3. Датчики параметров сердечно-сосудистой системы.
Для оценки функционирования сердечно-сосудистой системы используются такие характеристики, как пульс, систолическое и диастолическое давление, тоны и шумы сердца, импеданс тканей, различные показатели циркуляции крови и т.п.
Для регистрации частоты периферического пульса получили распространение пьезоэлектрические датчики, в которых используется прямой пъезоэффект – поляризация некоторых кристаллических диэлектриков - пьезоэлектриков при их механической деформации - растяжении, сжатии, изгибе и т.д.
К пьезоэлектрикам относятся кристаллы турмалина, кварца, сегнетовой соли. Пьезоэлектрический эффект обусловлен тем, что при деформации происходит смещение молекул или групп молекул, образующих пространственную решетку кристалла. В результате положительные ионы решетки оказываются сдвинутыми в одну сторону, а отрицательные – в другую, что приводит к нарушению симметрии и возникновению электрических зарядов разных знаков на противоположных поверхностях определенным образом вырезанной пластины пъезоэлектрика.
Например, для кварца S4O2 характерны структурные группировки, содержащие три иона кремния и шесть ионов кислорода, симметричные в отношении распределения зарядов (рис. 7а). При сжатии (рис. 7б) или растяжении (рис. 7в) ионы смещаются, и группировка становится полярной. Заряды на пьезоэлементах существуют, пока сохраняется деформация, и исчезают, когда она прекращается. Количественно пъезоэффект оценивается пьезомодулем d - коэффициентом пропорциональности между величиной возникающего заряда Q и приложенной силой – Р:
Q = d · P
(для кварца d = 2 · 10-12Кл/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).
Датчики такой конструкции, приложенные к стенке артерии, дают на выходе напряжение, частота пульсаций которого равна частоте пульса.
Для измерения частоты пульса применяются также фоторезисторы, принцип работы которых основан на явлении внутреннего фотоэффекта, характерного для полупроводников.
а б в
Рис. 7 Прямой пьезоэффект кварца.
а б
Рис. 8
Пьезоэлектрический датчик артериального пульса.
Одно из его проявлений – изменение электропроводности полупроводников при их освещении. С точки зрения зонной теории это можно объяснить переходом под воздействием энергии света электронов внутри полупроводника из валентной зоны в зону проводимости (т.е. переходом из связанных состояний в свободные без выхода наружу) с образованием на их месте дырок. В результате этого в полупроводниках возникают освобожденные световым излучением заряды (электроны и дырки), способные перемещаться внутри твердого тела, увеличивая его электропроводимость, и, следовательно, уменьшая его сопротивление электрическому току. Зависимость
сопротивления R фоторезистора от его освещенности Е не линейна и представлена на рис. 9.
Простейший фоторезистор (рис. 10) представляет собой тонкий слой полупроводника 1 с металлическими электродами 2, нанесенный на изолятор 3.
При включении фоторезистора в цепь источника постоянного напряжения возникает фототок, величина которого будет зависеть от освещенности фоторезистора.
Рис. 9