Типы первичных преобразователей и их характеристики

Лабораторная работа №15

Студент должен знать: структурную схему съема, передачи и обработки медико-биологической информации, назначение и классификацию датчиков, их… Студент должен уметь: работать с используемыми датчиками и измерительными…

Краткая теория

Типы первичных преобразователей и их характеристики

Структурная схема измерения неэлектрической величины электрическими методами состоит, как правило, из следующих блоков (рис. 1). Первым элементом этой системы является первичный преобразователь (датчик) –…    

Рис. 1.

Структурная схема измерения неэлектрической величины электрическими методами

Можно сказать, что датчик переводит информацию с “физиологического языка” организма на “язык электронного устройства”, без чего невозможны все последующие этапы преобразования и обработки исходной информации с помощью электрических приборов и устройств. Для того чтобы получить достоверный результат при измерениях и регистрации, объективно отражающий суть процессов, происходящих в организме, сделать правильный вывод при постановке диагноза, врачу необходимо четко представлять принципы действия и методику применения датчиков, их достоинства и недостатки.

Входными неэлектрическими величинами “X” датчиков могут быть механические, тепловые, акустические, оптические и др. величины.

Выходными электрическими величинами “Y” обычно служат ток, напряжение, полное сопротивление (импеданс), частота или фаза переменного тока или импульсных сигналов.

Каждый датчик характеризуется:

функциональной зависимостью выходной величин “Y” от входной “X”, описываемой или аналитическим выражением y =f(x), или графиком, например, рис. 5 и 9;

- чувствительностью - отношением изменения сигнала Δ y на выходе преобразователя к вызывающему его изменению измеряемой величины Δ х;

- диапазоном (Х₁; Х₂) входных величин, измерение которых производится без заметных искажений.

Кроме того, существенны временные характеристики датчика: время реакции – это минимальный промежуток времени, в течение которого происходит установка выходной величины на уровень, соответствующий измененному уровню входной величины; частотная характеристика y =f() (где - частота) при постоянном уровне входной величины Х = const.

Все датчики, в том числе и медико-биологические, можно разделить на две группы: генераторные (активные) и параметрические (пассивные).

В генераторных датчиках энергия неэлектрической измеряемой величины непосредственно преобразуется в электрическую энергию выходного сигнала, т.е. под воздействием измеряемой величины эти датчики вырабатывают (генерируют) напряжение или ток. К таким датчикам относятся пьезоэлектрические, термоэлектрические, индукционные, фотоэлектрические (вентильный фотоэффект).

Параметрические датчики под воздействием неэлектрической входной величины изменяют только свои электрические параметры (сопротивление – R, емкость – С или индуктивность – L), поэтому для работы такого датчика необходим внешний источник питания. К параметрическим датчикам относятся терморезисторы, тензорезисторы, фоторезисторы, емкостные, индуктивные, резистивные.

Измерительные цепи для работы с генераторными датчиками могут быть как очень простые – без усилителя, когда мощности генерируемого тока или напряжения достаточно для приведения в действие регистрирующего устройства (рис 2а, термоэлектрический датчик), так и довольно сложные – с использованием усилителя (рис. 2б, пьезоэлектрический датчик).

 

А б

Рис. 2.

Схемы включения генераторных датчиков в измерительную цепь:

а) термопара,

Б) пьезодатчик

Параметрические датчики включаются в измерительные цепи с внешним источником питания, как постоянного (U=), так и переменного (U~) напряжения.…      

Рис. 3.

Схема последовательного включения параметрического датчика

В измерительную цепь

Однако наиболее распространенной измерительной цепью для параметрических датчиков является неравновесная мостовая схема (рис. 4а и б), где датчик… , (1) где Rд – активное сопротивление датчика,

А б

Мост постоянного тока мост переменного тока

Рис. 4.

Неравновесная мостовая схема включения параметрического датчика

Независимо от видов датчиков, они должны обеспечивать получение устойчивого с минимальными искажениями полезного сигнала, удобство размещения в необходимом месте, максимальную помехозащищенность, отсутствие побочного, раздражающего или другого, действия на организм, возможность стерилизации без изменения характеристик и многократного использования.

Рассмотрим основные виды датчиков: датчики температуры, параметров системы дыхания и сердечно-сосудистой системы.

Датчики температуры тела

Различают два типа терморезисторов – проволочные (металлические) и полупроводниковые (называемые термисторами). Сопротивление проволочных…      

Рис. 5.

Зависимость сопротивления от температуры:

1. проволочного резистора;

Термистора

В общем случае изменение сопротивления ∆R при изменении температуры ∆Т можно записать в виде: ∆R = R0 (1+·α(Т) ·∆Т); ∆Т = Т – Т0, (2) где R0 – начальная величина сопротивления при температуре Т0, Т – измеряемая температура, α(Т) – температурный…

Рис. 6.

Датчик для измерения температуры поверхности тела

В основу работы термоэлектрических датчиков положено явление термоэлектричества. Суть его заключается в следующем: если путем сварки или спайки… Таким образом, термоэлектрический датчик непосредственно преобразует тепловую… 3. Датчики параметров сердечно-сосудистой системы

Q = d · P

(для кварца d = 2 · 10^-12 Кл/Н, для титаната бария – d = (150 ÷ 100) · 10^-12Кл/Н).

При практическом использовании обычно измеряют не заряд, а напряжение на конденсаторе, образуемом покрытыми металлом, например – посеребренными, гранями пластины пьезоэлемента:

U = Q/C = d·P/C,

где С – емкость конденсатора.

Пьезоэлектрический датчик, работающий на основе прямого пьезоэффекта, относится к числу генераторных датчиков, т.к. преобразует механическую энергию деформации в электрическую. Конструктивно они обычно выполняются в виде “таблеток” диаметром 3 – 5 мм и высотой 1,3 – 1,5 мм. Внутри этого корпуса расположен пьезоэлемент П, работающий на сжатие (рис. 8а) или изгиб (рис. 8б).

А б в

Рис. 7.

Прямой пьезоэффект кварца

Для измерения частоты пульса применяются также фоторезисторы, принцип работы которых основан на явлении внутреннего фотоэффекта, характерного для…      

А б

Рис. 8.

Пьезоэлектрический датчик артериального пульса

сопротивления R фоторезистора от его освещенности Е не линейна и представлена на рис. 9. Простейший фоторезистор (рис. 10) представляет собой тонкий… При включении фоторезистора в цепь источника постоянного напряжения возникает…

Рис. 10.

Фоторезистор

Принцип работы фотодатчика пульса основан на использовании зависимости степени поглощения светового потока, проходящего через ткань, от кровенаполнения ткани. Фотодатчики обычно крепятся на мочке уха или на ногтевой фаланге пальца руки (рис. 11).

 

Рис. 11.

Фотодатчик пульса

Для исследования тонов и шумов сердца и записи фонокардиограммы применяются фонокардиографические датчики, представляющие собой электродинамические… , где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единиц измерения.

А б

Рис. 12.

Микрофонные датчики: а – динамический микрофон,

Б – пьезоэлектрический микрофон

Акустические явления, сопровождающие работу сердца, являются низкочастотными колебаниями. Получение удовлетворительного воспроизведения этих частот… Устройство пьезоэлектродинамического микрофона аналогично конструкции… Описанные выше микрофоны используются также для косвенного измерения артериального давления крови по методике Рива –…

А б

Рис. 13.

Индуктивный (а) и емкостной( б) датчики для регистрации давления

, где ε0 – электрическая постоянная, S – площадь обкладок конденсатора,

А б

Рис. 14.

Проволочный (а) и полупроводниковый (б) тензорезисторы

Кроме того, полупроводниковые тензорезисторы отличаются от проволочных и фольговых и значительно более высокой тензочувствительностью (), и гораздо… Конструктивно датчик для измерения внутрисосудистого давления представляет… Для исследования кровенаполнения сосудов и оценки их тонуса используется метод плетизмографии – регистрации изменений…

Рис. 15.

Емкостной датчик для плетизмографии

На палец руки надевается покрытое изолятором металлическое кольцо, служащее одной из пластин конденсатора. Второй пластиной служит сам палец, отделённый от кольца небольшим воздушным зазором. Последний меняется в зависимости от кровенаполнения пальца, в результате чего происходит изменение ёмкости конденсатора.

Датчики параметров системы дыхания

Частота дыхания – один из важнейших параметров, характеризующих функциональную активность систем дыхания. Каждый акт дыхания проявляется движением… Датчик, фиксирующий изменения температуры воздуха в верхних дыхательных путях… Термисторные датчики, кроме определения частоты дыхания, позволяют примерно оценить и объём вдыхаемого и выдыхаемого…

Рис. 16.

Фотометрический датчик

Изменение же светового потока вызвано изменением степени поглощения света как за счёт изменений толщины ткани и её кровенаполнения, так и за счёт…

Порядок выполнения работы

Измерения проводится на правой части макета, где расположен фотодатчик (рис. 17).

Таблица 2

	0	1	2	3	4	5	6	7	10	15	20

2) Поставить тумблер «К» в положение «Тензодатчик», тумблер «К_г» в положение «грубо» и ручкой «установка нуля гальванометра» установите приблизительно стрелку гальванометра на крайнее левое деление шкалы гальванометра.

3) Поставьте тумблер «К₁» в положение «точно» и той же ручкой (см. п. 2) установить точно стрелку гальванометра на крайнее левое деление шкалы.

4) Осторожно, пинцетом, поставить грузик весом 1г в чашечку, укреплённую на свободном конце пластины. Измерить соответствующее значение силы тока (, где - число делений, на которое отклонилась стрелка, а - цена деления, ее значение указано на шкале прибора).

5) Снять осторожно гирю и проверить, вернулась ли стрелка на крайнее левое деление. Если нет, то снова проделать пункт (3).

6) Аналогично пунктам (4) и (5) измерить силу тока при других нагрузках (см. таблицу 2), а затем и для неизвестного груза Р_х.

7) Отключить макет от сети.

8) По данным таблицы 2 построить калибровочный график зависимости и по нему найти вес Р_х неизвестного груза.

Упражнение №3: Изучение работы индуктивного датчика

Рис. 18.

Схема установки для исследования индуктивного датчика

Индуктивный датчик питается переменным напряжением 30В от макета «фото-тензо-датчик» с клемм «30В».

В результате перемещения в катушке ферромагнитного сердечника будет меняться значение индуктивности L катушки, что приведет к изменению ее индуктивного сопротивления переменному току. Изменение вызовет в свою очередь, изменение силы переменного тока. Таким образом, механические колебания (перемещения сердечника) преобразуются в колебания силы тока, текущего по катушке.

1. Собрать схему согласно рис.18.

2. После проверки установки преподавателем включить макет в сеть.

3. Вдвигая сердечник в катушку по 5 мм, измерить и записать соответствующие значения силы тока в таблицу 3 (L- длина части сердечника внутри катушки)

Таблица 3

L, мм	0	5	10	15	20	25	30	35	38
I, mA

4. Выключить макет их сети и разобрать схему.

5. Построить график зависимости I=f(L).