Измерительные преобразователи

Введение.

Различные преобразователи неэлектрических  величин в электрические прочно заняли свое место во многих областях человеческого знания, и уж тем  более в медицине. Трудно представить  современного врача, занимающегося  диагностикой различных заболеваний  и их лечением, не опирающегося на огромное число достижений таких наук, как  радиоэлектроника, микроэлектроника, метрология, материаловедение. И хотя, датчики являются одной из самых  медленно развивающихся областей медицинской  электроники, да и всей электроники  в целом, но подавляющее большинство  диагностических и терапевтических  приборов и систем прямо или косвенно содержат множество самых разных преобразователей и электродов, без  которых, подчас немыслима работа этой системы. Вот о некоторых типах  датчиков я и попытаюсь рассказать в представленной работе. Определенная сложность, повторюсь, заключается  в огромнейшем номенклатурном разнообразии медицинских датчиков, а также  в довольно малом количестве публикаций, касающихся этой темы, хотя, быть может  просто плохо искал. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Волоконно-оптические датчики.

Оптоэлектроника - это довольно новая область науки  и техники, которая появилась  на стыке оптики и электроники. Следует  заметить, что в развитии радиотехники с самого начала ХХ века постоянно  прослеживалась тенденция освоения электромагнитных волн все более  высокой частоты. Важным моментом в  развитии оптоэлектроники является создание оптических волокон. Особенно интенсивными исследования стали в  конце 1960-x годов, а разработка в 1970 г. американской фирмой "Корнинг" кварцевого волокна с малым затуханием (20 дБ/км) явилась эпохальным событием и послужила стимулом для увеличения темпов исследований и разработок на все 1970-е годы. Оптическое волокно  обычно бывает одного из двух типов: одномодовое, в котором распространяется только одна мода (тип распределения передаваемого  электромагнитного поля), и многомодовое - с передачей множества (около  сотни) мод. Конструктивно эти типы волокон различаются только диаметром  сердечника - световедущей части, внутри которой коэффициент преломления  чуть выше, чем в периферийной части - оболочке. В медицинской технике  используются как многомодовые, так  и одномодовые оптические волокна. Многомодовые волокна имеют большой (примерно 50 мкм) диаметр сердечника, что облегчает их соединение друг с другом. Но поскольку групповая  скорость света для каждой моды различна, то при передаче узкого светового  импульса происходит его расширение (увеличение дисперсии). По сравнению  с многомодовыми у одномодовых  волокон преимущества и недостатки меняются местами: дисперсия уменьшается, но малый (5...10 мкм) диаметр сердечника значительно затрудняет соединение волокон этого типа и введение в них светового луча лазера.

Вследствие  этого одномодовые оптические волокна  нашли преимущественное применение в линиях связи, требующих высокой  скорости передачи информации (линии  верхнего ранга в иерархической  структуре линий связи), а многомодовые чаще всего используются в линиях связи со сравнительно невысокой  скоростью передачи информации. Имеются  так называемые когерентные волоконно-оптические линии связи, где пригодны только одномодовые волокна. В многомодовом оптическом волокне когерентность  принимаемых световых волн падает, поэтому его использование в  когерентных линиях связи непрактично, что и предопределило применение в подобных линиях только одномодовых  оптических волокон. Напротив, хотя при  использовании оптических волокон  для датчиков вышеуказанные факторы  тоже имеют место, но во многих случаях  их роль уже иная. В частности, при  использовании оптических волокон  для когерентных измерений, когда  из этих волокон формируется интерферометр, важным преимуществом одномодовых  волокон является возможность передачи информации о фазе оптической волны, что неосуществимо с помощью  многомодовых волокон. Следовательно, в данном случае необходимо только одномодовое оптическое волокно, как  и в когерентных линиях связи. Тем не менее, на практике применение одномодового оптического волокна  при измерении нетипично из-за небольшой его дисперсии. Короче говоря, в сенсорной оптоэлектронике, за исключением датчиков-интерферометров, используются многомодовые оптические волокна. Это обстоятельство объясняется еще и тем, что в датчиках длина используемых оптических волокон значительно меньше, чем в системах оптической связи.

Необходимо  отметить общие достоинства  оптических волокон:

* широкополосность (предполагается до нескольких  десятков терагерц);

* малые  потери (минимальные 0,154 дБ/км);

* малый  (около 125 мкм) диаметр;

* малая  (приблизительно 30 г/км) масса;

* эластичность (минимальный радиус изгиба 2 MM);

* механическая  прочность (выдерживает нагрузку  на разрыв примерно 7 кг);

* отсутствие  взаимной интерференции (перекрестных  помех типа известных в телефонии  "переходных разговоров");

* безындукционность  (практически отсутствует влияние  электромагнитной индукции, а следовательно,  и отрицательные явления, связанные  с грозовыми разрядами, близостью  к линии электропередачи, импульсами  тока в силовой сети);

* взрывобезопасность (гарантируется абсолютной неспособностью  волокна быть причиной искры);

* высокая  электроизоляционная прочность  (например, волокно длиной 20 см выдерживает  напряжение до 10000 B);

* высокая  коррозионная стойкость, особенно  к химическим растворителям, маслам, воде.

В практике использования волоконно-оптических датчиков имеют наибольшее значение последние четыре свойства. Достаточно полезны и такие свойства, как  эластичность, малые диаметр и  масса. Широкополосность же и малые  потери значительно повышают возможности  оптических волокон, но далеко не всегда эти преимущества осознаются разработчиками датчиков. Однако, с современной  точки зрения, по мере расширения функциональных возможностей волоконно-оптических датчиков в ближайшем будущем эта ситуация понемногу исправится.

Как будет показано ниже, в волоконно-оптических датчиках оптическое волокно может  быть применено просто в качестве линии передачи, а может играть роль самого чувствительного элемента датчика. В последнем случае используются чувствительность волокна к электрическому полю (эффект Керра), магнитному полю (эффект Фарадея), к вибрации, температуре, давлению, деформациям (например, к изгибу). Многие из этих эффектов в оптических системах связи оцениваются как недостатки, в датчиках же их появление считается скорее преимуществом, которое следует развивать.

Современные волоконно-оптические датчики позволяют  измерять почти все. Например, давление, температуру, расстояние, положение  в пространстве, скорость вращения, скорость линейного перемещения, ускорение, колебания, массу, звуковые волны, уровень  жидкости, деформацию, коэффициент  преломления, электрическое поле, электрический  ток, магнитное поле, концентрацию газа, дозу радиационного излучения, на использовании  пучков таких волокон основывается вся техника эндоскопии.

Если  классифицировать волоконно-оптические датчики с точки зрения применения в них оптического волокна, то, их можно грубо разделить на датчики, в которых оптическое волокно  используется в качестве линии передачи, и датчики, в которых оно используется в качестве чувствительного элемента. В датчиках типа "линии передачи" используются в основном многомодовые оптические волокна, а в датчиках сенсорного типа чаще всего - одномодовые.

С помощью  волоконно-оптических датчиков с оптоволокном в качестве линии передач можно  измерять следующие физические величины:

1) датчиком  проходящего типа: температуру (на  основе измерения изменения постоянной  люминесценции в многомодовых  волокнах, в диапазоне 0...70?С с  точностью ?0,04? С );

2) датчиком  отражательного типа: концентрацию  кислорода в крови (происходит  изменение спектральной характеристики, детектируется интенсивность отраженного  света, оптоволокно - пучковое, с  доступом через катетер).

Если  же оптическое волокно в датчике  использовать в качестве чувствительного  элемента, то возможны следующие применения:

1) интерферометр  Майкельсона позволяет измерять  пульс, скорость кровотока: используя  эффект Доплера можем детектировать  частоту биений - используются как  одномодовое, так и многомодовое  волокна; диапазон измерений: 10-4...108 м/с.

2) на  основе неинтерферометричекой структуры  возможно построить датчик, позволяющий  определять дозу ионизирующего  излучения, используемое физическое  явления - формирование центра  окрашивания, детектируемая величина - интенсивность пропускаемого света.

Волоконно-оптический датчик проходящего типа.

Волоконно-оптический датчик отражательного типа.

Подводя некоторый итог, надо сказать, что  основными элементами волоконно-оптического  датчика, являются: оптическое волокно, светоизлучающие (источник света) и  светоприемные устройства, оптический чувствительный элемент. Кроме того, специальные линии необходимы для  связи между этими элементами или для формирования измерительной  системы с датчиком. Далее, для  практического внедрения волоконно-оптических датчиков необходимы элементы системной  техники, которые в совокупности с вышеуказанными элементами и линией связи образуют измерительную систему.

Классификация основных структур волоконно-оптических датчиков:

а) с  изменением характеристик волокна (в том числе специальных волокон)

б) с  изменением параметров передаваемого  света

в) с  чувствительным элементом на торце  волокна

Датчики потока.

Ультразвуковые  датчики эффективно используются для  измерения потока во многих медико-биологических  и промышленных применениях. Основным элементом конструкции ультразвукового  датчика является пьезоэлектрический излучатель коротких посылок акустических (упругих) волн. Для измерения потока используются частоты, лежащие за пределами  слышимого акустического диапазона - в ультразвуковой области. Работа ультразвуковых датчиков потока основана на одном из двух физических принципов. В датчиках первого типа (измерение  времени прохождения сигнала) используется тот факт, что скорость звука, распространяющегося  в движущейся среде, равна скорости относительно этой среды плюс скорость движения самой среды. В датчиках второго типа используется изменение (доплеровский сдвиг) частоты ультразвуковой волны при ее рассеянии движущейся средой.

В ультразвуковых измерителях потока используются электроакустические  преобразователи из пьезоэлектрических материалов, осуществляющие преобразование электрической мощности в акустические колебания. Идеальным пьезоэлектрическим материалом для электроакустического преобразователя является такой  материал, который обеспечивает низкий уровень шума, высокую эффективность  преобразования и позволяет создать  преобразователь с высокой добротностью. Чаще всего в электроакустических  преобразователях используется цирконат - титанат свинца (ЦТС). Преимущество этого материала - очень высокая  эффективность электроакустического преобразования и высокая температура  Кюри (приблизительно 300 oC); последнее  уменьшает вероятность деполяризации  материала в процессе припаивания  выводов преобразователя.

Можно изготовить ультразвуковой преобразователь  любой формы посредством расплавления материала и последующей его  формовки. Пьезоэлектрические кристаллы  подвергаются искусственной поляризации путем помещения их в сильное электрическое поле при высокой температуре и охлаждения в этом поле ниже температуры Кюри. Обычно формируются преобразователи в виде дисков, на противоположные плоские поверхности которых наносятся металлические электроды. Через эти электроды генератор колебаний возбуждает кристалл-излучатель. Электроды кристалла-приемника присоединены к высокочастотному усилителю. Для обеспечения максимальной эффективности толщина кристалла обычно выбирается равной половине длины ультразвуковой волны.

Выбор рабочей частоты преобразователя  определяется фундаментальными физическими  факторами. Конечное значение диаметра преобразователя обуславливает  наличие дифракционного распределения  интенсивности ультразвуковой волны  по аналогии с апертурной дифракцией в оптике. В области ближнего поля пучок имеет практически цилиндрическую форму, соответствующую геометрии  излучателя, и его уширение мало. Однако распределение интенсивности  в пучке неоднородно, поскольку  здесь возникают многочисленные интерференционные максимумы и  минимумы. В области дальнего поля пучок расходится, причем интенсивность  ультразвуковой волны в пучке  изменяется обратно пропорционально  квадрату расстояния от преобразователя. Эффект расходимости пучка ухудшает пространственное разрешение, поэтому  область дальнего поля использовать не рекомендуется. Для обеспечения  работы в области ближнего поля нужны  большие преобразователи и высокие  рабочие частоты. В промышленных применениях пространственное разрешение при измерении потока можно получить, выбирая рабочую частоту и  размер преобразователя таким образом, чтобы размер области ближнего поля приближенно соответствовал диаметру потокопровода (кровеносного сосуда, например).

Правильный  выбор рабочей частоты очень  важен для измерителей потока крови. Для пучка с постоянным поперечным сечением мощность ультразвуковой волны экспоненциально спадает  с расстоянием из-за ее поглощения в ткани. С этой точки зрения предпочтительнее низкие рабочие частоты, поскольку  коэффициент поглощения ультразвука  квазилинейным образом возрастает с увеличением частоты. С другой стороны, наиболее распространенные ультразвуковые измерители потока - доплеровские датчики  потока - работают на принципе детектирования мощности ультразвуковой волны, рассеиваемой движущимися красными кровяными  тельцами, причем рассеиваемая мощность пропорциональна четвертой степени  частоты. Таким образом, в этих измерителях  потока для увеличения детектируемой  мощности необходимо увеличивать рабочую  частоту. Компромисс достигается при  выборе рабочей частоты в диапазоне  от 2 до 10 MГц.

Датчик  потока, работающий на принципе измерения  времени прохождения сигнала - один из простейших ультразвуковых измерителей  потока. Он широко используется в промышленности и пригоден также для респираторных  измерений и измерений потока крови. Возможен способ расположения, заключающийся в возможности  закреплять преобразователи на внешней  поверхности трубы или кровеносного сосуда, что исключает ограничение  потока

Преимущества  таких датчиков (измерителей) потока заключается в следующем: 1) с их помощью можно измерять потоки самых  различных жидкостей и газов, поскольку для проведения измерений  не требуется наличие в текучей  среде частиц, отражающих ультразвук; 2) они позволяют определять направление  потока; 3) их показания сравнительно нечувствительны к изменениям вязкости, температуры и плотностей текучей cреды; 4) из всех серийно выпускаемых  измерителей потока промышленные устройства этого типа обеспечивают наивысшую  точность измерений.

Ультразвуковые  измерители потока были опробованы в  качестве пневмотахометров - для измерения  мгновенного значения объемного  расхода вдыхаемого или выдыхаемого  газа. Ультразвуковые пневмотахометры  имеют следующие теоретические  преимущества: 1) высокое быстродействие; 2) широкий динамический диапазон; 3) отсутствие движущихся частей; 4) пренебрежимо малое влияние на поток; 5) естественную двунаправленность; 6) легкость очистки  и стерилизации. В настоящее время  ультразвуковые пневмотахометры находятся  все еще в стадии разработки. Есть несколько проблем, препятствующих успешному внедрению этих устройств: 1) низкая акустическая эффективность  передачи ультразвука через газы; 2) широкий диапазон изменений состава, температуры и влажности газа; 3) неудовлетворительное понимание  природы ультразвукового поля и  характера его взаимодействия с  движущимся газом.

В доплеровских измерителях потока непрерывного действия используется известный эффект изменения (понижения) частоты звука, детектируемого движущимся приемником, удаляющимся  от неподвижного источника звука (эффект Доплера). Если излучатель и приемник неподвижны, а движется объект (частица  в текучей среде), отражающий ультразвуковую волну, то обусловленный эффектом Доплера  сдвиг частоты при симметричном расположении преобразователей по отношению  к аксиально-симметричному потоку рассчитывается по формуле

где fd- доплеровский сдвиг частоты; f0- частота  излучаемой ультразвуковой волны; u - скорость объекта (частицы в текучей среде); c - скорость звука; - - угол между направлением излучения (приема) ультразвуковой волны  и осью трубы или кровеносного сосуда. Если поток не имеет аксиальной симметрии или преобразователи  расположены несимметрично, то в  формулу нужно вводить дополнительный тригонометрический коэффициент.

Самое важное преимущество доплеровского  измерителя потока непрерывного действия - возможность измерения кровотока  с помощью преобразователей, расположенных  на поверхности тела с одной стороны  кровеносного сосуда. Измерители потока этого типа могут работать с жидкостями, содержащими включения газов  или твердых тел. Можно указать  и ряд других преимуществ этих устройств: 1) временные задержки сигнала  в них минимальны и определяются главным образом характеристиками фильтров; 2) при измерении кровотока  помехи от сигнала электрокардиограммы (ЭКГ) незначительны; 3) такие устройства можно устанавливать в дешевых  регуляторах потока.

При использовании доплеровского измерителя потока непрерывного действия для получения  сигнала доплеровского сдвига необходимо наличие в текучей среде каких-либо частиц. Сигнал доплеровского сдвига не является одночастотным гармоническим  сигналом, что обусловлено рядом  причин:

1. Профиль  распределения скорости по поперечному  сечению потока (профиль потока) неоднороден. Частицы движутся  с различными скоростями, генерируя  различные по частоте доплеровские  сдвиги.

2. Частица  отражает ультразвуковую волну  в течении короткого промежутка  времени.

3. Хаотическое  вращение частиц и турбулентность  вызывают различные доплеровские  сдвиги.

Два других недостатка доплеровского измерителя потока непрерывного действия - практически  полное отсутствие информации о профиле  потока и невозможность определения  направления потока без дополнительной обработки сигнала.

Импульсный  доплеровский измеритель потока работает в радарном режиме и выдает информацию о профиле потока текучей среды. Преобразователь возбуждается короткими  посылками сигнала несущей частоты  от генератора. Этот преобразователь  выполняет функции излучателя и  приемника; отражаемый сигнал с доплеровским сдвигом принимается с некоторой  временной задержкой относительно момента излучения первичного сигнала. Временный интервал между моментами  излучения и приема сигнала является непосредственным указателем расстояния до отражающей частицы (дальности). Следовательно, можно получить полную "развертку" отражений сигнала поперек трубы  или кровеносного сосуда. Профиль  скорости в поперечном сечении кровеносного сосуда получается в результате регистрации  доплеровского сдвига сигнала при  различных временных задержках. С помощью импульсного доплеровского  измерителя потока можно оценить  диаметр кровеносного сосуда. Принимаемые  сигналы А и С обусловлены  отражениями от ближней и дальней  стенок сосуда соответственно. Расстояние между точками, где происходят эти  отражения, непосредственно связано  через простые геометрические соотношения  с диаметром сосуда.

Аналогичный принцип измерения лежит в  основе метода ультразвукового сканирования в амплитудном режиме (А-режиме) и  метода эхо-кардиографии. Ультразвуковой преобразователь устанавливается  напротив участка тела или органа, подлежащего сканированию. Этот преобразователь  излучает ультразвуковой сигнал, испытывающий отражение на любой неоднородности ткани вдоль направления сканирования. Задержка между временем излучения  и приема сигнала может быть использована для определения места локализации  этой неоднородности вдоль определенного  пути сканирования.

Длительность  излучаемого импульса является важным фактором при использовании импульсного  доплеровского измерителя для регистрации  кровотока. В идеале это должен быть очень короткий импульс, чтобы получить хорошее разрешение по расстоянию. С другой стороны, для достижения достаточно высокого значения отношения  сигнал/шум и хорошего разрешения по скорости длительность этого импульса должна быть достаточно велика. Типичный компромиссный вариант - использование  импульсов с частотой повторения 8 МГц и длительностью 1 мкс.

Доплеровским  измерительным системам, работающим в импульсном режиме, присуще внутреннее ограничение. Оно выражается в том, что при заданной дальности ограничен  диапазон измеряемых скоростей. Это  вынуждает использовать импульсы с  меньшей частотой повторения fr Это  означает, что нельзя измерить высокие  скорости при больших расстояниях  до отражающего объекта. Спектральное уширение, которое может привести к появлению в сигнале спектральных составляющих с частотами, превышающими несущую частоту, а также неидеальность  характеристик фильтров нижних частот, используемых для исключения эффекта  наложения спектров, приводит к еще  более жестким ограничениями.

В импульсных доплеровских системах преобразователи  имеют более сложную конструкцию, чем в доплеровских системах непрерывного действия. Любой кристаллический  преобразователь характеризуется  высокой добротностью Q (узкой частотной  характеристикой) и поэтому после  окончания возбуждающего электрического сигнала довольно долго осциллирует  на своей резонансной частоте. Импульсный доплеровский преобразователь модифицируется путем добавления к нему спереди  или сзади массивного демпфера, что  обеспечивает уменьшение (уширение частотной  характеристики) кристалла. Типичные значения модифицированной добротности - от 5 до 15. При использовании одного общего преобразователя в качестве излучателя и приемника отключение излучателя осуществляется с помощью логического  элемента (вентиля). Однокаскадный логический элемент не обеспечивает надлежащей развязки мощного сигнала, возбуждающего  излучатель, от исключительно слабого  принимаемого сигнала. Проблема развязки решается последовательным включением двух логических элементов.

При использовании импульсных доплеровских систем возникают дополнительные проблемы и с обработкой принимаемого сигнала. В система должна быть предусмотрена  некоторая схема, обеспечивающая защиту усилителя высокой частоты от перегрузок во время передачи сигнала  и предотвращающая поступление  напряжения генератора на вход этого  усилителя во время приема сигнала. Примером такой схемы является диодная  структура, обладающая низким сопротивлением для высокоуровневого передаваемого  сигнала и высоким сопротивлением для слабого принимаемого сигнала. Измерение профилей потока в реальном масштабе времени достигается путем  использования 16 логических элементов (селекторов дальности), задающих различные  временные задержки для принимаемого сигнала. На выходе измерительного устройства имеем при этом 16 "параллельных" сигналов, соответствующих различным  точкам в поперечном сечении трубы  или кровеносного сосуда и определяющих временную зависимость локальных скоростей потока в этих точках. Профиль скорости формируется путем быстрого сканирования по этим 16 каналам.

Главное преимущество импульсных доплеровских измерителей потока - возможность  получения информации о профиле  потока. Кроме того, в этих устройствах  детектируются сигналы, отражаемые частицами из малых объемов текучей  среды (в силу сканирования по поперечному  сечению потока), и поэтому на детекторы нуля поступают сигналы  с узким частотным спектром, что  является другим важным преимуществом  измерителей потока этого типа. И, наконец, поскольку для импульсного  доплеровского измерителя потока нужен  только один преобразователь, выполняющий  функцию, как излучателя, так и  приемника, то это - идеальное устройство для измерений с помощью катетера. Такие измерители используются для  регистрации кровотока в различных  участках кровеносной системы.

Датчики давления.

Датчики давления семейства Senseon фирмы Motorola выбирают производители медицинского оборудования по всему миру. Они долговечны, точны  и надежны.

Датчик  давления фирмы Motorola разработан с использованием монолитного кремниевого пьезорезистора, который генерирует изменяющееся в  зависимости от величины давления напряжение на выходе. Резистивный элемент, который  представляет собой датчик напряжений, ионно имплантирован в тонкую кремниевую диафрагму. Малейшее давление на диафрагму приводит к изменению  сопротивления датчика напряжений, что в свою очередь изменяет напряжение на выходе пропорционально приложенному давлению. Датчик напряжений является составной частью диафрагмы, благодаря  чему устраняются температурные  эффекты, возникающие из-за разницы  в тепловых расширениях датчика  и диафрагмы. Параметры на выходе самого датчика деформаций зависят  от температуры, так что при использовании  в диапазоне температур, превышающих  допустимые значения, требуется компенсация. В узких диапазонах температур, например от 00С до 850С, в этом качестве может  быть использована простая резисторная  схема. В диапазоне температур от -400С до +1250С потребуются расширенные  компенсационные схемы.

Компенсированные  и калиброванные (на чипе). Медицинский  класс.

Серии МРХ 7050, 7100, 7200

Датчики этих серий сочетают в себе все  преимущества серии МРХ 2000 (температурная  компенсация и калибрация на чипе) с высоким полным входным сопротивлением (обычно 10 kОм), что делает их незаменимыми в переносных устройствах, работающих на аккумуляторах. Эти датчики могут  использоваться в приборах, требующих  точного определения давления при  малом потреблении энергии, таких  как переносное медицинское оборудование и т.п.