Датчиктердің қолданылуы

СЕМЕЙ МЕМЛЕКЕТТІК МЕДИЦИНА АКАДЕМИЯСЫ

МЕДИЦИНАЛЫҚ ФИЗИКА ЖӘНЕ ИНФОРМАТИКА КАФЕДРАСЫ

СТУДЕНТТЕРГЕ АРНАЛҒАН ӘДІСТЕМЕЛІК НҰСҚАУ

Температуралық датчиктің сипаттамаларын оқып- үйрену.

.

Растырған оқытушы Кусаинова К.Т.

Семей, 2009 ж

Түрлендіргіштер

Электр өлшеуіш және тіркегіш құралдардың жоғары сезімталдығы мен аз инерциялдығы электрлік емес шамаларды электрлік өлшеуде пайдаланылады. Осы әдістер техникада, биологияда, медицинада- мүшелердің не ағзаның күйі мен қызметін сипаттайтын түрлі параметрлерді (температура, қысым, түрлі қозғалыстарды, тербелмелі үрдістерді т.т.) өлшеп, тіркеу үшін қолданылады. Осындай құралдардың барлығы 3 негізгі бөліктен тұрады:

1. зерттелетін шаманы электрлік сигналға түрлендіргіш (Д- датчик),

2. осы сигналдарды күшейткіш (К),

3. тіркегіш қондырғысы (Т) (сурет 1).

Көптеген жағдайда күшейткіш пен тіркегіш қондырғысының орнына электрокардиограф каналының біреуі қолданылады. Осы электрокардиографқа датчик ерекше бір қондырғы (П) арқылы қосылады (сурет 2).

 

Адам ағзасының физиологиялық күйін анықтайтын параметрлерді тікелей өлшеуге болатын және тікелей өлшеуге болмайтын деп бөлуге болады.

Көптеген медика- биологиялық сипаттамаларды электродтар көмегімен тікелей алуға болмайды, өйткені бұл сипаттамалар биоэлектрлік сигналдармен кескінделмейді (бейнеленбейді): қанның қысымы, температура, жүректің дыбыстары және т.б. Осындай жағдайда датчиктер қолданылады.

Өлшеуіш құралдардың кең тараған түрі- өлшеуіш түрлендіргіш (датчик).

Датчик өлшенетін не бақыланатын шаманы ыңғайлы түрде жіберіп, ары қарай түрлендіріп, өңдеп, тіркеу, сақтау үшін ыңғайлы сигналға түрлендіргіш құрал. Басқаша айтқанда датчик өлшенетін электрлік емес сигналдарды (шамаларды) электрлік сигналға түрлендіретін құрал.

Өлшенетін шамамен тікелей қосылған датчик бірінші ретті деп аталады. Медициналық электроникада өлшенетін не бақыланатын электрлік емес шаманы электрлік сигналға түрлендіретін датчиктер ғана қарастырылады.

Датчиктерге берілетін электрлік емес сигналдардың басты түрлері:

1) механикалық шамалар - сызықтық және айнымалы қозғалыс, жылдамдық, үдеу, қысым, тербеліс жиілігі;

2) физикалық шамалар - температура, жарықталу, ылғалдылық;

3) химиялық шамалар - заттың таралымы, құрамы;

4) физиологиялық шамалар - тіннің қанмен қамтамасыз етілуі, тыныс алу көлемі, қанның пульстық көлемі және т.б.

Датчиктер жүйенің биологиялық сигналдарын электр сигналдарына түрлендіргіштер. Датчиктер түрлері

Датчиктер генераторлық және параметрлік болып бөлінеді.

Генераторлық датчиктер өлшенетін сигналдың әсерінен кернеу немесе токты тікелей өндіреді (қорытып шығарады). Оларды активті дейді. Генераторлық датчиктер белгілі бір құбылыстарға негізделуіне байланысты аталады:

1) пьезоэлектрлік - пьезоэлектрлік эффект;

2) термоэлектрлік - термоэлектрлік эффект (жабысқан жердегі температурасы әртүрлі болатын параллель жалғанған әртекті өткізгіштерден тұратын электр тізбегінде ЭҚК-ң пайда болу құбылысы);

3) индукциялық - электромагниттік индукция;

4) фотоэлектрлік –фотоэффект.

Пьезоэлектрлік датчиктер жүрек- қанайналым жүйесінің күйін (пульс, систолалық, диастолалық қысым, жүректің тоны, шуы), тыныс алу жиілігі мен көлемін анықтауға қолданылады. Бұндай датчиктер пьезоэлектрлік эффект құбылысына негізделген. Бұл құбылыс кейбір кристаллдардың механикалық деформациясы кезінде пайда болады, яғни сыртқы күш әсер еткенде (қысқанда не созғанда) механикалық деформацияның нәтижесінде кейбір кристалдардың молекулалары поляризацияланады. Кристалдың қарама- қарсы беттерінде қарама- қарсы электр зарядтары пайда болады да олардың арасында потенциалдар айырымы туындайды. Сыртқы күштің әсері тоқтағанда электрлік зарядтары «жоғалады», кристалл бастапқы күйіне келеді. Осы құбылыс пьезоэлектрлік эффект деп аталады. Бұл эффект кварц кристалында, сегнет тұздарында т.б. пайда болады. Қысатын күшпен әсер еткенде кристалдың механикалық деформациясы кезінде жоғарыда айтылғандай потенциалдар айырымы пайда болады, осындай пьезоэлектрлік эффект тура пьезоэлектрлік эффект деп аталады. 4- суретте датчиктер түрлері көрсетілген.

Электр өрісіне енгізілген кристалл механикалық деформацияға ұшырауы мүмкін. Мұны кері пьезоэлектрлік эффект деп атайды.

Индукциялық датчиктің жұмыс істеу принципі қозғалмайтын екі катушканың (немесе керісінше) арасындағы тұрақты магнит механикалық қозғалысқа келгенде, тізбекте индукциялық токтың пайда болуына негізделген. Индукциялық ток магнит қозғалмай катушка қозғалысқа келгенде де пайда болады. Катушка магнитке салыстырмалы қозғалған кездегі индукциялық ток күшейткішке және тіркегіш қондырғыға беріледі. Осы датчиктер баллистокардиографияда қолданылады. Тұрақты магнит қозғалғанда индуктивтік катушкада индукциялық электр қозғаушы күші пайда болады. Оның жиілігі- пульстың жиілігіне, ал амплитудасы- қан тамырындағы қан қысымына сәйкес келеді.

Термоэлектрлік датчик ретінде термопара қолданылады, ол әртүрлі металдан жасалған жабысқан екі өткізгіш болып табылады. Термопара температураны өлшеуге қолданылады. Ол өткізгіштігі әртүрлі болатын жартылай өткізгіштерден жасалады. Термопараның бос ұштарына жалғанған өлшеуіш құралдың көрсетуі осы жабысқан ұштарындағы температуралардың айырымына пропорционал болады. Термопараның сынапты термометрге қарағанда артықшылығы бар. Бірақ ыңғайлылығына қарағанда ол термисторға жетпейді.

Фотоэлектрлік датчиктердің әсер ету принципі олардың кедергісінің жарыққа және радиациялық сәулелерге байланысты болуына негізделген.

Параметрлік датчиктер

Механикалық әсердің немесе орын ауыстырудың нәтижесінде электрлік параметрлері өзгеретін датчиктер параметрлік д еп аталады. Немесе өлшенетін сигналдың әсерінен өзінің қандайда бір электрлік параметрін өзгертеді (кедергі, сыйымдылық, индуктивтік, R, L немесе C).Осындай датчиктерге жеке ток көзі қажет. Оларды пассивті дейді. Параметрлік датчиктерге жатады:

1) кедергі (омдық )- резистивті датчиктер;

2) сыйымдылық- сыйымдылық датчиктер;

3) индуктивтік- индуктивтікдатчиктер

Кедергі (резистивті) датчиктер тыныс алу жиілігін және көлемін анықтауға арналған. Осындай датчиктер жіңішке сымнан не заттан баған түрінде жасалады, олардың кедергісі созылу мен сығылу кезінде қатты өзгереді. Сымның не бағанның ұштары датчиктің табаны- мен және қозғалғыш элементімен жалғанады. Резистивті датчиктермен қысым өлшенеді.

Датчиктің кедергісінің артуы тізбектегі электр тогының шамасын азайтады. Тыныс алу көлемі неғұрлым үлкен болса, соғұрлым кедергі де үлкен болады, ендеше ток соған сәйкес кемиді және керісінше. Тізбектегі токтың амплитудасы, оның өзгеру жиілігі тыныс алу жиілігін сипаттайды.

Сыйымдылық датчиктерде конденсатор пластиналарының өзара ығысуы кезінде өлшеуіш тізбекке қосылған конденсатордың сыйымдылық кедергісі өзгереді.

Индуктивтік датчиктер тұйықталмаған өзекшесі бар катушкадан (электромагниттен) және өзекшені тұйықтайтын қозғалатын якорьден тұрады. Якорьдің қозғалысы кезінде катушканың индуктивтік кедергісі өзгереді. Катушка айнымалы токпен қоректенетін өлшеуіш тізбегіне (көпір) қосылады. Оларға трансформаторлы счетчик, қысым счетчигі жатады.

Түрлендіретін шамаларына байланысты датчиктер тағы да бөлінеді: механикалық, дыбыстық, температуралық, оптикалық және т.б. Механикалық датчиктер медицинада жүрек- қантамырлар жүейсінің қызметін зерттеудің әртүрлі әдістерінде қолданылады. Мысалы, электрлік манометрмен жүрек қуыстарындағы қан қысымы анықталады, электросфигмография мен электрофлебография арқылы артерия және көктамыр пульстерінің қисығы алынады.

Кейбір датчиктер өлшенетін шаманың атымен аталады; мысалы, қысым датчигі, тензометрлік датчик (тензодатчик)- орын аустыруды не деформацияны өлшеуге арналған т.с.с.

Датчиктердің қолданылуы

Микорэлектронды құралдардың медицинада қолданылуы құралдар мен аппараттардың өлшемдерін тек кішірейтіп қана қоймай, сонымен қатар әртүрлі мүшелердің ішкі қуысына қатерсіз енетіндей, тіпті ағза тіндеріне орнатуға болатындай кіші өлшемді құралдар мен датчиктер жасауға мүмкіндік береді. Осыған байланысты эндометрия деп аталатын жаңа диагностикалық әдіс табылған.

Мысалы, жүрек қуыстарындағы қан қысымын анықтау үшін жүрек катетерының ұшына бекітілген кішкентай ғана электроманометр қолданылады. Мұнда датчик ретінде сыртқы қысымды сезгіш мембранамен жалғанған силиконды кедергі алынады.

Эндорадиометрияның жаңа әдісі асқазан- ішек жолын зерттеуде қолданылады. Асқазан-ішек жолындағы ортаның температурасын, қысымын, қышқылдығын анықтау эндорадиозонд көмегімен орындалады. Ол пилюля пішінді болады және оны пациент жұтады. Капсулада микрогенератор орналасады, ал микрогенератордың өзінде ток көзі, транзистор, контур бөліктері, ал ашық ұшында пайда болған электромагниттік толқындар түрінде сәулеленетін тербелістер жиілігіне әсер ететін датчик орналасады.

Эндорадиозондта температуралық датчик ретінде термистор, ал қысым датчигі ретінде мембранамен байланысқан генератордың тербелмелі контурының индуктивтілік катушкасы, ортаның қышқылдығын анықтайтын датчик ретінде платинадан жасалған екі электрод қолданылады. Ток көзі ретінде сілтілі аккумулятор қолданылады.

Алынған және күшейтілген электрлік сигналды тіркегіш құралға жіберу міндетті. Көп жағдайда электродтар мен датчиктер, күшейткіш және тіркегіш құрал біртұтас қондырғы болып жинақталған. Осы кезде мәліметті жіберу қиын емес. Бірақ өлшеуіш бөлік биологиялық жүйеден қашық болуы мүмкін. Осындай өлшеулер телеметрия деп аталады. Ол өткізгіш сымдар не радио арқылы жүргізіледі.

Радиотолқындардың көмегімен жүрек, тыныс алу қызметінің күйі т.т. жайында физиологиялық мәліметтер алу әдісі радиотелеметрия деп аталады. Ол космостық зерттеулерде, спорттық медицинада кең қолданылады. Радиотелеметрия асқазан- ішек жолын эндорадиозондтауда да қолданылады.

Медициналық практикада дененің және оның бөліктерінің температурасын анықтау үшін жартылай өткізгішті датчиктер (термистор) қолданылады. Жартылай өткізгішті құралдардың басқалар алдында артықшылығы бар, өйткені оларды өте кішкентай қылып жасауға болады және оларға қажетті энергия лампалы электронды қондырғылардың пайдаланатын энергиясынан әлдеқайда аз болады.

Өткізгіш кедергісінің температураға тәуелділігіне негізделген термометр кедергілі электротермометр деп аталады. Термисторлер түрлі заттардан жасалады. Олар шарик пішінді не кішкене өлшемді пластина түрінде жасалады.