Параметрические преобразователи
КАРАГАНДИНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ
КАФЕДРА – МЕДИЦИНСКОЙ БИОФИЗИКИ И ИНФОРМАТИКИ
Лекция Конструкции датчиков и их основные характеристики
ПО ООD 012 МВ 1112 - МЕДИЦИНСКОЙ БИОФИЗИКЕ
ДЛЯ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ: 051301 – «ОБЩАЯ МЕДИЦИНА»
051302 – «СТОМАТОЛОГИЯ
КУРС – 1
Продолжительность 50 минут
Составитель:
доцент, к.б.н.
__________ Б.К. Койчубеков
Караганда 2007 г.
Утверждена на заседании кафедры
Протокол №_____
от "____"__________200___г
Зав.кафедрой доцент ______________ Б.К. Койчубеков
Тема: Конструкции датчиков и их основные характеристики
Цель: Ознакомить студентов с назначением, конструкцией, физико-химическими характеристиками датчиков, а также принципами преобразования биологических процессов в электрические.
План лекции:
1. Назначение датчиков
2. Классификация
3. Генераторные преобразователи
4. Параметрические преобразователи
Электрические методы измерения механических величин дают возможность определить вес и линейные размеры, моменты вращения, сосредоточенные силы и давление, вращение и деформацию. Имеется большое число различных по физическим свойствам и конструкции преобразователей, которые выполняют прямое преобразование механических величин в электрические.
По принципу действия все датчики можно разделить на две группы:
|
|
|
1) генераторные, в которых вследствие механических воздействий возбуждается разность потенциалов. Это в основном пьезоэлектрический и индукционный датчики;
2) параметрические, в которых под влиянием регистрируемых механических усилий или перемещений изменяются электрические параметры датчика: сопротивление (резистивные датчики), индуктивность (индуктивные датчики) или емкость (емкостные датчики). Эти датчики требуют отельного источника питания.
Генераторные преобразователи
Пьезоэлектрический датчик основан на пьезоэлектрическом эффекте, оторый заключается в том, что под влиянием механического напряжения на гранях некоторых кристаллов возникают электрические заряды и происходит электрическая поляризация внутри них. Величина заряда и поляризация пропорциональны в определенных пределах величине механического напряжения.
В качестве материала используются кварц и поляризованные керамики (сегнетоэлектрики) – сегнетова соль, титанат бария, фосфат аммония.
Достоинства: высокая собственная частота
Недостатки: не пригодны для регистрации медленных процессов, зависимость характеристик от температуры и влажности
|
|
|
В качестве примера пьезодатчика рассмотрим датчик для записи пульса лучевой артерии (рис. 2, а, б). Основным элементом его является пластинка П из сегнетоэлектрика, одним концом закрепленная в держателе Д, который укреплен на манжете М, надеваемой при исследовании на запястье. Свободный конец пластинки П посредством пуговки К касается стенки артерии. Колебания ее стенки передаются концу пластинки П и вызывают в ней деформацию изгиба. Возбуждающаяся при этом на ее поверхностях переменная разность потенциалов, повторяющая по форме колебания стенки артерии, с помощью электродов и проводов передается к усилителю, а затем к регистрирующему устройству. Кривая, записанная при этом (рис. 2, в), называется сфигмограммой.
Индукционный датчик основан на том, что механические перемещения постоянного магнита, расположенного между двумя неподвижными катушками (или, наоборот, пере 
мещение катушек по отношению к магниту), вызывают в них индукционный ток, колебания которого отражают характер колебаний магнита. В качестве примера опишем датчик для прямой баллистокардиографии. Неподвижным элементом датчика является короткий сильный постоянный магнит М (рис. 3, а).
Штатив Ш с магнитом устанавливается на стол, на котором лежит исследуемый, между его голенями (рис. 3, б). На голенях, свободно лежащих на подставке Л, располагается колодка К с двумя катушками, между которыми и помещается магнит датчика. Ток, индуктируемый при смещениях катушек относительно магнита, передается на усилитель и регистрирующее устройство. Записанная таким образом баллистокардиограмма показана на рис. 135, в.
|
|
|
Параметрические преобразователи
 |
Датчики сопротивления выполняются или в виде тонкой проволоки из специального сплава, или в виде столбика из вещества, сопротивление которого сильно изменяется при растяжении или сжатии, например из кремнийорганической резины (силикон), прессованной металлизированной смолы и т. п. Концы проволоки или столбика скрепляются с основой и подвижным элементом датчика. На рис. 4 показана схема резистивного датчика для измерения давления. Жидкость под давлением р, заполняющая камеру К, прогибает мембрану М, Мембрана в центре соединена с движком Д, растягивающим при этом петлю R из тонкой проволоки, концы которой закреплены в стойках С. При растяжении проволоки изменяется ее сопротивление. Концы проволоки с помощью проводов П подключаются к измерительному (или регистрирующему) прибору, в котором изменение сопротивления проволоки вызывает отклонение стрелки, соответствующее давлению на мембрану.
|
|
|
 |  | ||
Индуктивный датчик состоит из электромагнита с незамкнутым сердечником и замыкающим его подвижным якорем. В зависимости от положения якоря изменяется индуктивное сопротивление катушки электромагнита, которая подключается к измерительному или регистрирующему устройству. К индуктивным датчикам относится трансформаторный датчик. Например, датчик давления (рис. 5), состоящий из двух катушек К (I и II), связанных общим сердечником С, соединенным с мембраной М. На первичную катушку подается переменное напряжение (4—5 кГц). Измеряется напряжение, индуктируемое во вторичной катушке, величина которого зависит от положения сердечника (П — провод).
Емкостные датчики представляют конденсатор из двух параллельных пластин, одна из которых скрепляется с подвижным элементом датчика. Изменение емкостного сопротивления конденсатора измеряется или регистрируется с помощью соответствующего устройства.
Дальнейшее развитие методов электрического измерения неэлектрических величин связано с миниатюризацией электронной аппаратуры. Использование элементов микроэлектроники позволяет не только уменьшить размеры и массу применяемых в медицине приборов и аппаратов, но и создать принципиально новые приборы и датчики настолько малых размеров, что они могут безопасно вводиться внутрь полостей различных органов и даже вживляться в ткани организма. Таким образом, появились новые диагностические приемы, называемые эндорадиометрией.
Например, описанный выше датчик давления в миниатюрном исполнении имеет диаметр 2—3 мм (рис. 5) и, будучи помещен на конце полиэтиленового катетера, может быть введен в полость сердца через впадающие в него вены, Такой прибор называется электроманометром. В качестве другого примера укажем метод исследования температуры, давления и кислотности (рН) среды в желудочно-кишечном тракте с помощью эндорадиозондов, имеющих форму пилюли (рис. 6, а), которую исследуемый проглатывает. В пилюле (рис. 6, б) находится микрорадиогенератор, содержащий источник питания П с включателем В, транзистор Т, детали контуров К и на открытом конце — датчик Д, воздействующий на частоту генерируемых колебаний. Датчиком температуры служит термистор, давления — катушка индуктивности колебательного контура генератора, связанная с мембраной М, датчиком для определения кислотности (рН) среды — два платиновых электрода. Источником питания генератора является щелочной микроаккумулятор. Сигналы от эндорадиозонда Р принимаются с помощью расположенной снаружи антенны и после усиления передается к регистрирующему устройству.
 |
С помощью радиоволн может быть передана на расстояние любая информация, касающаяся физиологического состояния человека, например электрокардиограмма. Биопотенциалы сердца после усиления подаются в радиопередатчик и соответствующим образом модулируют излучаемые волны. Таким образом, например, получается информация о состоянии сердечной деятельности, дыхания и т. п. у космонавтов во время их полета в космос.
Этот принцип стал применяться для получения физиологической информации в условиях, не допускающих использования обычных методов непосредственного наблюдения, например у спортсменов во время упражнений, у рабочих, находящихся у станка, и т. п. Метод называется радиотелеметрией. При этом исследуемый снабжается радиопередатчиком, излучающим короткие радиоволны, модулируемые соответствующими сигналами.
Литература
1. Самойлов В.О. Медицинская биофизика. СПб.: СпецЛит, 2004. –496 с.
2. Антонов В.Ф., Черныш А.М., В.И. Пасечник и др. Биофизика. М., Владос, 2000.
3. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика.- М., Высшая школа, 2003.- 608 с.
4. Ливенсон А.Р. Электромедицинская аппаратура. М: Медицина, 1981, 344с
Контрольные вопросы
1. Преобразователи, основанные на пьезоэлектрическом эффекте.
2. Конструкция датчиков, основанных на явлении электромагнитной индукции
3. Датчики омического сопротивления
4. Конструкция емкостных датчиков
5. Индуктивные параметрические датчики
Дата добавления: 2021-01-21; просмотров: 78; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!