ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ (ТЕРМОПАРЫ)

Министерство здравоохранения Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Тверская государственная медицинская академия Министерства здравоохранения Российской Федерации»

 

 

кафедра медбиофизики и информатики

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

 

 

Методические указания для лабораторной работы №8

(для фармацевтического факультета)

 

 

Тверь 2008

 

Методические указания составлены кафедрой медбиофизики ТГМА и предназначены в помощь студентам фармацевтического факультетов при подготовке и выполнении лабораторной работы.

 

 

Лабораторная работа N8

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

 

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

1. Изучить назначение, классификацию и принципы действия датчиков.

2. Снять характеристики 2-х лабораторных датчиков.

3. Найти аппроксимационные зависимости для этих характеристик.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ:

панель c понижающим трансформатором, фотодатчиком, индуктивным датчиком и микроамперметром.

 

ЛИТЕРАТУРА:

1. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. М.: Высшая школа, 1996, (см. гл. 21).
2. Ливенцев Н.М. Курс физики. М.: Высшая школа, 1974. (см. § 101).
3. Морозов Ю.В., Основы высшей математики и статистики. М.: Медицина, 1998. (см. п. 10.3).
4. Павлушков И.В. и др., Основы высшей математики и математической статистики. М.: Геотар-Мед., 2003. (см. § 8.3).

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

В медицине для съёма неэлектрических величин используют измерительные системы, содержащие датчики, или измерительные преобразователи. Датчиками (преобразователями) называются устройства, превращающие неэлектрическую величину в пропорциональный электрический сигнал. В медицине датчики играют роль переходного звена между обследуемым организмом и последующими устройствами для регистрации, передачи по каналу связи, усиления, обработки и отображения полученных сигналов. Функционально датчики являются техническими аналогами биологических рецепторов.

Преимущества измерительных систем, содержащих датчики:

- широкий амплитудный и частотный диапазоны;

- высокая чувствительность;

- малая инерционность;

- возможность миниатюризации и измерения в местах, недоступных при других методах;

- возможность централизации и одновременного измерения многих, различных по своей природе величин;

- возможность передачи информации об измеряемой величине на большие расстояния.

Последнее требование имеет отношение к телеметрии.

Требования, предъявляемые к датчикам при их конструировании:

- удобство в размещении и использовании;

- возможность стерилизации и многократного использования;

- отсутствие побочного действия на организм;

- получение устойчивого информативного сигнала;

- максимальная защита от помех и минимальное искажение полезного сигнала.

Естественная входная величина датчика (х) - это та единственная неэлектрическая величина, которую воспринимает и преобразует датчик из множества одновременно действующих на него величин (селективность датчика). Например, кровенаполнение тканей, концентрацию кислорода в крови, смещение органа, скорость кровотока, температуру, влажность, освещенность, прозрачность. Выходная величина (у) - это измеряемая электрическая характеристика (сила тока, напряжение, сопротивление, частота).

Характеристикой датчика называют зависимость выходной величины у от входной х, которая может быть представлена аналитически выражением у = f (x), таблицей или графиком. Чувствительность датчика есть частная производная выходной величины от входной . Она характеризует изменение выходной величины при изменении входного сигнала на единицу. При нелинейной характеристики, чувствительность датчика разная в разных диапазонах входной величины. Наиболее удобно иметь датчик с линейной характеристикой, в этом случае и чувствительность в большом интервале значений не зависит от входной величины. Чувствительность, обычно, величина размерная. Порог чувствительности (Dx_min) есть минимальное изменение входной величины, которое может быть измерено с помощью данного датчика. Предел преобразования - максимальное значение входной величины, которое воспринимается данным датчиком без искажения и без его повреждения.

Все датчики можно разделить на два основных класса: генераторные и параметрические. Генераторными называются датчики, в которых под воздействием входной величины непосредственно генерируется ЭДС. Параметрические датчики – это датчики, в которых под воздействием входной величины изменяется один из его электрических параметров. Их соединяют в цепь с внешним источником питания.

Рассмотрим некоторые типы датчиков:

ГЕНЕРАТОРНЫЕ

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ (ТЕРМОПАРЫ)

Действие термоэлектрических датчиков основано на явлении возникновения термо-ЭДС (e) в замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных проводников спаянных на концах, если точки их соединения имеют разную температуру (t₁ и t₂). При этом величина e будет зависеть от разности t₂ - t₁. Если поддерживать температуру t₁ одной точки постоянной, то термо-ЭДС будет определяться только температурой второй точки t₂, т.е. e = f (t₂). В этом случае, шкалу милливольтметра, измеряющего термо-ЭДС, можно сразу отградуировать в градусах. Термопары изготовляют из специальных сплавов, например, платинородий-платина, медь-константант, хромель-копель и используют для измерения температур в широком диапазоне; в медицине - для измерения температур внутри тканей, полостей и органов.

ИНДУКЦИОННЫЕ

Действие индукционных датчиков основано на явлении электромагнитной индукции. т.е. возникновении ЭДС индукции (e) в контуре при изменении магнитного потока (F), пронизывающего данный контур. Величина ЭДС определяется законом электромагнитной индукции . Обычно индукционные датчики используют для измерения скорости, а если полученный сигнал продифференцировать (проинтегрировать), то и для измерения ускорения (перемещения). Их также применяют для регистрации легочной вентиляции, параметров вибраций, снятия баллистокардиограмм.

 

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

Пьезоэлектрические датчики основаны на прямом пьезоэффекте - появлении электрических зарядов на гранях пьезокристаллов при их механической деформации, что приводит к разности потенциалов между гранями. Основным элементом является пьезокристалл, например: кварц, сегнетова соль, керамика ЦТС. Они используются для измерения быстроизменяющихся величин, механических напряжений, автоматического измерения артериального и венозного давлений, записи пульса лучевой артерии (сфигмометры), фонокардиограмм.

ОПТИЧЕСКИЕ

В основе их действия лежит явлении фотоэффекта. Они представляют собой вакуумные или полупроводниковые фотоэлементы (фотодиоды). Применяются для измерения световых потоков малой интенсивности, биолюминесценции, для усиления яркости изображений и визуализации рентгеновских и инфракрасных излучений, измерения концентрации, фотоколориметрии.

 

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ

РЕОСТАТНЫЕ

Основным элементом данных датчиков является реостат, провод которого обладает высоким удельным сопротивлением. При перемещении движка реостата, включенного в электрическую цепь, изменяется его активное сопротивление, и следовательно ток в цепи. Поэтому реостатные датчики можно использовать для измерения линейных и угловых перемещений, давлений, усилий и других величин, которые могут быть преобразованы в перемещение, например, для измерения параметров системы дыхания.

МКОСТНЫЕ

Основным элементом является конденсатор. Под воздействием входной величины может изменяться взаимное расположение обкладок конденсатора или диэлектрическая проницаемость вещества, расположенного между обкладками, что приводит к изменению ёмкости и ёмкостного сопротивления. Ёмкостные датчики применяют для измерения малых перемещений и толщин, уровней жидкости, влажности, состава вещества.

ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЕ

Они основаны на явлении тензоэффекта, т.е. изменении активного сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации. Основным элементом является материал с высоким коэффициентом относительной тензочувствительности. Применяются для измерения деформаций, механических напряжений, усилий, моментов сил, давлений внутри сосудов и в полости сердца, параметров системы дыхания, снятия пневмограмм, в стоматологии.

ИНДУКТИВНЫЕ

Индуктивные датчики основаны на зависимости индуктивности (или взаимной индуктивности) от положения отдельных элементов магнитопровода. Датчики представляют собой электромагниты с незамкнутым сердечником и подвижным якорем, положение которого главным образом влияет на индуктивность. Их можно использовать для измерения любых величин, приводящих к перемещению якоря: усилий, давлений, моментов, упругих свойств материалов, артериального давления, они применяются в ортопедии и хирургии.

ТЕРМОРЕЗИСТОРНЫЕ

Они основаны на зависимости активного сопротивления проводников и полупроводников от температуры. Используются для измерения температуры, скорости потоков, плотности, состава, теплопроводности вещества.

ФОТОРЕЗИСТОРНЫЕ

Они основаны на зависимости сопротивления полупроводника от освещенности и других световых характеристик (внутренний фотоэффект). Применяются для определения концентрации окси-гемоглобина в периферической артериальной крови, кровенаполнения тканей.