Электроды, датчики, сенсоры

Электроды применяются для отведения биоэлектрических потенциалов, возникающих в различных органах и тканях организма. Их используют при регистрации биоэлектрической активности сердца, центральной нервной системы, нервов и мышц, сетчатки глаза и т.д. Электроды представляют собой проводники электрического тока между телом пациента и электрической измерительной цепью. Они должны обладать достаточно низким сопротивлением и регистрировать электрические сигналы без искажений.

Необходимо отметить, что электрический ток в биологических тканях переносится ионами, а в металлах – электронами. Поэтому на границе раздела между электродом и тканями происходят определенные электрохимические реакции (явления поляризации). Они способны повлиять на величину электрического тока, отводимого от объекта измерения. Для уменьшения такого влияния электроды изготавливают из мало окисляемых материалов, например, нержавеющей стали, а также покрывают тонким слоем серебра или золота. При наиболее точных измерениях для уменьшения явлений поляризации, электрод изготавливают из серебряной пластинки, контактную поверхность которой покрывают с помощью электролиза слоем хлористого серебра. Для улучшения контакта между электродом и кожей применяют специальный электролитный гель.

Накожные электроды для регистрации электрокардиограммы, электроэнцефалограммы, электромиограммы бывают разной формы и размеров: в виде пластинок, дисков и т.д. (рис. 2). Существуют гибкие электроды, которые изготавливают из нейлоновой ткани, наполненной частицами серебра. Они особенно удобны для проведения продолжительных измерений у недоношенных детей.

Рис. 2. Различные типы электродов:

(а) электроды из металлической пластины, которые накладываются на конечности; (б) электроды в виде диска, которые прикрепляются при помощи лейкопластыря; (в) одноразовые электроды с прокладкой из пенистого полимера, часто используемые при кардиологических измерениях.

В опытах на животных при необходимости используют электроды, которые вживляются в различные ткани. Для отведения электрических потенциалов отдельных клеток изготавливают микроэлектроды.

Датчики и сенсоры используют для регистрации различных неэлектрических величин (давление, скорость, температура и т.д.).

Датчиками называют устройства, преобразующие неэлектрические величины в электрические сигналы. Датчик должен реагировать только на тот вид энергии, который связан с измеряемой величиной. Сенсоры – приборы, в состав которых входят датчики и дополнительные устройства, которые преобразуют измеряемые величины в электрические сигналы, удобные для регистрации и анализа. Как правило, сигналы от сенсоров нельзя подать непосредственно на регистрирующий прибор. Поэтому их преобразуют в цифровую форму, после чего они обрабатываются специализированным цифровым устройством или компьютером. Измеряемую величину следует отображать в соответствующих единицах измерений. С этой целью на вход сенсора подают специальный калибровочный сигнал известной величины.

Применение датчиков и сенсоров создает большие преимущества, поскольку электрические сигналы, в отличие от неэлектрических величин, сравнительно легко наблюдать с помощью электронных приборов, обрабатывать, регистрировать и сохранять посредством запоминающих устройств.

Существует два основных типа датчиков: генераторные (активные) и параметрические (пассивные, или модуляторные). Генераторные датчики способны генерировать электродвижущую силу (ЭДС) под действием различных неэлектрических видов энергии, характеризующих измеряемый процесс. Генерация ЭДС возможна вследствие особых свойств материалов, из которых изготовлены такие датчики (например, пьезокристаллов), или за счёт особенностей их устройства (термопара и др.) Параметрические датчики представляют собой замкнутую электрическую цепь. В неё входят источник напряжения, измерительный прибор и электрическое сопротивление, величина которого меняется пропорционально измеряемой неэлектрической величине.

К числу генераторных относятся, например, пьезоэлектрические датчики, сделанные из кварца или других кристаллов, способных преобразовывать механическое давление в разность электрических потенциалов (рис. 3). В пьезоэлектрических кристаллах механическая деформация вызывает смещение взаимного расположения положительных и отрицательных зарядов. Смещение внутренних зарядов приводит

Рис. 3. Схема пьезоэлектрического датчика

к появлению поверхностных зарядов на противоположных поверхностях кристалла, те возникновению между ними разности потенциалов. Пьезоэлектрический датчик может быть использован для регистрации артериального пульса, давления крови и т.д.

Термоэлектрический датчик преобразует тепловую энергию в разность электрических потенциалов. В его конструкцию входит термопара, которая представляет собой контакт двух разных металлов. Термопара генерирует электродвижущую силу, величина которой находится в зависимости от температуры.

В параметрических датчиках одним из элементов служат резистор, конденсатор или катушка индуктивности. Их электрическое сопротивление, как выше указывалось, может изменяться под действием различных видов энергии (механической, тепловой и др.). Соответственно тому, какой из элементов входит в конструкцию датчика, существуют резистивные, ёмкостные и индуктивные датчики.

К резистивным датчикам относятся, например, так называемые, тензодатчики (рис. 4). Их изготавливают из тонкой проволоки, которую растягивают, не выходя за пределы её упругости. Сопротивление такой проволоки изменяется под влиянием изменений её длины. Тензодатчики можно использовать для измерения очень малых смещений.

Качество сенсоров зависит от их характеристик: чувствительности, разрешения, динамического диапазона, инерционности.

Измеряемые сигналы могут быть аналоговыми, которые способны принимать любые значения внутри какого-либо динамического диапазона, или цифровыми (дискретными), значения которых ограничены набором строго определенных величин. Наилучшим способом отображения данных есть их представление на экране. В зависимости от измеряемой величины и способа дальнейшей обработки оно может быть графическим или цифровым, постоянным или временным.