kompendium_po_fizike

получения монохроматического света, а с другой стороны – фотосопротивление (рисунок 77). Изменение светового потока может быть вызвано изменением степени поглощения света за счет изменения толщины ткани, вариаций её кровенаполнения и содержания оксигемоглобина в крови. Вводя в измерительную систему соответствующую компенсацию на толщину ткани, можно фиксировать процентное содержание оксигемоглобина в крови.

7. Датчики параметров сердечно-сосудистой системы

Для оценки деятельности сердечно-сосудистой системы используются такие характеристики: частота сокращений сердечной мышцы, давление, тоны, шумы сердца, импеданс тканей и др.

Рисунок 78. Пьезоэлектрические датчики

Для регистрации частоты периодического пульса получили распространение пьезоэлектрические преобразователи, использующие

пьезоэффект.

Пьезоэффект состоит в возникновении электрических зарядов разных знаков на противоположных поверхностях некоторых кристаллических тел при их механических деформациях (растяжении, сжатии, изгибе) (кварц,

турмалин, сегнетова соль).

Датчики, работающие на основе пьезоэлектрического эффекта, относятся к числу активных биоуправляемых датчиков.

Конструктивно они обычно выполняются в виде таблеток. Внутри корпуса расположен пьезоэлемент, работающий на сжатие или изгиб (рисунок 78).

Для исследования токов и шумов сердца и записи фонокардиограмм применяют электродинамические и

171

пьезоэлектрические микрофоны датчики).

Рисунок 79. Индуктивный и емкостной датчики

(активные генераторные

Принцип работы: акустические колебания воздействуют на эластичную мембрану, которая по своей окружности крепится к корпусу микрофона. На жестком основании цилиндра, закрепленном в центре

мембраны, крепятся витки провода катушки. Под действием звуковых волн

катушка движется в сильном магнитном поле, образованном кольцевым магнитным сердечником. В результате такого движения в катушке индуцируется ЭДС звуковой частоты.

Электродинамические микрофоны постепенно вытесняются пьезоэлектрическими.

К корпусу крепится упругая мембрана. Колебания мембраны через недеформирующуюся стойку передаются к пьезоэлементу.

Внастоящее время для измерения абсолютного давления широко используются емкостные и индуктивные датчики (рисунок 79).

Индуктивный датчик содержит:

1.Кольцо.

2.Внутри в эластичной основе расположена катушка индуктивности.

3.Одна поверхность кольца имеет отверстие, в котором помещается сердечник.

Если такой датчик прижать к стенке кровеносного сосуда или глаза так, чтобы стенка полости, соприкасающаяся с датчиком, стала плоской, и сердечник всей плоскостью прилегал к этой стенке, датчик будет воспринимать давление внутри полости.

Воснову работы емкостного датчика положено изменение его емкости при воздействии на него измеряемой величины давления.

172

Емкость плоского конденсатора C	0	s	,
	d

где s – площадь пластин конденсатора, d – толщина диэлектрика, − относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика. Для измерения давления чаще всего пользуются изменением ёмкости С при изменении расстояния между пластинами конденсатора.

173

УСИЛЕНИЕ БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

1. Принцип работы медицинских приборов, регистрирующих биопотенциалы

Общая структурная схема работы приборов, регистрирующих биопотенциалы, представлена на рисунке 80:

Потенциал	Электроды	Усилитель	Приёмник	Передатчик	Рег.
					устройство

Канал связи

Рисунок 80. Структурная схема работы приборов, регистрирующих биопотенциалы

Электроды – проводники специальной формы, непосредственно контактирующие с биологической системой.

Усилитель – устройство, предназначенное для усиления напряжения (биопотенциала) до уровня, на котором, это напряжение (биопотенциал) становится различимым регистрирующим устройством (от десятых милливольта до вольт или десятков вольт).

Приёмник, передатчик со связывающим их каналом связи

используются при дистанционных измерениях (телеметрии).

Регистрирующее устройство преобразует электрический сигнал в удобную для восприятия форму, – чаще всего визуальную (график, число, отклонение стрелки, изображение).

2. Амплитудная характеристика усилителя. Амплитудные искажения и их предупреждение

Усилитель – устройство, предназначенное для усиления электрического сигнала за счёт энергии источника питания. Общая структурная схема усилителя приведена на рисунке 81.

Различают усилители напряжения, тока и мощности.

Одной из важных характеристик усилителя является коэффициент усиления, то есть отношение амплитуды

174

Ист. пит.

Рисунок 81. Структурная схема усилителя

выходного сигнала к амплитуде входного. Для усилителя напряжения он определяется по формуле:

k U ВЫХ .

U ВХ

Амплитудной характеристикой усилителя называется зависимость амплитуды выходного сигнала от амплитуды входного:

U ВЫХ f (U ВХ ) kU ВХ

В идеальном усилителе коэффициент усиления не зависит от

					амплитуды входного		сигнала
Вход			Усилитель	Выход	(k	f (U ВХ ) const ), при	этом

форма сигнала при усилении не изменяется. График амплитудной характеристики представляет собой в таком случае прямую линию. Реальный усилитель может иметь линейную характеристику усиления только

в некотором диапазоне усиливаемых амплитуд, – этот диапазон называется динамическим диапазоном усилителя и определяется по формуле:

D , дБ 20 lg	U ВЕРХ	, где U	ВЕРХ	, U	НИЗ	– верхняя и нижняя
u	U НИЗ

границы диапазона, соответственно. Вне динамического диапазона коэффициент усиления уже не является величиной постоянной: k f (U ВХ ) const , и сигнал будет искажён на

выходе из усилителя, при этом в спектре усиленного сигнала появятся новые дополнительные гармоники. Степень искажения сигнала описывается коэффициентом нелинейных искажений,

который определяется по формуле:

U

max 2

2

U

max 3

2

... U

max N

2

k

, где U max1 – амплитуда

U max1

U max 2 ,

–

амплитуды

основной

гармоники,

Umax3, . . .

дополнительных гармоник сигнала на выходе.

Предупреждение нелинейных искажений достигается за счёт: а) устройств, ограничивающих диапазон амплитуд;

175

б) специализации измерительных устройств (так, например, в электроэнцеллографах используются усилители, отличные от тех, что используются в электрокардиографах).

3. Частотная характеристика усилителя. Частотные искажения и их предупреждение

Кроме нелинейных искажений, при усилении возможно появление ещё одного вида искажений – так называемых

частотных (линейных) искажений. Рассмотрим причины их появления.

Согласно теореме Фурье, любой периодический сигнал можно представить как сумму гармонических сигналов (синусоид или косинусоид) с кратными частотами. Идеальный усилитель будет усиливать сигналы разных частот

Рисунок 82. Частотное искажение формы	одинаково, т.е. его
сигнала, состоящего из двух гармоник	коэффициент
	усиления не будет

зависеть от частоты. Все гармоники будут усилены в одинаковое число раз, и их сумма даст такой же по форме сигнал, что и на входе. Таким образом, идеальный усилитель не исказит форму сигнала. В реальном же усилителе всегда присутствуют ёмкости и индуктивности, сопротивление которых зависит от частоты. Поэтому в реальном усилителе сигнал на разных частотах может усиливаться в разное число раз, т.е. разные гармоники могут усиливаться по-разному, из-за чего после прохождения через усилитель форма исходного сигнала будет искажена (рисунок 82). На данном рисунке: тонкая сплошная линия – сигнал на входе усилителя, толстая сплошная – на выходе, пунктирными линиями изображены гармоники входного сигнала.

176

Зависимость коэффициента усиления от частоты называется

частотной характеристикой усилителя: kv f ( ) . Доказано,

что в случае, если частотная характеристика меняется в некотором диапазоне частот не более чем на 29%, то искажения сигнала в этом диапазоне будут несущественными, и ими можно пренебречь. Этот диапазон называется полосой пропускания усилителя. Предупреждение частотных искажений сигнала достигается за счёт:

1)использования фильтров, позволяющих выделять некоторый диапазон частот (ФНЧ, ПФ, ФВЧ);

2)специализации измерительных устройств (усилители НЧ сигналов не пригодны для усиления ВЧ сигналов, и т.д.).

4. Многокаскадное усиление, типы связей между каскадами

Зачастую усиления одним усилителем недостаточно, поэтому в таких случаях усилители соединяют последовательно, и они образуют так называемый усилительный каскад. Каждый усилитель в таком случае будет называться каскадом. Общий коэффициент усиления усилительного каскада будет равен произведению коэффициентов усиления его каскадов. Например, если усилительный каскад состоит из двух усилителей с коэффициентами усиления k1 10 и k2 20 , его коэффициент

усиления будет равен k k1k2 10 20 200.

Выделяют следующие типы связи между каскадами:

а) гальваническая; б) емкостная;

в) индуктивная (трансформаторная); г) оптронная;

д) комбинированная (реостатно-емкостная).

5. Обратная связь в электронных усилителях

Под обратной связью в усилителях понимают способ функционирования усилителя, при котором часть сигнала с выхода усилителя передаётся на его вход.

177

Отношение амплитуды, передаваемой по цепи обратной связи на вход усилителя, к выходной амплитуде сигнала,

называется коэффициентом передачи цепи обратной связи:

Uос Uвых .

По сути, этот коэффициент показывает, какая часть выходного сигнала снимается и подаётся обратно на вход.

Отношение амплитуды выходного сигнала к амплитуде усиливаемого сигнала называется коэффициентом усиления схемы с обратной связью:

kсв UUвых .

Отношение амплитуды сигнала на выходе усилителя к амплитуде сигнала на входе усилителя называется

коэффициентом усиления (без обратной связи):

k Uвых .

Uвх

В случае наличия обратной связи амплитуды сигналов

связаны формулой: U ос U U вх , а коэффициенты

соотношением:

kсв 1 k k .

Рассмотрим предельные случаи последней формулы:

а) 0 , (обратной связи нет), тогда получаем kсв k , т.е.

имеем обычное усиление; б) 0 , (сигнал с выхода увеличивает сигнал на входе –

положительная обратная связь), kсв k , т.е. за счёт обратной

связи можно получить прирост коэффициента усиления.

в) 0 , (сигнал с выхода увеличивает сигнал на входе – отрицательная обратная связь), kсв k , т.е. за счёт обратной связи

уменьшается коэффициент усиления.

Для схемы с отрицательной обратной связью относительное изменение коэффициента усиления схемы с отрицательной

178

связью и относительное изменение коэффициента усиления связаны формулой:

	kсв		1	k	, так как	0 , то	kсв		k	. То есть, если в
	kсв		1 k	k			kсв		k

силу каких-то причин коэффициент усиления меняется, то для схемы с обратной связью это изменение коэффициента усиления не будет значительным. Такие схемы отличаются большей стабильностью в работе, менее подвержены внешним воздействиям и помехам.

6. Дифференциальный усилитель. Повторитель

Входное сопротивление усилителя, охваченного обратной связью, определяется по формуле:

Rвх.ос Rвх (1 k) .

При отрицательной обратной связи входное сопротивление усилителя увеличивается, т.е. Rвх.ос Rвх. При полной обратной

связи ( 1) входное сопротивление и коэффициент усиления

схемы с ООС будут равны:

Rвх.ос Rвх (1 k), kсв 1 k k 1, при k 1.

Выходное напряжение в этом случае будет равно U вых kсвU U .

То есть, на выходе повторяется входное напряжение. Усилитель, охваченный стопроцентной отрицательной обратной связью,

называется повторителем (напряжения).

При больших значениях	коэффициента	усиления	k будет
справедливо неравенство	Rвх.ос Rвх.	Большое	входное

сопротивление и стабильность в работе повторителя позволяет использовать его для согласования сопротивлений между биологической системой и усилительным каскадом. В таком случае повторитель называют предусилителем.

Для усиления слабых биологических низкочастотных потенциалов требуются усилители с большим коэффициентом усиления. Многокаскадные усилители, дающие большие коэффициенты усиления, нестабильны в работе, усиливают спонтанно возникающие шумы, чувствительны к внешним

179

наводкам, перепадам температуры, износу элементов и т.д. Одним из способов усиления низкочастотных сигналов в таком случае является использование так называемых

дифференциальных усилителей. Особенностью конструкции такого усилителя является использование в ней двух одинаковых транзисторов, при этом усилитель усиливает лишь разницу напряжений между этими транзисторами (отсюда и название).

180