Используемые в медицине и биологии

Измерение неэлектрических величин, в том числе и механических, производится путём преобразования этих величин в электрические величины (ток, напряжение, сопротивление и т.д.) с последующим измерением электрических величин электроизмерительными приборами.

Учитывая важность для медико-биологических экспериментов поступающей на вход электромеханического преобразователя механической величины, выходную характеристику этих преобразователей называют характеристикой преобразования. По крутизне этой характеристики определяется чувствительность преобразователя и измерительной схемы к измеряемой величине.

Минимальный входной сигнал, на который реагирует преобразователь, называется зоной нечувствительности преобразователя (порог чувствительности).

К современным электромеханическим преобразователям предъявляются следующие требования:

1.
Однозначность (отсутствие гистерезиса) в рабочем диапазоне измеряемых величин.

2.
Высокая линейность выходного сигнала в рабочем диапазоне преобразования.

3.
Отсутствие искажений измеряемой механической величины в рабочем диапазоне частот.

4.
Достаточно высокая чувствительность к измеряемой механической величины.

5.
Малая зона нечувствительности преобразования.

6.
Минимальное влияние на характеристику преобразования внешней среды (температуры, давления и т.д.)

7.
Минимальные искажения измеряемой величины, которые происходят от взаимодействия преобразователя с контролируемым процессом или объектом.

8.
Высокая стойкость к механическим перегрузкам.

9.
Высокая долговечность и надёжность в работе.

10.
Минимальные габариты и вес изделия.

 

К дополнительным требованиям относятся:

1.
Высокое быстродействие.

2.
Большой динамический диапазон.

3.
Малая потребляемая мощность.

4.
Взаимозаменяемость.

5.
Простота конструкции.

6.
Малая стоимость.

 

Т.к. ни один из электромеханических преобразователей не может отвечать всем предъявленным требованиям и быть одновременно универсальным измерительным средством, поэтому существует большое разнообразие электромеханических преобразователей, в основу которых положены различные принципы действия и, следовательно, — различные конструкции. Наиболее широкое применение имеют следующие преобразователи:

1. индукционные;

2. индуктивные;

3. ёмкостные;

4. тензорезисторные;

5. фотоэлектрические;

6. магнитоэлектрические;

7. механотронные;

8. электромеханические и т.д.

 

По виду выходного сигнала они делятся на группы:

1. со съёмом сигнала на переменном токе;

2. со съёмом сигнала на постоянном токе.

 

Рассмотрим некоторые особенности, характерные для некоторых перечисленных выше преобразователей: индукционные и индуктивные не имеют механического контакта между подвижными и неподвижными частями, они обладают высокой надёжностью, большим сроком службы и малой зоной нечувствительности.

К их недостаткам следует отнести:

1. малая мощность выходного сигнала;

2. съём информации только на переменном токе;

3. сравнительно невысокая чувствительность (от 0,5 до 600 мВ (мкм)).

 

Кроме того, необходимо применять в совокупности с ними вторичную преобразующую аппаратуру.

Вторые устройства магнитоэлектрические:

преимущества: нет контакта, высокая чувствительность, работают на постоянном токе;

недостатки: малая выходная мощность, достаточно инер­ционный ротор (если в качестве него используется постоянный магнит). Бывает две схемы: подвижный магнит или сигнальная катушка. Если в качестве ротора используется сигнальная или управляющая катушка, то эти преобразователи обладают малой инерционностью. Они имеют малый реактивный момент, который связан с взаимодействием ферромагнитных материалов с магнитным полем.

Третья группа — ёмкостные преобразователи обладает высокой чувствительностью, но обладают тем же недостатком, что и индуктивные преобразователи (выходной сигнал на переменном токе). Кроме того, они имеют малую помехозащищённость (на их работу влияют ёмкости монтажа).

Четвёртая группа — тензорезисторные преобразователи просты по конструкции, имеют малые габариты и вес, широкий частотный диапазон и сравнительно малую зону нечувствительности. Кроме того, они обычно работают на постоянном токе. К недостаткам следует отнести малую мощность выходного сигнала, большой разброс параметров, сложность измерительных схем, их, как правило, используют однократно.

Пятая группа — фотоэлектрические преобразователи более просты по конструкции и в эксплуатации. К недостаткам следует отнести: нестабильность во времени параметров, влияние на них показателей температуры окружающей среды и влажности воздуха, достаточно высокая инерционность. Механотронные, электровакуумные и электронно-механические прео­бразователи, как правило, работают на постоянном токе. Обладают высокой чувствительностью и очень малой зоной нечувствительности. Они уступают индукционным и индуктивным с точки зрения потребляемой мощности и долговечности. Однако по совокупности технико-экономических показателей они в ряде случаев превосходят эти и другие электронно-механические преобразователи. Эти преобразователи могут быть выполнены высокоточными (электронные приборы), а также в виде газонаполненных (газоразрядных) приборов. По принципу действия делятся на:

1. преобразователи с механически управляемыми электродами (механотроны);

2. преобразователи, основанные на инерционно – плазменном эффекте;

3. преобразователи с магнитным управлением электрического тока;

4. преобразователи с управлением электрическим током путём изменения величины и ориентации внешнего электромагнитного поля.

 

Три последних группы находят ограниченное применение. А первая имеет широкое распространение в медико-механических исследованиях, так как это связано с тем, что они сочетают в себе простоту конструкции с высокой чувствительностью. Для своей работы они требуют простых электрических схем и малых питающих напряжений.

^ Принцип действия механотронов. Основы их