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 S₄O₂характерны 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 пьезомодулемd - коэффициентом пропорциональности между величиной возникающего зарядаQ и приложенной силой –Р:

Q = d · P

(для кварца d= 2 · 10^-12 Кл/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 пьезоэлементП, работающий на сжатие (рис. 8а) или изгиб (рис. 8б).

а б в

Рис. 7.

Прямой пьезоэффект кварца

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

Рис. 8.

Пьезоэлектрический датчик артериального пульса