Электроды для биомедицинских измерений (стр. 2 )

1.3.3. Нестабильность потенциала электрода определяется измерением потенциала (по методике п. 1.3.1) в течение 8 часов каждый час (температура должна быть в пределах 15-25°С и поддерживаться с точностью 0.2°С)

Нестабильность потенциала равняется максимальному отклонению от среднеквадратичного значения.

1.3.4. Температурный коэффициент потенциала определяется измерением потенциала (по методу п. 1.3.1) при двух температурах 5°С и 60°С и вычислением по формуле:

Е=(Е60-Е5)/55 (1.4)

где Е60, Е5 - потенциалы электрода при температурах соответственно 60 и 5 °С.

1.3.5. Электрическое сопротивление определяется при Т=20°±5°С омметром с рабочим напряжением 15В.

Один вывод омметра присоединяется к выводам электрода, а второй к серебряной проволоке диаметром от 0.3 до 1 мм, погруженной в полость электрода, заполненного насыщенным раствором КСl. Измерение сопротивления производится два раза попеременно с изме­нением полярности. За результат принимают среднеарифметическое значение двух измерений.

Допускается электрическое сопротивление измерять кондукто-метрическим методом с частотой питания измерительного моста от 100 до 2000 Гц. К одному из зажимов кондуктометра присоединяется вывод электрода, а к другому через С = 2-4 мкф - серебряная проволока диаметром 0.5 мм, погруженная в полость электрода, заполненную насыщенным раствором КСl.

1- электролитические ячейки с насыщенным рас­твором КС1; 2- электролитический ключ с насы­щенным раствором КО; 3- образцовый электрод сравнения; 4- проверяемый электрод; 5- милливольтметр

Рисунок 1.10 – Схема измерения потенциала электрода

1 – источник постоянного напряжения; 2 – генератор сигнала; 3 – пара исследуемых электродов; V - вольтметр

Рисунок 1.11 – Схема измерения частотной зависимости сопротивления и характеристики поляризации электродов

1.4 Используемые образцы и приборы

Типы электродов, используемых при практических исследованиях, указаны на прилагаемом к лабораторному макету планшете.

Для измерения электродных потенциалов исследуемый электрод включается последовательно с электродом сравнения, в качестве которого в работе используется хлоросеребряный выносной электрод типа ЭХСВ-1, и с помощью милливольтметра измеряется разность электродных потенциалов. (В качестве электролитической ячейки, соединяющей электроды, допускается использовать прокладку, смоченную насыщенным раствором КСl). Для расчета потенциала электрода, его отклонения от номинального, нестабильности и температурного коэффициента следует использовать приведенные выше формулы.

Для снятия частотной зависимости модуля комплексного сопротивления электродов пары однотипных исследуемых электродов включаются согласно схеме, представленной на рисунке 1.11. (При измерении на постоянном токе (нулевой частоте) вместо генератора сигнала используется источник постоянного напряжения). Электроды соединяются посредством пасты или раствора электролита в соответствии с указаниями по их применению в паспорте. С помощью переклю­чателя устанавливается такой ток через электроды, при котором обеспечивается необходимая точность и диапазон измерений. Искомое значение сопротивления Rэ-э рассчитывается по установленному току и намеренному падению напряжения на электродах:

Rэ-э=Uэ-э/Iэ=Rп Uэ-э/(Uг -Uэ-э) (1.5)

где Uэ-э - падение напряжения на электродах, Uг - напряжение на выходе генератора или источника постоянного напряжения, Iэ - ток, протекающий через электроды, Rп - сопротивление, включенное пос­ледовательно с электродами.

Исследование характеристики поляризации электродов и их деполяризация производится с помощью той же схемы включения (рисунок 1.11) с использованием источника постоянного напряжения. Постоянный ток различной величины пропускают через электроды в течение времени, достаточного для завершения процессов поляризации (прекращается рост падения напряжения на электродах), фиксируя разность потенциалов, остающуюся на электродах после отключения от источника тока.

Деполяризация электродов производится путем пропускания через них тока, обратного по направлению остаточной гальванополяризационной ЭДС до достижения нулевого значения последней.

1.5 Порядок выполнения работы

1 Измерить (с помощью милливольтметра) разностную гальвано-поляризационную ЭДС имеющихся пар однотипных электродов, соединенных последовательно посредством токопроводящей пасты или прокладки с физиологическим раствором.

2 Измерить потенциалы заданных электродов относительно образцового (ЭХСВ-1). Привести полученные значения к номинальным условиям.

3 Измерить электрическое сопротивление всех типов электродов в зависимости от частоты. Результаты представить в виде графиков. Определить параметры элементов эквивалентных схем исследованных электродов.

4 Произвести деполяризацию заданных электродов, пропуская через ячейку ток, обратный по полярности остаточной гальванополяризационной ЭДС, и добиваясь методом последовательного приближения нулевого значения этой ЭДС.

5 Измерить характеристику поляризации электродов, деполяри-зованных согласно пункту 4 (плотность тока рассчитывать с учетом реальной площади электродов).

6 Провести деполяризацию электродов, использованных при выполнении предыдущего пункта.

ПРИМЕЧАНИЕ. Перед выполнением работы уточнить задание и необходимые при измерениях исходные параметры у преподавателя.

1.8 Содержание отчета

1 Цель работы.

2 Краткие теоретические сведения.

3 Схемы измерений.

4 Результаты измерений и расчётов в виде числовых значений параметров, таблиц и графиков.

5 Выводы по полученным результатам.

Литература

1 Теория и проектирование диагностической электронно-меди­цинской аппаратуры: Учеб. пособие/ и др.- Л.: ЛГУ,

2 Жуковский электронные системы. - М.: Медицина, 1976. - Э12с.

3 , Миррахимов аспекты биотелеметрии. - Фрунзе: Илим, 19с.

4 ГОСТ (СТ СЭВ 2483-80). Электроды для съема биоэлектрических потенциалов. Термины и определения.- Введен о 01.07.с.

5 ГОСТ . Электроды вспомогательные промышленные.
Общие технические условия.

6 ТУ 26-06.1496-78. Электрод хлоросеребряный выносной ЭХСВ-1.

7 МИ 1772-87. ГСИ. Электроды вспомогательные для потенциометрических измерений. Методика проверки.

8 ГОСТ . Электрод сравнения хлоросеребряный насыщеный 2-го разряда.

2 Пьезоэлектрические преобразователи для регистрации физиологических параметров

2.1 Цель работы

1 Изучить принцип работы, характеристики, конструкции особенности применения пьезоэлектрических преобразователей для регистрации физиологических параметров.

2 Получить практические навыки экспериментального измерения и анализа характеристик пьезоэлектрических преобразователей.

2.2 Теоретические сведения

В пьезоэлектрических датчиках преобразование неэлектрических (механических) величин в электрические основано на появлении электрических зарядов на гранях некоторых естественных или искусственно созданных кристаллов при их деформации внешними силами.

При регистрации физиологических процессов при помощи пьезо-датчиков обычно происходит дифференцирование измеряемого напряжения. Это приходится учитывать при расшифровке и анализе данных. Пьезодатчики используются для регистрации артериальных осцилляции (сфигмоартериограммы) при измерении артериального давления, для записи тонов сердца, регистрации вибраций грудной стенки (кинетокардиограммы) и другах неэлектрических физиологических параметров.

2.2.1 Пьезоэлектрические преобразователи

Прямой пьезоэлектрический эффект. В кристаллических диэлектриках различно заряженные ионы располагаются в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Поскольку разноименно заряженные ионы чередуются и расположены так, что их заряды взаимно компенсируются, в целом кристалл электрически нейтрален. Электрическая структура кристалла, симметричного относительно оси или плоскости, схематически показана на рисунке 2.1. В направлении оси X ионы различных знаков чередуются и взаимно компенсируют свои заряды. При действии на кристалл силы Fх в направлении X кристаллическая решетка деформируется, расстояния между положительными и отрицательными ионами изменяются, и кристалл электризуется в этом направлении. На его гранях, перпендикулярных оси X, появляется заряд:

q=d11Fx (2.1)

пропорциональный силе Fx. Коэффициент d11, зависящий от вещества и его состояния, называется пьезоэлектрическим модулем. Индексы при коэффициенте d определяются ориентацией силы и грани, на которой появляется заряд, относительно кристаллических осей. При изменении ориентации пьезоэлектрический модуль изменяется. Электризация кристалла под действием внешних сил называется прямым пьезоэффектом. Вещества, обладающие пьезоэффектом, называются пьезоэлектриками. Для изготовления измерительных преобразователей наибольшее применение нашли естественные кристаллы кварца и ис­кусственные пьезоэлектрические материалы - пьезокерамики.

Кварц (SiO2). Призматическая часть кристалла кварца и расположение кристаллических осей показаны на рисунке 2.2. Ось X - электрическая, ось Y - механическая, ось Z - оптическая. Для использования в измерительных преобразователях из кристалла вырезается пластинка. При действии на пластинку сил вдоль осей X или Y происходит поляризация кристалла. На гранях, перпендикулярных оси X, появляются заряды:

q = d11 Fx или q = d11(Qx - Qy)Fy (2.2)

где Fx и Fy - соответствующие силы; Qx и Qy площади граней, пер­пендикулярных осям X и Y; d11=d12=2,31*10-12 К/Н - пьезоэлек­трические модули.

Возникновение заряда под действием силы Fx называется продольным пьезоэффектом, возникновение заряда под действием Fy - поперечным пьезоэффектом. Действие силы Fz вдоль оси Z не вызывает никаких электрических зарядов.

Рисунок 2.1 - Электрическая структура кристалла диэлектрика, сим­метричного относительно оси (плоскости)

Х - электрическая ось; V- механическая ось; 2- оптическая ось

Рисунок 2.2 - Кристалл кварт

Е пьезо-ЭДС на электродах пьезоэлемента; С- собственная емкость пьезоэлемента; С1- суммарная емкость кабеля я входа усилителя; R- входное сопротивление усилителя

Рисунок 2.3 - Упрощенная эквивалентная схема пьезоэлектрического преобразователя, соединенного с вольтметром

Кварцевая пластинка имеет высокую прочность. Допустимые напряжения могут доходить до (0,7-Н/м2, что позволяет прикладывать к ней большие измеряемые силы. Она имеет большой модуль упругости, что обусловливает ее высокую жесткость и очень малое собственное внутреннее трение. Последнее обстоятельство определяет высокую добротность изготовленных из кварца пластинок. Кварцевые пластинки используются для изготовления преобразователей, измеряющих давление и силу.

Кварц - материал с высокой твердостью, он трудно обрабатывается и может применяться для изготовления пластинок лишь простой формы.

Пьезоэлектрический модуль d практически постоянен до темпе­ратуры 200 °С, а затем с увеличением температуры немного уменьшается. Предельная рабочая температура составляет 600° С. При температуре 573° С (температура Кюри) кварц теряет пьезоэлектрические свойства. Относительная диэлектрическая проницаемость равна 4,5 и несколько увеличивается с увеличением температуры. Удельное объемное сопротивление кварца превышает 1012 Ом.

Электрические и механические свойства кварца имеют высокую стабильность. За 10 лет изменение характеристик не превосходит 0.05%.

Пьезоэлектрическая керамика. Пьезокерамика имеет доменное строение, причем домены поляризованы. При отсутствии внешнего электрического поля поляризация отдельных доменов имеет хаотическое направление, и на поверхности наготовленного из пьезокерамики тела электрический заряд отсутствует. В электрическом поле домены ориентируются в направлении этого поля, вещество поляризуется и на поверхности тела появляются заряды. При снятии поля домены сохраняют свою ориентацию, вещество остается поляризованным, но поверхностный заряд с течением времени стекает. Если к телу, изготовленному из пьезокерамики, после обработки его в электрическом поле приложить механическую нагрузку, то под ее действием домены изменяют свою ориентацию и изменяется поляризация вещества. Изменение поляризации вызывает появление заряда на поверхности тела. Тело, изготовленное из поляризованной керамики, при воздействии механической силы электризуется так же, как и естественные пьезоэлектрические монокристаллы.

Типичной пьезоэлектрической керамикой является титанат бария ВаTiO3. Его пьезоэлектрический модуль лежит в пределах d31=(4,35-8,35)10-11 К/Н; диэлектрическая проницаемость - в пределах εr - 1; тангенс угла диэлектрических потерь, характеризующий внутреннее удельное сопротивление, - в пределах tgα- 0,3 - 3 %. Зависимость возникающего заряда от приложенной силы имеет некоторые нелинейность и гистерезиc. Свойства пьезокерамики зависят также от их технологии и поляризующего напряжения.