2.5 Пьезоэлектрический преобразователь

     Пьезоэлектрический  преобразователь – измерительный преобразователь механического усилия в электрический сигнал; его действие основано на использовании пьезоэлектрического эффекта. Один из вариантов конструкции пьезоэлектрического датчика давления показан на рисунке 6.

       
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Рисунок 6  - Схема устройства пьезоэлектрического датчика давления: p – измеряемое давление; 1 – пьезопластины; 2 – гайка из диэлектрика; 3 – электрический вывод; 4 – корпус (служащий вторым выводом); 5 – изолятор; 6 – металлический электрод

     Под действием измеряемого давления на внешней и внутренней сторонах пары пластин пьезоэлектрика возникают  электрические заряды, причём суммарная  ЭДС (между выводом и корпусом) изменяется пропорционально давлению. Пьезоэлектрический датчик целесообразно  применять при измерении быстроменяющегося  давления; если давление меняется медленно, то возрастает погрешность преобразования из-за «стекания» электрического заряда с пластин на корпус. Включением дополнительного конденсатора параллельно  пьезоэлектрическому датчику можно  уменьшить погрешность измерения, однако при этом уменьшается напряжение на выводах преобразователя. Основные достоинства пьезоэлектрических преобразователей – их высокие динамические характеристики и способность воспринимать колебания давления с частотой от десятков Гц до десятков МГц.

     3 Анализ преобразователей давления  спинномозговой жидкости

     Выбор измерительного преобразователя является сложной задачей для данного  способа измерения давления. Сложность  заключается в особенностях проведения процедуры измерения давления. Так  как существуют только инвазивные методы измерения давления, то применение некоторых преобразователей является невозможным из-за их конструктивных особенностей. Измерение должно проводится в момент извлечения мандрена, после  введения пункционной иглы. Это связанно с тем, что введение иглы является сложной задачей и при введение нужно точно убедится что игла попала в пазуху(субарахноидальное пространство), содержащую цереброспинальную жидкость, а не в кость. Как только игла попала в субарахноидальное пространство, к ней присоединяют манометр и измеряют давление.

     Чаще  всего для измерения давления применяют простейшие мембранные манометры, чувствительным элементом которых  являются мембраны или трубчатые  пружины. Преимущества заключаются  в простоте использования, возможности  быстрого и легкого подключения  к пункционной игле. Также мембраны обеспечивают хорошую стабильность нулевого положения стрелки прибора (манометра).

     тензорезистивный  преобразователь обладает рядом  положительных характеристик: высокая  точность, хорошая долговременная стабильность, высокая собственная частота, применимость для изготовления небольших серий, коэффициент тензочувствительности, возможность миниатюризации чувствительного элемента. Но для измерения давления спинномозговой жидкости имеет более сложную конструкцию и является менее рациональным в использовании. Так же недостатком тензорезистивного преобразователя является сложность изготовленя чувствительного элемента.

     Индуктивный, емкостной и пьезоэлектрический преобразователи имеют недостатки, такие как: короткий срок службы, высокое  внутреннее сопротивление, зависимость  точности работы от питающего напряжения. И применимо к поставленной цели данной курсовой работы являются наименее подходящими.

     Проведя анализ рассмотренных преобразователей давления, можно сделать вывод  о том что наиболее оптимальным  для проведения измерений является чувствительный элемент – мембрана. 

4 Медико-технические  требования

     1  Наименование и область применения  изделия 

     1.1 Измеритель давления жидкости

     1.2 Измеритель предназначен для измерения давления.

     Измеритель  предназначен для определения давления в медицинских учреждениях, при проведении специальной процедуры – люмбальной пункции.

     2 Основание для разработки 

     Задание на курсовую работу по дисциплине «Измерительные преобразователи и схемы их включения».

     3 Исполнитель разработки 

     Студент группы 41-ИД УНИИ ИТ ОрёлГТУ Стародубцева О.Л.

     4 Цель и назначение разработки

     4.1 Измеритель давления спинномозговой жидкости предназначен для проведения измерений давления с целью контроля уровня внутричерепного давления человека и его общего состояния.

     5 Медицинские требования

     5.1 В основу принципа действия измерителя давления положены следующие эффекты:

• изменение давления за счет деформации упрогого чувствительного элемента;

     5.3 Число одновременно обслуживаемых пациентов – 1 (один).

     5.4 Управление измерителем осуществляет оператор, который контролирует результаты измерения.

     5.5 Измерение давления проводят при специальной процедуре. Пациент должен находится в условиях его спокойствия, расслабления мышц спины, в положении лежа.

     6 Технические требования

       6.1 Состав изделия

• корпус;
• мембрана;
• крышка;

     6.2 Показатели назначения

     6.2.1 Измеритель обеспечивает определение давления инвазивным методом с участием человека- оператора в системе измерения.

     6.2.2 Исследуемое давление 20-300 мм рт. ст..

     6.3 Класс точности 2.5

     6.4 Средняя наработка на отказ аппарата не менее 2000 ч.

     6.5 Условия эксплуатации

     6.5.1 Наружные поверхности должны быть устойчивы к химической дезинфекции 3% раствором перекиси водорода по ГОСТ 177-88 с добавлением 0,5 % синтетического моющего средства типа «Лотос» по ГОСТ 25644-88.

       6.5.2 Рабочие условия эксплуатации:

• температура окружающей среды от +5 до +40 ⁰С;
• относительная влажность воздуха до 80 %  при t = 25 ⁰C;
• атмосферное давление – от 650 до 800 мм рт. ст.

      5 Расчет параметров и характеристик выбранного преобразователя

      5.1 Расчет параметров преобразователя

На рисунке 7 представлена типичная конструкция прибора с мембранным УЧЭ для преобразования давления.

Рисунок 7 -  Закрепление мембраны в приборе  для измерения давления

Прибор  содержит  мембрану 9, герметично закрепленную между фланцами 8 и 10, жесткий центр 7 которой шарнирно соединен с тягой 6. Перемещение мембраны под действием давления, подаваемого через штуцер фланца 10, шарнирно-рычажным механизмом и зубчатым сегментом 4 с трубкой, насаженной на ось 3, преобразуется в угловое вращение стрелки 2 относительно шкалы, нанесенной на циферблат 11, который смонтирован на корпусе 5 манометра. Передаточный механизм и стрелка монтируются на жестко связанную с корпусом стойку 1.

Рассмотрев  принцип работы устройство, можно  сделать вывод что для получения  наглядного значения измерения необходима знать деформационные параметры мембраны.

Основными параметрами мембраны являются:

- упругая  характеристика;

- жесткость;

- чувствительность;

- эффективная  площадь.

Проедем расчет характеристик мембраны и  построим гистерезис для наглядного представления изменения упругой  характеристики под влиянием нормально  измеряемого давления (80-120 мм.рт.ст.).

1. Упругая характеристика – зависимость между перемещением и входной величиной.

 

где R – радиус мембраны; h – толщина мембраны; Е – модуль упругости; μ – коэффициент Пуассона.

Наиболее  часто используются дюралюминиевые мембраны с параметрами:

R=14мм; h=1мм; Е=74 ГПа; μ=0.34; р=80-120 мм.рт.ст. (10664-15996 Па)

Для R=80 l= 0.00272 

Таблица 3 – Значения упругой характеристики 

 

На рисунки 8 представлена зависимость упругой  характеристики от роста давления

Рисунок 8 – Зависимость упругой характеристики от давления 

2. Жесткость

где p - давление; l – упругая характеристика  

3. Чувствительность

 

4. Эффективная площадь 

                 где R – радиус мембраны

         5.2 Расчёт погрешностей преобразователя

     Важным  источником возникновения погрешности  изимерения является влияние температуры  на упругие свойства и линейные размеры  упругого чувствительного элемента.

     Изменение модуля упругости при изменении  температуры выражается формулой:

где - модуль упругости при температуре ; - модуль упругости при изменении температуры; - температурный коэффициент изменения модуля упругости

Отсюда:

где - изменение перемещения измерительной точки упругого элемента за счет изменения температуры; - перемещение мембраны при нормальных температуре и давлении;

_{Для упругого элемента с  постоянной жесткостью можно определить приведенную погрешность:}

=0,51%