11191050张正德示波器测人体表面肌肤电信号.docx
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11191050张正德示波器测人体表面肌肤电信号
物理实验研究性报告
——模拟示波器的扩展应用:
测人体表面肌肤电信号
张正德阎鑫胡陆国
北京航空航天大学,北京,102206
摘要:
根据模拟示波器的工作原理和特性,可以用示波器观察李萨如图形、测量电压、测量信号周期、观察二极管的伏安特性曲线,本次研究性实验针对做A05实验时发现的偶然现象设计了新的实验方法,测量了人体表面肌肤的电信号,测出了工频信号的频率,通过查阅资料和实验现象得出要测人体表面肌电信号需要加信号放大器和滤波器的结论。
关键词:
示波器、工频干扰、表面肌电信号
Abstract:
Accordingtotheworkingprincipleandcharacteristicsoftheanalogoscilloscope,wecanuseittoviewLissajousgraphics;measurethevoltageandsignalcycle;observeVAcharacteristicsofthediode.ThisresearchdesignanewexperimentmethodforaccidentalphenomenonfoundindoingA05experiment,measuringtheelectricalsignalsofthebodysurfaceoftheskinandthefrequencyofthefrequencysignal,anddrawaconclusionthroughaccesstoinformationandexperimentalphenomenonthatmeasuringthebodySEMGneedstoaddsignalamplifiersandfilters.
Keywords:
Oscilloscope(OSC)、PowerLineInterference(OLI)、SurfaceElectromyography(SEMG)
0引言
在做A05物理实验结束后,不经意间用探针探测触碰到手掌,发现在模拟示波器上显示出波形,调整X轴扫描和Y轴灵敏度之后,可观测到一定频率的波出现在示波器上,波形类似于心电图。
推测示波器上显示出来的波形是人体生物电的反应,于是我们通过网络查阅了相关资料做好了实验准备并预约了开放性实验,然后通过自己设计的实验思路进行实验。
1实验原理
1.1模拟示波器原理
模拟示波器是利用电子显像管的特性,将人眼无法直接观测的交变电信号转换成图像,显示在用光屏上以便测量的电子测量仪器。
其基本组成如图表1模拟示波器基本组成所示
其基本工作原理是:
被测信号经Y轴衰减后送至
放大器,经延迟级延迟
时间到
放大器,信号放大后加到示波管的Y轴偏转板上。
Y轴的被测信号经X轴的触发电极产生触发脉冲,启动扫描电路产生扫描电压,经X轴放大器放大产生推挽输出,加到示波器的X轴偏转板上。
Z轴作用是使在扫描正程显示的波形有某一个固定的辉度。
模拟示波器的主要特点是:
(1)波形显示快速,实时显示。
(2)波形真实。
因垂直分辨率高,是连续且无限级的。
(3)捕获率高。
每秒钟捕捉几十万个波形。
(4)有对聚焦和亮度的控制,可调节出锐利和清晰的显示结果。
其不足之处是:
(1)无存储功能。
(2)仅有边沿触发。
(3)无自动参数测量功能,只能进行手动测量,所以精确度不高。
(4)由于CRT的余辉时间短,所以难以显示频率很低的信号。
(5)难以观察非重复性信号和瞬变信号。
图表1模拟示波器基本组成
在已经调为基准的前提下,如果在X轴上加上一个扫描电压,然后将信号输入端探测器触碰手指,即将身体作为信号输入源,则可在Y轴方向观察到有电压。
分别读出X轴和Y轴数据并记录可以得出电信号的电压值和周期,进而推算电信号的频率。
1.2心电仪原理
体表心电经电极、导联线送至心电图机。
心电图机主体从原理上可分为输入回路、导联选择、放大电路、描笔驱动和走纸部分。
其中主要为三部分:
心电信号方法部分、滤波部分和控制器部分。
2实验步骤
2.1示波器预置并观察标准信号
1)示波器的预置。
调节示波器的“辉度”、“聚焦”、“水平位移”、“垂直位移”等旋钮,按下触发方式“自动”按钮,使屏幕上出现细而清晰的扫描线。
2)利用示波器观察“标准信号”,校正偏转系数。
a)将示波器“校准信号”方波输入到示波器通道CH1。
b)适当选择垂直偏转系数、时基扫描系数、“方式”和“触发源”等,调节出发“电平”旋钮,使波形稳定。
调节微调按钮将示波器校准。
c)调整时机扫描系数为0.5s,使校准信号在屏幕上自左至右缓慢移动,观察其特征。
2.2检测出电信号和波形
1)观察电信号。
人坐在座位上,不触地不触桌子,探针接触手指,将人体表面电信号输入到示波器通道CH1上,调整时机扫描系数为0.5s,适当调节其他参数,使电信号也在屏幕上自左至右缓慢移动,观察其特征,与标准信号进行对比
2)观察波形。
适当调整垂直偏转系数、时基扫描系数和“电平”,使波形稳定。
观察其特征。
2.3单输入对波形进行定量测量
1)测量同一个人不同接触元下的电信号。
a)人坐在凳子上,不触地不触桌,适当调整垂直偏转系数、时基扫描系数和“电平”,使波形稳定。
记录X、Y轴灵敏度和格数。
b)人站在地上,触地不触桌,适当调整垂直偏转系数、时基扫描系数和“电平”,使波形稳定。
记录X、Y轴灵敏度和格数。
c)人坐在凳子上,触桌不触地,适当调整垂直偏转系数、时基扫描系数和“电平”,使波形稳定。
记录X、Y轴灵敏度和格数。
2)测量电信号与人体兴奋度的关系。
人跑步之后,同2.3-1-c测量波形。
记录X、Y轴灵敏度和格数。
3)测量不同人电信号的区别
请在场的另外5位同学站在地上,触地不触桌,测量其显示的波形。
记录X、Y轴灵敏度和格数。
2.4探测空气中信号干扰
将探针置于空气中,时基扫描灵敏度和垂直电压灵敏度均调高,观察空气中的干扰信号。
2.5X-Y模式下观察二人表面肌肤电信号
将示波器调为X-Y模式,适当调整偏转系数和“电平”,由阎鑫接入X轴,张正德接入Y轴。
a)仅接入X轴信号,记录其图像;仅接入Y轴信号,记录其图像。
b)接入X轴信号,阎鑫整个手掌触摸桌子,同时接入Y轴信号,张正德将5个手指逐个接触桌子,记录其5个图像。
3原始数据、图像和结论
3.1标准信号:
2V,1KHz
时基扫描系数为0.5s,垂直偏转系数1V每格时图像如图2.1所示。
纵向偏转为2格。
3.2表面肌电信号和波形
人坐在凳子上,不触地不触桌,基扫描系数为0.5s,垂直偏转系数1V每格时图像如图2.2-1所示。
纵向偏转为1.2格。
时基扫描系数为5ms,垂直偏转系数0.2V每格时图像如图2.2-2所示
对比图2.1和图2.2-1,标准信号显示为垂直方向上相距2格的点,与其为锯齿波相吻合。
而肌肤表面电信号显示为长为1.2格的直线,说明其在纵向的连续的。
再根据图2.2-2可得其信号为一正弦波,但是存在很多干扰,不稳定。
3.3单输入对波形进行定量测量
1)测量同一个人不同接触元下的电信号
a)人坐在凳子上,不触地不触桌时图像如图2.3-13所示。
时基扫描系数为5ms,横向4格。
垂直偏转系数为0.1V,纵向2格。
周期
,频率
=50Hz,电压
b)人站在地上,触地不触桌时图像如图2.3-13所示。
时基扫描系数为5ms,横向4格。
垂直偏转系数为0.1V,纵向1.4格。
周期T=0.02s,频率f=50Hz,电压U=0.14V
c)
人坐在凳子上,触桌不触地时图像如图2.3-13所示。
时基扫描系数5ms,横向4格。
垂直偏转系数0.5V,纵向5格。
周期T=0.02s,频率f=50Hz,电压U=2.5V
对比三个实验图像和计算结果可得,人体表面肌肤的电信号频率与所接触的物体无关,恒定为50Hz。
但是其电压值Vpp却与接触物体有关,理论上人体表面肌电信号应至于人体自身有关,不可能随人体所接触物体的不同而有所改变。
我们继续做了以下实验。
2)测量电信号与人体兴奋度的关系
人跑步之后,同2.3-1-c测量波形,得到的图像如图图2.3-所示。
时基扫描系数5ms,横向4格。
垂直偏转系数0.5V,垂直4.4格。
周期T=0.02s,频率f=5-Hz,电压U=2.2V。
跑步之后人体表面肌肤电信号周期和频率跟跑步前完全没有变化,仅有电压变化了。
3)测量不同人电信号的区别
请5位同学站在地上,触桌不触地,波形相同,如图图2.3-1所示。
时基扫描系数为5ms,横向4格。
垂直偏转系数为0.5V,纵向5格。
周期T=0.02s,频率f=50Hz,电压U=2.5V
另外5位同学分别测量的图像均相同,表面肌肤电信号的周期频率甚至电压都相同。
3.4探测空气中干扰信号
将探针置于空气中,时基扫描系数5ms,垂直偏转系数1mV时所得图像如图2.4所示。
可以看到其波形总体上为正弦波,且其频率约为50Hz,但是正弦波中有其他各种频率的信号波,所以当探针接触手指时其中就应包含人体表面肌电信号的波形。
也证实了空气中确实存在电磁辐射,且主要为工频信号电磁辐射。
3.5X-Y模式下观察二人表面肌肤电信号
a)
仅接入X轴信号和仅接入Y轴信号时其图像分别如图3.5-2图3.5-2所示
b)
接入X轴信号,阎鑫整个手掌触摸桌子,同时接入Y轴信号,张正德将5个手指逐个接触桌子,得到5个图像如图3.5-7图3.5-7图3.5-7图3.5-7图3.5-7所示
由图可得,由于两人输入到示波器的信号均为工频信号,将X、Y轴偏转系数均调整为1V。
则图像会显示为两个振幅逐渐趋于完全相同的正弦波在X和Y轴的叠加,图像与理论相互印证。
4结果分析
表面肌电信号是肌肉收缩时伴随的电信号,仅决定于人体肌肉收缩的程度和频率,应与外界环境无关。
对于同一个人相同状态下而言,表面肌的电信号电压不可能随所接触物体不同而发生改变。
对于同一个人不同兴奋状态而言,表面肌电信号的周期、频率和电压都应发生变化,实验中却并未看到周期和频率发生变化。
对于不同人而言,表面肌电信号应存在一定差别,但经测量得到不同人的表面肌肤电信号无论周期频率还是电压都相同。
似乎实验数据违背了理论结果,其实并不是。
经查阅资料,我们得出结论:
我们所测得的表面肌肤电信号既包含表面肌电信号,又包含许多干扰。
表面肌的电信号频率不定,应在0~1000Hz范围内,其振幅为0~5000μV。
若垂直偏转系数(灵敏度)不够高则无法观测到。
表面肌电信号易受50Hz工频电源及其它高频电噪声的干扰。
其中50Hz的工频信号干扰最为强烈。
工频干扰的产生原因是市电电压220V50Hz,以电磁波的形式辐射,对电子设备和电气设备造成干扰。
由此可见,我们所测出的人体表面肌肤电信号主要表现为人体接受的工频信号。
人体将处于工频信号电磁波的辐射之中,吸收大量的辐射,当示波器的探针接触到人体时,人体所吸收的工频信号同表面肌电信号一同输入到示波器中。
由于工频信号远远大于表面肌电信号,所以在示波器中表现为工频信号的波形。
该实验也说明在制造人体表面肌电信号传感器时必须要加入滤波器滤去干扰信号,再加入放大电路将表面肌电信号放大,才能看到人体表面肌电信号。
5心得体会
从做A05模拟示波器实验时发现了人体表面存在电信号之后,便开始琢磨这是什么东西。
原先的推测是这是人体心电信号或者皮肤电位变化的电信号,后查资料发现人体表面存在的应该是表面肌电信号,于是准备实验中实践去验证一下。
自主设计了4个小实验去测量该信号。
但是实验得出的频率和电压却并不与表面肌电信号相吻合。
于是我们又重新查阅资料,发现了测量表面肌电信号存在干扰。
对比工频信号的频率电压和实验测得的数据,我们确认这表面肌肤电信号确实是多钟信号的叠加,其中我们的数据计算所得的是占主要地位的工频信号。
这是一个由现象到思考、查资料、实践再思考再查资料的过程。
虽然我们最终得出的结论早已被前人所发现并总结,但是亲身经历过之后我才知道要得出一个结果的艰辛和苦楚。
而这样的艰辛和苦楚正式做科学研究所必须具备的精神品质。
我想,通过本次研究性报告,我将奠定下以后投入科研事业的基石。
因为这过程,既艰辛苦楚充满挑战,又新鲜有趣有成就感。
——张正德
通过这次实验,体会到了从思考问题到动手去实践验证自己结论的愉悦,从一开始对该电信号疑惑,到做实验时的不解,最后查询各种资料加上结合实验数据终于恍然大悟,原来这只是工频信号。
虽然和一开始初步给出的结论不符,有些小失望,不过这种探索未知的过程让人深刻,也让我更加热衷于对问题的思考。
——阎鑫
通过这次实验,我体会到了自己探索未知的乐趣及成功后的喜悦。
以前的物理实验,有许多的资料,且有老师详细的讲解,虽然也有对未知的探索及其产生的乐趣,但与这次相比,还是有所差距。
这次试验,做的过程中有许多的困难,但经过我们的努力,总算克服了一些,尽管与预期有所差距,但也算有所收获,心中还是很有成就感的。
这也将为我今后从事科学研究奠定一定的基础。
——胡陆国
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