АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Электромеханические преобразователи, используемые в медицине и биологии

Прочитайте:
  1. II. Используемые сокращения
  2. Адаптогены, извлеченные из большого числа трав, используемые по определенному назначению.
  3. АНЕСТЕТИКИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ МЕСТНОЙ АНЕСТЕЗИИ
  4. Анксиолитики (транквилизаторы). Применение их в психиатрии и соматической медицине.
  5. Аномалии костей черепа, их значение в анатомии и практической медицине.
  6. АНТИАНЕМИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ГИПОХРОМНЫХ АНЕМИЯХ
  7. Антидепрессанты. Классификация и механизм действия. Тактика назначения антидепрессантов. Показания к применению в психиатрии и соматической медицине.
  8. БИОЛОГИИ
  9. В СЕМЕЙНОЙ МЕДИЦИНЕ»
  10. Ведущие IT компании в современной медицине


Измерение неэлектрических величин, в том числе и механических, производится путём преобразования этих величин в электрические величины (ток, напряжение, сопротивление и т.д.) с последующим измерением электрических величин электроизмерительными приборами.

Учитывая важность для медико-биологических экспериментов поступающей на вход электромеханического преобразователя механической величины, выходную характеристику этих преобразователей называют характеристикой преобразования. По крутизне этой характеристики определяется чувствительность преобразователя и измерительной схемы к измеряемой величине.

Минимальный входной сигнал, на который реагирует преобразователь, называется зоной нечувствительности преобразователя (порог чувствительности).

К современным электромеханическим преобразователям предъявляются следующие требования:

1.
Однозначность (отсутствие гистерезиса) в рабочем диапазоне измеряемых величин.

2.
Высокая линейность выходного сигнала в рабочем диапазоне преобразования.

3.
Отсутствие искажений измеряемой механической величины в рабочем диапазоне частот.

4.
Достаточно высокая чувствительность к измеряемой механической величины.

5.
Малая зона нечувствительности преобразования.

6.
Минимальное влияние на характеристику преобразования внешней среды (температуры, давления и т.д.)

7.
Минимальные искажения измеряемой величины, которые происходят от взаимодействия преобразователя с контролируемым процессом или объектом.

8.
Высокая стойкость к механическим перегрузкам.

9.
Высокая долговечность и надёжность в работе.

10.
Минимальные габариты и вес изделия.

 

К дополнительным требованиям относятся:

1.
Высокое быстродействие.

2.
Большой динамический диапазон.

3.
Малая потребляемая мощность.

4.
Взаимозаменяемость.

5.
Простота конструкции.

6.
Малая стоимость.

 

Т.к. ни один из электромеханических преобразователей не может отвечать всем предъявленным требованиям и быть одновременно универсальным измерительным средством, поэтому существует большое разнообразие электромеханических преобразователей, в основу которых положены различные принципы действия и, следовательно, — различные конструкции. Наиболее широкое применение имеют следующие преобразователи:

1. индукционные;

2. индуктивные;

3. ёмкостные;

4. тензорезисторные;

5. фотоэлектрические;

6. магнитоэлектрические;

7. механотронные;

8. электромеханические и т.д.

 


По виду выходного сигнала они делятся на группы:

1. со съёмом сигнала на переменном токе;

2. со съёмом сигнала на постоянном токе.

 

Рассмотрим некоторые особенности, характерные для некоторых перечисленных выше преобразователей: индукционные и индуктивные не имеют механического контакта между подвижными и неподвижными частями, они обладают высокой надёжностью, большим сроком службы и малой зоной нечувствительности.

К их недостаткам следует отнести:

1. малая мощность выходного сигнала;

2. съём информации только на переменном токе;

3. сравнительно невысокая чувствительность (от 0,5 до 600 мВ (мкм)).

 

Кроме того, необходимо применять в совокупности с ними вторичную преобразующую аппаратуру.

Вторые устройства магнитоэлектрические:

преимущества: нет контакта, высокая чувствительность, работают на постоянном токе;

недостатки: малая выходная мощность, достаточно инер­ционный ротор (если в качестве него используется постоянный магнит). Бывает две схемы: подвижный магнит или сигнальная катушка. Если в качестве ротора используется сигнальная или управляющая катушка, то эти преобразователи обладают малой инерционностью. Они имеют малый реактивный момент, который связан с взаимодействием ферромагнитных материалов с магнитным полем.



Третья группа — ёмкостные преобразователи обладает высокой чувствительностью, но обладают тем же недостатком, что и индуктивные преобразователи (выходной сигнал на переменном токе). Кроме того, они имеют малую помехозащищённость (на их работу влияют ёмкости монтажа).

Четвёртая группа — тензорезисторные преобразователи просты по конструкции, имеют малые габариты и вес, широкий частотный диапазон и сравнительно малую зону нечувствительности. Кроме того, они обычно работают на постоянном токе. К недостаткам следует отнести малую мощность выходного сигнала, большой разброс параметров, сложность измерительных схем, их, как правило, используют однократно.

Пятая группа — фотоэлектрические преобразователи более просты по конструкции и в эксплуатации. К недостаткам следует отнести: нестабильность во времени параметров, влияние на них показателей температуры окружающей среды и влажности воздуха, достаточно высокая инерционность. Механотронные, электровакуумные и электронно-механические прео­бразователи, как правило, работают на постоянном токе. Обладают высокой чувствительностью и очень малой зоной нечувствительности. Они уступают индукционным и индуктивным с точки зрения потребляемой мощности и долговечности. Однако по совокупности технико-экономических показателей они в ряде случаев превосходят эти и другие электронно-механические преобразователи. Эти преобразователи могут быть выполнены высокоточными (электронные приборы), а также в виде газонаполненных (газоразрядных) приборов. По принципу действия делятся на:

1. преобразователи с механически управляемыми электродами (механотроны);

2. преобразователи, основанные на инерционно – плазменном эффекте;

3. преобразователи с магнитным управлением электрического тока;

4. преобразователи с управлением электрическим током путём изменения величины и ориентации внешнего электромагнитного поля.

 

Три последних группы находят ограниченное применение. А первая имеет широкое распространение в медико-механических исследованиях, так как это связано с тем, что они сочетают в себе простоту конструкции с высокой чувствительностью. Для своей работы они требуют простых электрических схем и малых питающих напряжений.


Принцип действия механотронов. Основы их кинематических и электродных систем.


Структурная схема механотронного преобразователя имеет вид:

Механическая величина М, которая поступает на вход механотронного преобразователя, преобразуется в кинематическую величину с помощью кинематической системы (угловые и линейные перемещения), которая в свою очередь элек­тродной системой II в изменение анодного тока или анодного напряжения, т.е. в электрическую величину. Подвижные электроды соединены с герметичной оболочкой механотрона с помощью упругих элементов, в качестве которых могут применяться мембраны, консольные пружины, подвески и другие упругие элементы. Причём в механотронном преобразователе можно выделить два основных звена. Эта кинематическая система содержит упругие элементы, подвижные электроды и другие подвижные детали. Электродная система, которая включает в себя совокупность электродов приборов, причём связь между входной механической величиной и выходной электрической величиной может быть выражена:


Э = ηim • M (1)


Э = ηiu • M (2)


где ηim, ηiu — чувствительности соответственно по току и на­пря­жению.

В
общем случае эти характеристики нелинейные, а наиболее распространённой кинематической системой механотронных преобразователей, применяемых для измерения перемещений и усилий, является система «мембрана – стержень».


Входная механическая величина перемещения α или F подаётся на внешний конец (1), который впаян в мембрану (2), которая является частью герметичной оболочки (3), при этом подвижный электрод – анод (4) укреплён на внутренней стороне стержня, перемещающегося относительно катода (5). Это приводит к изменению анодного тока или напряжения, а, следовательно, и выходного сигнала.

Э
1 — подвижный анод

2 — инерционная масса

3 — плоская пружина

4 — герметичная оболочка


1 — подвижный анод (имеет достаточную массу)

2 — держатель

3 — торсионный подвес

4 — герметичная оболочка

5 — неподвижный электрод
то механотронный преобразователь давления под воздействием изменения давления Р мембрана 1 прогибается, в результате чего происходит перемещение подвижного анода 2 относительно неподвижного 3, жёстко закреплённого в оболочке 4. Такие преобразователи часто называют манотронами.

 

В механотронных схемах наиболее часто применяют системы с продольным и поперечным управлением анодным током.

 

с продольным с поперечным

управлением управлением


При продольном управлении подвижный плоский электрод перемещается вдоль линии электрического поля, так что плоскость электрода остаётся перпендикулярна линиям этого поля.

В механотронных приборах продольного управления используется зависимость анодного тока от расстояния между анодом и катодом (в случае диодной схемы) и расстоянием между сеткой и катодом (в случае катодной схемы). В газоразрядных приборах используется зависимость напряжения на разрядном промежутке от расстояния между электродами.

При поперечном управлении направление перемещения подвижного электрода перпендикулярно линиям электромагнитного поля и на рисунках приведена схемы диодного вакуумного механотрона поперечного управления с подвижным анодом. Здесь управление анодным током осуществляется путём изменения площади перекрытия между анодом и катодом. Наибольшее распространение нашли вакуумные механотронные преобразователи продольного управления анодным током, т.к. они имеют более простую схему и конструкцию, у них достаточно высокая чувствительность и малая требумая мощность.

Общее число электродов у этих механотронов может составлять 2; 3; 4. Чаще используются первые две конструкции.


Основные параметры и их характеристики в механотронах продольного управления


Чувствительности механотронов:


ηim = σ Ψi


ηum = σ Ψu

равны произведению чувствительностей его кинематической и электродной систем.

где σ — чувствительность кинематической системы механотрона;

Ψi, Ψu — соответственно чувствительности его электродной системы по току и напряжению перемещения подвижных электродов.

Чувствительность σ является важнейшим кинематическим параметром системы и определяется:



где ∆d — перемещение подвижных электродов механотрона, которое вызвано воздействием механической величины ^ М.

В зависимости от вида преобразователей и размерностей ∆d и М чувствительность σ может иметь различные размерности.

Основной характеристикой кинематической системы механотрона продольного управления является зависимость перемещения его подвижного электрода от измеряемой механической величины.


d = σ М ∆d = f(М)


В общем случае основные характеристики кинематических систем нелинейны, но т.к. перемещения подвижных электродов большинства механотронов малы, поэтому в рабочем диапазоне измеряемых механических величин выходные характеристики считают линейными, а чувствительность постоянной.

При расчётах и проведении экспериментов с механотронными преобразованиями перемещений и усилий для характеристики кинематической системы очень часто используют величину, обратную чувствительности (жёсткость кинематической системы).

Важным параметром механотронного преобразователя является частота собственных механических колебаний, которую часто называют резонансной частотой системы fо.

где ^ М — масса колеблющейся системы;

σF — чувствительность к перемещению под действием силы;

k — коэффициент, который зависит от типа и геометрии механотронной системы.

Из последнего выражения видно, что повышение частоты fо может быть получено путём уменьшения массы ^ М и повышением жёсткости λ. Но увеличение λ приводит к уменьшению чувствительности.

Механотронная электродная система обычно характеризуется следующими основными параметрами:

1.
внутренним дифференциальным сопротивлением Ri;

2.
чувствительностью по току Ψi;

3.
чувствительностью по напряжению Ψu к перемещению подвижного электрода.


Электрический режим работы механотрона до механического воздействия на него обычно характеризуется начальными значениями анодного тока, анодного напряжения и начальным межэлектродным расстоянием в нём.

I ао, Uао,dао

Рассмотрим параметры Ri, Ψi, Ψu на примерах вакуум­ных­ ди­­одных и триодных механотронов продольного управле­ния­.

Под чувствительностью по току к перемещению в данном слу­чае понимается отношение изменения анодного тока I к ве­ли­­чине приращения перемещения подвижного анода (при по­сто­­янном напряжении на электродах).

Для диодных механотронов:


Ua=const


Для триодных механотронов:



Ua=const ; Uc=const

Uc — напряжение на сетке.

Переходя к частным производным, получим, что чувствительность диодного механотрона:


Ua=const

 

и триодного:


Ua=const ; Uc=const


Т.к. ∆d = d - do — разность между текущим расстоянием между электродами и начальным, т.е. при М=0, поэтому учиты­вая, что do=const выражение для чувствительности, мож­но переписать:


Ua=const



Ua=const ; Uc=const


Под чувствительностью по напряжению к перемещению понимают зависимость отношения изменения анодного напряжения к величине приращения перемещения:


Ia=const



Ia=const; Ic=const

 


Под дифференцированным внутренним сопротивлением понимают сопротивление его межэлектродного промежутка и находят его как отношение изменения анодного напряжения U к изменению анодного тока I при постоянном межэлектродном рас­стоянии или как отношение соответствующих частных производных:



d=const

 

Численное значение Ri для данных значений Iа и Uа может быть определено только путём дифференцирования кривой Iа=f(Uа) зависимости анодного тока I от анодного напря­же­ния U.

Используя последнее выражение и подставляя в полученное выражение численные значения тока Iа и напряжения Uа, увидим, что эта за­висимость будет нелинейной. Используя выкладки, изложенные выше, можно получить уравнения связи между чувствительностью по напряжению, чувствительностью по току и внутренним сопротив­ле­нием Ri.


Ψu = -Ψi Ri


Одно из основных требований, которое предъявляется к механотрону, является либо высокая чувствительность по току, либо по напряжению. При этом механотроны с высокой чувствительностью по отличаются большим внутренним сопротивле­­нием Ri.

П
араметры Ψi, Ψu и Ri электродной системы так же как параметры механотрона ηim , ηum, которые определяются по первым двум формулам, характеризуют механотронный пре­об­разователь в простейшем режиме его работы, а именно, ког­да на все электроды механотрона подают только на­пря­же­ние по­с­то­ян­но­го тока и в анодной цепи не содержится каких-либо сопро­тив­­лений на­грузок. В связи с отсутствием нагрузки в анодной це­­пи паде­ние напряжения между анодом и катодом в этом слу­чае равно напряжению источника питания Еа.


Этот режим электровакуумных приборов называется статическим, а параметры и характеристики, которые определяются в этом режиме называются статическими характеристиками. При этом за основную статическую характеристику механотронной системы продольного управления принимаем зависимость анодного тока I от межэлектродного расстояния d, которая изменяется при перемещении подвижного электрода (анода), полученная при неизменных напряжениях на электродах. Эти характеристики называются характеристиками перемещения (б).

Одной из важных характеристик механотрона в статическом режиме является его анодная характеристика (в). Эта характеристика — зависимость анодного тока I от анодного на­­пряжения U, полученная при фиксированном межэлектродном расстоянии (в случае триод — при неизменном напряжении на сетке).

Статическая электромеханическая характеристика механотрона в целом может быть, т.е. зависимость анодного тока I от действующего механического воздействия получена экспериментальным путём методом расчёта или методом графического сложения заранее рассчитанных характеристик перемещения механотронной системы и основной характеристики кинематической системы.

 

Рассмотрим простейшие формулы для расчёта параметров и характеристик диодного механотрона продольного уп­ра­в­ления с плоско параллельной системой подвижных электродов.

Для данного случая:


Iа=( А Sк Uа3/2 ) / d2 (1)


А — постоянный коэффициент, А=2,33•10-6; [ A ]=А•В-3/2;

Sk — активная площадь катода, обращённая к аноду;

Ua — напряжение между анодом и катодом;

d — расстояние между анодом и катодом.

Формула (1) позволяет рассчитать 2 основные статические характеристики диодного механотрона:


I а=f( d ) Ua=const


Из (1) видно, что характеристика перемещения носит явно нелинейный характер, поэтому очень важно оценивать степень нелинейности данной характеристики в рабочем диапазоне перемещений подвижного электрода механотрона. Это производится по следующей формуле:


= [ ∆Iа max / ( Iа max - Iа min )] • 100%


Для диодного механотрона продольного управления величина нелинейности считается по следующей эмпирической формуле:

=0,25 • Z-1[ 3 + Z2 – 3( 1 – Z )2/3 ] • 100%,


— относительное смещение подвижной части механотрона.

Если продифференцировать (1), то получим формулы для чувствительностей по току и по напряжению:


(2)


(3)


Затем, взяв частную производную

(4)


Подставив (1) в (2), получим:


(5)


(6)


Формулы (2), (4), (5), (6) могут быть использованы лишь для пред­варительного расчёта характеристик и параметров дио­­дного механотрона.

 

 

НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ МЕДИЦИНСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

1. Основные группы медицинских электронных приборов и аппаратов.

2. Электробезопасность медицинской аппаратуры.

3. Надежность медицинской аппаратуры.

4 Структурная схема съема, передачи и регистрации медико-биологической информации.

5. Электроды для съема медико-биологической информации.

6. Датчики медико-биологической информации.

7. Основные понятия и формулы.

8. Задачи.

Разделы электроники, в которых рассматриваются особенности применения электронных устройств в медико-биологических целях, получили название медицинской электроники.


Дата добавления: 2014-05-16 | Просмотры: 398 | Нарушение авторских прав



1 | 2 | 3 |



При использовании материала ссылка на сайт medlec.org обязательна! (0.17 сек.)