17. Классификация и основные характеристики датчиков.

По принципу действия датчики делятся на физические и химические. Первые построены на основе физических, вторые - на основе химических явлений.Практически подавляющее большинство современных датчиков работает на основе физических принципов. Для химических датчиков характерно наличие многих проблем, связанных преимущественно с надежностью, приспособленностью к массовому производству и стоимостью. В настоящее время многие из этих трудностей постепенно преодолеваются, и в будущем химические датчики найдут широкое применение, особенно как датчики запаха, вкуса или датчики медицинской электроники, вводимые в тело.

В медико-технических приложениях термин “межеранд” (measurand), который обозначает то, что система измеряет: физическую величину, свойство или состояние. Доступность измеряемой величины является важным обстоятельством, поскольку она может быть связанной с физическими процессами внутри организма (кровяное давление), на поверхности тела (ЭКГ), а также вне него (инфракрасное излучение). Кроме того, источником сигнала может быть извлеченный из тела образец ткани (например, проба крови или биопсийный материал). Наиболее важные межеранды, измеряемые медицинскими приборами, могут быть сгруппированы по следующим категориям: биопотенциалы, давление, поток, размеры (визуализация), перемещение (скорость, ускорение, сила), импеданс, температура, концентрации метаболитов. Каждый межеранд можно связать с определенным органом или с анатомической структурой.

Многие важнейшие параметры живой системы недоступны для непосредственного измерения, поскольку невозможно «подключить» сенсор без повреждения живого органа. В отличие от многих сложнейших физических систем, в биологической системе зачастую невозможно «выключить» или «отсоединить» составную часть, что было бы необходимым для стыковки сенсора и объекта измерения. Даже в тех случаях, когда можно защитить процесс измерения от помех со стороны некоторых органов (например, отфильтровать сигналы ЭКГ при измерении миограммы), слишком большие размеры многих сенсоров не позволяют подсоединить их к объекту измерения. В таких случаях недоступные для непосредственного измерения величины могут быть измерены косвенно. При измерении сигналов в условиях помех необходимо корректировать полученные данные - например, с помощью их фильтрации или иных способов математической обработки при анализе данных. Примером косвенного измерения является ЭКГ, при регистрации которой нет возможности расположить электроды непосредственно на сердце.

Величины, регистрируемые при измерениях на человеке или животных, редко являются неизменными и детерминированными. Многие параметры изменяются со временем даже в том случае, когда все возможные факторы, влияющие на результат измерения, стандартизованы. Например, разброс данных наблюдается даже при регистрации физиологических параметров у здоровых испытуемых в одних и тех же условиях. Вариабельность (изменчивость) измеряемых параметров является характерной чертой биологического объекта, прослеживаемой на разных уровнях - от макромолекул до целого организма. Во многих случаях внешним очевидным различиям параметров пациентов соответствуют индивидуальные анатомические особенности. Значительный разброс величин, получаемых при физиологических измерениях, частично объясняется взаимодействием различных систем живого организма. Наиболее общее «лекарство» от вариабельности физиологических характеристик являются статистические методы анализа, основанные на предположении о характере распределения измеряемых величин. При этом результаты индивидуальных измерений сравниваются с физиологическими нормами.

Во многих случаях необходимый межеранд (измеряемая величина или оцениваемое свойство) может быть непосредственно воспринят инвазивным или неинвазивным сенсором. Если требуемый межеранд недоступен для прямого измерения, то используют другой межеранд, который определенным образом связан в изучаемым, или же на объект измерения направляют энергию специфического вида, с помощью которой исследуемый межеранд становится доступным для измерения. Такой процесс реализуется с помощью датчиков косвенного типа. В датчиках косвенного типа явление, обусловленное непосредственным взаимодействием с внешней средой, преобразуется в другое явление (или ряд других), а последнее - в электрический сигнал.

Таким образом датчик - это техническое устройство, построенное на определенном физическом или химическом принципе действия, выполняющее одно частное измерительное преобразование. Работа датчика протекает в сложных условиях, так как объект измерения - это, как правило, сложный, многогранный процесс, характеризующийся множеством параметров, каждый из которых действует на датчик совместно с остальными параметрами. Нас же интересует только один параметр, который называется измеряемой величиной, а все остальные параметры процесса считаем помехами. Поэтому у каждого датчика целесообразно установить его естественную входную величину, которая лучше всего воспринимается им на фоне помех. Подобным образом можно выделить естественную выходную величину преобразователя.

По виду естественной выходной электрической величины датчики подразделяются на две большие группы: генераторные (с выходной величиной e=f(x) или i=f(x) и внутренним сопротивлением Z_ih=const и параметрические (с ЭДС e=0 и выходной величиной в виде изменения R, L или С функции X). Функция преобразования датчика - это функциональная зависимость выходной величины от входной, описываемая аналитическим выражением или графиком. Чаще всего стремятся иметь линейную характеристику преобразования, то есть прямую пропорциональность между изменением входной величины и соответствующим приращением выходной величины датчика.

Для описания линейной характеристики датчика L=U(x)=L₀+S(s) достаточно двух параметров: начального значения выходной величины L_о (нулевого уровня), соответствующего нулевому или какому-либо другому характерному значению входной величины x, и показателя относительного наклона характеристики S=(L-L₀)/x, называемого чувствительностью датчика.

Чувствительность преобразователя - это, как правило, именованная величина с разнообразными единицами, зависящими от природы входной и выходной величины, например, Ом/мм, мВ/К, мм/мкА. Иногда удобно характеризовать датчик порогом чувствительности, под которым понимается изменение измеряемой величины, вызывающее наименьшее изменение выходной величины. Наиболее характерным показателем качества датчика является полный диапазон датчика, определяемый как D_φ=x_н/Δ₀, где х_н - естественный предел измерения, Δ₀ – порог чувствительности.