2 Пьезоэлектрические преобразователи для регистрации физиологических параметров

2.1 Цель работы

1 Изучить принцип работы, характеристики, конструкции особенности применения пьезоэлектрических преобразователей для регистрации физиологических параметров.

2 Получить практические навыки экспериментального измерения и анализа характеристик пьезоэлектрических преобразователей.

2.2 Теоретические сведения

В пьезоэлектрических датчиках преобразование неэлектрических (механических) величин в электрические основано на появлении электрических зарядов на гранях некоторых естественных или искусственно созданных кристаллов при их деформации внешними силами.

При регистрации физиологических процессов при помощи пьезо-датчиков обычно происходит дифференцирование измеряемого напряжения. Это приходится учитывать при расшифровке и анализе данных. Пьезодатчики используются для регистрации артериальных осцилляции (сфигмоартериограммы) при измерении артериального давления, для записи тонов сердца, регистрации вибраций грудной стенки (кинетокардиограммы) и другах неэлектрических физиологических параметров.

2.2.1 Пьезоэлектрические преобразователи

Прямой пьезоэлектрический эффект. В кристаллических диэлектриках различно заряженные ионы располагаются в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Поскольку разноименно заряженные ионы чередуются и расположены так, что их заряды взаимно компенсируются, в целом кристалл электрически нейтрален. Электрическая структура кристалла, симметричного относительно оси или плоскости, схематически показана на рисунке 2.1. В направлении оси X ионы различных знаков чередуются и взаимно компенсируют свои заряды. При действии на кристалл силы F_х в направлении X кристаллическая решетка деформируется, расстояния между положительными и отрицательными ионами изменяются, и кристалл электризуется в этом направлении. На его гранях, перпендикулярных оси X, появляется заряд:

q=d₁₁F_x (2.1)

пропорциональный силе F_x. Коэффициент d₁₁, зависящий от вещества и его состояния, называется пьезоэлектрическим модулем. Индексы при коэффициенте d определяются ориентацией силы и грани, на которой появляется заряд, относительно кристаллических осей. При изменении ориентации пьезоэлектрический модуль изменяется. Электризация кристалла под действием внешних сил называется прямым пьезоэффектом. Вещества, обладающие пьезоэффектом, называются пьезоэлектриками. Для изготовления измерительных преобразователей наибольшее применение нашли естественные кристаллы кварца и искусственные пьезоэлектрические материалы - пьезокерамики.

Кварц (SiO₂). Призматическая часть кристалла кварца и расположение кристаллических осей показаны на рисунке 2.2. Ось X - электрическая, ось Y - механическая, ось Z - оптическая. Для использования в измерительных преобразователях из кристалла вырезается пластинка. При действии на пластинку сил вдоль осей X или Y происходит поляризация кристалла. На гранях, перпендикулярных оси X, появляются заряды:

q = d₁₁ F_x или q = d₁₁(Q_x- Q_y)F_y (2.2)

где F_x и F_y - соответствующие силы; Q_x и Q_y площади граней, перпендикулярных осям X и Y; d₁₁=d₁₂=2,31*10^-12 К/Н - пьезоэлектрические модули.

Возникновение заряда под действием силы F_x называется продольным пьезоэффектом, возникновение заряда под действием F_y -поперечным пьезоэффектом. Действие силы F_z вдоль оси Z не вызывает никаких электрических зарядов.

Рисунок 2.1 - Электрическая структура кристалла диэлектрика, симметричного относительно оси (плоскости)

Х- электрическая ось; V- механическая ось; 2- оптическая ось

Рисунок 2.2 - Кристалл кварт

Е пьезо-ЭДС на электродах пьезоэлемента; С- собственная емкость пьезоэлемента; С1- суммарная емкость кабеля я входа усилителя; R- входное сопротивление усилителя

Рисунок 2.3 - Упрощенная эквивалентная схема пьезоэлектрического преобразователя, соединенного с вольтметром

Кварцевая пластинка имеет высокую прочность. Допустимые напряжения могут доходить до (0,7- 1) 10⁸ Н/м², что позволяет прикладывать к ней большие измеряемые силы. Она имеет большой модуль упругости, что обусловливает ее высокую жесткость и очень малое собственное внутреннее трение. Последнее обстоятельство определяет высокую добротность изготовленных из кварца пластинок. Кварцевые пластинки используются для изготовления преобразователей, измеряющих давление и силу.

Кварц - материал с высокой твердостью, он трудно обрабатывается и может применяться для изготовления пластинок лишь простой формы.

Пьезоэлектрический модуль d практически постоянен до температуры 200 °С, а затем с увеличением температуры немного уменьшается. Предельная рабочая температура составляет 600° С. При температуре 573° С (температура Кюри) кварц теряет пьезоэлектрические свойства. Относительная диэлектрическая проницаемость равна 4,5 и несколько увеличивается с увеличением температуры. Удельное объемное сопротивление кварца превышает 10¹² Ом.

Электрические и механические свойства кварца имеют высокую стабильность. За 10 лет изменение характеристик не превосходит 0.05%.

Пьезоэлектрическая керамика. Пьезокерамика имеет доменное строение, причем домены поляризованы. При отсутствии внешнего электрического поля поляризация отдельных доменов имеет хаотическое направление, и на поверхности наготовленного из пьезокерамики тела электрический заряд отсутствует. В электрическом поле домены ориентируются в направлении этого поля, вещество поляризуется и на поверхности тела появляются заряды. При снятии поля домены сохраняют свою ориентацию, вещество остается поляризованным, но поверхностный заряд с течением времени стекает. Если к телу, изготовленному из пьезокерамики, после обработки его в электрическом поле приложить механическую нагрузку, то под ее действием домены изменяют свою ориентацию и изменяется поляризация вещества. Изменение поляризации вызывает появление заряда на поверхности тела. Тело, изготовленное из поляризованной керамики, при воздействии механической силы электризуется так же, как и естественные пьезоэлектрические монокристаллы.

Типичной пьезоэлектрической керамикой является титанат бария ВаTiO_3. Его пьезоэлектрический модуль лежит в пределах d₃₁=(4,35-8,35)10^-11 К/Н; диэлектрическая проницаемость - в пределах ε_r - 1100 - 1800; тангенс угла диэлектрических потерь, характеризующий внутреннее удельное сопротивление, - в пределах tgα- 0,3 - 3 %. Зависимость возникающего заряда от приложенной силы имеет некоторые нелинейность и гистерезиc. Свойства пьезокерамики зависят также от их технологии и поляризующего напряжения.

Большинство пьезокерамик обладает достаточной температурной стабильностью. Пьезоэлектрические свойства сохраняются вплоть до температуры Кюри. Для титаната бария она равна 115°С. С течением времени параметры пьезокерамики самопроизвольно изменяются. Старение обусловливается изменением ориентации доменов.

Изготовление преобразователей из пьезокерамики значительно проще, чем из монокристаллов. Керамические изделия делаются по технологии, обычной для радиокерамических изделий (путем прессования или литья под давлением), на керамику наносятся электроды, к электродам привариваются выводные провода. Отличие заключается в электрической обработке. Для поляризации изделие помещается в электрическое поле напряженностью 10⁵ - 10⁶ В/м.

Принцип действия пьезоэлектрического преобразователя. Действие пьезоэлектрического преобразователя основано на прямом пьезоэффекте. Обычно он представляет собой пластинку, наготовленную из пьезоэлектрического материала, на которой имеются два изолированных друг от друга электрода.

В зависимости от вещества формы преобразователя и ориентации кристаллических осей входной величиной могут быть как силы, производящие деформацию сжатия-растяжения, так и силы, производящие деформацию сдвига. Последний вид деформации может использоваться в преобразователях, имеющих в качестве входной величины момент силы.

Выходной величиной преобразователя является напряжение на электродах: E = q / C (2.3)

где q - пьезоэлектрический заряд; С - емкость, образованная электродами.

Подставляя формулу для вычисления заряда в данную формулу, получим функцию преобразования пьезоэлектрического преобразователя:

E=d F / C (2.4)

Если преобразователь имеет форму плоской пластины, то функция преобразования:

E = d δ F(ε_r ε₀ Q) (2.5)

где ε_r - относительная диэлектрическая проницаемость пьезоэлектрического вещества; Q - площадь электродов; δ - расстояние между электродами (толщина пластины).

ЭДС, возникающая на электродах преобразователя, довольно значительна - единицы вольт. Однако если сила постоянна, то измерить ЭДС трудно, поскольку заряд мал и быстро стекает через входное сопротивление вольтметра. Если же сила переменна, то образуется переменная ЭДС, измерить которую значительно проще. Если при этом период изменения силы много меньше постоянной времени, определяемой емкостью преобразователя и сопротивлением утечки заряда, то процесс утечки не влияет на выходное напряжение преобразователя. При синусоидальном законе изменения силы ЭДС изменяется также синусоидально и измерение переменной силы сводится к измерению временной ЭДС или напряжения.

Схема включения. Пьезоэлектрический преобразователь является генераторным преобразователем, вырабатывающим ЭДС, Для преобразования её в приборе имеется вторичный преобразователь, в качестве которого может служить вольтметр переменного тока, проградуированный в единицах измеряемой величины. Поскольку вольтметр должен иметь большое входное сопротивление, используются электронные вольтметры.

Упрощенная эквивалентная схема пьезоэлектрического преобразователя, соединенного кабелем с вольтметром, представлена на рисунке 2.3а. На этой схеме С - собственная емкость преобразователя; С₁ - суммарная емкость соединительного кабеля, входной емкости усилителя и других емкостей, шунтирующих вход усилителя; R -входное сопротивление усилителя. Сопротивления утечки пьезоэлемента и сопротивление утечки кабеля могут рассматриваться на эквивалентной схеме как составляющие сопротивления R.

Входным напряжением усилителя является падение напряжения на сопротивлении R. Если на преобразователь действует синусоидальная сила, то, используя символический метод, можно определить комплексную чувствительность или комплексный коэффициент передачи:

К(jw)=U/E= (C/(C+C₁ ))(jwτ/(1+jwτ)) (2.6)

где τ=R(C+C₁) - постоянная времени.

Модуль чувствительности _; или просто чувствительность, схемы:

S(w)==[C/(C+C₁)][wτ(1+w²τ²)^-1/2] (2.7)

Это выражение показывает зависимость чувствительности от частоты и является частотной характеристикой преобразователя, подключенного к усилителю. График частотной характеристики показан на рисунке 2.3 б. Частотная характеристика может быть представлена в виде двух сомножителей:

S (w) = S() S_н (w) (2.8)

Первый из них представляет собой чувствительность при очень больших частотах и не зависит от частоты, т.к. при w:

S(w) C/(C+C₁) (2.9)

Второй сомножитель S_н(w)= wτ(1+w²τ²)^-1/2 определяет нормированную характеристику. Он показывает чувствительности при изменении частоты.

Из формулы для модуля чувствительности видно, что S=0, при w=0, т.е. пьезоэлектрические преобразователи неприменимы для измерения статических напряжений.

Полученные выражения справедливы на средних и низких частотах, т.е. в тех случаях, когда внутреннее сопротивление пьезоэлемента можно заменить эквивалентной емкостью.

Пьезоэлемент обладает некоторой упругостью и массой и является колебательной системой. Резонансные свойства этой системы проявляются на высоких частотах. Резонанс приводит к повышению чувствительности на высоких частотах. При еще большем увеличении частоты чувствительность падает.

Погрешность пьезоэлектрического преобразователя. Рабочей областью частот является область, в которой чувствительность остается постоянной. Сверху эта область ограничена резонансом пьезоэлемента. Снизу она определяется постоянной времени τ.

Для улучшения частотных свойств в области нижних частот нужно увеличивать τ=R(C+C₁). Для усиления выходного напряжения пьезоэлектрического преобразователя применяют усилители с максимально возможным входным сопротивлением (не менее 10¹¹ Ом).

Дальнейшее увеличение постоянной времени может происходить при увеличении С_l; для этого вход усилителя шунтируется дополнительным конденсатором. Однако включение этого конденсатора уменьшает чувствительность при больших частотах и требует увеличения коэффициента усиления усилителя. В схеме, рассмотренной выше, постоянная времени обычно не превышает 1 с. Использование операционных усилителей с обратными связями позволяет создавать приборы, у которых постоянная времени достигает значений 10-100 с.

Верхняя частота рабочего диапазона определяется увеличением чувствительности вследствие механического резонанса. Она довольно высока. Имеются преобразователи с верхней частотой рабочего диапазона 80 кГц.

В измерительной цепи внешними электромагнитными полями может наводиться паразитная ЭДС. Эта переменная ЭДС создает погрешность. Для защиты от полей измерительная цепь экранируется и датчик соединяется с вторичным преобразователем с помощью экранированного кабеля. Однако нестабильность параметров кабеля, например изменение его емкости, обусловленное изгибом, вызывает изменение чувствительности в соответствии с формулой (2.9) и вносит погрешность.

При изгибах кабеля он может расслаиваться. На расслоенных поверхностях вследствие трения образуются электрические заряды. Перемещение заряженных поверхностей под действием вибрации кафеля приводит к появлению некоторой переменной ЭДС. Погрешность, обусловленная вибрацией кабеля, может быть значительно уменьшена применением специальных антивибрационных кабелей.

Нестабильность измерительной цепи может быть вызвана повышением влажности воздуха или резким изменением его температуры. При этом происходит увлажнение изоляции, что приводит к уменьшению сопротивления R в эквивалентной схеме рисунка 2.3а. Изменение R вызывает изменение чувствительности и дополнительную частотную погрешность.

Изменение температуры пьезоэлемента вызывает также изменение его пьезоэлектрического модуля и чувствительности. Наиболее стабильным пьезоэлектрическим материалом является кварц.

Погрешность преобразователя может быть вызвана также несовершенством пьезоэлектрических материалов: гистерезисом характеристики и ее нелинейностью.

Если в преобразователе действуют силы, перпендикулярные оси чувствительности пьезоэлемента, то возможна погрешность, обусловленная поперечным пьезоэффектом.

2.3 Преобразователь для сфигмоартериографии ПСА-02

Назначение. Преобразователь типа ПСА-02 применяется при косвенном определении параметров функционирования сердечно-сосудистой системы организма путем изменения силы. Чувствительный элемент датчика, выполненный в форме диска из пьезокерамики и вклеенный в пластмассовый корпус, преобразует входное воздействие в пропорциональный аналоговый электрический сигнал, который усиливается промежуточным усилителем и передается на вторичный прибор.

Основные технические данные преобразователи ПСА-02

1 Коэффициент преобразования равен (132,6)10³ мВ/Н.

2 Нелинейность амплитудной характеристики (АХ) в диапазоне усилий (0,05-0,3) Н не более 10%.

3 Нижняя Граничная частота, определяемая на уровне 0,7 по отношению к значению выходного сигнала на частоте 1 Гц, не более 0,2 Гц.

4 Верхняя граничная частота, определяемая на уровне 1,3 по отношению к значению выходного сигнала 1 Гц, не менее 30 Гц.

5 Уровень сигнала на выходе преобразователя в пределах ±150 мВ.

6 Напряжение питания преобразователей в пределах от ±(9±0,45) до ±(15±0,75) В.

Мощность, потребляемая преобразователем, не более 0,3 Вт.

Наработка на отказ не менее 2000 ч.

2.3.1 Устройство и принцип работы.

Преобразователь ПСА-02 представляет собой электромеханический преобразователь, в котором в качестве чувствительного элемента применен диск из пьезокерамического материала ЦТС-19. Колебания стенки артерии воспринимаются пелотом и преобразуются в изменения давления воздуха в полости преобразователя, которые в свою очередь преобразуются с помощью пьезоэлемента в электрический сигнал. Согласование чувствительного элемента с вторичным прибором по сопротивлению выполняется с помощью согласующего усилителя.

Электрическая принципиальная схема преобразователя представлена в на рисунке 2.4. Микросхема D₁ служит для предварительного усиления сигнала чувствительного элемента В₁ и согласования его выходного сопротивления и вторичного прибора. Величина входного сопротивления согласующего усилителя задается значением сопротивления R₁.

Переменное сопротивление R₃ определяет коэффициент передачи усилителя. Розетка X₁ служит для соединения преобразователя с вторичным прибором. Переменное сопротивление R₄ служит для балансировки схемы усилителя.

2.3.2 Подготовка к работе

Подготовка преобразователя к работе заключается в подключении их к вторичному прибору и в опробовании совместно с ним согласно эксплуатационной документации на вторичный прибор. При этом работоспособность преобразователя ПСА-02 проверяется путем нажатия пальцем на пелот. Наличие выходного сигнала свидетельствует о работоспособности преобразователя.

Перед наложением преобразователя поверхность корпуса и торец пелота, обращенные к пациенту, а также кожа в месте наложения подвергаются дезинфекции в соответствии с ОСТ 42-212-85 3%-ным раствором перекиси водорода, ГОСТ 177-77 или 3%-ным, раствором формалина, ГОСТ-1625-75.

ВНИМАНИЕ! Подключение преобразователя к вторичному прибору рекомендуется после установки его на теле пациента.

Рисунок 2.4 – Схема электрическая принципиальная преобразователя ПСА-02.

Коэффициент усиления К_ус=1+R₃/R₂

В₁ -пъезоэлементЭПЧД-21-34 ОД0.339.190 ТУ;

X₁ -розетка РС-7ТВ с кожухом АВО. 364.047 ТУ;

D₁ -микросхема К140УД8А бКО.348.150 ТУ;

С₁ -конденсатор К73-9-100 В - 4700 пФ ±10% ОЖО.461.087 ТУ;

R₁ -резистор КИМ-0,125 - 220 МОм ± 10% ОЖО.467.080 ТУ;

R₂ -резистор КИМ-0,125 - 1 кОм ± 10% ОЖО.467.080 ТУ;

R₃ -резистор СП5-3ВА-1Вт - 6,8 кОм ± 5%. ОЖО.468.539 ТУ;

R₄ –резистор СП3-19а-0,5Вт – 10кОм ОЖО.468.372 ТУ;

1,2 – точки, между которыми при исследовании АЧХ включается внешний генератор

2.4 Используемое лабораторное оборудование и принадлежности

В работе применяются следующие приборы и принадлежности:

преобразователь ПСА-02 в комплекте с принадлежностями;

запоминающий осциллограф;

генератор низкой частоты;

источник питания;

блок коммутации;

набор гирь или грузиков.

ПРИМЕЧАНИЕ. Допускается замена на другие приборы, обеспечивающие требуемую точность измерений.

2.5 Порядок выполнения работы

2.5.1. Определение значения коэффициентов преобразования преобразователя ПСА-02.

Значение коэффициента преобразования преобразователя ПСА-О2 определяют в следующем порядке:

- преобразователь ПСА-02 посредством вспомогательного блока коммутации подключают к источнику питания и запоминающему осциллографу и включают источник питания;

- нагружают пелот преобразователя массой 10±1 г;

- резко убирают груз с пелота, фиксируя сигнал осциллографом;

- измеряют перепад выходного напряжения преобразователя.

Значение коэффициента преобразования, К, мВ/Н определяют по формуле:

K=U_вых/mg (2.10)

где m - значение массы гири, кг;

g - значение ускорения свободного падения, м/с² .

Отклонение коэффициента преобразования от номинального значения, К, мВ/Н, определяют по формуле:

К=К-К_н (2.11)

где К и К_н - соответственно действительное и номинальное значения коэффициента преобразования.

2.5.2. Определение значения нижней граничной частоты преобразователя ПСА-02.

Значение нижней граничной частоты преобразователя ПСА-О2 определяют совместно о проверкой коэффициента преобразования в следующем порядке:

- определяют постоянную времени τ - интервал времени, в течение которого изменение выходного напряжения преобразователя ПСА-02 составляет 0,63 от полного перепада U_вых; значение нижней граничной частоты определяют по формуле:

f_н=0,33/ τ (2.12)

где f_н - расчетное значение нижней граничной частоты, Гц.

-сравнить измеренное значение нижней граничной частоты с паспортным значением.

2.5.3 Измерение амплитудной характеристики преобразователя ПСА-02. Амплитудную характеристику (зависимость уровня выходного сигнала от прилагаемой силы) снимают по точкам, нагружая пелот грузами различной массы и измеряя U_вых так же, как при измерении коэффициента преобразования.

2.5.4 Измерение АЧХ преобразователя. Для этого последовательно с пьезоэлементом включается генератор низкой частоты. Амплитуда сигнала с генератора устанавливается из условия получения нормального выходного сигнала на верхней частоте намерения, частотный диапазон - от 0,05 до 100 Гц. По полученной АЧХ определить нижнюю граничную частоту f_н и сравнить ее со значением, полученным в пункте 2.5.2,

2.5.5 По результатам измерения АЧХ и амплитудной характеристики, учитывая параметры схемы и приведенные в работе формулы, рассчитать емкость С преобразователя и пьезоэлектрический модуль d материала пьезоэлемента.

2.5.6 Теоретически исследовать влияние значения емкости конденсатора С₁ в схеме усилителя (в диапазоне от 0,10 до 10С) на амплитудно-частотную характеристику преобразователя (S()), τ, f_н). Оценить оптимальность выбранного значения С₁.

2.5.7 Практическое применение преобразователя для снятия сфигмоартериограммы.

Преобразователь закрепить над местом прохождения артерии. Зарисовать полученные сфигмоартериограммы, определить их параметры (амплитуду и частоту следования составляющих компонентов).

2.6 Содержание отчёта

1 Цель работы.

2 Краткие теоретические сведения.

3 Схемы измерений.

4 Результаты измерений и расчётов в виде числовых значений параметров, таблиц, графиков.

5 Выводы по результатам.

2.7 Контрольные вопросы

1 В чем заключается прямой пьезоэлектрический эффект?

2 Пьезоэлектрические материалы и их свойства.

3 Принцип действия пьезоэлектрического преобразователя.

4 Схема включения пьезоэлектрического преобразователя и требования к ней.

5 Амплитудно-частотная характеристика пьезопреобразователя с усилителем и влияние параметров схемы на АЧХ.

6 Погрешности пьезоэлектрических преобразователей и способы их уменьшения.

7 Устройство, принцип работы и параметры преобразователя ПСА-02.

8 Способы измерения основных параметров преобразователя ПСА-02.

Литература

1 Жуковский В.Д. Медицинские электронные системы. - М.: "Медицина", 1976. - 312с.

2 Вакалов В.П., Миррахимов М.М. Прикладные аспекты биотелеметрии. - Фрунзе: Илим, 1979. - 272 с.

3 Измерение электрических и неэлектричеоких величин./ Н.Н.Евтихиев и др.- М.: Энергоатомиздат, 1990.- 352 о.

4 mеЗ.292.095. Преобразователи для кардиографии. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

5 mеЗ.293.095 ДЗ. Преобразователи для кардиографии, методы и средства поверки.