Параметрические датчики
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ г. СЕМЕЙ
Методическое пособие по теме
Принципы преобразования биологических и неэлектрических сигналов в электрические.
Конструкции датчиков и электродов, их основные характеристики.
Составители: Крылова Л.А., Ковалева Л.В.
Высокая чувствительность и малая инерционность электрических измерительных и регистрирующих приборов используются при электрическом измерении неэлектрических величин. Эти методы широко применяются в технике, в биологии, в медицине для измерения и регистрации разнообразных параметров, характеризующих состояние или деятельность органов или систем организма: температуры, давления, различного рода движений, колебательных процессов и т.д. В принципе, в устройстве соответствующих приборов есть много общего, так, например, за малыми исключениями все они состоят из трех основных частей: преобразователя исследуемой величины в электрические сигналы (датчика Д), усилителя этих сигналов (У) и регистрирующего устройства (Р). (Рис 1).
один из каналов электрокардиографа используется как усилители и регистрирующее устройство. датчик подключается к нему через особую приставку (П) (рис.2), которая приводит в соответствие выходные параметры датчика с входными характеристиками усилителя электрокардиографа.
 |
Виды датчиков
датчики подразделяются на механические, звуковые, температурные, оптические. Механические датчики в медицине применяются при различных методах исследования деятельности сердечно-сосудистой системы. Например, электрические манометры измеряют давление крови в полостях сердца, при электрической сфигмографии и электрической флебографии записывают кривые артериального и венозного пульса.
все датчики можно подразделить на две группы по принципу действия: генераторные и параметрические.
Генераторные датчики
Генераторные датчики – это такие преобразователи, которые при механическом воздействии
измеряемого сигнала генерируют напряжение и ток. Типы этих датчиков называются так же, как и явления, на которых они основаны:
1. пьезоэлектрические - пьезоэлектрический эффект;
2. термоэлектрические - термоэлектрический эффект;
3. индукционные - электромагнитная индукция;
4. фотоэлектрические – вентильный фотоэффект.
Пьезоэлектрические датчики основаны на явлении пьезоэлектрического эффекта. Это явление возникает при механических деформациях кристаллических диэлектриков. при деформации элементарных кристаллических ячеек и сдвигах подрешеток относительно друг друга происходит поляризация. Пьезоэлектрический эффект возникает в кварце, сегнетовой соли и других кристаллах. Если пластины, замкнутые через неоновую лампу, приложить к кристаллу, обладающему пьезоэлектрическими свойствами, то при ударе по кристаллу напряжение появляется на его гранях. Напряжение появляется и на металлических пластинах, при этом неоновая лампа вспыхивает. Это явление называется прямым пьезоэлектрическим эффектом. механическая деформация может возникать в кристалле, помещенном в электрическом поле. Это явление называется обратный пьезоэлектрический эффект. работа пьезоэлектрического датчика для записи пульса лучевой артерии основана на явлении прямого пьезоэлектрического эффекта. Основным элементом датчика является пластина из сигнетоэлектрика, которая одним концом укрепляется на запястье, а другой ее конец касается стенки артерии. Колебания стенки артерии вызывают деформацию изгиба пластинки. переменная разность потенциалов возбуждается при этом на поверхности пластинки. Разность потенциалов повторяет по форме колебания стенки артерии. Она предается к усилителю с помощью электродов и проводов, а затем к регистрирующему устройству. Кривая, записанная при этом, называется сфигмограммой.
термопара применяется в качестве термоэлектрического датчика. Термопара это спай двух проводников из различных металлов. Термопары применяются для измерения температур. Показания измерительного прибора, подключенного к свободным концам термопары, пропорциональны разности температур этих спаянных концов. Термопара имеет преимущества перед ртутным термометром вследствие большой чувствительности и отсутствия тепловой инерции. однако по удобству измерений она значительно хуже термистора. термобатарея применяется в тех случаях, когда одна термопара является недостаточно чувствительной. Термопары могут быть изготовлены из полупроводников с различной проводимостью (n-типа и p-типа).
механические перемещения постоянного магнита, расположенного между двумя неподвижными катушками (или наоборот) вызывают в них индукционный ток. Это явление используется в индукционном датчике. Ток, индуцируемый при смещениях катушек относительно магнита, передается на усилитель и регистрирующее устройство. Их применяют для прямой баллистокардиографии.
Принцип действия фотоэлектрических датчиков основан на зависимости их сопротивления от освещения и радиационного облучения.
Параметрические датчики
датчики, в которых под влиянием механических усилий или перемещений изменяются электрические параметры, называются параметрическими. Типы этих датчиков называются так же, как и явления, на которых они основаны:
1.сопротивление– резистивные датчики;
2.емкость– емкостные датчики;
3.индуктивность– индуктивные датчики.
Эти датчики требуют отдельного источника питания.
Датчики сопротивления изготавливаются из тонкой проволоки, или в виде столбика из вещества, сопротивление которого сильно изменяется при растяжении или сжатии, например, из силикона, прессованной металлизированной смолы. Концы проволоки или столбика скрепляются с основой и подвижным элементом датчика. Резистивными датчиками измеряют давление.
изменение емкостного сопротивления конденсатора происходит в емкостных датчиках. Конденсатор включается в измерительную цепь, при взаимном смещении его пластин.
Индуктивные датчики состоят из электромагнита с незамкнутым сердечником и подвижного якоря, замыкающего сердечник. индуктивное сопротивление катушки изменяется при перемещениях якоря. К ним относится трансформаторный счетчик, счетчик давления и др.
Использование кристаллических диодов и триодов, размеры которых не превышают нескольких миллиметров, позволяют создать приборы, содержащие усилители и генераторы весьма малых размеров. Эту область техники называют микроэлектроникой.
Применение датчиков
Применение микроэлектронных приборов в медицине позволяет не только уменьшить размеры приборов и аппаратов, но и создать приборы и датчики к ним, очень малых размеров. Такие малые датчики могут безопасно вводиться внутрь полостей различных органов, и даже вживляться в ткани организма. В связи с этим новые диагностические методы появились. Они называются эндорадиометрией.
Например, миниатюрный электрический манометр применяется, для измерения давления в полостях сердца. Он укрепляется на конце сердечного катетера. силиконовое сопротивление, соединенное с мембраной, воспринимающей внешнее давление служит в нем датчиком. новый метод эдорадиометрии разработан для исследования желудочно-кишечного тракта. Исследование температуры, давления и кислотности среды производится на протяжении всего тракта с помощью эндорадиозонда, имеющего форму пилюли, которую исследуемый пациент проглатывает. микрорадиогенератор находится в пилюле. Он содержит источник питания, транзистор, детали контуров и на открытом конце - датчик, воздействующий на частоту генерируемых колебаний, излучаемых в виде электромагнитных волн.
термистор служит датчиком температуры в эндорадиозонде, датчиком давления - катушка индуктивности колебательного контура генератора, связанного с мембраной, датчиком кислотности среды - два платиновых электрода. щелочной микроаккумулятор является источником питания
Метод получения физиологической информации о состоянии сердечной деятельности, дыхания с помощью радиоволн называется радиотелеметрией.
Полупроводниковые приборы имеют много преимуществ перед другими. Они могут быть сделаны достаточно миниатюрными, а потребляемая ими энергия значительно меньше энергии, затрачиваемой соответствующими ламповыми электронными устройствами.
полупроводниковые датчики (термисторы) для определения температуры тела или его участков применяются в медицинской практике
Термометр, основанный на зависимости сопротивления проводника от температуры называют электрическим термометром сопротивления. Он имеет преимущества перед ртутным термометром в связи с его малой тепловой инерцией. Электрические термометры с металлическим проводником, сопротивление которого при нагревании возрастает, имеют относительно невысокую чувствительность.
Термисторы изготавливаются из различных веществ, например, окисей щелочноземельных металлов, закиси окиси железа, двуокиси титана. Термистор может быть изготовлен в форме шарика или пластины небольших размеров.