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.