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 выражениемy =f(x), или графиком, например, рис. 5 и 9;

• чувствительностью - отношением изменения сигнала Δy на выходе преобразователя к вызывающему его изменению измеряемой величины Δх;

• 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 величиныХ = const.

Все датчики, в том числе и медико-биологические, можно разделить на две группы: генераторные (активные) и параметрические (пассивные).

В генераторных датчикахэнергия 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 датчикипод воздействием неэлектрической входной величины изменяют только свои электрические параметры (сопротивление –R, емкость –Сили индуктивность –L), поэтому для работы такого датчика необходимвнешний 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.