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 проницаемостиε.

Для измерения давления чаще пользуются изменением емкости Спри изменении расстоянияd 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 длинанаклеенной 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 сопротивлениядатчика к относительному изменению длины, т.е.:

.

Для проволочных тензорезисторов , ане 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.

а б

Рис. 14.

Проволочный (а) и полупроводниковый (б) тензорезисторы

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.