Материал: kompendium_po_fizike

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам
background image

166

Измеряемый

параметр

воздействует

на

характеристики

этого

потока

, 

модулирует

его

пропорционально

изменениям

самого

параметра

 (

фотоэлектрические

, 

УЗ

). 

Каждый

датчик

характеризуется

определенными

метрологическими

показателями

: 

а

) 

чувствительность

−

минимальное

изменение

снимаемого

параметра

, 

которое

можно

устойчиво

обнаружить

с

помощью

данного

преобразователя

; 

б

) 

динамический

диапазон

−

диапазон

входных

величин

, 

измерение

которых

производится

без

заметных

искажений

; 

в

) 

погрешность

−

максимальная

разность

между

получаемой

и

номинальной

величинами

; 

г

) 

время

реакции

−

минимальный

промежуток

времени

, 

в

течение

которого

происходит

установка

выходной

величины

на

уровень

, 

соответствующий

измененному

уровню

входной

величины

.  

5. 

Датчики

температуры

тела

Измеряют

температуру

ядра

или

сердцевины

тела

и

температуру

поверхности

кожи

человека

. 

Для

измерения

температуры

человеческого

тела

в

качестве

датчиков

используются

проволочные

и

полупроводниковые

терморезисторы

и

термоэлементы

. 

Термометры

сопротивления

(

терморезисторы

, 

термисторы

) – 

датчики

, 

в

основе

действия

которых

лежит

изменение

электрического

сопротивления

при

изменении

температуры

. 

При

этом

у

металлов

сопротивление

с

ростом

температуры

увеличивается

, 

а

у

полупроводников

уменьшается

. 

Большей

чувствительностью

, 

малой

температурной

инерционностью

, 

относительно

меньшими

размерами

обладают

полупроводниковые

термосопротивления

 – 

термисторы

. 

Конструктивно

термистор

представляет

собой

небольшой

(

порядка

долей

миллиметра

) 

полупроводниковый

шарик

, 

в

который

введены

два

электрода

из

тонкой

проволоки

, 

подключаемые

к

измерительному

прибору

. 

Весь

термистор

заключен

в

тонкий

пластмассовый

корпус

 (

рисунок

 73). 

background image

167

А

Б

Рисунок

 73. 

Схема

термисторного

датчика

 (

А

 – 

контактные

металлические

проводники

, 

Б

 – 

полупроводник

) 

Действие

термистора

основано

на

зависимости

электропроводности

полупроводника

от

температуры

: 

при

увеличении

температуры

полупроводника

его

сопротивление

уменьшается

  (

увеличивается

число

свободных

носителей

зарядов

). 

Входной

величиной

такого

датчика

является

изменение

температуры

Т

, 

а

выходной

 – 

изменение

сопротивления

датчика

R. 

Коэффициент

чувствительности

термистора

определяется

уравнением

:

Δ

T

Δ

R

K

. 

Термоэлементы

(

генераторные

датчики

) 

могут

изготавливаться

как

из

металлов

, 

так

и

из

полупроводников

. 

В

основе

действия

металлических

термоэлементов

лежит

различие

концентраций

электронов

в

металлах

. 

При

контакте

  (

сварке

, 

спайке

) 

двух

разнородных

металлов

между

ними

возникает

контактная

разность

потенциалов

 U. 

При

нагревании

места

соединения

металлов

разность

потенциалов

между

проводниками

будет

повышаться

. 

Величина

такой

термо

-

ЭДС

является

постоянной

для

данной

пары

металлов

и

конкретной

разности

температур

. 

Металлические

термоэлементы

 – 

термопары

 – 

обладают

невысокой

чувствительностью

и

обычно

используются

при

измерении

высоких

температур

(

до

 1500

С

). 

Применяют

медно

-

константановые

, 

никель

-

нихромовые

и

другие

термопары

. 

В

полупроводниковых

термоэлементах

используют

явления

увеличения

концентрации

основных

носителей

зарядов

в

нагретом

участке

и

их

перемещение

к

холодному

концу

, 

в

результате

чего

возникает

разность

потенциалов

между

нагретым

и

холодным

концами

полупроводника

.  

Термо

-

ЭДС

у

полупроводниковых

термоэлементов

примерно

в

 100 

раз

больше

, 

чем

у

металлических

термопар

(

около

 0,1

В

при

Т

=100K). 

КПД

также

выше

: 8% 

против

 0,1%. 

background image

168

Термисторы

широко

применяются

в

медицинской

практике

. 

Они

являются

основной

частью

электротермометра

. 

Основными

его

достоинствами

является

малая

тепловая

инерция

и

высокая

чувствительность

при

малом

объеме

рабочего

тела

. 

Это

позволяет

производить

измерения

быстро

и

в

любых

местах

поверхности

тела

, 

а

также

в

глубине

тканей

. 

В

этом

случае

термистор

помещают

в

инъекционную

иглу

, 

которая

вкалывается

в

глубину

ткани

. 

Электротермометры

используются

также

для

непрерывного

измерения

температуры

тела

при

хирургических

операциях

, 

проводимых

в

условиях

гипотермии

. 

Рисунок

 74. 

Температурные

датчики

Характеристики

термисторных

датчиков

: 

а

) 

линейность

зависимости

 R 

от

Т

; 

б

) 

время

реакции

; 

в

) 

стабильность

параметров

. 

Рассмотрим

несколько

конкретных

конструкций

температурных

датчиков

. 

Корпус

датчика

для

измерения

температуры

поверхности

тела

может

быть

похож

на

шариковую

авторучку

, 

но

вместо

background image

169

шарика

на

рабочем

конце

имеется

термистор

, 

выводы

которого

идут

внутри

полого

корпуса

 (

простой

и

надежный

). 

Термистор

датчика

может

крепиться

в

латунном

корпусе

. 

Датчик

для

измерения

ректальной

температуры

изготавливается

в

виде

пластмассового

катетера

, 

на

конце

которого

под

металлическим

колпачком

расположен

чувствительный

элемент

(

проволочный

терморезистор

, 

термистор

или

термоэлемент

). 

6. 

Датчики

параметров

системы

дыхания

При

обследовании

системы

дыхания

врача

интересуют

как

количественные

характеристики

−

частота

дыхания

, 

объем

вдыхаемого

и

выдыхаемого

воздуха

, 

−

так

и

качественные

характеристики

: 

содержание

газов

в

выдыхаемом

воздухе

, 

насыщение

крови

кислородом

.  

Рассмотрим

резистивный

датчик

частоты

дыхания

. 

Состоит

из

резиновой

эластичной

трубки

, 

наполненной

угольным

порошком

, 

в

торцах

трубки

вставлены

электроды

. 

К

концам

трубки

крепится

опоясывающий

грудную

клетку

ремень

. 

При

вдохе

резиновая

трубка

растягивается

, 

контакт

между

частичками

угля

ухудшается

, 

сопротивление

цепи

меняется

, 

и

ток

изменяется

, 

по

изменению

тока

судят

о

частоте

дыхания

. 

В

другом

резистивном

датчике

используется

токопроводящая

резина

. 

Растяжение

резины

при

вдохе

приводит

к

увеличению

сопротивления

, 

которое

преобразуется

в

импульсы

тока

. 

Пневматический

датчик

частоты

дыхания

представляет

собой

гофрированную

трубку

из

резины

, 

герметично

закрытую

с

торцов

. 

При

растяжении

объем

трубки

увеличивается

, 

и

давление

воздуха

внутри

падает

. 

Изменение

давления

внутри

фиксирует

датчик

. 

Описанные

выше

пневматические

датчики

изображены

Рисунок

 75. 

Датчики

частоты

дыхания

background image

170

на

рисунке

 75. 

Объем

вдыхаемого

и

выдыхаемого

воздуха

позволяет

определять

турбинный

датчик

  (

рисунок

 76). 

Он

представляет

собой

полый

цилиндр

, 

изготовленный

из

оргстекла

с

фланцами

для

крепления

к

дыхательной

маске

и

к

трубке

подачи

газовой

смеси

.  

Газовому

потоку

с

помощью

направляющих

придается

вращательное

движение

. 

На

пути

газового

потока

расположена

на

оси

плоская

пластинка

. 

К

торцам

пластинки

крепятся

отражательные

плоскости

. 

Движение

газовой

струи

вызывает

вращение

пластики

со

скоростью

, 

пропорциональной

скорости

движения

этой

струи

. 

Число

оборотов

фиксируется

фотодатчиком

. 

На

выходе

преобразователя

мы

будем

иметь

последовательность

электрических

импульсов

, 

частота

следования

которых

будет

пропорциональна

количеству

прошедшей

через

датчик

газовой

смеси

. 

Контроль

эффективности

дыхания

можно

осуществлять

путем

фотометрического

измерения

процентного

содержания

оксигемоглобина

в

периферической

артериальной

крови

. 

Метод

измерения

основан

на

отличии

спектральных

характеристик

поглощения

света

восстановительным

гемоглобином

−

Нв

и

оксигемоглобином

НвО

2

. 

Для

 = 620-680 

нм

коэффициент

поглощения

для

Нв

в

несколько

раз

выше

, 

чем

НвО

2

, 

что

может

быть

использовано

. 

Датчик

для

такого

измерения

выполнен

в

виде

клипсы

и

надевается

на

мочку

уха

таким

образом

, 

чтобы

с

одной

стороны

ее

располагался

осветитель

−

лампочка

со

светофильтром

для

Рисунок

 77. 

Датчик

концентрации

оксигемоглобина

в

крови

Рисунок

 76.  

Датчик

объёма

воздуха

Источник: https://files.student-it.ru/previewfile/6211