ДАТЧИКИ. Исследование работы датчиков приборы и принадлежности

• Название: Исследование работы датчиков приборы и принадлежности
• Анкор: lfnxbrb
• Дата: 04.05.2022
• Размер: 1.1 Mb.
• Имя файла: ДАТЧИКИ.doc
• Тип: Исследование; #512094

Лабораторная работа

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ДАТЧИКОВ

Приборы и принадлежности:

четыре транзистора, металлическая балка, набор грузов для нагружения балки, микроамперметр, потенциометр, источник питания, термопара, милливольтметр.

Цель работы:

1.Изучение тензорезистивного проволочного датчика и получение его характеристик.

2. 
   Изучение датчика температуры - термопары.
   

ТЕОРИЯ
1. УСТРОЙСТВО И КЛАССИФИКАЦИЯ ДАТЧИКОВ
Датчик - устройство, преобразующее внешнее воздействие в электрический сигнал. В медицине и биологии датчики используются в качестве устройств съема информации о медико-биологической системе, если исследуемый параметр имеет неэлектрическую природу. Простейшая схема датчика дана на рис.1



Исследуемый параметр медико-биологической системы X воздействует на преобразователь 1, превращающий Х в электрический сигнал Y.(Рис.1а) Величину X называют естественной входной величиной, величину Y - выходной величиной. При использовании нескольких преобразователей применяют каскадное включение (Рис.1б): входная величина X поочередно превращается в величины X₁, X₂, X₃, ..., Y.

Преобразующие свойства датчиков определяются их характеристикой, чувствительностью, порогом чувствительности, пределом преобразования, номинальной погрешностью.



Характеристикой датчика называют функциональную зависимость выходной величины y от входной величиныx, то есть выражение . Обычно стремятся использовать линейную зависимость между выходным сигналом и выходной величиной. Если это не удается, то используют другие виды зависимости - квадратичную, логарифмическую, экспоненциальную и т.д. На рис.2 дана линейная характеристика датчика. x -изменение входной величины, y - изменение выходной величины.

Чувствительностью датчика называют отношение Чувствительность показывает, какое изменение выходной величины соответствует изменению входной величины

Порогом чувствительности датчика называют минимальное значение изменения входной величины (x_min), которое может зарегистрировать данный датчик.

Предел преобразования датчика - это максимальное значение входной величины (x_max), которое датчик может преобразовать без искажений.

Информация о входной величине может быть искажена вследствие погрешностей, возникающих при работе датчика. Из-за погрешностей характеристика датчика из линии размывается в полосу определенной ширины.

Среднюю линию полосы называют номинальной характеристикой. Величину b/2, равную половине ширины полосы, называют номинальной погрешностью датчика. Номинальную характеристику и номинальную погрешность указывают в паспорте датчика.

Погрешности датчиков обусловлены следующими причинами:

• 
  непостоянством функции преобразователя во времени из-за старения и коррозии материалов, из-за износа подвижных частей датчика;
  
• 
  несовершенством технологии изготовления датчиков ( не строго выдержанные геометрические размеры, разброс параметров исходных материалов, неточность настройки и регулировки и т.п.);
  
• 
  инерционными свойствами датчика (изменения выходных величин запаздывают по отношению к соответствующим изменениям входной величины);
  
• 
  обратным воздействием датчика на медико-биологическую систему, что приводит к искажению информации об исследуемом параметре x.
  

В зависимости от носителя информации о входной величине, датчики подразделяются на электромеханические, электростатические, электромагнитные, электронные, термоэлектрические и т.д.
Различают два типа датчиков: генераторные и параметрические.
Генераторными называют датчики, в которых под воздействием входной величины генерируется разность потенциалов, ЭДС, ток.

К параметрическим относятся датчики, в которых под воздействием входной величины изменяется какой-либо параметр (сопротивление, индуктивность, емкость и т.д.).
Генераторные датчики.

В качестве генераторных датчиков рассмотрим термопару, пьезоэлектрический датчик и индукционный датчик.


Термопары относятся к термоэлектрическим преобразователям.



Термопара представляет замкнутую цепь из двух разнородных металлических проводников (Рис.3).

Контакты металлов A и К (спаи) поддерживают при разных температурах. Один спай называют контрольным (К). Его температура Т_К поддерживается постоянной при помощи термостата. Второй спай (А) - рабочий. Он помещается в среду, температуру которой Т_А надо измерить. В цепь термопары включается измерительный прибор. Если температура рабочего спая Т_А отличается от температуры контрольного спая Т_К, то в цепи термопары возникает термоэлектродвижущая сила (ТЭДС), величина которой прямо пропорциональна разности температур рабочего и контрольного спаев и определяется соотношением

ТЭДС = (Т_А - Т_К),

где  - удельная ТЭДС, показывающая, какая ТЭДС возникает в данной цепи при разности температур контактов в один градус.

Измеряя ТЭДС, можно определить разность температур, а, следовательно, и температуру рабочего контакта. Таким образом, термопара является датчиком температуры. Входной величиной такого датчика является разность температур, выходной - возникающая в термопаре электродвижущая сила.
Пьезоэлектрические датчики. Их работа основана на явлении прямого пьезоэффекта, который заключается в том, что на противоположных концах кристаллической пластинки возникают заряды различных знаков, если пластинку деформировать. Механическое напряжение преобразуется в разность потенциалов между ее концами. Пьезодатчик используют для измерения различных физических величин: механических напряжений, переменных сил, скоростей, ускорений, давления и т.д.

Индукционные датчики. Принцип их действия основан на явлении электромагнитной индукции. Примером такого датчика может быть система из постоянного магнита (или электромагнита) и подвижного замкнутого проводящего контура (подвижной катушки). При поступательном или вращательном движении катушки в магнитном поле в ней наводится ЭДС индукции, возникает индукционный ток, величина которого зависит от скорости движения катушки. Входной величиной такого датчика является скорость или ускорение поступательного или вращательного движения рамки, выходной - возникающая в рамке ЭДС индукции
Параметрические датчики.

Примерами могут служить емкостные, индуктивные, резистивные датчики.

Емкостной датчик. В качестве примера может быть использован, например, плоский конденсатор. Емкость C плоского конденсатора определяется соотношением где S - площадь обкладки конденсатора,d- расстояние между обкладками, - диэлектрическая проницаемость вещества между обкладками. Если сместить относительно друг друга обкладки заряженного конденсатора, то изменится его электроемкость и соответственно изменится разность потенциалов между его обкладками. С помощью таких датчиков можно измерять механические перемещения, толщину и однородность диэлектрика и т.п.



Индуктивный датчик в простейшем варианте представлен на рис.4 . Катушка 1 намотана на замкнутый сердечник 2. Якорь 3 может перемещаться относительно сердечника и замыкать последний. При перемещении якоря изменяется индуктивность катушки. А это приводит к изменению индуктивного сопротивления цепи и, в конечном итоге, к изменению тока в цепи катушки. Входной величиной такого датчика является механическое перемещение якоря, выходной - ток в цепи катушки.

Разновидностью индуктивных датчиков являются магнитоупругие датчики. Их работа основана на изменении магнитной проницаемости сердечника катушки, если сердечник деформировать - сжать, растянуть и т.п. Изменение магнитной проницаемости сердечника приводит к изменению индуктивности катушки. Входной величиной такого датчика является механическая деформация, механическое напряжение, выходной - сила тока в цепи катушки.
Резистивные датчики. В качестве таковых рассмотрим тензорезисторы (тензосопротивления). Тензорезисторы иначе называют тензодатчиками.

Принцип действия тензодатчиков основан на тензоэффекте. Тензоэффект проявляется в том, что активное сопротивление проводника зависит от механической деформации: от сжатия, растяжения, изгиба, кручения.

Различают тензодатчики с линейным и объемным тензоэффектом.

Датчики с линейным тензоэффектом изготовляют из тонкой проволоки (см. практическую часть). Сопротивление проволоки рассчитывают по формуле где  - удельное сопротивление проволоки, l- ее длина, S- площадь поперечного сечения. При деформации датчика одновременно изменяются длинаl и поперечное сечение S, что приводит к изменению сопротивления и силы тока в цепи датчика. Датчики с линейным тензоэффектом используют для измерения механических перемещений, деформаций, механических напряжений и давления.

Датчики с объемным тензоэффектом представляют собой столбики из вещества, сопротивление которого сильно изменяется в зависимости от давления окружающей среды. Применяют такие датчики в качестве манометров для измерения высоких и сверхвысоких давлений.


В завершение этого раздела необходимо несколько слов сказать об электронных датчиках, которые в настоящее время получили широкое распространение. В них преобразование неэлектрической величины в электрическую основано на электронных процессах. К электронным датчикам относятся вакуумные фотоэлементы, в основе работы которых лежит внешний фотоэффект и полупроводниковые фотоэлементы, работающие на внутреннем фотоэффекте. Фотоэлектронные датчики используют для измерения светового потока, силы света, освещенности, для исследования прозрачности и мутности растворов в колориметрах и нефелометрах. С помощью фотоэлементов можно вести счет предметов, измерять механические перемещения, скорости, ускорения и т.д.


2.ДАТЧИКИ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
Датчики медико-биологической информации преобразуют биофизические и биохимические величины в электрические сигналы, «переводят» информацию с «физиологического языка» организма на язык, понятный электронным устройствам.

Датчики медико-биологической информации подразделяются на две группы: биоуправляемые и энергетические.

Биоуправляемые датчики реагируют непосредственно на медико-биологическую информацию, поступающую от объекта исследования. Они могут быть как генераторными (активными), так и параметрическими (пассивными).

Энергетические датчики создают в исследуемом объекте энергетический поток со строго определенными, постоянными во времени параметрами. Исследуемая величина воздействует на этот поток, модулирует его изменения, пропорциональные изменениям самой величины. К датчикам такого типа относятся фотоэлектрические и ультразвуковые.

Медико-биологические датчики подразделяются на датчики температуры, датчики системы дыхания, датчики сердечно-сосудистой системы, датчики опорно-двигательной системы и т.д.

Датчики температуры. В качестве таких датчиков используются металлические и полупроводниковые термопары, а также металлические и полупроводниковые терморезисторы.

Датчики системы дыхания используют для определения частоты дыхания, объема вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, эффективности дыхания. С этой целью используют терморезисторные и тензорезисторные датчики. (Терморезисторный датчик иначе называют термистором.)

Например, датчик контроля частоты дыхания представляет собой термистор, вмонтированный в специальную клипсу. Клипса прикрепляется на крыло носа и обдувается потоком воздуха. При этом сопротивление термистора изменяется с частотой дыхания вследствие изменения температуры вдыхаемого и выдыхаемого воздуха. На выходе датчика снимается последовательность импульсов тока с частотой, соответствующей частоте дыхания.

Контроль эффективности дыхания можно осуществить путем фотометрического измерения процентного содержания гемоглобина в периферической артериальной крови. Содержание гемоглобина определяется оксигемометром - фотоэлектрическим датчиком, который в виде клипсы надевается на мочку уха. Чувствительным элементом такого датчика является фотосопротивление, располагаемое по одну сторону мочки и освещаемое лампочкой осветителя, находящегося по другую сторону мочки. Плотность светового потока через мочку зависит от количества гемоглобина в крови.

Датчики сердечно-сосудистой системы позволяют определять пульс, систолическое и диастолическое давление, тоны и шумы сердца, циркуляцию крови, импеданс тканей и органов и т.д.

Для записи пульса используют пьезоэлектрические датчики. Основной частью такого датчика является кристаллическая пластинка из сегнетоэлектрика, укрепленная одним концом в держателе. Держатель находится на манжете, надеваемой на запястье. Свободный конец пластинки посредством пуговки соприкасается со стенкой лучевой артерии. Колебания стенки артерии передаются кристаллической пластинке, вызывают в ней деформацию изгиба, что приводит к возникновению на противоположных поверхностях пластинки переменной разности потенциалов, повторяющей по форме колебания стенки артерии. Эта разность потенциалов подается на усилитель, а затем на регистрирующее устройство. Кривая, записанная при этом, называется сфигмограммой.

При исследовании тонов и шумов сердца и записи фонокардиограмм применяются пьезоэлектродинамические микрофоны, реагирующие на акустические сигналы.

Для измерения артериального давления используются индуктивные и емкостные датчики.

Для измерения давления крови непосредственно внутри сосуда используются тензорезистивные датчики. Широкому применению тензорезисторов в медицине способствуют их очень малые размеры и масса, благодаря чему возможно создание миниатюрных датчиков. Которые располагают на конце тонкого гибкого катетера, с помощью которого датчики вводятся в сосуды, а по сосудам - в полости сердца.

Различают проволочные, фольговые и полупроводниковые тензорезисторы. Проволочный тензодатчик для измерения внутрисосудистого давления представляет собой тонкую кремнийорганическую диафрагму, закрепленную в металлическом кольце на конце катетера. На поверхности диафрагмы расположены тензосопротивления, соединенные по мостиковой схеме, подводящие провода которой проходят внутри катетера. В цепь датчика включен измерительный прибор, проградуированный в единицах давления, и источник постоянного тока. Кровь давит на диафрагму, деформирует тензорезисторы. Что приводит к соответствующим изменениям сопротивления цепи и силы тока в ней.

Изучение кровотока осуществляется с помощью электромагнитных и ультразвуковых датчиков. Электромагнитные датчики измерения скорости кровотока основаны на эффекте Холла. Ультразвуковые датчики скорости кровотока работают на эффекте Доплера. Конструктивно такой датчик состоит из двух пьезоэлектрических пластинок. Одна из пластин служит приемником, а другая - источником ультразвуковой волны.

Ультразвуковая волна с частотой ₀ , испущенная источником, отражается движущимся объектом (эритроцитом) в сторону приемника. Приемник воспринимает волну с частотой . Расчеты показывают, что разность частот ₀, называемая доплеровским сдвигом частоты, определяет соотношением

где v- скорость движущегося объекта (скорость кровотока),

U - скорость ультразвуковой волны. Так как скорость распространения ультразвука в крови значительно больше скорости движущегося объектов (U»v), то последнюю формулу можно записать в виде откуда для скорости кровотока получаем выражение Доплеровские датчики используют также для определения скорости движения клапанов и стенок сердца (доплеровская эхокардиография).

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Изучение тензорезистора.
Проволочный тензорезистор (Рис 5.) изготавливается из тонкой константановой проволоки (1) диаметром 20-30 мкм, сложенной в виде плоской спирали и наклеенной на тонкую пленочную основу (2).



Сверху спираль закрыта такой же пленкой. С помощью электродов (3) датчик включается в электрическую цепь, содержащую источник питания и измерительный прибор. Деформация основы датчика ведет к изменению длины и поперечного сечения проволоки, что вызывает соответствующие изменения сопротивления тензорезистора и силы тока в цепи. Установка для изучения тензодатчика представлена на Рис.6.

Металлическая балка Б, закрепленная с одного конца, нагружена грузом Р. Тензорезисторы R₁, R₂, R₃ и R₄ наклеены в месте наибольшего изгиба балки вблизи ее заделки в опору. Датчики R₁ и R₂ , расположенные на верхней плоскости балки, работают в режиме растяжения. Датчики R₃ и R₄, наклеенные снизу балки, испытывают деформацию растяжения. Тензосопротивления соединены по схеме моста Уитстона (Рис.7). Мост считают сбалансированным, если ток через микроамперметр не протекает, то есть потенциалы в точках В и Д равны. Это условие выполняется, если имеет место соотношение

R₁  R₂ = R₃  R₄

При нагружении балки это равенство переходит в неравенство

R₁  R₂  R₃  R₄ ,
которое выражено тем сильнее, чем больше нагрузка на балку.


Таким образом, чем сильнее нагружена балка, тем больше ток через микроамперметр.


Входной величиной такой системы ( преобразователя механической деформации в изменение электрического тока) является груз Р, изгибающий балку, выходной величиной является ток через микроамперметр. Схема преобразования входной величины в выходную может быть представлена следующим образом: PlR, где P- изменение нагрузки на балку, l- изменение длины датчиков вследствие деформации, R - изменение сопротивления датчиков, - изменение тока через микроамперметр.
Порядок выполнения работы

1. 
   Собрать электрическую цепь по схеме рис. 7
   
2. 
   При ненагруженной балке с помощью потенциометра Д сбалансировать мостиковую схему ( добиться отсутствия тока в микроамперметре).
   
3. 
   Постепенно нагружать балку гирями 1, 2, 3, 4, 5 кг и через каждый килограмм нагрузки снимать показания микроамперметра. Данные занести в таблицу.
   

№	Р (кГ )	n- число делений микроамперметра
		при нагружении	при разгружении	среднее
1
2
3
4
5

4. 
   Последовательно снимать гири по килограмму, записывая показания микроамперметра при разгружении балки.
   
5. 
   Вычислить средние значения показаний микроамперметра при данной нагрузке. По полученным данным построить характеристику датчика n=f(P), где n - число делений микроамперметра при данной нагрузке P.
   
6. 
   Определить цену деления прибора
   

k= P/n (кГ/дел)

2. 
   Изучение датчиков температуры
   

В данной работе в качестве датчика температуры используется термопара, изготовленная из меди и константана. Термопара проградуирована. Градуировочный график прилагается. Определение температурной зависимости сопротивления полупроводника проводится для термистора - одного из самых простых полупроводниковых приборов.

В полупроводниках электрическое сопротивление в значительной степени зависит от температуры. Зависимость сопротивления полупроводника от температуры в определенных температурных интервалах может быть описана выражением R=R₀·exp( -W/2kT), где Т - абсолютная температура, k - постоянная Больцмана, W - энергия активации полупроводника ( термистора), exp - то же самое, что e - основание натурального логарифма. Таким образом, сопротивление полупроводника уменьшается по экспоненциальному закону. Зависимость сопротивления полупроводника (термистора) от температуры используется для измерения температуры по силе тока в цепи с полупроводником.

Существуют термисторы для измерения как очень высоких ( Т  1300⁰К), так и очень низких ( Т  4-80⁰К) температур.

В медицине широко применяются электротермометры, датчиком температуры в которых является термистор. К достоинствам электротермометров следует отнести их малую инерционность, высокую чувствительность, возможность изготовления малогабаритных датчиков, возможность измерения температур на расстоянии. К недостаткам относятся нелинейная шкала и старение. Термопары обладают меньшей чувствительностью, однако лишены указанных недостатков.

Для определения температурной зависимости сопротивления термистора последний вместе с активным термоспаем А термопары фиксируют в дюралевом бруске. Для чего в бруске проделывается отверстие, заполняемое непроводящей жидкостью (масло, глицерин и т.д.). Термо-эдс термопары измеряют милливольтметром. Сопротивление исследуемого термистора определяют мультиметром. Контрольный термоспай К термопары опускают в сосуд Дьюара.

Порядок выполнения работы.

1. 
   Термопару подключить к клеммам милливольтметра.
   
2. 
   Включить милливольтметр в сеть.
   
3. 
   С помощью переключателя, расположенного на правой боковой панели, установить нуль милливольтметра в режиме «арретир».
   
4. 
   Перевести переключатель пределов измерений в положение «5 mV». Рассчитать цену деления милливольтметра.
   
5. 
   Опустить контрольный и рабочий спаи термопары в стакан с водой и установить нуль шкалы милливольтметра.
   
6. 
   Записать в тетрадь температуру контрольного спая t⁰_k.
   
7. 
   Измерить температуру ладони в нескольких точках. Для этого приложить активный термоспай к ладони и определить соответствующую ТЭДС по милливольтметру. Используя градуировочный график и соотношение t⁰_л=t⁰_k+t⁰, определить температуру ладони.
   
8. 
   Аналогично измерить температуру шеи, мочки уха, щеки, подбородка и т.д.
   
9. 
   Выключить милливольтметр. Установить милливольтметр в положение «Арретир».
   

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. 
   Какие устройства называются датчиками. Роль датчиков в медико-биологических измерениях.
   
2. 
   Что называют характеристикой датчика, чувствительностью, порогом чувствительности, номинальной погрешностью датчика?
   
3. 
   Дать понятие о генераторных и параметрических датчиках. Примести примеры тех и других датчиков.
   
4. 
   Дать понятие о биоуправляемых и энергетических датчиках. Привести примеры.
   
5. 
   Объяснить устройство и принцип действия тензодатчиков, их применение в медицине.
   
6. 
   Объяснить устройство и принцип действия датчиков температуру ( термопары и термистора) .