Принципы измерения неэлектрических величин
Устройства для измерения различных неэлектрических величин электрическими методами, сфера их применения. Характеристика принципов измерения. Особенности действия пьезоэлектрических преобразователей (датчиков). Методики ультразвуковых исследований.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 05.06.2012 |
| Размер файла | 627,3 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Содержание
- Принципы измерения неэлектрических величин
- Пьезоэлектрические датчики
- Ультразвуковое исследование
- Генератор ультразвуковых волн
- Методики ультразвукового исследования
- Увеличенный компьютеромТранскраниальный допплер
- Цветовое допплеровское картирование (ЦДК)
- Трёхмерное допплеровское картирование и трёхмерная ЭД
Принципы измерения неэлектрических величин
В современной технике широко применяются измерения неэлектрических величин (температуры, давления, усилий и пр.) электрическими методами. В большинстве случаев такие измерения сводятся к тому, что неэлектрическая величина преобразуется в зависимую от нее электрическую величину (например, сопротивление, ток, напряжение, индуктивность, емкость и пр.), измеряя которую, получают возможность определить искомую неэлектрическую величину.
Устройство, осуществляющее преобразование неэлектрической величины в электрическую, называется датчиком. Датчики делятся на две основные группы: параметрические и генераторные. В параметрических датчиках неэлектрическая величина вызывает изменение какого-либо электрического или магнитного параметра: сопротивления, индуктивности, емкости, магнитной проницаемости и пр. В зависимости от принципа действия эти датчики подразделяются на датчики сопротивления, индуктивные, емкостные и др.
В генераторных датчиках неэлектрическая величина вызывает появление э. д. с. К этим датчикам относятся индукционные, термоэлектрические, пьезоэлектрические и пр.
Устройства для измерения различных неэлектрических величин электрическими методами широко применяют на э. п. с. и тепловозах. Такие устройства состоят из датчиков, какого-либо электроизмерительного прибора (гальванометра, милливольтметра, миллиамперметра, логометра и т.д.) и промежуточного звена, которое может включать в себя электрический мост, усилитель, выпрямитель, стабилизатор и др.
измерение неэлектрическая величина ультразвуковой
Пьезоэлектрические датчики
Пьезоэлектрические датчики (пьезоэлектрики - диэлектрики, в которых наблюдается пьезоэффект. Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей основан на использовании прямого или обратного пьезоэлектрических эффектов. Прямой пьезоэффект заключается в способности некоторых материалов образовывать электрические заряды на поверхности при приложении механической нагрузки, обратный - в изменении механического напряжения или геометрических размеров образца материала под воздействием электрического поля.). Оба эффекта открыты братьями Жакоми Пьером Кюри в 1880-1881 гг.
В качестве пьезоэлектрических используют обычно естественные материалы - кварц и турмалин, а также искусственно поляризованную керамику на основе титаната бария (BaTiO3), титаната свинца (PbTiO3) и цирконата свинца (PbZrO3). Можно использовать и другие материалы.
Из пьезоматериалов наиболее распространен кварц, что объясняется его удовлетворительными пьезоэлектрическими свойствами, очень высоким сопротивлением, стойкостью к воздействиям температуры и влажности, высокой механической прочностью. Кварц имеет незначительный коэффициент линейного расширения, его пьезомодуль, равный 2,3 10-12 Кл/Н, практически не зависит от температуры до 200°С, в диапазоне 200.500°С изменяется незначительно, а при 573°С становится равным нулю; удельное электрическое сопротивление кварца порядка 1016 Ом/м; модуль упругости кварца Е= 7,7 1010 Па.
Погрешность пьезоэлектрических преобразователей складывается прежде всего из погрешностей от изменения параметров измерительной цепи (емкости Cн), температурной погрешности, вызываемой изменением пьезоэлектрического модуля, погрешности вследствие неправильной установки пластин, погрешности из-за чувствительности к силам, действующим перпендикулярно к измерительной оси преобразователя, и частотной погрешности.
Верхняя граница допустимого частотного диапазона определяется в основном механическими параметрами преобразователя. Пьезоэлектрические преобразователи могут быть выполнены с частотой собственных колебаний f0 = 100 кГц, что позволяет измерять механические величины, изменяющиеся с частотой до 7.10 кГц, причем они являются безынерционным звеном.
К достоинствам пьезоэлектрических преобразователей необходимо отнести простоту конструкции, малые размеры и стоимость, высокую надежность, возможность измерения быстропеременных величин, к недостаткам - невысокую чувствительность, непригодность к измерению статических величин, высокое входное сопротивление измерительной цепи, относительно невысокий уровень выходного сигнала, т.е. необходимость промежуточных усилителей.
Пьезоэлектрики широко используются в современной технике как датчики давления, пьезоэлектрические детонаторы, источники звука огромной мощности, миниатюрныетрансформаторы, кварцевые резонаторы для высокостабильных генераторов частоты, пьезокерамические фильтры, ультразвуковые линии задержки и др. Наиболее широкое применение в этих целях кроме кристаллического кварца получила поляризованная пьезокерамика, изготовленная из поликристаллических сегнетоэлектриков, например, из цирконата-титаната свинца.
Чаще всего современный человек встречается с ними в зажигалках, где искра образуется от удара в пьезопластинку, а также при медицинской диагностике с помощью УЗИ, в которой используются пьезоэлектрические источник и датчик ультразвука. Передовой областью использования пьезоэлектриков является сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ). Из них изготавливаются сканирующие элементы зондовых микроскопов, осуществляющие перемещение зонда в плоскости образца с точностью до 0.01 Е. Наибольшее распространение в ней имеют трубчатые пьезоэлементы. Они позволяют получать достаточно большие перемещения объектов при сравнительно небольших управляющих напряжениях. Они представляют собой полые тонкостенные цилиндры, изготовленные из пьезоэлектрических материалов. Соединение трех таких трубок в единый узел позволяет организовать перемещение зонда в трех ортогональных направлениях, такой сканирующий элемент называется триподом.
В 1964 г. Ю.В. Гуляев и В.И. Пустовойт предложили слоистую структуру "пьезоэлектрик-полупроводник" в качестве базовой конструкции акустоэлектронных приборов, использующих поверхностно-акустические волны.
Ультразвуковое исследование
Ультразвуковое исследование (УЗИ) - неинвазивное исследование организма человека или животного с помощью ультразвуковых волн.
Физические основы
Физическая основа УЗИ - пьезоэлектрический эффект. При деформации монокристаллов некоторых химических соединений (кварц, титанат бария) под воздействием ультразвуковых волн, на поверхности этих кристаллов возникают противоположные по знаку электрические заряды - прямой пьезоэлектрический эффект. При подаче на них переменного электрического заряда, в кристаллах возникают механические колебания с излучением ультразвуковых волн. Таким образом, один и тот же пьезоэлемент может быть попеременно то приёмником, то источником ультразвуковых волн. Эта часть в ультразвуковых аппаратах называется акустическим преобразователем, трансдюсером или датчиком.
Ультразвук распространяется в средах в виде чередующихся зон сжатия и расширения вещества. Звуковые волны, в том числе и ультразвуковые, характеризуются периодом колебания - временем, за которое молекула (частица) совершает одно полное колебание; частотой - числом колебаний в единицу времени; длиной - расстоянием между точками одной фазы и скоростью распространения, которая зависит главным образом от упругости и плотности среды. Длина волны обратно пропорциональна её частоте. Чем меньше длина волн, тем выше разрешающая способность ультразвукового аппарата. В системах медицинской ультразвуковой диагностики обычно используют частоты от 2 до 10 МГц. Разрешающая способность современных ультразвуковых аппаратов достигает 1-3 мм.
Любая среда, в том числе и ткани организма, препятствует распространению ультразвука, то есть обладает различным акустическим сопротивлением, величина которого зависит от их плотности и скорости распространения звуковых волн. Чем выше эти параметры, тем больше акустическое сопротивление. Такая общая характеристика любой эластической среды обозначается термином "импеданс".
Достигнув границы двух сред с различным акустическим сопротивлением, пучок ультразвуковых волн претерпевает существенные изменения: одна его часть продолжает распространяться в новой среде, в той или иной степени поглощаясь ею, другая - отражается. Коэффициент отражения зависит от разности величин акустического сопротивления, граничащих друг с другом тканей: чем это различие больше, тем больше отражение и, естественно, больше амплитуда зарегистрированного сигнала, а значит, тем светлее и ярче он будет выглядеть на экране аппарата. Полным отражателем является граница между тканями и воздухом.
В простейшем варианте реализации метод позволяет оценить расстояние до границы разделения плотностей двух тел, основываясь на времени прохождения волны, отраженной от границы раздела. Более сложные методы исследования (например, основанные на эффекте Допплера: изменение частоты и длины волн, регистрируемых приёмником, вызванное движением их источника и/или движением приёмника.) позволяют определить скорость движения границы раздела плотностей, а также разницу в плотностях, образующих границу.
Ультразвуковые колебания при распространении подчиняются законам геометрической оптики. В однородной среде они распространяются прямолинейно и с постоянной скоростью. На границе различных сред с неодинаковой акустической плотностью часть лучей отражается, а часть преломляется, продолжая прямолинейное распространение. Чем выше градиент перепада акустической плотности граничных сред, тем большая часть ультразвуковых колебаний отражается. Так как на границе перехода ультразвука из воздуха на кожу происходит отражение 99,99 % колебаний, то при ультразвуковом сканировании пациента необходимо смазывание поверхности кожи водным желе, которое выполняет роль переходной среды. Отражение зависит от угла падения луча (наибольшее при перпендикулярном направлении) и частоты ультразвуковых колебаний (при более высокой частоте большая часть отражается).
Для исследования органов брюшной полости и забрюшинного пространства, а также полости малого таза используется частота 2,5 - 3,5 МГц, для исследования щитовидной железы используется частота 7,5 МГц.
Особый интерес в диагностике вызывает использование эффекта Допплера. Суть эффекта заключается в изменении частоты звука вследствие относительного движения источника и приемника звука. Когда звук отражается от движущегося объекта, частота отраженного сигнала изменяется (происходит сдвиг частоты).
При наложении первичных и отраженных сигналов возникают биения, которые прослушиваются с помощью наушников или громкоговорителя.
Составляющие системы ультразвуковой диагностики
Генератор ультразвуковых волн
Генератором ультразвуковых волн является передатчик, который одновременно играет роль приемника отраженных эхосигналов. Генератор работает в импульсном режиме, посылая около 1000 импульсов в секунду. В промежутках между генерированием ультразвуковых волн пьезодатчик фиксирует отраженные сигналы.
Ультразвуковой датчик
В качестве детектора или трансдюсора применяется сложный датчик, состоящий из нескольких сотен мелких пьезокристаллических преобразователей, работающих в одинаковом режиме. В датчик вмонтирована фокусирующая линза, что дает возможность создать фокус на определенной глубине.
Виды датчиков
Все ультразвуковые датчики делятся на механические и электронные. В механических сканирование осуществляется за счет движения излучателя (он или вращается или качается). В электронных развертка производится электронным путем. Недостатками механических датчиков являются шум, вибрация, производимые при движении излучателя, а также низкое разрешение. Механические датчики морально устарели и в современных сканерах не используются. Используются три типа ультразвукового сканирования: линейное (параллельное), конвексное и секторное. Соответственно датчики или трансдюсоры ультразвуковых аппаратов называются линейные, конвексные и секторные. Выбор датчика для каждого исследования проводится с учетом глубины и характера положения органа.
Линейные датчики
Линейные датчики используют частоту 5-15 Мгц. Преимуществом линейного датчика является полное соответствие исследуемого органа положению самого трансдюсора на поверхности тела. Недостатком линейных датчиков является сложность обеспечения во всех случаях равномерного прилегания поверхности трансдюсора к коже пациента, что приводит к искажениям получаемого изображения по краям. Также линейные датчики за счет большей частоты позволяют получать изображение исследуемой зоны с высокой разрешающей способностью, однако глубина сканирования достаточно мала (не более 11 см). Используются в основном для исследования поверхностно расположенных структур - щитовидной железы, молочных желез, небольших суставов и мышц, а также для исследования сосудов.
Конвексные датчики
Конвексный датчик использует частоту 2,5-7,5 МГц. Имеет меньшую длину, поэтому добиться равномерности его прилегания к коже пациента более просто. Однако при использовании конвексных датчиков получаемое изображение по ширине на несколько сантиметров больше размеров самого датчика. Для уточнения анатомических ориентиров врач обязан учитывать это несоответствие. За счет меньшей частоты глубина сканирования достигает 20-25 см. Обычно используется для исследования глубоко расположенных органов - органы брюшной полости и забрюшинного пространства, мочеполовой системы, тазобедренные суставы.
Секторные датчики
Секторный датчик работает на частоте 1,5-5 Мгц. Имеет ещё большее несоответствие между размерами трансдюсора и получаемым изображением, поэтому используется преимущественно в тех случаях, когда необходимо с маленького участка тела получить большой обзор на глубине. Наиболее целесообразно использование секторного сканирования при исследовании, например, через межреберные промежутки. Типичным применением секторного датчика является эхокардиоскопия - исследование сердца.
Методики ультразвукового исследования
Отраженные эхосигналы поступают в усилитель и специальные системы реконструкции, после чего появляются на экране телевизионного монитора в виде изображения срезов тела, имеющие различные оттенки черно-белого цвета. Оптимальным является наличие не менее 64 градиентов цвета черно-белой шкалы. При позитивной регистрации максимальная интенсивность эхосигналов проявляется на экране белым цветом (эхопозитивные участки), а минимальная - чёрным (эхонегативные участки). При негативной регистрации наблюдается обратное положение. Выбор позитивной или негативной регистрации не имеет значения. Изображение, получаемое при исследовании, может быть разным в зависимости от режимов работы сканера. Выделяют следующие режимы:
A-режим. Методика даёт информацию в виде одномерного изображения, где первая координата, это амплитуда отраженного сигнала от границы сред с разным акустическим сопротивлением, а вторая расстояние до этой границы. Зная скорость распространения ультразвуковой волны в тканях тела человека, можно определить расстояние до этой зоны, разделив пополам (так как ультразвуковой луч проходит этот путь дважды) произведение времени возврата импульса на скорость ультразвука.
B-режим. Методика даёт информацию в виде двухмерных серошкальных томографических изображений анатомических структур в масштабе реального времени, что позволяет оценивать их морфологическое состояние.
M-режим. Методика даёт информацию в виде одномерного изображения, вторая координата заменена временной. По вертикальной оси откладывается расстояние от датчика до лоцируемой структуры, а по горизонтальной - время. Используется режим в основном для исследования сердца. Дает информацию о виде кривых, отражающих амплитуду и скорость движения кардиальных структур.
Допплерография
Спектральный Допплер Общей Каротидной Артерии
Увеличенный компьютеромТранскраниальный допплер
Методика основана на использовании эффекта Допплера. Сущность эффекта состоит в том, что от движущихся объектов ультразвуковые волны отражаются с измененной частотой. Этот сдвиг частоты пропорционален скорости движения лоцируемых структур - если движение направлено в сторону датчика, то частота увеличивается, если от датчика - уменьшается.
Потоковая спектральная допплерография (ПСД)
Предназначена для оценки кровотока в относительно крупных сосудах и камерах сердца. Основным видом диагностической информации является спектрографическая запись, представляющая собой развертку скорости кровотока во времени. На таком графике по вертикальной оси откладывается скорость, а по горизонтальной - время.
Непрерывная (постоянноволновая) ПСД
Методика основана на постоянном излучении и постоянном приеме отраженных ультразвуковых волн. Недостаток: невозможность изолированного анализа потоков в строго определенном месте. Достоинства: допускает измерение больших скоростей потоков крови.
Импульсная ПСД
Методика базируется на периодическом излучении серий импульсов ультразвуковых волн, которые, отразившись от эритроцитов, последовательно воспринимаются тем же датчиком. В этом режиме фиксируются сигналы, отраженные только с определенного расстояния от датчика, которые устанавливаются по усмотрению врача. Место исследования кровотока называют контрольным объёмом. Достоинства: возможность оценки кровотока в любой заданной точке.
Цветовое допплеровское картирование (ЦДК)
Основано на кодирование в цвете значения допплеровского сдвига излучаемой частоты. Методика обеспечивает прямую визуализацию потоков крови в сердце и в относительно крупных сосудах. Недостаток: невозможность получения изображения мелких кровеносных сосудов с маленькой скоростью кровотока. Достоинства: позволяет оценивать как морфологическое состояние сосудов, так и состояние кровотока по ним.
Энергетическая допплерография (ЭД)
Методика основана на анализе амплитуд всех эхосигналов допплеровского спектра, отражающих плотность эритроцитов в заданном объёме. Оттенки цвета (от темно-оранжевого к жёлтому) несут сведения об интенсивности эхосигнала. Недостаток: невозможно судить о направлении, характере и скорости кровотока. Достоинства: отображение получают все сосуды, независимо от их хода относительно ультразвукового луча, в том числе кровеносные сосуды очень небольшого диаметра и с незначительной скоростью кровотока.
Применяются также и комбинированные варианты, в частности:
Трёхмерное допплеровское картирование и трёхмерная ЭД
Методики, дающие возможность наблюдать объемную картину пространственного расположения кровеносных сосудов в режиме реального времени в любом ракурсе, что позволяет с высокой точностью оценивать их соотношение с различными анатомическими структурами и патологическими процессами, в том числе со злокачественными опухолями. В этом режиме используется возможность запоминания нескольких кадров изображения. После включения режима исследователь перемещает датчик или изменяет его угловое положение, не нарушая контакта датчика с телом пациента. При этом записываются серии двухмерных эхограмм с небольшим шагом (малое расстояние между плоскостями сечения). На основе полученных кадров система реконструирует псевдотрёхмерное изображение только цветной части изображения, характеризующее кровоток в сосудах. Метод позволяющий получать трёхмерные изображения без искажений, называется методом трёхмерной эхографии (3D).
Эхоконтрастирование
Методика основана на внутривенном введении особых контрастирующих веществ, содержащих свободные микропузырьки газа (диаметром менее 5 мкм при их циркуляции не менее 5 минут). Полученное изображение фиксируется на экране монитора, а затем регистрируется с помощью принтера.
Применение в медицине
Терапевтическое применение ультразвука в медицине:
1) Помимо широкого использования в диагностических целях, ультразвук применяется в медицине как лечебное средство.
Ультразвук обладает действием:
§ противовоспалительным, рассасывающим
§ анальгезирующим, спазмолитическим
§ кавитационным усилением проницаемости кожи
Фонофорез - сочетанный метод, при котором на ткани действуют ультразвуком и вводимыми с его помощью лечебными веществами (как медикаментами, так и природного происхождения). Проведение веществ под действием ультразвука обусловлено повышением проницаемости эпидермиса и кожных желез, клеточных мембран и стенок сосудов для веществ небольшой молекулярной массы, особенно - ионов минералов бишофита. Удобство ультрафонофореза медикаментов и природных веществ:
§ лечебное вещество при введении ультразвуком не разрушается
§ синергизм действия ультразвука и лечебного вещества
Показания к ультрафонофорезу бишофита: остеоартроз, остеохондроз, артриты, бурситы, эпикондилиты, пяточная шпора, состояния после травм опорно-двигательного аппарата; невриты, нейропатии, радикулиты, невралгии, травмы нервов. Наносится бишофит-гель и рабочей поверхностью излучателя проводится микро-массаж зоны воздействия. Методика лабильная, обычная для ультрафонофореза (при УФФ суставов, позвоночника интенсивность в области шейного отдела - 0,2-0,4 Вт/см2., в области грудного и поясничного отдела - 0,4-0,6 Вт/см2).
Опасность и побочные эффекты
Ультразвуковое исследование в целом считается безопасным способом получения информации. [5]
Диагностическое ультразвуковое исследование плода так же в целом рассматривается как безопасный метод для применения в течение беременности.
2) эхоэнцефалография (при повреждениях головы определение мест кровоизлияний).
3) применение в офтальмологии для изменения размера глаза и положения хрусталика.
4) УЗИ играет важную роль в постановке диагноза заболеваний внутренних органов.
5) эхокардиография - диагностика заболеваний сердца.
6) используется в гинекологии для изучения внутренних половых органов женщины, осуществляет контроль за состоянием матки при беременности, а также используется при мониторинге развития плода.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Электрические измерения неэлектрических величин. Датчики температуры, давления, скорости. Понятие и типы электроприводов. Устройства включения ультрафиолетовых облучателей. Магнитное поле и ионизация воздуха. Использование электрогидравлического эффекта.
контрольная работа [271,9 K], добавлен 19.07.2011Понятие о физической величине как одно из общих в физике и метрологии. Единицы измерения физических величин. Нижний и верхний пределы измерений. Возможности и методы измерения физических величин. Реактивный, тензорезистивный и терморезистивный методы.
контрольная работа [301,1 K], добавлен 18.11.2013Классификация датчиков по принципу преобразования электрических и неэлектрических величин, виду выходного сигнала. Принцип действия тепловых датчиков, его основание на тепловых процессах. Термопреобразователи сопротивления, манометрические термометры.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 08.10.2012Основы измерения физических величин и степени их символов. Сущность процесса измерения, классификация его методов. Метрическая система мер. Эталоны и единицы физических величин. Структура измерительных приборов. Представительность измеряемой величины.
курсовая работа [199,1 K], добавлен 17.11.2010Общая характеристика и главные отличия периодической системы измерения величин и системы единиц СИ. Примеры, способы и формулы перехода от размерностей международной системы (СИ) к размерностям периодической системы (АС) измерения физических величин.
реферат [66,1 K], добавлен 09.11.2010Физическая величина как свойство физического объекта, их понятия, системы и средства измерения. Понятие нефизических величин. Классификация по видам, методам, результатам измерения, условиям, определяющим точность результата. Понятие рядов измерений.
презентация [1,6 M], добавлен 26.09.2012Характеристика принципов действия, области применения и условий эксплуатации измерительных преобразователей. Технология построения акселерометров - датчиков для измерения ускорения. Осуществление подбора газотурбинного двигателя с заданными параметрами.
курсовая работа [1,7 M], добавлен 13.12.2011Основные динамические характеристики средств измерения. Функционалы и параметры полных динамических характеристик. Весовая и переходная характеристики средств измерения. Зависимость выходного сигнала средств измерения от меняющихся во времени величин.
презентация [127,3 K], добавлен 02.08.2012Функциональная схема и принцип работы электрического прибора для измерения отклонения толщины диэлектрической ленты от образцового значения. Емкостный датчик по типу плоскопараллельного конденсатора. Возникновение погрешностей и способы их устранения.
реферат [154,6 K], добавлен 14.12.2012Общая характеристика внутреннего фотоэффекта, его особенности, история открытия и изучения. Использование данного эффекта для измерения фотоэлектрических преобразователей, датчиков положения, двухкоординатного измерения положения и датчиков шероховатости.
курсовая работа [2,2 M], добавлен 13.12.2010
