Информационный блок

Структурная схема электрического измерения неэлектрических величин состоит из трех частей: 1) первичного преобразователя неэлектрической величины в электрическую –-датчика; 2) усилителя электрических сигналов; 3) регистрирующего устройства. Все эти узлы могут размещаться отдельно друг от друга и соединяться лишь кабелем или другой линией связи. Датчиком называется устройство, преобразующее измеряемую или контролируемую величину в сигнал, удобный для передачи и регистрации.

Датчик

Усилитель

Регистрирующее устройство

П реобразуемая величинаx называется входной, а измеряемый сигнал  – выходной величиной. Функциональная зависимость выходной величины  от входной x описывается аналитическим выражением или графиком и называется характеристикой датчика. Обычно стремятся иметь датчик с линейной характеристикой

 = k x .

Рис. 1

Величина /x является чувствительностью датчика (рис.1). Максимальное значение входной величины, которое может быть воспринято датчиком без искажения и без повреждения датчика, называется пределом датчика. Минимальное изменение входной величины, которое можно обнаружить датчиком, называется порогом чувствительности.

Датчики делят на два класса: генераторные и параметрические. Генераторными называют такие, которые под воздействием входного сигнала генерируют напряжение или ток (например, индукционные датчики, пьезоэлектрические, фотоэлектрические и т.п.). Параметрическими называют датчики, в которых под воздействием входного сигнала изменяется какой - либо параметр (например, тензометрические датчики, емкостные, индуктивные, реостатные и т.п. ).

Рассмотрим некоторые типы датчиков:

1. Реостатный датчик . В качестве реостатного датчика используется реостат, движок которого перемещается в зависимости от значения измеряемой величины . Таким образом , входной величиной реостатного датчика является перемещение движка , а выходной - активное сопротивление.

2. Тензодатчик. В основе работы тензодатчика лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении активного сопротивления проводников при их механической деформации. Характеристикой тензоматериала является коэффициент относительной тензочувствительности.

K_от = _R/_l ( 1 )

где _l = l / l – относительное удлинение проводника ;

_l = R/ R₀ относительное изменение сопротивления проводника.

По закону Гука ,

_l =/E ,

где Е – модуль Юнга для данного материала ;  = Р/S – механическое напряжение в образце; Р – нагрузка; S – площадь поперечного сечения образца .

Подставляя выражение для _l в ( 1 ) , получаем:

k_от = _RE/ = RSE/(R_oP) ( 2 )

Основным требованием к материалу тензодатчика является возможно большее значение коэффициента относительной тензочувствительности .

Рис. 2

Наиболее широкое распространение в настоящее время находят проволочные тензодатчики (рис.2). На полоску бумаги или лаковую пленку наклеивается зигзагообразно тонкая проволока. К ее концам выводные проводники. Сверху датчики покрываются тонким слоем лака, а иногда закрываются бумагой или фетром. Такой датчик, будучи наклеенным на испытываемую деталь, воспринимает деформацию ее поверхностного слоя. Таким образом, входной величиной наклеиваемого датчика является деформация поверхностного слоя детали, а выходной – изменение сопротивления датчика.

В медицинской технике при регистрации пневмограммы, характеризующей изменение периметра грудной клетки, частоту дыхания, используются тензодатчики, располагаемые на грудной клетке пациента. Датчик выполнен в виде жилета, изготовленного из эластичной ткани. Чувствительный элемент образован двумя резиновыми трубками с угольно-графитным наполнением, сопротивление которых изменяется при деформации .

3. Емкостный датчик. Примером такого датчика может служить конденсатор переменной емкости. Емкость плоского конденсатора вычисляется по формуле

С = ₀ S/d ,

где  – относительная диэлектрическая проницаемость среды; ₀ – электрическая постоянная; S – площадь обкладок; d – расстояние между обкладками.

У этих датчиков измеряемая величина может быть функцией d , S ,  . В последнем случае датчик применяется для анализа состава вещества. В большинстве же случаев использования емкостных датчиков их входной величиной является перемещение обкладок относительно друг друга.

В медицинской технике применяется емкостной измеритель легочной вентиляции. Его чувствительный элемент образован тремя лепестками из тонкой синтетической пленки, на наружную поверхность которой нанесен слой алюминия толщиной около 10 мкм . Под действием воздуха подвижный лепесток в зависимости от вдоха или выдоха приближается к тому или иному неподвижному лепестку, что приводит к изменению емкости системы.

4.Индуктивный датчик. На рисунке 3а изображен наиболее распространенный датчик с малым воздушным зазором , изменяющимся под действием силы F. В результате изменяется индуктивность катушки и полное сопротивление Z цепи. Таким образом возникает функциональная зависимость между F и Z :

Z = f (F).

Рис.3

Н а рисунке 3б показан датчик, представляющий собой катушку 1, внутри которой перемещается стальной сердечник 2. Индуктивность L катушки, а следовательно, и ее полное сопротивление Z являются функциями перемещения сердечника:

Рис. 4

Z = f (l).

5. Пьезоэлектрический датчик . Принцип его действия основан на пьезоэлектрическом эффекте – явлении поляризации кристаллических диэлектриков при деформации .

Входной величиной в этих датчиках может быть давление, механическое напряжение, перемещение, а выходной – электрическое напряжение .

В медицине пьезодатчики нашли широкое применение в приборах для автоматического измерения артериального давления, для записи пульса лучевой артерии и т.д.

6. Индукционный датчик. Принцип его работы заключается в наведении э.д.с. индукции при относительном перемещении катушки и постоянного магнита.

У индукционных датчиков входной величиной является скорость механического перемещения, и поэтому они используется только в приборах, предназначенных для измерения скоростей, например крыльчатый датчик (рис. 4), применяемый в аппарате для импульсной регистрации легочной вентиляции. Определение легочной вентиляции производится путем регистрации объема выдыхаемого и вдыхаемого воздуха .

Датчик представляет собой двухканальный расходомер воздуха с малоинерционной крыльчаткой. Каналы входа и выхода воздуха выполнены раздельно с целью обеспечения надежного разделения сигналов входа и выхода. Крыльчатки датчиков установлены в проходящих потоках выдыхаемого и вдыхаемого воздуха. Каждая крыльчатка изготовляется из магнитного материала и намагничена. При вращении крыльчатки периодически меняется магнитный поток, пронизывающий катушку, в результате в ней возникает э.д.с. индукции Е, зависящая от скорости вращения. Скорость вращения крыльчатки датчика пропорциональна расходу V воздуха. Таким образом,

Е = f (V)

В настоящей лабораторной работе изучается параметрический датчик часто использующийся в медицине для измерения температур.