2 - разомкнута.
Чтобы включить прибор и отсчет времени, переводят ручку переключателя в другое положение, при котором контакты SA1.1 размыкаются, а SA1.2 замыкаются. Теперь на
прибор будет подано напряжение питания и начнется отсчет времени, установленного
переменным резистором R3. Оно зависит от емкости конденсатора С1 и общего сопротивления резисторов R2 и R3. Когда движок резистора R3 стоит в нижнем по схеме положении, общее сопротивление минимально и равно сопротивлению резистора R2. В верхнем положении движка общее сопротивление равно сумме сопротивлений обоих резисторов. В каждом случае конденсатор будет медленно заряжаться, а при этом также медленно будет увеличиваться напряжение на истоке полевого транзистора, работающего в
режиме истокового повторителя. Как только это напряжение достигнет определенного
значения, откроется транзистор VT2 (ведь его база подключена к истоку через резистор
R5) и включится генератор. В головке ВА1, подключенной к трансформатору Т1 генератора, раздастся звук.
Построенный прибор можно использовать для развития подвижности пальцев после перенесенной травмы. На подобном принципе можно также построить тренажер для
тренировки операторов ЭВМ. Для этого надо расположить кнопки так же, как и на клавиатуре, и с помощью, несложных коммутаций задавать оператору различные упражнения.
5
Рис. 2.4. Схема коммутации кнопок S1-S3 темпотеста
В приборе использован переключатель галетного типа с 3 панелями, служащий для
изменения порядка нажатия кнопок на 3 варианта. Схема коммутации кнопок S1 – S3
темпотеста приведена на рис. 2.4.
2.3. Фонотремометр
При рассмотрении вопроса о влияние различных факторов на трудоспособность
человека, исследователи во многих случаях пользуются методикой, основанной на изучении координации движений. Составная часть методики заключается в изучении тремора, а также темпа и ритма рабочих (производственных) движений. Такие исследования
позволяют оценить влияние различных факторов на координацию движений у людей, выполняющих определенный вид деятельности и у больных после перенесенных травм и
ранений.
Фонотремометр предназначен для исследования координации движений. Схема ФТ
приведена на рис. 2.5. В приборе применены металлические электроды-планшеты с фигурными отверстиями и проволочные электроды-фигуры, по которым нужно провести соответствующие электроды-щупы, не задевая краев планшета и поверхностей проволок.
При касании щупа об электрод, замыкается цепь с электромагнитными реле типа РЭС 15,
замыкаются контакты 1-3, которые, в свою очередь, замыкают контакты счетчика импульсов, включают звуковой генератор и отсчет электронного секундомера, работающего в
режиме интеграции (накопления) времени.
Таким образом, происходит счет числа касаний, суммируется длительность всех
касаний и в моменты касания включается звуковой сигнал.
Рис. 2.5. Принципиальная схема ФТ
6
Счетчик импульсов - микрокалькулятор, звуковой генератор и электронный секундомер для ФТ и ОФР(рис.2.1) являются общими, они коммутируются при включении приборов галетными переключателями.
В приборе использовано 3 реле вместо одного. Это обусловлено, с одной стороны,
тем, что питание всего комплекса осуществляется достаточно малым напряжением - 9 В
и подходящего реле с 3-мя группами нормально-разомкнутых контактов в нашем распоряжении не оказалось, с другой стороны, включение 3-х реле обеспечивает больший ток,
проходящий через контакты щуп-фигура и щуп-планшет, что повышает чувствительность
прибора к касаниям, не смотря на наличие оксидных пленок на электродах.
2.4. Офтальмотест
Офтальмотест - прибор для определения степени утомления глаз, которую можно
оценить по критической частоте слияния мельканий (КЧСМ) и времени устойчивости ясного видения (ВУЯВ). Также по этим параметрам зрения можно судить и о других расстройствах зрительного анализатора, в том числе и о патологических.
Рис. 2.7. Принципиальная схема ОТ
Прибор представляет собой, симметричный мультивибратор на транзисторах V1,
V2 (рис. 2.7), к которому через усилитель мощности на транзисторе VЗ подключена
нагрузка – резистор R6 и светодиод V4 с балластным резистором R8.
Частота мельканий (импульсов) светодиода задается резистором R2 и измеряется
конденсаторным частотомером на элементах C3, V5, V6. Измеряемая частота следования импульсов пропорциональна углу отклонения стрелки микроамперметра, подключенного к выходу частотомера. Резистор R7 служит для калибровки частотомера, которую
производили по образцовому импульсному генератору стандартных сигналов.
Прибор имеет 4 зонда со светодиодами белого, красного, желтого и синего свечения. Каждый зонд представляет собой тонкостенный алюминиевый тубус длиной 30 см и
диаметром 2 см, что позволяет стандартизировать расстояние от глаза испытуемого до
источника света (светодиода).
Для определения времени устойчивости ясного видения (ВУЯВ) в приборе имеется
экран из темного стекла на фоне которого закреплен мелкий ярко освещенный светодиодом предмет (например, кольцо 0,5 мм с разрывом 0,2-0,3 мм). Время, через которое испытуемый перестает различать разрыв в кольце, является относительным показателем
утомляемости.
2.5. Измеритель эмоций
Прибор позволяет зафиксировать знак и силу эмоций испытуемого на различные
раздражители, вследствие сопутствующих этому изменений электрического сопротивления различных участков кожи испытуемого. В обычном состоянии сопротивление кожи составляет 3...100 кОм, а под воздействием возбуждения меняется примерно на 5%.
Через одну-две секунды после появления раздражителя стрелка прибора смещается на определенную величину, регистрируя реакцию испытуемого на звук, свет, прикосновение к телу или заданный вопрос. Если у человека хорошая эмоциональная устойчи7
вость, отклонения стрелки будут незначительными.
Схема (рис. 2.8) прибора имеет высокую чувствительность, позволяет отмечать
даже слабые эмоциональные реакции.
Электроды, подключаемые к входу прибора, накладывают на поверхность кожи
(запястья, кистей рук, лба) на расстоянии 10-15 мм.
Рис. 2.8. Принципиальная схема ИЭ
Входной транзистор VT1, включен по схеме с общей базой, благодаря чему обеспечивается температурная и режимная стабильность усиления данного каскада и показания прибора не зависят от внутренних возмущений в нем. Основное усиление по напряжению дают следующие два каскада с непосредственными связями по постоянному току.
Выходной каскад на транзисторе VT4 является эмиттерным повторителем, что позволяет
включить нагрузкой прибор со сравнительно большим током полного отклонения. Резисторы R1, R3 защищают первый транзистор в случае замыкания измерительных электродов, R2 регулирует чувствительность прибора. Помимо стрелочного индикатора PA1, на
выходе может подключаться осциллограф или электронный самопишущий потенциометр.
III. КОНСТРУКЦИЯ КОМПЛЕКСА
Конструктивно комплекс состоит из центрального пульта, двух периферийных блоков, микрокалькулятора (рис. 3.9) и набора зондов для офтальмотеста (рис. 3.10), которые соединяются между собой гибкими многожильными кабелями посредством разъемов. В центральном пульте (рис. 3.11.) расположены следующие электронные блоки:
общий стабилизированный источник постоянного тока с номинальным током нагрузки 700
мА и напряжением 9 ± 0,2 В, секундомер, таймер, реле времени ОФР, частотомер, офтальмотест, измеритель эмоций, реле фонотремометра, органы коммутации устройства
(рис. 3.11–3.17). Непосредственно к пульту подключается микрокалькулятор (рис. 3. 9).
Рис. 3.9. Внешний вид ЭКФ-1
Рис. 3.10. Зонды для ОТ
8
а)
б)
в)
Рис. 3.11. Центральный пульт: а – вид спереди; б – сбоку; в - сзади
Рис. 3.12. Блок питания
Рис. 3.15. Реле времени ОФР
Рис. 3.13. Секундомер
Рис. 3.16. Частотомер
Рис. 3.14 Таймер
Рис. 3.17. Офтальмотест
Корпус центрального пульта выполнен из пластмассы и металла. В качестве основания использован бакелитовый корпус от абонентского громкоговорителя, надстройка и
9
нижняя крышка корпуса выполнены из дюралюминия толщиной 1 мм. Все детали корпуса
скреплены посредством алюминиевых уголков размером 10х10 мм винтами с гайками М3,
подпружиненными граверами. На верхней панели корпуса располагаются органы управления, на задней стенке – разъемы для подключения периферийных устройств и питания.
а)
б)
в)
Рис. 3.18. Периферийный блок: а – вид сверху; б – вид на монтаж; в - соединение блока с пультом
В первом периферийном устройстве в подвале корпуса расположены платы блоков
темпотеста и звукового генератора (рис. 3.18). На лицевой панели по углам располагаются 4 кнопки темпотеста, в центре снизу – кнопка «пуск» и 3 светодиода оптофонорефлексометра, сверху 3 светодиода темпотеста. На боковой стенке расположены галетный переключатель, коммутирующий кнопки темпотеста и телефонный капсюль звукового генератора. Корпус устройства – деревянный, боковые стенки сосновая доска толщиной 10
мм, верхняя панель – фанера толщиной 7 мм. Крепление частей корпуса между собой
осуществляется стальными шурупами диаметром 3 мм.
Рис. 3.19. Периферийный блок электродов
10
Во втором периферийном устройстве (рис. 3.19) располагаются электроды фонотремометра. На задней стенке закреплены разъемы для соединительного кабеля, щупов и
планшета. Электроды изготовлены из медной проволоки диаметром 3 мм. Планшет – из
алюминиевого листа толщиной 1,5 Корпус устройства изготовлен по той же технологии,
что и у первого периферийного блока.
Как указывалось выше, комплекс имеет 4 зонда (рис. 3.10) для офтальмотеста со
светодиодами белого, красного, желтого и синего свечения. Каждый зонд представляет
собой тонкостенный алюминиевый тубус длиной 30 см и диаметром 2 см, что позволяет
стандартизировать расстояние от глаза испытуемого до источника света (светодиода).
Соединение зонда с пультом комплекса осуществляется через гибкий двужильный кабель
через штекерный разъем. В смотровом торце тубуса с гигиеническими целями имеется
съемная пластиковая насадка с круглой диафрагмой диаметром 5 мм, которая может
надеваться на один из 4-х зондов, а после использования обрабатываться антисептиком.
Также имеется насадка с короткофокусной линзой, с помощью которой получают расфокусированное изображение светодиода (рис. 3.20). Это необходимо для ряда исследований глаза в расслабленном состоянии хрусталика.
а)
б)
Рис. 3.20. Зонд-тубус офтальмотеста: а – общий вид с насадками;
б- вид со стороны смотрового торца.
Рис. 3.21. Использование комплекса совместно с осциллографом
Справа - экран для определения ВУЯВ
11
ЛИТЕРАТУРА
1. Георгиев Ю. Проверка на искренность. Юный техник 1996, №8, с. 76-78.
2. Конструкции юных радиолюбителей. — М:: Радио и связь, 1985.— 80 с, ил—
(Массовая радиобиблиотека; Вып. 1090).
3. Войцеховский Я. Радиоэлектронные игрушки. М. 1992 г.
4. Верхало Ю.Н. Электронные приборы для физиологических исследований. М.-Л.: Энергия, (Массовая радиобиблиотека. Вып. 536), 1964.
5. Терских А. Измеритель эмоций. Моделист-конструктор. 1972, №6.
12