датчиктер. 8. датчиктер_каз. Биофизика курсымен информатика кафедрасы
 Скачать 356.87 Kb.
|
Тақырыбы: Биологиялық (электрлік емес) сигналдарды электрлік сигналдарға түрлендірудің принциптері. Терморегуляция. Термодатчиктерді бөліктеу. Мақсаты: биопотенциалдарды тіркейтін құралдар және олардың түрлері. термистор мен терможұптың жұмыс істеу принципін оқып үйрену дене температурасын анықтауда термистор мен терможұпты градуирлеуді үйрену жартылай өткізгіштердің температураға тәуелділігін оқып үйрену Оқыту міндеттері: Датчиктердің көмегімен медико-биологиялық ақпарат алу Биологиялық жүйелерді зерттеуде медициналық құралдар мен аппараттардың негізгі топтары Тақырыптың негізгі сұрақтар: 1. Өткізгіштер және жартылай өткізгіштердің қасиеттері 2. Зоналық теория тұрғысынан өткізгіштер , жартылай өткізгіштер және диэлектриктердің айырмашылығы 3. Контактілі потенциал айырымы деген не? 4. Контактілі потенциал айырымының пайда болу себептері 5. Пельтье эффектісінің маңызы Оқыту әдісі: Тақырып бойынша талдау, зертханалық жұмыс орындау, есептер шығару Ақпараттық-дидактикалық блок: Биоэлектрлік потенциалдар көптеген аурулардың диагностикалық көрсеткіштері болып табылады. Сондықтан, біріншіден, осы потенциалдарды дұрыс тіркеу, екіншіден, алынғын көрсеткіштерден қажетті медициналық ақпаратты алу маңызды. Клиникалық практикада биопотенциалдарды теріге жалғанатын электродтар арқылы алып, аналогтық тіркеуші құралдар арқылы жазады. Бір тармақтан екінші тармаққа өту арнайы ауыстырыпқосқыш арқылы жүзеге асады. Биопотенциалдар шамасы оте кішкентай болған себепті құралдарда күшейткіш блогы болады. Электрокардиографияда тіркелетін биопотенциалдар бірнеше миллиВольт, электроэнцефалографияда — микровольт болғандықтан, оларды бірнеше мың есе арттыру үшін көп каскадты күшейткіш қолданылады. Электрлік сигналдардың күшейткіштері (электрондық күшейткіштер) деп басқа ток көзінің энергиясы арқылы сигналдарды күшейтетін құралдарды айтады. Генераторлар (электрондық генераторлар) деп тұрақты кернеу көзінің энергиясын түрлі пішіндегі электрмагниттік тербелістер энергиясына түрлендіретін құралдарды айтады. Әсер принципі бойынша датчиктерді екі топқа бөлінеді: генераторлық және параметрлік (датчиктер-модуляторлар). Генераторлық датчиктер тікелей кіріс шамасын электрлік сигналға түрлендіреді. Параметрлік датчиктер кіріс шамасын датчиктің қандай да бір электрлік параметрдің (R, L немесе C) өзгеруіне әкеледі. Жұмыс істеу принципі бойынша датчиктерді омдық, реостаттық, фотоэлектрлік (оптикалық-электрондық), индуктивтік, сиымдылықтық және т.б болып бөлінеді.  Датчиктерге қойылатын талаптар: - шығыс шамасының кіріс шамасына тікелей тәуелділігі; - сипаттамалардың уақытқа тәуелді тұрақтылығы; - жоғары сезгіштігі; - кіші өлшемі мен массасы; - әр түрлі жағдайда жұмыс жасауға бейімділігі. Пьезоэлектрлік датчиктер. Жұмыс істеу принципі пьезоэлектрлік эффектке - деформацияға ұшыраған кезде кристаллдық диэлектриктердің поляризациялануы - негізделеді. Бұл датчиктерде кіріс шамасы қысым, механикалық кернеу, орын ауыстыру, ал шығыс шамасы электрлік кернеу болады. Медицинада пьезодатчиктер артериялық қысымды автоматты түрде өлшеу құрылғыларында қолданылады. Индукциялық датчиктер. Жұмыс принципі катушканы магнит өрісінде қозғалтқанда пайда болған ЭҚК өзгерісін тіркеуге негізделеді. Индукциялық датчиктерде кіріс шамасы механикалық ығысудың жылдамдығы болып табылады, сондықтан оларды тек жылдамдықты өлшеу құралдарында қолданады, мысалы, өкпе вентиляциясын импульстік тіркеуде. Тензодатчик. Тензодатчиктің жұмысы тензоэффектіге негізделеді, ол механикалық деформация кезінде өткізгіштердің актив кедергісінің өзгеруін көрсетеді. Тірі ағза арқылы тұрақты ток өткен кезде ол үнемі өзгеріске ұшырайды, электродтарды жалғаған кезде ток шамасы азаяды да, бастапқы шамасынан әлдеқайда аз шамада тұрақталады. Бұл құбылыс былай түсіндіріледі: биологиялық жүйе арқылы тұрақты ток өткен кезде, ол жерде қарама- қарсы бағытта, белгілі бір шамаға дейін артатын ЭҚК пайда болады да, Ом заңынан ауытқу байқалады. Тірі ағза мен ұлпаларға тұрақты токпен әсер еткенде, ток күші тұрақты болмай, өзгеріп, бастапқыдан көп аз болады. Тұрақты токтың биологиялық жүйеден белгілі бір шекке өткенде қарама-қарсы бағытта электрқозғаушы күш пайда болады. Осыдан қарама-қарсы бағытта электрқозғаушы күштің пайда болуынан Ом заңының ауытқуы байқалады. Байқалған құбылыс электролит сұйықтықтарында көрінеді. Қарама-қарсы белгісі бар иондардың жинақталуынан туған қосымша зарядтардың қозғалысынан пайда болған тұрақты токта поляризация құбылысы байқалады.. Биологиялық жүйелердегі ток күшінің өзгерісі олардың токты поляризациялайтын қабілетін көрсетеді. Металл өткізгіште қоспаның болуы оның меншікті кедергісін арттырады. Өйткені заттарды қыздырған кезде олардың бөлшектерінің ретсіз қозғалысы қарқындырақ болып, ток тасымалдаушылар қозғалысына қарама-қарсы әсері артады. Температураның біршама аймағында металдардың меншікті кедергісінің өсуі температураға тура пропорционал. Егер меншікті кедергіні 00С –та  , ал t0C –та  деп белгісек онда  немесе  .Затты тегіне байланысты қыздырғандағы меншікті кедергінің өзгеріс тәелділігін сипаттайтын  шаманы кедергінің температуралық коэффициенті деп атайды. Кедергінің температуралық коэффициенті сан мен анықталыды, 00С-та алынған шаманың 10С-қа қыздырғанда меншікті кедергісінің өзгеруін көрсетеді. . -өлшем бірлігі 0С-1Барлық металдарда шамасы оң, өйткені қыздырғанда оның кедергісі өседі, ал көмір мен электролиттерде және жартылай өткізгіштерде теріс болады, өйткені қыздырғанда олардың кедергілері азаяды. Жартылай өткізгіштердің меншікті кедергілерінің температураға тәуелділігі  , мұндағы  тыйым салынған зонаның ені; -меншікті кедергінің пропорционалдық коэффициенті; k- Больцман тұрақтысы.Электр тогы дегеніміз электр зарядтарының ретті қозғалысы. Егер зарядтардың ретті қозғалысы өткізгіште пайда болса, онда электр тогы өткізгіштік ток деп аталады. Токтың сандық сипаттамасының шамасы  зарядтың өткізгіш қимасы арқылы  уақыт аралығында өтуі Осы шаманы ток күші деп атайды. Егер ток күші және оның бағыты уақытқа байланысты өзгермесе, оны тұрықты ток деп атайды. Тұрақты ток үшін  Токтың тығыздығы  , мұндағы q және n –заряд және ток тасымалдау концентрациясы, v- қозғалыс бағытталған орташа жылдамдық.Электролиттегі ток тығыздығы  мұндағы  және  - қозғалыстағы иондарға сәйкес таңбалар; Е- электр өрісінің кернеулігі.Әр түрлі жартылай өткізгіштердің жанасу қабатының (р-n ауысу) ерекше қасиеттері бар. Әр түрлі металдар жанасқанда бұл жерде потенциалдар айырымы пайда болады. Металдардағы пайда болатын потенциалдар айырымы, біріншіден, газ және вакууммен арадағы шекарада пайда болатын ерекше жағдайларға, екіншіден, бұл металдардағы бос электрондар концентрациясына байланысты. Металдардағы бос (свободные) электрондар металдардың өзінде сақталады. Егер басқаша болғанда, электрондардың «ұшып шығуы» металдарда оң зарядтың пайда болуын туғызар еді. Бұндай жағдай практикада байқалмады. Яғни, электроннның металлдан шығуы үшін А жұмыс жасалуы (энергия жұмсалуы) керек. Бұл металл мен оған жақын орналасқан вакуум (ауа) арасындағы потенциалдар айырымы бар екенін білдіреді. Потенциалдар айырымы:   Бөгде күштердің әсерін физикалық шама ретінде сипаттайды оны электрқозғаушы күш деп атайды. Бұл шаманы бірлік оң зарядқа әсер ететін бөгде күштердің тұйықталған тізбек бойымен немесе тізбектің белгілі бір бөлігіндегі атқарған жұмысы сияқты анықтауға болады. ЭҚК=  . ЭҚК кернеу сияқты вольтпен өрнектеледі.Электрқозғаушы күшінің дәнекерлеу температураларының айырымына тәуелділігі ЭҚК=  мұндағы   =1К сәйкес термо ЭҚК-не тең коэффициент.Медициналық электроникада тіркеу құрылғысының 2 түрі қолданылады: электродтар датчиктер Электродтар - бұл өлшеуіш тізбекті биологиялық жүйемен қосатын арнай формадағы өткізгіш сымдар Электродтар мына мақсатта қолданылады: Диагностикада Емдеу саласында Электродтарға қойылатын талаптар: Мықтылық (төзімділік - прочность) Жылдамдық (тез арада алып тіркеу) Сигналдың бұзылауы (формасын өзгертпеуі, кедергі жасамауы, яғни параметрлердің тұрақтылығын қамтамасыз ету - искажения) Биологиялық ұлпаны тітіркендірмеуі Кедергіні азайтудың 2 жолы: Тер мен электрод арасына қойылған дәке (салфетка) физиологиялық ерітіндіге малынуы тиіс Арнайы электр өткізгіш пастаны қолдану Биологиялық жүйеден және электродтан тұратын контурдың эквиваленттік схемасы   -биопотенциал көзінің э.қ.к.  -ішкі ұлпаның кедергісі  -тері мен электрод арасындағы кедергі- биологиялық жүйенің кірісі Электрод 4 топқа бөлінеді Уақытша қолданылады (УЗИ каб.) Ұзақ уақыт бойынша үздіксіз (кома, реанимация) Қозғалыс жағдайында (спорттық және космостық медицинада) Қауырт және жәрдем жағдайында (жүрек тоқтағанда) Датчик - өлшенетін шаманы тіркеуге және тасмалдауға ыңғайлы сигналға айналдыратын құрал. Электр емес шамаларды электр әдісімен өлшеу негізінен 3 бөлімнен тұрады Датчиктің көмегімен электр емес шамалар электрлік шамаларға түрленеді Электр сигналын одан әрі күшейтеді Күшейтілген электр сигналы тіркегіш қондырғыға беріледі. Кіретін шама мен шығатын шама арасындағы сызықтық байланыс (2 сурет) Генераторлық датчиктер- кіретін шаманың әсерінен сигнал кернеуге немесе токқа айналады. Генераторлық датчиктерге жататын бірнеше типтер: Пьезоэлектрлі датчик (поляризация) Термоэлектрлі датчик (жылу) Индукциялық датчик (электромагниттік индукцияға (э.қ.к) негізделген) Фотоэлектрлік датчик (жарық әсері) Пьезоэлектрлік датчик. Пьезоэлектрлік датчиктің жұмыс істеу принципі кристалл диэлектриктерді деформациялау кезіндегі поляризация құбылысына негізделген. Осы датчиктердің кіріс шамасы- қысым, механикалық кернеу, ығысу болса шығыс шамасы -электрлік кернеу. Медицинада пьезодатчиктер кеңінен артериялық қысымды және артерия пульсін тіркеуге қолданылады. Индукциялық датчик. Индукциялық датчиктің жұмыс істеу принципі тұрақты магниттегі катушканың ЭҚК негізделген. Индукциялық датчиктің кіріс шамасы механикалық орын ауыстыру, сондықтан оларды (индукциялық датчиктерді) жылдамдық өлшейтін құралдарда пайдаланады. Мысалы, өкпенің вентиляциясын тіркеу аппаратында. Параметрлік датчиктер-кіретін шаманың әсерінен параметрлері өзгереді (кедергі, электросыйымдылық, индуктивтік т.б.) Параметрлік датчиктерге: Реостаттық (омдық кедергіге негізделген) Сыйымдылық (сыйымдылыққа негізделген) Индуктивті (индуктивтілік немес өзара индуктивтілікке негізделген) Тензодатчик. Тензодатчиктің жұмыс істеу принципі механикалық деформация нәтижесінде өткізгіштің активті кедергілерінің өзгеруі -тензоэффектіге негізделген. Медициналық техникада пневмограмманы тіркеуде, кеуде қуысының жасушаларының периметрлерінің, дем алу жиілігін анықтауда қолданылады.Тензодатчиктер жилет түрінде созылмалы болып келеді. Сезгіш элемент екі резиналы, графитпен толтырылған деформация кезінде кедергісі өзгеретін түтікше.   Датчиктің сезгіштігі деп аталады. Термисторды градуирлеу және дененің температурасын анықтау. Термометр құрылысында температураның өзгеруімен өзінің кедергілерін өзгертетін металдар мен жартылай өткізгіштердің қасиеті қолданылады. Металдарда температура жоғарылаған сайын кедергі көбейеді, ал жартылай өткізгіштерде азаяды. Мына формуланы өткізгіштің кедергісін есептеуге қолданылады  ,мұндағы - заттың табиғатына тәуелді кедергінің температуралық коэффициенті, 10С температурадағы кедергінің өзгеруіне сәйкес.Қазіргі уақытта температураның өзгеруіне қарай өзінің кедергісін металдарға қарағанда 20-30 есе артық өзгерте алатын термисторлар деп аталатын жартылай өткізгіштер жасалып шығарылды, әрі олардың кедергілері температура өсуіне қарай кемиді. Жартылай өткізгішті материалдардың кедергісі өте үлкен болуы себепті, термисторлар мөлшері өте кішкентай болады. Медицинада термисторлар электротермометрлер ретінде қолданылады. Өзінің өте аз жылулық инерциясына байланысты олар өте аз уақыт мезетінде температураны өлшеуге мүмкіндік береді, термисторлар кішкене моншақ түрінде жасалып, автоқалам сияқты корпустың ұшына бекітіледі де сол арқылы Уитстон көпіріне қосылады. (3сурет) Бұл сызбада температура көрсеткіші ретінде көпірдің бір тармағына қосылған термистор қолданылады. Басқа тармақтардың кедергілері белгілі бір бастапқы температурада көпір бейтарап болатындай таңдалып алынады. Термисторлар өте аз жылулық инерцияға ие болатындықтан зерттелетін ортамен немесе объектімен жанасқанда сол беттің температурасын тез қабылдап алады. Термистордың температурасының өзгеруі оның кедергісін өзгертеді де, соның әсерінен көпірдің бейтарап күйі бұзылып гальваномертдің тілі ауытқиды. Гальванометрдің шкаласы тікелей Цельсий бойынша бөлінген болуы мүмкін. Термисторды қолдану үшін оны бөліктеу керек. Бөліктеу термистор кедергісінің температураға тәуелділігін анықтау үшін жүргізіледі. Термисторды градуирлеу үшін Уитстон сызбасы құрастырылады. Сызбада (3-сурет) көпірдің бір тармағына Rт термистор, екіншісінде кедергілер магазині  , басқа екеуінде R1 және R2 тұрақты кедергілер болады. Көпір диагоналіне гальванометр қосылады. Өлшеу кезінде R1 және R2 кедергілерді ток гальванометр арқылы өтпейтіндей етіп таңдап алады. Өлшеуіш тізбектің мұндай күйі бейтарап немесе тепе-теңдікте деп аталады.Терможұпты градуирлеу және дененің температурасын анықтау. Екі ұшы дәнекерленген әр текті металдан тұратын құралда электр энергиясы дененің ішкі энергиясынан пайда болады, температураның айырымы терможұп немесе термоэлемент деп аталады. Терможұптар кең интервалда ( -270-тен +15000С-ке дейін) температураны өлшеу үшін қолданылады. Егер дәнекерлеу арқылы жартылай өткізгішті терможұпқа бөгде көзден кемтікті электронды (термотоктың бағытына қарсы болса) жартылай өткізгішке тұрақты ток жіберсек онда сәйкес жартылай өткізгіштерде токтан пайда болған кемтік пен электрондар байланысқан дәнекерлеуде кездесіп рекомбинацияланады. Бұл жағдайда потенциалдық энергия кинетикалық сияқты жылуға айналады да , дәнекерлеу қызады. Кері бағытта дәнекерлеуде токтан электрон кемтік жұбы энергия шығындалып пайда болады. Дәнекер суиды. Бұл құбылыс Пельтье эффектісі деп аталады. Терможұпты температураны өлшеуге қолдану үшін бөліктеуге тура келеді. Ол үшін тізбекте пайда болған терможұптағы (немесе гальванометрдің ауытқуына сәйкес) қыздырылған дәнекерлеудің температурасының айырмасы мен дәнекерлеудің тұрақты температурасының ЭҚК-і арасындағы тәуелділікті аламыз. Термоэлектрқозғаушы күшті өлшеу үшін гальванометр (милливольтметрлер) немесе потенциометр қолданылады.  2- суреттегі схеманы қарастырайық. Бұл сызбада А және В қыздырылған және тұрақты температураларға сәйкес дәнекерлері, Г-гальванометр, Rқос- гальванометрдің ауытқуын болдырмас үшін тізбекке ендірілген қосымша кедергі. Қыздырылған дәнекерді тұрақты қыздырылатын сұйықтығы бар ваннаға салса, басқасы – термостатталады. Ваннаның температурасы термометрмен өлшенеді.Бөліктеу гальванометрдің ауытқуы немесе қыздырылған дәнекердегі температураның термоэлектрқозғаушы күшінің шамасы арқылы жүзеге асырылады. Градуирлеудің қорытындысын график көрсетеді: горизонталь оське қыздырылған дәнекердің температурасы салынса, вертикаль оське гальванометрдің ауытқуы немесе термо ЭҚК-ң шамасы салынады. Е термо ЭҚК-і температураның онша үлкен емес өзгерулерінде t2-t1 температураларының айырмасына пропорционал өзгереді: Е=KT (t2-t1) Онда шектелген температура интервалында терможұптың ЭҚК-ң қыздырылған дәнекерлеудің температурасына тәуелділігі түзу сызық болады. Кең температура интервалында көптеген терможұптарда пропорционалдылықтан ауытқулар байқалады. Терможұпты бөліктеу қорытындысынан терможұптың ЭҚК-не сәйкес10С қыздырылған дәнекерлеудің температура өзгерісін, терможұптың заттың табиғатына тәуелді К сезгіштігін, есептеуге болады:  мұндағы гальванометрмен өлшенген I-ток күші, RT-терможұптың кедергісі,  -гальванометрдің орамдарының кедергісі,  -қосымша кедергі. Берілген шамалардың мәндері берілген, терможұптың К сезгіштігін анықтау үшін  шаманы анықтауымыз керек. Ол n- гальванометрдің ауытқуымен терможұптың қыздырылған дәнекерлеуінің t0 температурадағы тәуелділік графигінен табылады.Зертханалық жұмыстың орындалу тәртібі: Тапсырма .Термисторды бөліктеу Қ  ұрылғының схемасын жинақтау (3 сурет) мұндағы -кедергі магазині, R1, R2-тұрақты кедергілер,  - металдан жасалған жылукедергілер, Г-гальванометр, Н-қыздырғыш, К-кілт.2. Жылу кедергілерден және қыздырғыштан тұратын ыдыстағы судың бастапқы t0 температурасын белгілеу, көпірді бейтараптандыру. Жылукедергі R-дің мәнін жазу. Ол келесі формула бойынша анықталады. R t=  онда R1=R2 болғандықтан R t= R m3. Суды қайнағанға дейін қыздыра отырып, әрбір 20-25 с сайын термистордың кедергісін өлшеп отыру. 4. Алынған нәтижелерді 1 кестеге жазып толтыру.
5. Өткізгіштер кедергілерінің температураға тәуелділік графигін тұрғызу.  6. Кедергінің жылулық коэффициентін мына формуламен анықтау  (1 ) мұндағы Rt- t2 температурадағы кедергі, R0- t0 температурадағы бастапқы кедергі  .II. Тапсырма Терможұпты бөліктеу Терможұптың ұштарын суы бар ыдыстарға салып, екі ыдыстағы температураны өлшейміз Суы қайнағанға дейін әр бір 20-25с сайын гальванометрдің әр бір ауытқу бөлігін өлшеп, 2-ші кестеге жазамыз.
Терможұптың сезгіштігін мына формуламен анықтаймыз: (2)мұндағы С - гальванометрдің құн бөлігі  бөлік, R2 - гальванометрдің орамының кедергісі (140 Ом), Rқос – қосымша кедергі (0 Ом), Rt – терможұптың кедергісі (2 Ом). n=f (t0C) тәуелділік бойынша график тұрғыз, қорытынды жаса. Есептер: 1. Электрлік су қайнатқыш кернеуі 120В-ке ток күші 4,0А-ге негізделген. Су қайнатқыштың қыздыру элементін дайындау үшін нихром өткізгіштің ұзындығы мен қима ауданын табыңыз. Егер ток тығыздығы  , нихромның меншікті кедергісі  .2. Металл өткізгіштегі электрон қозғалысының орташа жылдамдығын анықтаңыз. Өткізгіш бойымен 12 А ток жүреді. Егер өткізгіште бірлік көлемде  бос электрон болса, өткізгіш қимасы S=0,25 см2. Электрон заряды  3. Диодта электрон анодқа 8 Мм/с жылдамдықпен ұшып келді. Анодтағы кернеу неге тең? 4. Иондалған камераның ішінде орналасқан жазық электродтардың ара қашықтығы  . Осы элетродтар арасында тығыздығы  тең қанығу тоғы ағып жатыр. 1 с ішінде 1см3 кеңістікте ионизатор әсерінен пайда болатын иондардың орташа саны неге тең? Иондар зарядының шамасы электрон зарядына тең.Әдебиеттер Ремизов А.Н. Медициналық және биологиялық физика: электрондық оқулық., М.: ГЕОТАР-МЕДИА, 2019 ж. , 309-312 беттер. Бақылау (сұрақтар, есеп, тест) Өткізгіштер, жартылай өткізгіштер олардың қасиеттері Аумақтық теория тұрғысынан өткізгіштердің, жартылай өткізгіштердің және диэлектриктердің арасындағы айырмашылық. 3. Потенциалдың контактылық айырмасы дегеніміз не? 4. Потенциалдың контактылық айырмасының пайда болу себептері Пельтье эффектісінің маңызы Қандай стоматологиялық датчиктер бар | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
