Электрические методы измерения неэлектрических величин

Основные понятия и определения: определение датчика, схема включения датчика, датчики температуры и их использование в медицине (проволочные и полупроводниковые термисторы, термопары), основные характеристики датчиков и требования, предъявляемые к ним при использовании их в медико-биологических исследованиях.

Цель работы: научиться собирать схему моста Уитстона, рассчитывать неизвестное сопротивление, уметь пользоваться электроприборами.

Краткая теория

Электронная техника расширила исследовательские возможности в области не только электрических явлений, происходящих в живом организме, но и неэлектрических процессах, связанных с жизнедеятельностью организма.

Для преобразования неэлектрических (механических) величин, возникающих в живом организме, в электрический сигнал используются датчики, которые или преобразуют неэлектрическую величину (давление, пульс, тоны и шумы, возникающие в сердце при его сокращении и т.д.) в электрический сигнал или под влиянием неэлектрических величин меняют свои параметры.

 

Рисунок 1. Принципиальная схема измерения неэлектрических величин

 

1 – датчик

2 – усилитель

3 – передатчик

4 – приемник

5 – регистратор

6 – канал связи

Датчики делятся на параметрические и генераторные.

Параметрические датчики – устройства, у которых под действием механической величины меняется параметр датчика (сопротивление, емкость, индуктивность и т.д.).

Генераторные датчики – датчики, у которых под действием механической величины генерируется разность потенциалов.

Параметрические датчики

1. Проволочные тензометры – устройства, предназначенные для измерения механических деформаций и напряжений, возникающих в биологических объектах во время их жизнедеятельности. Это может быть изменение параметров грудной клетки при вдохе и выдохе, частоты дыхания, изменения давления и т.д. В этих датчиках изменяется сопротивление проводника под влиянием механической величины.

2. Емкостные преобразователи – датчики, в действии которых используется зависимость емкости конденсатора от расстояния между обкладками, площади обкладок и диэлектрической проницаемости среды между ними .

В медицине емкостной датчик можно использовать для измерения кровенаполнения сосудов пальца – емкостной плетизмограф.

3. Индуктивные преобразователи – датчики, у которых под влиянием исследуемой величины изменяется индуктивное сопротивление X_L катушки преобразователя в зависимости от положения сердечника в катушке.

,

где L – индуктивность катушки,

ω – круговая частота.

Индуктивность катушки определяется уравнением:

,

n – число витков катушки,

l – длина соленоида,

S – площадь поперечного сечения соленоида,

μ – магнитная проницаемость,

μ₀ – магнитная постоянная.

При изменении положения сердечника в катушке меняется X_L и, соответственно, изменяется сила тока в цепи.

 

.

Генераторные датчики

1. Пьезодатчик – работает на принципе пьезоэффекта, заключающегося в том, что при растяжении или сжатии пластинок, изготовленных из определенных материалов (пьезокристаллов), на их гранях появляется разность потенциалов, величина которой пропорциональна действующей силе.

,

d – коэффициент пропорциональности между величиной заряда q и приложенной силы F.

C – емкость конденсатора.

2. Термодатчики – устройства, преобразующие изменение тепловой энергии в электрический сигнал. К ним относятся термопары, для которых разность потенциалов, возникающая на концах спаев пропорциональна разности температур: , где k – постоянная термопары.

3. Индукционные датчики – преобразователи, в которых механические перемещения постоянного магнита, расположенного между двумя неподвижными катушками (или, наоборот, перемещение катушек по отношению к магниту) вызывает в них индукционный ток, колебания которого отражают характер колебания магнита под действием механической величины.

,

- скорость изменения магнитного потока,

k – коэффициент пропорциональности.

Характеристики датчиков

1) функциональная зависимость выходной величины «у» от входной «х», т.е. у=f(х);

2) чувствительность датчика (отношение изменения сигнала на выходе преобразователя к вызываемому его изменению измеряемой величины );

3) диапазон (х₁ и х₂) входных величин, измерение которых производится без заметных искажений.

4) время реакции – минимальное время, в течение которого происходит установка выходной величины на уровень, соответствующий уровню входной величины.

5) частотная характеристика у=f(ν) при постоянном уровне входной величины x=const.

В данной работе рассматривается термоэлектрический датчик (полупроводник), у которого сопротивление зависит от температуры, т.е. R=f(t).

Измерение сопротивления полупроводника производят методом моста Уинстона, принципиальная схема которого приведена на рис.1