ДАТЧИКИ

Датчики 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.).

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

Датчики 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. Пневмография).

Датчики 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 Датчиков, вводимых или вживляемых в органы, техникой для бесконтактных исследований и точными многофункциональными измерительными комплексами.

Библиография: Агейкин Д. И., Костина 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.