Измерение температуры терморезистором

Мотивационная характеристика темы: Современные физиологические и диагностические исследования, разработка новых приборов и препаратов требуют измерения многочисленных физических величин. При этом большинство величин, подлежащих измерению, являются неэлектрическими, т.е. механическими, тепловыми, акустическими, оптическими и т.п. В частности такие характеристики деятельности организма, как давление крови, температура, тоны сердца не сопровождаются генерацией биоэлектрических сигналов и поэтому не могут быть сняты с помощью электродов.

В настоящее время широко применяются электрические методы измерения неэлектрических величин. Их основные преимущества: исключительно высокая чувствительность и малая инерционность электрической аппаратуры; возможность проведения измерений на расстоянии; удобство регистрации и обработки данных измерения на ЭВМ.

Цель лабораторной работы: ознакомиться с теоретическими основами преобразователей внешних воздействий в электрический сигнал - датчиками и изучить принцип их работы на моделях генераторного и параметрического датчиков.

К работе необходимо:

Знать	Уметь
1.Основные законы цепи постоянного тока. 2.Термоэлектрические явления. 3.Основные принципы устройства медико-биологических систем измерения, передачи и регистрации информации.	1.Определять тип датчика и его основные параметры. 2.Работать с терморезистивным измерителем температуры. 3.Строить градуировочные графики генераторных и параметрических датчиков медико-биологической информации.

Литература:

1. А.Н.Ремизов. Медицинская и биологическая физика. М.,1999-87, Гл.21.

2. И.А.Эссаулова и др. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике. М., 1987, Лб.26, 27, 28.

Контрольные вопросы для определения

исходного уровня знаний

1. Дайте определение электрода и датчика.

2. Что является носителями электрического заряда в металлах, полупроводниках и диэлектриках.

3. В чем различие параметрических и генераторных датчиков, привести примеры.

4. Сформулируйте задания данной лабораторной работы.

5. Назовите основные параметры датчиков.

6. Как измерить сопротивление методом Уитстона.

Информационный блок

Структурная схема электрического измерения неэлектрических величин состоит из трех частей: 1) первичного преобразователя неэлектрической величины в электрическую –-датчика; 2) усилителя электрических сигналов; 3) регистрирующего устройства. Все эти узлы могут размещаться отдельно друг от друга и соединяться лишь кабелем или другой линией связи. Датчиком называется устройство, преобразующее измеряемую или контролируемую величину в сигнал, удобный для передачи и регистрации.

Преобразуемая величина x называется входной, а измеряемый сигнал a – выходной величиной. Функциональная зависимость выходной величины a от входной x описывается аналитическим выражением или графиком и называется характеристикой датчика. Обычно стремятся иметь датчик с линейной характеристикой

a = k x.

Рис. 1

Величина D a /D x является чувствительностью датчика (рис.1). Максимальное значение входной величины, которое может быть воспринято датчиком без искажения и без повреждения датчика, называется пределом датчика. Минимальное изменение входной величины, которое можно обнаружить датчиком, называется порогом чувствительности.

Датчики делят на два класса: генераторные и параметрические. Генераторными называют такие, которые под воздействием входного сигнала генерируют напряжение или ток (например, индукционные датчики, пьезоэлектрические, фотоэлектрические и т.п.). Параметрическими называют датчики, в которых под воздействием входного сигнала изменяется какой - либо параметр (например, тензометрические датчики, емкостные, индуктивные, реостатные и т.п.).

Рассмотрим некоторые типы датчиков:

1. Реостатный датчик. В качестве реостатного датчика используется реостат, движок которого перемещается в зависимости от значения измеряемой величины. Таким образом, входной величиной реостатного датчика является перемещение движка, а выходной -активное сопротивление.

2. Тензодатчик. В основе работы тензодатчика лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении активного сопротивления проводников при их механической деформации. Характеристикой тензоматериала является коэффициент относительной тензочувствительности.

K _от = e _R /e_l (1)

где e _l = D l / l – относительное удлинение проводника;

e _l = D R / R₀ относительное изменение сопротивления проводника.

По закону Гука,

e_l = s/E,

где Е – модуль Юнга для данного материала; s = Р / S – механическое напряжение в образце; Р – нагрузка; S – площадь поперечного сечения образца.

Подставляя выражение для e _l в (1), получаем:

k _от = e _R E/ s = D RSE/( R_oP) (2)

Основным требованием к материалу тензодатчика является возможно большее значение коэффициента относительной тензочувствительности.

Рис. 2

Наиболее широкое распространение в настоящее время находят проволочные тензодатчики (рис.2). На полоску бумаги или лаковую пленку наклеивается зигзагообразно тонкая проволока. К ее концам выводные проводники. Сверху датчики покрываются тонким слоем лака, а иногда закрываются бумагой или фетром. Такой датчик, будучи наклеенным на испытываемую деталь, воспринимает деформацию ее поверхностного слоя. Таким образом, входной величиной наклеиваемого датчика является деформация поверхностного слоя детали, а выходной – изменение сопротивления датчика.

В медицинской технике при регистрации пневмограммы, характеризующей изменение периметра грудной клетки, частоту дыхания, используются тензодатчики, располагаемые на грудной клетке пациента. Датчик выполнен в виде жилета, изготовленного из эластичной ткани. Чувствительный элемент образован двумя резиновыми трубками с угольно-графитным наполнением, сопротивление которых изменяется при деформации.

3. Емкостный датчик. Примером такого датчика может служить конденсатор переменной емкости. Емкость плоского конденсатора вычисляется по формуле

С = e ₀ e S/ d,

где e – относительная диэлектрическая проницаемость среды; e ₀ – электрическая постоянная; S – площадь обкладок; d – расстояние между обкладками.

У этих датчиков измеряемая величина может быть функцией d, S, e. В последнем случае датчик применяется для анализа состава вещества. В большинстве же случаев использования емкостных датчиков их входной величиной является перемещение обкладок относительно друг друга.

В медицинской технике применяется емкостной измеритель легочной вентиляции. Его чувствительный элемент образован тремя лепестками из тонкой синтетической пленки, на наружную поверхность которой нанесен слой алюминия толщиной около 10 мкм. Под действием воздуха подвижный лепесток в зависимости от вдоха или выдоха приближается к тому или иному неподвижному лепестку, что приводит к изменению емкости системы.

4. Индуктивный датчик. На рисунке 3 а изображен наиболее распространенный датчик с малым воздушным зазором d, изменяющимся под действием силы F. В результате изменяется индуктивность катушки и полное сопротивление Z цепи. Таким образом возникает функциональная зависимость между F и Z:

Z = f (F).

Рис.3

На рисунке 3 б показан датчик, представляющий собой катушку 1, внутри которой перемещается стальной сердечник 2. Индуктивность L катушки, а следовательно, и ее полное сопротивление Z являются функциями перемещения сердечника:

Рис. 4

Z = f (l).

5. Пьезоэлектрический датчик. Принцип его действия основан на пьезоэлектрическом эффекте – явлении поляризации кристаллических диэлектриков при деформации.

Входной величиной в этих датчиках может быть давление, механическое напряжение, перемещение, а выходной – электрическое напряжение.

В медицине пьезодатчики нашли широкое применение в приборах для автоматического измерения артериального давления, для записи пульса лучевой артерии и т.д.

6. Индукционный датчик. Принцип его работы заключается в наведении э.д.с. индукции при относительном перемещении катушки и постоянного магнита.

У индукционных датчиков входной величиной является скорость механического перемещения, и поэтому они используется только в приборах, предназначенных для измерения скоростей, например крыльчатый датчик (рис. 4), применяемый в аппарате для импульсной регистрации легочной вентиляции. Определение легочной вентиляции производится путем регистрации объема выдыхаемого и вдыхаемого воздуха.

Датчик представляет собой двухканальный расходомер воздуха с малоинерционной крыльчаткой. Каналы входа и выхода воздуха выполнены раздельно с целью обеспечения надежного разделения сигналов входа и выхода. Крыльчатки датчиков установлены в проходящих потоках выдыхаемого и вдыхаемого воздуха. Каждая крыльчатка изготовляется из магнитного материала и намагничена. При вращении крыльчатки периодически меняется магнитный поток, пронизывающий катушку, в результате в ней возникает э.д.с. индукции Е, зависящая от скорости вращения. Скорость вращения крыльчатки датчика пропорциональна расходу V воздуха. Таким образом,

Е = f (V)

В настоящей лабораторной работе изучается параметрический датчик часто использующийся в медицине для измерения температур.

Дата добавления: 2015-07-12