Учебное пособие 632

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный технический университет»

Кафедра системного анализа и управления в медицинских системах

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИИЭЛЕКТРОДЫ

Методические указания к выполнению практических работ

для студентов направления 12.03.04 «Биотехнические системы и технологии»

(профиль «Биотехническиеимедицинские аппараты исистемы») очной формы обучения

САУМ С

Воронеж 2020

1

1. Цели и задачи дисциплины

Целью изучения дисциплины является ознакомление студентов с первичными устройствами съема медикобиологической информации об основных проявлениях процессов жизнедеятельности: механических, биохимических и др.; ознакомление с различными классами датчиков биологической информации (ДБИ), физическими принципами работы данных устройств, их конструкциями и особенностями применения в биомедицинской практике и исследованиях.

Задачи дисциплины: изучение принципов действия измерительных преобразователей и электродов, использующихся при выполнении современных медико-биологических исследований; содействие в выработке научного подхода к решению инженерных задач автоматизации всех этапов процесса регистрации при помощи ИП и Э проявлений жизнедеятельности организма; изучение принципов ориентации в современной справочной литературе по выбору требуемых средств регистрации биопотенциалов, ИП и Э.

Требования к предварительной подготовке обучающе-

гося. Для успешного освоения дисциплины студент должен иметь базовую подготовку по дисциплинам ООП «математика», «физика», «узлы и элементы биотехнических систем», «прикладная механика ». При этом студент должен знать базовые понятия теории вероятности, уметь решать системы уравнений, способен применять математические методы, иметь представление о погрешностях.

2. Перечень планируемых результатов обучения по дисциплине

Процесс изучения дисциплины «Измерительные преобразователи и электроды» направлен на формирование следующих компетенций:

ПК-2 - Готовностью к участию в проведении медикобиологических, экологических и научно-технических иссле-

3

дований с применением технических средств, информационных технологий и методов обработки результатов

ПК-3 - Способностью к внедрению технологических процессов производства, метрологического обеспечения и контроля качествамедицинскихизделийи биотехническихсистем.

4

3. План практических занятий. Требования

Для успешного прохождения курса практических занятий обучающийся должен приносить сделанные презентации на каждую пару согласно плану. Презентации выполняются дома заранее. Подбор материала, изучение, анализ, компоновка, печать предполагается делать самостоятельно. Распечатанные презентации необходимо принести на соответствующее практическое занятие.

Требования к презентациям: желательное соотношение графической и текстовой информации − 50 % на 50 %, объем одной презентации − 2-4 листа формата А4, шрифт произвольный, размер от 8 до 12, графическая информация должна отображать внешний вид датчик или электродов, структурные схемы, алгоритмы, классификации, принцип действия, методику проведений измерений, подключение к источникам питания и т.д. Текстовая информация должна дополнять графическую, пояснять ее. Каждый лист презентаций должен быть подписан в правом верхнем углу колонтитулом(ФИО, группа, тема презентации). Выбор технических характеристик датчиков, преобразователей и электродов должен быть соответствующим: основные параметры, которые влияют на условия работы, например, длина волны, мощность, частота и т.д. Желательно распечатывать информацию на листах с обеих сторон и таким образом уложиться максимум в два листа с двусторонней печатью. Поля выбираются произвольные исходя из возможности крепления скоросшивателем, а также максимально возможного отображения информации.

На практических занятиях студенты объединяются в бригады по 3-5 человек. Далее самостоятельно изучают презентации друг друга и решают задачи. В режиме совместного обсуждения выясняют тонкости и сложные моменты. Студенты готовятся к опросу преподавателем. В результате опроса каждый студент получает баллы за презентацию, решение задач и ответы. Вопросы задаются по всем презентациям бригады.

5

Недопустимо копирование информации у одногруппников. Каждый студент выполняет свою работу самостоятельно. Подготовка презентаций должна привести к более детальному изучению лекционных занятий, поэтому не нужно бессмысленно вставлять изображения, необходимо освоить материал. Преподавателем оценивается уровень понимания той или иной области, объем проделанной работы, а не объем листов. Практические занятияпроводятсяпо следующемуплану(табл. 2).

6

Продолжение табл. 2

7

Окончание табл. 2

8

4. Подробное описание структур презентаций

Рассмотрим более подробно, что должна содержать та или иная презентация по определенной теме.

1.Вступительное занятие. Обсуждаются темы, классификация измерительных преобразователей и электродов, приемы подготовки презентаций, методика защиты и т.д. Изучаются вопросы расчетапередаточныххарактеристик датчиков.

2.Метрологические характеристики ИП. Изучаются вопросы расчета погрешностей, амплитудных, фазовых и частотных характеристик, чувствительности. Построение графиков. Решение задач.

3.Емкостные ИП. Решение задач. Датчик близости. Емкостной толщиномер. Емкостной датчик уровня. Емкостной датчиквлажности. Коаксиальные и стержневые конденсаторы. Обсуждениеподготовленныхсамостоятельнопрезентаций.

4.Оптические ИП. Решение задач. Фотодиоды. Виды, режимы работы. Характеристики фотодиодов. Фоторезисторы. Фототранзисторы. Светодиоды. Способы подключения. Решение задач. Обсуждение подготовленных самостоятельно презентаций.

5.Резистивные ИП. Решение задач. Реостатные преобразователи. Тензодатчики. Виды и принцип работы тензодатчиков. Фольговые и проволочные тензорезисторы. Решение задач. Обсуждение подготовленных самостоятельно презентаций.

6.Тепловые ИП. Термические ИП. Металлические термометры сопротивления. Принцип работы. Используемые материалы. Характеристики. Термисторы. Отличие от термометров сопротивления. Материалы. Способ подключения. Кварцевые термометры. Полупроводниковые тепловые датчики. Термопары. Термоэлектрические эффекты. Достоинства и недостатки. Решение задач. Обсуждение подготовленных самостоятельно презентаций. Пример выполненной презентации представлен в приложении 1.

9

7.Пьезоэлектрические ИП. Прямой и обратный пьезоэффект. Пьезоматериалы. Характеристики пьезодатчиков. Принцип работы. Материалы. Частоты. Решение задач. Обсуждение подготовленных самостоятельно презентаций.

8.Ультразвуковые ИП. Понятие ультразвука. Используемые в медицине частоты. Отражение, прохождение, поглощение и преломление ультразвука. Интенсивность. Ультразвуковые датчики. Конструкции и материалы датчиков. Потери ультразвука. Решение задач. Обсуждение подготовленных самостоятельно презентаций.

9.Оптоволоконные ИП. Оптоэлектрические эффекты: эффект Фарадея, Поккельса, Доплера, Керра, фотоупругости. Датчики температуры, деформации. Оптоэлектронные датчики для медицинских и биохимических анализов.Датчики ионизирующих излучений на основе оптоволокна. Датчики на основе нарушения ПВО. Решение задач. Обсуждение подготовленных самостоятельно презентаций.

10.Датчики ионизирующего излучения. ХЧПТ. Датчики радиоактивности. Виды ионизирующего излучения. Ионизационные камеры. Достоинства и недостатки Принцип работы. Счетчик Гейгера – Мюллера. Сцинтилляционные детекторы. Полупродниковые детекторы. Дозиметры. Ионоселективный полевой транзистор. Ионоселективные мембраны для ИСПТ. Химически чувствительные ПТ на основе ферментов. Решение задач. Обсуждение подготовленных самостоятельно презентаций.

11.Электроды. Общие понятия. Классификация электродов. Способы наложения. Электроды в медицине. Электроды для электрокардиографов. Материалы. Достоинства и недостатки. Характеристики. Решение задач. Обсуждение подготовленных самостоятельно презентаций.

12.Способы наложения электродов. Резистивные и емкостные электроды. Обобщенное сопротивление электродэлектролит. Электроды для электроэнцефалографов. Материалы.

10