Индуктивный а) и емкостной б) датчики для регистрации давления
В основу принципа работы емкостного датчика положено изменение его емкости при воздействии на него измеряемой величины. Емкость плоского конденсатора, как известно, определяется сопротивлением:
,
где ε0 – электрическая постоянная,
S – площадь обкладок конденсатора,
d – толщина диэлектрика (расстояние между пластинами) или зазоры,
ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика.
В зависимости от того, на какой параметр воздействует измеряемая величина, емкостной преобразователь может работать с использованием изменения S, d, диэлектрической проницаемости ε.
Для измерения давления чаще пользуются изменением емкости С при изменении расстояния d между пластинами (рис. 13б, корпус 1, неподвижная 2 и подвижная 3 пластины).
Для прямого измерения внутрисосудистого давления крови и давления в полости сердца в качестве преобразователей используются электрические тензодатчики (тензосопротивления и тензорезисторы).
В основе работы тензорезисторов лежат свойства материалов изменять свое электрическое сопротивление вследствие их механической деформации. Различают проволочные, фольговые и полупроводниковые тензорезисторы. Конструктивно проволочные тензорезисторы представляют собой зигзагообразную обмотку 1 из нескольких петель металлической (константан, нихром, манганин и др.) проволоки диаметров 15 – 30 мкм, наклеенных на тонкую бумажную или пленочную основу 2 (рис. 14а). Сверху обмотку закрывают такой же основой 2.
Известно, что сопротивление проволоки определяется соотношением
где
- удельное сопротивление материала
проволоки,
-
длина,
-
площадь поперечного сечения проволоки.
Основа проволочного тензометра
наклеивается на поверхностный слой
исследуемого объекта. Под действием
давления окружающей среды на объект
тензорезистор деформируется, в результате
чего удлиняется или укорачивается длина
наклеенной на основу проволоки. Это
приводит к изменению всех трёх величин
,
,
(т.к.
и
),
от которых зависит сопротивление
,
что и вызывает, в конечном счете, изменение
величины сопротивления тензорезистора.
Характеристикой тензорезистора является
тензочувствительность
,
равная отношению относительного
изменения сопротивления
датчика к относительному изменению
длины
,
т.е.:
.
а б
Рис. 14
Проволочный а) и полупроводниковый б) тензорезисторы.
Для проволочных тензорезисторов
,
а
не более
.
В отличие от проволочных, фольговые
тензорезисторы имеют чувствительный
элемент в виде тонких (1-12 мкм) полосок
фольги прямоугольного сечения, которые
также наносятся на плёночную основу.
Материал фольги берётся тот же, что и
для проволочных обмоток, а принцип
работы таких датчиков аналогичен
проволочным. Преимущество фольговых
тензорезисторов заключается в возможности
изготовления тензочувствительных
элементов любого рисунка, формы и
площади, с учётом особенностей исследуемого
объекта. Тензочувствительность и
относительное изменение сопротивления
их примерно равны соответствующим
величинам для проволочных тензорезисторов.
Конструкция полупроводникового
тензорезистора представляет собой
пластину 1 из полупроводника (кремний,
германий и др.), к которой припаяны выводы
2 (рис. 14б). При деформации пластины
изменяется её сопротивление, причём
изменение сопротивления такого
тензопреобразователя при деформации
доходит до 50% их номинальной величины,
т.е.
.
Кроме того, полупроводниковые
тензорезисторы отличаются от проволочных
и фольговых и значительно более высокой
тензочувствительностью (
),
и гораздо меньшими размерами. Вследствие
этого для создания миниатюрных датчиков
для измерения давления используют
именно полупроводниковые тензорезисторы.
Конструктивно датчик для измерения внутрисосудистого давления представляет собой тонкий эластичный катетер диаметром 2-4мм, на конце которого укреплён тензорезистор. Отводящие проводники проходят внутри катетера.
Для исследования кровенаполнения сосудов и оценки их тонуса используется метод плетизмографии – регистрации изменений объёма органа или части тела. Существуют несколько способов оценки изменений объёма (один из них, связанный с измерением вариации поглощения тканями света – фотоплетизмография – уже рассматривался при описании фоторезистора).
Для измерения кровенаполнения сосудов пальца, например можно использовать ёмкостный датчик – ёмкостный плетизмограф (рис. 15).
Рис. 15