Лабораторная работа №15 Первичные преобразователи медико-биологической информации (датчики)

Студент должен знать: структурную схему съема, передачи и обработки медико-биологической информации, назначение и классификацию датчиков, их основные характеристики, предъявляемые к ним требования; устройство и принцип действия датчиков: резистивных (фото-, тензо- и термо-), индуктивных, пьезоэлектрических; возможные применения датчиков в медицине и биологии.

Студент должен уметь: работать с используемыми датчиками и измерительными приборами.

Краткая теория

1.Типы первичных преобразователей и их характеристики.

Медико-биологические исследования связаны с получением и регистрацией информации о состоянии и деятельности живого организма. Эту информацию могут нести электрические сигналы, например, биопотенциалы. Однако, большая часть величин, подлежащих измерению, являются неэлектрическими: температура, давление, перемещение, частота колебаний, концентрация веществ и т.д. Для их измерения в настоящее время все более широко применяются электрические методы. Это обусловлено рядом преимуществ, присущих электрическим измерительным и регистрирующим приборам: высокая чувствительность, малая инерционность, возможность измерения на расстоянии и т.д.

Структурная схема измерения неэлектрической величины электрическими методами состоит, как правило, из следующих блоков (рис. 1).

Первым элементом этой системы является первичный преобразователь (датчик) – устройство съема информации, реагирующее своим чувствительным элементом на воздействие измеряемой величины “X” и осуществляющее преобразование этого воздействия в электрический сигнал в виде напряжения, тока, частоты импульсов и т.п.

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