Основные виды измеряемых биомеханических параметров
В медицинской и клинической практике и в экспериментальных исследованиях находят широкое применение приборы и устройства для измерения следующих физических величин:
1. Механические величины (перемещения линейные и угловые, сила, давление и т.д.)
2. Теплофизические величины (температура, теплота излучения и т.д.)
3. Электрические величины (биотоки мозга, электрические сопротивления участков тела и т.д.)
4. Физико-химические величины (желудочный сок и т.п.)
5. Магнитные величины (магнитокардиографические)
В современной медицине и биологии особенное место занимает измерение биомеханических параметров живых организмов.
По объёму эти измерения доминируют по сравнению с измерениями другого рода. К числу контролируемых биомеханических параметров относятся:
1. Давление крови и дыхания и т.д.
2. Усилия, которые развиваются при сокращении мышц, мышечных фрагментов и клеток.
3. Эластичность (податливость) биотканей.
4. Объёмные изменения органов и их фрагментов.
5. Линейное перемещение стенок кровеносных сосудов и других элементов организма.
6. Линейные и угловые перемещения.
7. Вязкость жидкостей (крови, плазмы)
8. Скорость потоков жидкостей и воздуха.
9. Расходы потоков жидкостей и воздуха.
Для измерения перечисляемых параметров настоящее время разработано множество приборов и устройств различных принципов действия.
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.
Next > |
---|