АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Электромеханические преобразователи, используемые в медицине и биологии

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 = η_im • M (1)

Э = η_iu • M (2)

где η_im, η_iu — 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:

η_im = σ Ψ_i

η_um = σ Ψ_u

равны произведению чувствительностей его кинематической и электродной систем.

где σ — чувствительность кинематической системы механотрона;

Ψ_i, Ψ_u — 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 f_о.

где ^ М — масса колеблющейся системы;

σ_F — чувствительность к перемещению под действием силы;

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

Из последнего выражения видно, что повышение частоты f_о 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 R_i;

2.
чувствительностью по току Ψ _i;

3.
чувствительностью по напряжению Ψ_u 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, U_ао,d_ао

Рассмотрим параметры R_i, Ψ_i, Ψ_u 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:

U_a=const

Для триодных механотронов:

U_a=const; U_c=const

U_c — напряжение на сетке.

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

U_a=const

и триодного:

U_a=const; U_c=const

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

U_a=const

U_a=const; U_c=const

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

I_a=const

I_a=const; I_c=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 R_i для данных значений I_а и U_а может быть определено только путём дифференцирования кривой I_а=f(U_а) зависимости анодного тока I от анодного напря­же­ния U.

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

Ψ_u = -Ψ_i R_i

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 R_i.

П
араметры Ψ_i, Ψ_u и R_i электродной системы так же как параметры механотрона η_im , η_um, 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 Е_а.

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:

I_а=(А S_к U_а^3/2) / d² (1)

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

S_k — активная площадь катода, обращённая к аноду;

U_a — 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) U_a=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:

∑ _cт = [ ∆I_{а max} / (I_{а max} - I_{а min})] • 100%

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

∑ _cт =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: 1587 | Нарушение авторских прав