Материал: kompendium_po_fizike
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).
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%.
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
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
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