123771 (Пристрій для вимірювання температури та артеріального тиску), страница 2

Всі термодатчики, за винятком зібраних на ІС, мають нелінійну залежність вихідною сигналу від температури. В минулому для корегування цієї нелінійності був розроблений широкий спектр аналогових схемотехнічних рішень. Ці схеми часто вимагали індивідуальною калібрування. Щоб досягнути заданої точності, в них використовувалися прецизійні резистори. Сьогодні, завдяки наявності АЦП з високою роздільною здатністю, сигнали з датчиків можуть бути оцифровані безпосередньо, без попереднього посилення і лінеаризації. Лінеаризація, компенсація напруги на опорному спаї і інша обробка виконуються потім цифровими способами, що дозволяє понизити складність і вартість системи.

Сучасні напівпровідникові датчики температури дають високу точність і високу лінійність в робочому діапазоні від -55С до +150С. Вбудовані підсилювачі можуть масштабувати вихідні сигнали датчика, приводячи їх до зручних величин, як, наприклад, 10 мВ/С. Датчики також досить корисні в ланцюгах компенсації температури холодного спаю для широкодіапазонних термопар.

Датчики температури з цифровим виходом мають ряд переваг над датчиками з аналоговим виходом, особливо у випадку дистанційних застосувань. До того ж, для забезпечення гальванічної розв’язки (ізоляції) між дистанційним датчиком і вимірювальною системою можна використовувати елементи опторазв’язки. Наприклад, функцію пристрою з цифровим виходом виконує датчик температури з напругою на виході, за яким слідує конвертор напруга-частота, хоча існують інші типи мікросхем, що є ефективнішими і дають додаткові переваги в роботі [5].

На рис. 1.3 зображено цифровий датчик температури DS18b20.

Рисунок 1.3 – Температурний датчик DS18b20

1.2 Методи вимірювання артеріального тиску

1.2.1 Загальні відомості про вимірювання артеріального тиску

Артеріальний тиск – один з найважливіших параметрів, що характеризує роботу кровоносної системи. Тиск крові визначається об’ємом крові, що перекачується серцем в одиницю часу та опором сосудистого русла. Розрізняють систолічний та діастолічний артеріальні тиски. Систолічний артеріальний тиск показує тиск в артеріях в момент, коли серце стискається і виштовхує кров в артерії. Діастолічний тиск (мінімаьний тиск в артеріях) показує тиск в артеріях в момент розслаблення серцевого м’яза. Типове значення артеріального тиску здорової людини – 120/80 мм рт. ст. (систолічний/діастолічний). Різниця між систолічним та діастолічним артеріальним тиском в нормі складає 30 – 60 мм рт.ст.

Для вимірювання артеріального тиску (АТ) найчастіше використовуються наступні методи:

• аускультативний метод М.С.Короткова;

• метод прямого вимірювання АТ;

• осцилометричний метод;

• пальпаторний метод;

• прямий метод.

1.2.2 Аускультативний метод

Аускультативний метод вимірювання АТ був запропонований в 1905 р. Н.С. Коротковим. Типовий прилад для визначення тиску методом Короткова (сфігмоманометр або тонометр) складається з пневмоманжети, груші для нагнітання повітря з клапаном, що регулюється, і пристрою, що вимірює тиск в манжеті. В якості подібного пристрою використовуються ртутні манометри, стрілочні манометри або електронні манометри. Вислуховування проводиться стетоскопом, або мембранним фонендоскопом, з розташуванням чутливої головки у нижнього краю манжети над плечовою артерією без значного тиску на шкіру. Систолічний АТ (САТ) визначають при декомпресії манжети у момент появи першої фази тонів Короткова, а діастолічний АТ (ДАТ) – по моменту їх зникнення.

Метод не зазнав серйозних змін за 95 років практичного використання. Змінилася класифікація тонів, що отримали назву тонів Короткова. Перша фаза тонів – їх поява, друга – ослаблення (аж до зникнення, що спостерігається при так званому аускультативному провалі) із заміщенням їх компресійними шумами, третя – посилення тонів, четверта – різке ослаблення, п'ята - повне припинення (іноді відсутній при явищі "нескінченного тону").

Аускультативна методика визнана як референтний метод неінвазивного визначення АТ, не зважаючи на дещо занижені значення для САТ і завищені – для ДАТ в порівнянні з цифрами, отриманими при інвазивному вимірюванні.

Важливими перевагами методу є вища стійкість до порушень ритму серця і рухів руки під час вимірювання. Проте метод має ряд істотних недоліків, пов'язаних з високою чутливістю до шумів в приміщенні, перешкод, що виникають при терті манжети об одяг, а також необхідності точного розташування мікрофону над артерією. Точність реєстрації АТ істотно знижується при низькій інтенсивності тонів, наявності "аускультативного провалу" або "нескінченного тону". Похибка вимірювання АТ цим методом складається з похибки самого методу, манометра і точності визначення моменту прочитування показників, і складає 7-14 мм рт. Ст [3].

1.2.3 Пальпаторний метод

Пальпаторний метод передбачає поступову компресію або декомпресію кінцівки в області артерії і пальпацію її нижче місця здавлення. Компресійна манжета і зручний варіант вертикального ртутного манометра для пальпаторного методу були запропоновані італійцем Ріва Роччі (1896).Тиск в манжеті піднімався до повного припинення пульсу, а потім поступово знижувався. Систолічний АТ визначається тиском в манжеті, при якому з'являється пульс, діастолічний – моментами, коли наповнення пульсу помітно знижується, або виникає "хибне" прискорення пульсу (pulsus celer) [3].

1.2.4 Осцилометричний метод

Оригінальна осцилометрична методика Е. Марея (1876) припускала розміщення кінцівки людини у водний плетизмограф, що дозволяє створювати навколо неї регульований тиск здавлення і одночасно реєструвати невеликі пульсації об'єму кінцівки, пов'язані з пульсовим кровонаповненням артерій. Проаналізувавши характер залежності амплітуди цих пульсацій від тиску здавлення, автор запропонував наступні критерії для оцінки АТ. Згідно з осцилометричним методом зниження тиску в оклюзійній манжеті здійснюється ступінчасто і на кожному ступені аналізується амплітуда мікропульсацій тиску в манжеті, що виникає при передачі на неї пульсації артерій. Здавлюючий тиск (при декомпресії), при якому пульсації починають різко рости, відповідає САТ, максимальні пульсації – середньому АТ, починають різко знижуватися – ДАТ.

Осцилометричний метод використовується приблизно в 80% всіх автоматичних і напівавтоматичних приладів, що вимірюють АТ. В порівнянні з аускультативним, осцилометричний метод стійкіший до шумової дії і переміщення манжети по руці, дозволяє проводити вимірювання через тонкий одяг, а також за наявності вираженого "аускультативного провалу" і слабких тонах Короткова.

Використання осцилометричного методу дозволяє оцінити рівень тиску не тільки на рівні плечової і підколінної артерій, але і на інших артеріях кінцівок. Це послужило причиною створення цілої серії професійних і побутових вимірювальних приладів з їх фіксацією на плечі, зап'ясті і спростило вимірювання рівня АТ в амбулаторних умовах, в дорозі, і т.п. Застосування осцилометричного методу дає можливість зменшити вплив людського чинника на процес реєстрації тиску, що дозволяє понизити похибка вимірювання[3].

1.2.5 Прямий метод

Інвазивний (прямий) метод вимірювання АТ застосовується тільки в стаціонарних умовах при хірургічних втручаннях, коли введення в артерію пацієнта зонда з датчиком тиску необхідне для безперервного контролю рівня тиску. Перевагою цього методу є точність (в тому числі при аритміях), можливість реєстрації АТ при кожному серцевому скороченні. Проте пацієнти з інвазивним моніторингом АТ вимагають спостереження через небезпеки розвитку важкої кровотечі у разі від'єднання зонда, утворення гематоми або тромбозу в місці пункції, інфекційних ускладнень[3].

1.2.6 Вимірювання артеріального тиску за допомогою датчиків тиску

Датчики тиску мають досить широке застосування. Принцип реєстрації тиску служить основою для багатьох інших типів датчиків, наприклад датчиків маси, положення, рівня, витрат рідини та ін. В переважній більшості випадків індикація тиску здійснюється завдяки деформації пружних тіл, наприклад діафрагми, трубки Прудона, гофрованої мембрани. Такі датчики мають достатню міцність, малу вартість, але в них ускладнено отримання електричних сигналів. Потенціалометрочні (реостатні), ємнісні, індукційні, магнітострикційні, ультразвукові датчики тиску мають на виході електричний сигнал, але порівняно складні у виготовленні.

На даний момент в якості датчиків тиску все ширше використовуються тензометри. Особливо перспективними представляються напівпровідникові тензометри дифузійного типу. Дифузійні тензометри на кремнієвій підкладці мають високу чутливість, малі розміри і легко інтегруються з необхідними периферійними схемами.

Резистивний тензодатчик представляє собою основу із закріпленим на ньому резистивним елементом. Під дією сили основа із закріпленим елементом змінює свої розміри (стискається або розтягується), отже, резистивний елемент також змінює свій опір. Тензодатчик є найбільш відомим перетворювачем сили в електричну величину.

На рис. 1.4 зображено ненаклеюваний тензодатчик, що складається з дрота, натягнутого між двома стійками. Сила, впливаючи на дріт (площею перетину = А, завдовжки = L, з питомим опором = р) спричиняє подовження або стиснення останнього, що призводить до пропорційного збільшення або зменшення її опору:

де, GF характеризує тензочувствітельность (значення 2,0…4,5 – для металів і більше 150 для напівпровідників).

Безрозмірна величина AL/L є мірою сили, прикладеної до дрота, і виражається в мікрострейнах (1 με = 10^-6 см/см), що є тим же самим, що і мільйонна частина (ppm) (у вітчизняній літературі застосовується термін овд – одиниці відносної деформації, чисельно рівний кількості мікрострейн). З рівності виходить, що чим більша тензочувствітельность, тим більша величина зміни опору і, отже, вища чутливість датчика.

Рисунок 1.4 – Ненаклеюваний дротяний тензодатчик

Наклеюваний тензодатчик (рис. 1.5) складається з тонкого дроту або провідної фольги, закріпленої на плоскій пластині. Ця конструкція приклеюється на основу. Датчик зазвичай встановлюється так, щоб його найбільш довга сторона була орієнтована у напрямі вимірюваної сили. Зазвичай наклеювані датчики використовуються набагато частіше ненаклеюваних.

Рисунок 1.5 – Наклеюваний дротяний тензодатчик

Фольгові датчики (рис. 1.6) є найбільш популярною версією наклеюваних тензодатчиків. Вони виготовляються методом фототравління і використовують ті ж метали, що і дротяні датчики (константан, нихром, сплав нікелю із залізом і т.д.). Дротяні датчики мають малу поверхню зв'язку з зразком основою, щозменшує струми витоку при високих температурах і дає більшу напругу ізоляції між чутливим елементом і основою. З іншого боку, фольгові чутливі елементи мають велике значення відношення площі поверхні до площі поперечного перерізу (чутливість) і стабільніші при критичних температурах і тривалих навантаженнях. Велика площа поверхні і малий поперечний переріз також забезпечують хороший температурний контакт чутливого елементу із основою, що зменшує саморозігрів датчика.

Рисунок 1.6 – Металофольговий тензодатчик

Напівпровідникові тензодатчики використовують п'єзорезистивний ефект, що виникає в деяких напівпровідникових матеріалах, таких як кремній і германій, і використовуються для отримання більшої чутливості пристрою і його вихідного сигналу. Можна зробити так, щоб напівпровідникові датчики мали при їх деформації або позитивний, або негативний сигнал. Їх можна зробити достатньо малими за розмірами при збереженні високого номіналу опорів. Напівпровідникові тензомости мають в 30 разів більшу чутливість, ніж металофольгові, але вони залежать від температури і важко піддаються компенсації. Зміна їх опору від деформації також нелінійна. Для прецизійних вимірювань їх не використовують так само широко, як стабільніші металофольгові, проте, в додатках, де варіації температури малі, а величина чутливості важлива, вони можуть мати певні переваги.

Напівпровідникові датчики тиску дифузійного типу широко використовується для вимірювання артеріального тиску крові, в автомобільній електроніці, в компресорах. Основні проблеми, які характерні для цих датчиків і які ймовірно будуть вирішені в найближчому майбутньому, – це усунення температурної залежності, підвищення стійкості до зовнішнього середовища і збільшення терміну служби [6].

1.3 Мікропроцесори та мікроконтролери