Перечислим основные характеристики датчиков:
1) функция преобразования – функциональная зависимость выходной величины у от измеряемой входной величины х, которая описывается аналитическим выражением у = f (x), таблицей или графиком. Наиболее простым и удобным случаем является прямо пропорциональная зависимость у = kх;
2) порог чувствительности – минимальное значение измеряемого параметра, которое можно устойчиво зафиксировать с помощью данного датчика. Он измеряется в единицах определяемой величины. Например, для датчика температуры порог чувствительности равен 0,1 0С, для датчика давления – 0,5 мм.рт.ст. и т.д.
3) чувствительность Z характеризуется отношением D y /D х, где D у — изменение выходной величины, вызванное изменением входной величины на D х, т.е.: Z =D y /D x. В зависимости от вида датчика она выражается в Ом/см, мВ/К и т. д.;
4) динамический диапазон — диапазон значений входных величин, измерение которых производится без заметных искажений, связанных с конструктивными особенностями датчика и условиями измерения. Например, для кремниевого датчика температуры динамический диапазон равен: - 40 – +180 °С;
5) полоса пропускания – диапазон частот измеряемого сигнала, в котором его преобразование датчиком осуществляется без существенных искажений формы;
6) время реакции — минимальный промежуток времени, в течение которого происходит установление показаний датчика на уровень, соответствующий измеряемому значению входной величины.
Применяемые в медицине датчики, температуры как правило, основаны на зависимости их электрического сопротивления от температуры (параметрические датчики) или возникновении ЭДС, пропорциональной измеряемой температуре (генераторные датчики).
|
|
7. Термистор как датчик температуры, его чувствительность.
7.1. Датчики на основе металлов
Электрическое сопротивление металлических проводников обычно возрастает с повышением температуры T по линейному закону (рис. 3, прямая 1), то есть для датчиков на основе металлов функция преобразования имеет вид:
,[1] (4)
где a — температурный коэффициент сопротивления, который, как следует из формулы (3), вычисляется по формуле: 
; здесь R0 — сопротивление датчика при 0°С (273°К); DR — изменение сопротивления, соответствующее изменению температуры на DT. Обычно a используется как характеристика чувствительности датчика, причем a=const во всем рабочем интервале температур.
Чаще всего для изготовления датчиков применяется медь (a = 4×10-3 С-1), никель (a=5,4×10-3 °С-1) и платина (a=3,9 10-3 °С-1).
Такие датчики обычно имеют сопротивление 100 Ом при 0°С и являются достаточно точными (они отличаются хорошей повторяемостью результатов), но их существенный недостаток — небольшая температурная чувствительность.
7.2. Термисторы
Это термочувствительные элементы, изготовленные из полупроводниковых материалов, например, германия или кремния. Большинство выпускаемых термисторов характеризуются высокой чувствительностью, примерно в 10 раз большей, чем у платиновых и никелевых датчиков в физиологически значимом температурном интервале.
Связь между сопротивлением и температурой многих полупроводниковых материалов (функция преобразования) для температур, меньших 500 К, определяется формулой:
, (4)
где А и В — константы, зависящие от вида полупроводника. Графически температурная зависимость сопротивления полупроводникового материала имеет вид кривой 2 на рисунке 3. Температурный коэффициент сопротивления для них, согласно (4), оказывается равным:
|
|
, (5)
т.е он зависит от температуры.
Термисторы и датчики на основе металлов принято называть резистивными датчиками (от англ. resistor — сопротивление).
8. Термопара как датчик температуры, ее чувствительность.
Термопара – это устройство, состоящее из двух соединенных на одном из концов разнородных металлических проводников, например, меди и медно-никелевого сплава, железа и медно-никелевого сплава или платины и платино-родиевого сплава. Место соединения проводов называется спаем (на практике — это сварной контакт). Если температура спая и свободных концов различны, то между последними возникает электродвижущая сила (ЭДС), зависящая от разности температур. Соединив между собой две такие термопары, получают так называемую дифференциальную термопару или полный датчик. Он обычно и используется при измерениях температуры (рис. 4). Если теперь один спай в таком датчике содержать при 0°С (тающий лед) или поместить в среду с некоторой температурой Т1 а второй — в среду с температурой Т2, которая отлична от 0 °С или от Т1, то на свободных концах такого устройства возникает ЭДС e (термо-ЭДС), а в замкнутой цепи — электрический ток (эффект Зеебека). На рисунке 4 цифрами 1 и 2 обозначены металлы, образующие термопару. Спай термопары, имеющий более низкую температуру обычно называется холодным, более высокую — горячим.
Термо-ЭДС определяется следующей формулой:
, (6)
где b — чувствительность термопары, коэффициент, показывающий на сколько изменяется термо-ЭДС при изменении разности температур на 1°С. Эта величина сильно различается для различных пар проводников и составляет несколько микровольт на градус.