ДАТЧИКИ

ДАТЧИКИ (первичные измерительные преобразователи) — конструктивно обособленное звено измерительного прибора или информационного канала, осуществляющее энергетическую связь контролируемого объекта с измерительной системой. Д. предназначены для восприятия контролируемой величины и преобразования ее в сигнал, удобный для передачи на вторичную (регистрирующую) аппаратуру с целью его преобразования, обработки, представления и управления. Вторичная аппаратура представляет собой электрические, реже пневматические и гидравлические приборы.

В мед. практике Д. используют при различных мед.-биол, исследованиях для измерения физиол, показателей организма, выражающихся непосредственно через соответствующие физ. величины (температура, давление, скорость и др.), регистрации энергетических проявлений биол, процессов и актов, не имеющих однозначных физ. эквивалентов (пульс, перистальтика, глотание, мигание и др.), определения свойств биол, тканей и структур (цвет, электропроводность, прозрачность и др.), а также специфических биол, показателей (чувствительность, биохим, процессы и др.).

Первые Д. представляли собой различные съемные устройства, преобразовывавшие преимущественно механические сигналы в пневматические, затем появились Д. с электрическим выходом — контактные устройства, замыкающие электрическую цепь в ответ на движения объекта (актографические Д.), микрофоны дляфонокардиографии (см.), термопары для измерения температуры (см.Термометрия). Совершенствование Д. началось в 20-е годы в связи с внедрением в практику физиол, исследований вторичной измерительной аппаратуры, усилительной и универсальной осциллографической техники (см.Осциллография). Среди современных регистрирующих приборов основное место занимает электрическая и электронная аппаратура (см.Электродиагностика). Поэтому преобразование величин различной физ. природы производят гл. обр. в электрическое напряжение или ток, что обеспечивает точное и быстрое измерение, передачу на расстояние (см.Телеметрия), разностороннюю обработку информации, а также использование ее для автоматического управления биол, процессами.

Схемы принципов действия некоторых датчиков, характеризующие энергетические связи объекта исследования с чувствительным элементом датчика (примеры клинического применения): а — объект исследования является естественным источником энергии, датчик измеряет энергетический поток собственного источника энергии объекта; 1 — объект исследования (сердце) с источником энергии (вибрирующие структуры сердца), 2 — энергетический поток (звуковые колебания в тканях организма), 3 — чувствительный элемент датчика (мембрана фонокардиографического микрофона); б — объект исследования является носителем привнесенной извне энергии (например,¹³¹I), датчик измеряет энергетический поток с объекта исследования, депонировавшего носитель энергии; 1 — объект исследования (щитовидная железа) с источником энергии (введенное радиоактивное вещество, Например¹³¹I), 2 — энергетический поток (радиоактивное излучение), 3 — чувствительный элемент датчика (детектор радиоактивного излучения); в — объект исследования является преобразователем энергетического потока, поступающего с внешнего источника, датчик измеряет интенсивность преобразованного объектом энергетического потока; 1 — объект исследования (кровеносные сосуды пальца руки), 2 — чувствительный элемент датчика (прибор, реагирующий на колебания интенсивности света, вызванные пульсацией сосудов), 3 — энергетический поток (поток света), 4 — внешний источник энергии (электрическая лампочка); г — объект исследования— пульсирующая поверхность тела (1);, в зависимости от приближения или удаления пульсации от чувствительного элемента датчика (измерителя высокочастотного тока— 4) поток энергии (3), идущий от источника энергии (высокочастотного генератора — 2), изменяет свою интенсивность, что воспринимается чувствительным элементом и передается на регистрирующее устройство.

Д. испытывает различные внешние воздействия (тепло, свет, вибрации, влажность, гравитация и т. д.), но имеет специфическую чувствительность к воспринимаемому им (входному) сигналу, представляющему собой энергетический поток той или иной физ. природы (механической, электрической, тепловой, световой и т. п.), в каждом отдельном случае различно сформированный во времени и по интенсивности (колебания, импульсы, серия импульсов и т. д.). Характер воспринимаемой информации существенно зависит от формы передачи сигнала, к-рая определяется взаимодействием источника энергии, объекта исследования и датчика. Выделяют три основных формы передачи информации, при которых Д. воспринимает энергетические проявления объекта (организма) —биоэлектрические потенциалы (см.) и биотоки, давления и расходы, силы и перемещения, звуковое давление (рис., а) и т. д.; энергию, привнесенную в объект извне (радиоактивная — рис., б, тепловая и др.) и используемую для количественной и качественной оценки различных процессов, в т. ч. для изучения движения потока и распределения веществ в организме; энергетический поток от внешнего источника, прошедший через объект и характеризующий его передаточные свойства — прозрачность (рис., в), цвет, электрическое или акустическое сопротивление, электрическая емкость (рис., г) и др.

В соответствии с видом энергии входного сигнала (электрическая, механическая, тепловая, лучевая, химическая, световая и т. д.) Д. характеризуют как механо-, термо-, фото- или хемоэлектрические. С их помощью воспринимают информацию о явлениях и свойствах, соответствующих этим видам энергии (табл.).

Некоторые клинико-физиологические методы исследования организма, основанные на преобразовании и измерении его различных физических величин при помощи датчиков

Д. является входным звеном измерительного информационного прибора (системы) и от него зависит качество получаемой информации. Поэтому к Д. предъявляются высокие метрологические требования, главным из которых является точность (статическая и динамическая) — количественное соответствие значения выходного сигнала входной величине. Статическая точность выражается через две основные метрологические характеристики — диапазон и погрешность измерения. Под диапазоном понимают область значений входной величины, в пределах к-рой обеспечивается ее измерение с заданной (паспортной) погрешностью, характеризующей отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Погрешность обычно выражается в процентах от диапазона измерения (приведенная погрешность) и характеризует класс измерительного прибора (1 % — первый класс, 2% — второй класс и т. д.). Высокие требования предъявляются и к качеству измерения быстроменяющихся величин (динамическая точность) — звуковые явления, давления, силы, расходы и т. п. Важнейшей динамической характеристикой является амплитудная частотная характеристика, определяющая частотный диапазон изменения входного сигнала, в к-ром погрешность преобразования по амплитуде укладывается в заданных пределах.

Высокая точность (малая погрешность) обеспечивается, как правило, путем многоступенчатого преобразования сигнала. Поэтому современные Д. изготовляют в виде единого блока преобразователей. Структурной основой Д. является измерительный канал, служащий для восприятия и преобразования сигнала, поступающего с объекта. Д. может содержать и канал формирования энергетического потока, если для измерения используют внешний источник энергии; создаваемое энергетическое воздействие на живой объект должно быть ниже порога его чувствительности к этому воздействию.

Главными звеньями основного измерительного канала Д. являются чувствительный элемент, или детектор, и промежуточный преобразователь. Чувствительный элемент воспринимает сигнал с объекта в его натуральной энергетической форме и преобразует его в параметр или величину, удобную для последующего преобразования. Промежуточный измерительный преобразователь трансформирует сигнал чувствительного элемента в форму, удобную для усиления и формирования выходного сигнала.

Д., в которых энергия входного сигнала преобразуется при помощи чувствительного элемента (напр., фото- или пьезоэлемента) в напряжение или ток, называют энергетическими. Роль промежуточного преобразователя в этом случае выполняет усилитель, формирующий выходной сигнал. Д., в которых энергия входного сигнала используется только для изменения пассивного параметра той или иной схемы (напр., поворачивает ротор переменного резистора или конденсатора), называют параметрическими. Промежуточный преобразователь в этих Д. изменяет сопротивление или емкость в напряжение или ток.

В мед. практике широко применяются как энергетические (пьезоэлектрические, индукционные, ионизационные), так и параметрические (емкостные, резистивные, индуктивные) Д. для измерения или регистрации параметров кровообращения (см.Кровообращение, методы исследования), дыхания, мышечной активности (см.Баллистокардиография,Кардиография,Плетизмография,Сфигмография), а также активных сокращений сердца, скелетных мышц и мышц полостных органов (см.Динамокардиография,Пневмография).

Д. могут содержать также логические, решающие, корректирующие, компенсационные и другие звенья и цепи. Канал формирования потока обычно включает излучатель энергии и формирователь энергетического потока. Если в качестве детектора энергии используется обратимый преобразователь, напр, пьезоэлемент, то он одновременно может выполнять и функцию излучателя.

Сигнальная связь Д. с объектом осуществляется через приемники — катетеры, щупы, пневмоприемники и т. д.; для связи с вторичной аппаратурой имеется кабель (трубопровод). Для ориентации Д. по отношению к объекту используются штативы, устройства для механического сканирования, слежения и т. п.

Передача информации с объекта на воспринимающее звено прибора в ряде случаев подвержена случайным возмущениям вследствие активности живого объекта, нестабильности условий передачи сигнала в зоне контакта Д. с объектом и под влиянием других факторов, ведущих к искажению данных (артефактам). Совокупность этих факторов определяет так наз. методическую погрешность измерения. В целях повышения точности измерения Д. или его воспринимающее звено размещают непосредственно на органе или в полости, в которых необходимо выполнить измерение, применяя аппликации: или зондирование. Однако эти вмешательства небезразличны для организма. Поэтому наиболее рациональным решением проблемы точности и безопасности исследований при помощи Д. является, с одной стороны, повышение точности нетравматичных методов исследования (фонокардиография, тетраполярная реография и др.) путем коррекции погрешностей, с другой — углубленный анализ и автоматическая обработка полученных данных при помощи ЭВМ с целью выделения наиболее важных признаков (анализ сердечного ритма, сигналов электрической активности мышц, спирограмм и т. д.). Эти два пути определяют развитие таких высокоинформативных и безопасных методов исследования, как тепловидение, камерная пневмография, светолучевая и электроемкостная актография, а также сравнительно малотравматичных методов — звуковой интероскопии и гамматопографии. Развитие средств первичного съема информации открывает широкие возможности для оснащения медицины аппаратурой с использованием микроминиатюрных Д., вводимых или вживляемых в органы, техникой для бесконтактных исследований и точными многофункциональными измерительными комплексами.

Библиография: Агейкин Д. И., Костинa E. Н. и Кузнецовa H. Н. Датчики контроля и регулирования, М., 1965; Бабский E. Б. Применение принципов электрической регистрации механических величин в физиологических исследованиях, в кн.: Совр, методы исслед. функций серд.-сосуд. системы, под ред. Е. Б. Бабского и В. В. Парина, с. 5, М., 1963; Туричин А. М. и др. Электрические измерения неэлектрических величин, Л., 1975, библиогр.

Е. К. Лукьянов.

^

Источник: Большая Медицинская Энциклопедия (БМЭ), под редакцией Петровского Б.В., 3-е изданиематрица судьбы партнеров