TRADUCTOARE
Traductoarele utilizate sunt întâlnite în marea lor majoritate şi în alte domenii tehnice, dar
prezintă adaptări specifice aparaturii biomedicale. Astfel, putem menţiona:
• Traductoare de deplasare (rezistive, inductive, capacitive, de tip piezoelectric, optice etc.)
• Traductoare de temperatură (termistori, termorezistenţe, termocuple, termometria prin
radiaţii, termometrie chimică etc)
• Traductoare optice (pentru măsurarea intensităţii luminoase sau a fluxului luminos,
realizate cu dispozitive electronice specifice: semiconductoare, LCD –Light Coupled
Devices, fotomultiplicatori, etc)
• Detectoare de radiaţii (detectoare termice şi detectoare cuantice )
• Traductoare de forţă,
• Traductoare de presiune
• Traductoare de debit etc.
Descriem pe scurt câteva din aceste traductoare şi menţionăm unele aspecte specifice domeniului.
Traductoare de deplasare
Aparatura biomedicală întâmpină cerinţele medicilor şi cercetătorilor care sunt interesaţi de
măsurători ale dimensiunii, formei şi poziţiei organelor interne şi ţesuturilor corpului. Variaţia
acestor parametri furnizează date ce pot indica funcţionarea normală sau anormală.
Traductoarele de deplasare pot fi utilizate în sisteme de măsurare directe cât şi indirecte. De
exemplu, măsurări directe de deplasare se folosesc la determinarea modificărilor diametrului
vaselor de sânge şi modificarea volumului şi formei cordului. Măsurători de deplasare indirecte
sunt utilizate la cuantificarea deplasărilor lichidului prin valvele cardiace, cum ar fi mişcarea unei
diafragme de microfon care detectează murmurul cardiac.
Traductoare rezistive
Potenţiometrele
În fig. 1 sunt prezentate trei tipuri de dispozitive potenţiometrice pentru măsurarea deplasărilor,
având următoarele domenii de măsurare:
1
a) translaţii de la 2 la 500 mm
b) Deplasări unghiulare, cu unghiuri de 10o-50o
c) Rotaţii multiple
Elementul rezistiv poate fi fir, film de carbon, film metalic, material plastic conductiv, sau
material ceramic conductiv) şi poate fi excitat atât de c.c. cât şi de c.a. Avantaje: furnizează
semnal de ieşire liniar ( 0,01% din scală).
Rezoluţia este funcţie de tipul constructiv. O conversie continuă a rezistenţei electrice este
posibilă doar pentru valori mici, până la 10 Ω, utilizând un conductor drept. Pentru variaţii mari
ale rezistenţei, de la ohmi la mega-ohmi, firul rezistiv este bobinat şi astfel variaţia rezistenţei
este în trepte, cursorul deplasându-se de la o spiră la alta. Limitarea rezoluţiei este dictată de
spaţiul de înfăşurare, care poate fi mic până la 20 µm.
elice
F
T
A
e
l
m
a
a) Potenţiometru de translaţie
ig. 1
raductoarele electrotensometric
tunci când un conductor fin (o
lastic al materialului, rezistenţa
ungimii şi rezistivităţii. Rezultă
ăsurarea deplasărilor foarte mic
unui fir de rezisivitate ρ (Ωm), l
b) Potenţiometru de unică rotaţie
e rezistive (Mărcile tensometrice)
rdin de mărime 25 µm) este sol
electrică a firului se modifică d
astfel un traductor tensometric r
i, de ordinul nanometrilor. Ecu
ungime L (m) şi arie a secţiunii tr
2
c) Potenţiometru de rotaţie multiplă
icitat la tracţiune în domeniul
atorită modificării diametrului,
ezistiv care poate fi utilizat în
aţia de bază a rezistenţei R (Ω)
ansversale A (m2 ) este:
ALR ρ
= (1)
Variaţia lui R se determină diferenţiind:
AdLLdAA
AdLdR ρρρ
+−= −2 (2)
Lucrând în domeniul modificărilor finite ale parametrilor (împărţind membrii ecuaţiei 2 prin
membrii corespunzători ai ec. 1) şi introducvând valori incrementale, rezultă:
ρρ∆
+∆
−∆
=∆
AA
LL
RR (3)
Coeficientul lui Poisson, ν, face legătura dintre modificările de diametru şi cele de lungime,
LL
DD ∆
−=∆ ν şi substituind în ec 3 se obţine:
( )ρρν ∆
+∆
+=∆
LL
RR 21 (4)
Din ec 4 se observă că variaţia rezistenţei este dată de doi termeni:
• variaţie dimensională, lungime, LL∆ şi arie,
LL∆ν2 (efect dimensional) precum şi
• variaţia rezistivităţii ρρ∆ (efect piezorezistiv) datorită modificărilor induse de
deformaţiile specifice în structura materialului.
Factorul de traductor, G, dat de raportul dintre ec 4 şi LL∆ , se utilizează în compararea diverselor
materiale utilizate la TER.
3
( )LLLL
RRG//21
//
∆∆
++=∆∆
=ρρν (5)
Pentru materialele semiconductoare factorul G este de 50-70 ori mai mare decât al metalelor. De
asemenea, trebuie menţionat că pentru metale, G este în principal, o funcţie de efecte
dimensionale iar pentru semiconductoare, efectul piezorezistiv este dominant. Dar, efectul dorit,
şi anume factor G mare, la semiconductoare este limitat de coeficientul mare rezistivitate-
temperatură, de aceea se prevede compensarea temperaturii din proiectare.
Mărcile tensometrice se pot clasifica în două categorii: fixate (lipite) şi nefixate. În fig 1 este
prezentată o variantă nefixată. Cele patru seturi de fire sunt conectate la o punte Wheatstone.
c Diafragma
R2 R1Rx A
b Bυi a Ry R4R3 Armatura
Cd D
Ri
Figure 1 (a) Senzor de presiune cu mărci nelipite. Diafragma este cuplată direct de o armătură la
un sistem de mărci nelipite. La creşterea presiunii, deformaţiile specifice pe mărcile B şi C cresc
în timp ce pe mărcile A şi D scad. (b) Puntea Wheatstone cu patru elemente active R1 =A, R2=B,
R3=D, and R4=C, când traductorul nelipit este conectat pentru translaţie. Rezistenţa Ry şi
potenţiometrul Rx sunt utilizate pentru echilibrarea iniţială a punţii. Se aplică tensiunea de intrare
νi iar ∆vo este tensiunea de ieşire pe un voltmetru cu rezistenţa interioară Ri.
Strain-gage wires(a)(b) ∆ υo Firele mărcii
4
4o mm
Figura 2 Izolaţia unui senzor de presiune sanguină
Senzorii de presiune sanguină de unică folosinţă sunt confecţionaţi din material plastic
transparent, astfel încât bulele de aer să fie vizibile cu uşurinţă. Soluţia salină curge dintr-un
recipient prin tubul transparent IV şi prin senzor către pacient. Acest flux previne coagularea
sângelui şi obturarea cateterului. O pârghie comandă deschiderea sau închiderea valvei. Cip-ul
din siliciu are o diafragmă din siliciu cu o punte Wheatsone, cu patru rezistenţe, imersată în el.
Conexiunile electrice ale cip-ului sunt protejate de soluţia salină de un gel elastomeric
deformabil, care de asemenea are rol şi de izolator electric. Acesta previne şocul electric de la
senzor la pacient şi de asemenea previne curenţii distructivi în timpul defibrilării de la pacient
către cip-ul din siliciu.
Gel
Plastic transparent
valvă Soluţie salinăpacient
IV tub
Cip din siliciu Cablu electric
5
n
Cabluri conectare
Cabluri conectare
Cabluri conectare
Fig .3 Traductoare TER f
specifice (alungire)
(a) Tip fir rezistiv.
(b) tip folie (bandă)
(c) Tip fir bobinat
Mărcile cu elemente semi
Aceste unităţi integrate po
Materialul de tip opus es
avantajul că, pentru un t
componentă constructivă
margine apare o tensiune
centrul diafragmei şi amp
mărită şi o bună compensar
Fir Rezistiv al mărcii
ixate. Săgeţile indică direcţia de
conductoare pot fi utilizate ca fi
t fi construite folosind siliciu sau
te difuzat în substratul construct
raductor de presiune, poate fi fo
structurală a diafragmei. Când se
radială. Semnul tensiunii radiale
lasarea a opt traductoare (difuza
e a influenţei temperaturii.
6
Rezisteţă tip bandă
sensibilitate maximă la deformaţii
xate, nefixate sau unităţi integrate
germaniu p sau n ca substrat
iv. Traductoarele tip integrate au
losit siliciul ca substrat pentru o
aplică presiune pe diafragmă, la
este opus tensiunii tangenţiale din
te) (fig c) conduce la sensibilitate
Rezistenţă tip fir bobinat elicoidal
Suport
Suport SuportStrat tip ţesătură
.
.
Vedere de sus
Vedere laterală
Regiune cu material p distribuit
Regiune cu material p distribuit
Plan Si tip n
Strat cu material p distribuit
Fig 4 Traductoare TER cu semiconductor
(a) Nefixată (b) Tip p difuzat. (c) senzor de presiune integrat (d) Senzor de forţă integrat tip
consolă. Mărcile de tip rezistenţă elastică, TER, sunt extrem de utilizate în domeniul
biomedical, în special în determinările cardiovasculare şi respiratorii, dimensionale şi
pletismografice (măsurare de volum). Sistemul constă dintr-un tub îngust din cauciuc siliconic
(diam interior 0,5mm, diam ext 2 mm) lung de 30-250 mm, plin cu mercur sau cu un electrolit
sau cu pastă conductivă. Capetele tubului sunt etanşate cu electrozi (cupru, argint, sau platină)
Pe măsură ce tubul se întinde, diametrul tubului scade şi creşte lungimea, provocând creşterea
rezistenţei electrice. Rezistenţa tipică pe unitate de lungime de marcă este 0,02-2 Ω/cm. Aceste
7
traductoare măsoară deplasări mai mari decât alte tipuri de mărci TER. Problemele care apar la
utilizare includ: menţinerea unui contact electric bun între mercur şi electrozi, asigurarea
continuităţii coloanei de mercur, controlarea deviaţiei rezistenţei datorită factorului de
temperatură ridicat al mărcii. În plus, calibrarea de precizie este dificilă datorită elasticităţii
volumice şi a relaţiilor tensiune–deformaţie ale complexului ţesut-traductor. În fig.5 este
prezentat traductorul aplicat pe gamba umană.
Fig .5 TER pletismografic (mercur-în-cauciuc) (a) Ter cu patru fire aplicat pe gamba umană.
(b) Semnalul de ieşire la punte pentru pletismografie pentru ocluzie venoasă. (c) Semnalul de
ieşire la punte pentru pletismografie pentru puls arterial
Traductori inductivi
Inductanţa L poate fi utilizată la măsurarea deplasărilor prin variaţia unuia dintre cei trei
parametri ai bobinei:
8
µGnL 2=
n-numărul de înfăşurări
G-factor de formă geometric
µ – permeabilitatea magnetică a materialului
Fiacare dintre aceşti parametri poate fi modificat prin mijloace mecanice. Fig. 6 prezintă
traductori a) autoinductiv b) inductanţă reciprocă c) cu transformator diferenţial.
Un traductor inductiv prezintă avantajul că nu este afectat de proprietăţile dielectrice ale mediului
de lucru. Dar, poate fi afectat câmpurile magnetice externe datorate apropierii de materiale
magnetice.
Metoda inductanţei variabile cu o singură bobină deplasabilă, fig a), funcţionează pe principiul
că modificarea inductanţei unei bobine se poate face schimbând factorul de formă geometric sau
deplasând un miez magnetic în interiorul bobinei. Variaţia inductanţei nu este liniară în raport cu
deplasarea. În 1962, Allard, a utilizat o bobină cu miez metalic la măsurarea deplasărilor pentru
un traductor de presiune intracardiac. Dispozitivul are răspuns peste 1 kHz, deci poate fi folosit
pentru măsurarea presiunii şi sunetelor cardiace.
Fig 6 Senzori de deplasare inductive (a) autoinductanţă. (b) Inductanţă reciprocă (c)
transformator diferenţial
Metoda inductanţei reciproce, fig 6 b) presupune două bobine distincte a căror variaţie a
câmpului magnetic este utilizată în măsurarea deplasărilor. Se aplică, de ex, la măsurarea
dimensiunilor cordului, monitorizarea respiraţiei copiilor, determinarea diametrelor arterelor. De
asemenea, se măsoară modificări ale dimensiunilor organelor interne (rinichi, vasele de sânge
importante, ventriculul stâng). Tensiunea indusă în bobina secundară depinde de geometria
c
d
c
c
d
(a) (b) (c)
c
d
a a
a
b e
d
c
b
b
d
9
bobinelor, (separare şi aliniere axială, numărul înfăşurărilor primare şi secundare, frecvenţa şi
amplitudinea tensiunii de excitaţie.
Fig 6c) prezintă transformatorul diferenţial liniar variabil, cu utilizare foarte largă în cercetarea
fiziologică şi medicina clinică la măsurarea presiunilor, deplasărilor şi forţelor. Este alcătuit
dintr-o bobină primară, terminale a-b şi două bobine secundare (c-e şi d-e) legate în serie.
Cuplarea dintre aceste două bobine se modifică prin mişcarea unui plunjer din aliaj de
permeabilitate ridicată. Cele două bobine secundare sunt montate în opoziţie pentru a realiza o
bandă de liniaritate mai largă.
Traductoare capacitive
Capacitatea unui condensator realizat din două plăci paralele de arie A, având între ele distanţa x,
este
xAC rεε 0=
unde rεε ,0 reprezintă constanta dielectrică a spaţiului liber şi respectiv a constanta relativă
dielectrică a izolatorului. În principiu, se poate monitoriza deplasarea prin modificarea oricăreia
dintre cei trei parametri rε , A sau x. Dar metoda cel mai simplu de implementat este prin
modificarea distanţei dintre plăci. Sensibilitatea K a unui traductor capacitiv datorată modificării
distanţei, ∆x, este
2xAge
xCK roε−=
∆∆
=
Adică sensibilitatea creşte cu scăderea distanţei dintre plăci.
Traductorul capacitiv din fig. 7 este un exemplu de detectare a variaţiei capacităţii. Cicuitul
excitator este de cc, deci nu trece curent când condensatorul este staţionar. O modificare de
poziţie ∆x produce o modificare a tensiunii de ieşire, v0.
10
Fig 7 Senzor capacitiv pentru măsurarea deplasărilor dinamice (microfon). Lucrează pentru
detectarea sunetelor peste 20 Hz.
Pentru a extinde răspunsul în frecvenţă al traductorului capacitiv, se realizează traductorul
capacitiv cu inel metalic de protecţie care furnizează o relaţie liniară deplasare-capacitate.
Traductoare piezoelectrice
Acest tip de traductoare sunt utilizate la măsurarea deplasărilor fiziologice şi înregistrarea
sunetelor inimii. Materialele piezoelectrice generează un potenţial electric atunci când sunt
deformate mecanic şi reciproc, un potenţial electric poate produce deformarea fizică a
materialului. Principiul constă în faptul că, atunci când o reţea cristalină simetrică este
deformată, are loc o reorientare a sarcinilor electrice, producând o deplasare relativă a sarcinilor
pozitive şi negative. Sarcina internă induce pe suprafaţă sarcini de polaritate opusă, pe feţele
opuse ale cristalului. Sarcina de suprafaţă poate fi determinată prin măsurarea diferenţei de
potenţial dintre electrozii ataşaţi pe suprafaţă. Sarcina electrică totală indusă q este proporţională
cu forţa aplicată f:
kfq =
11
Unde k este constanta piezoelectrică, [C/N]. Modificarea de tensiune electrică v poate fi găsită
presupunând că sistemul acţionează ca un condensator cu plăci paralele:
Akfx
Ckfv
roεε==
Există mai multe posibilităţi de acţionare a traductoarelor piezoelectrice, depinzând de material şi
de orientarea cristalografică a plăcii, cum ar fi: compresiune longitudinală, compresiune
transversală, forfecare longitudinală, forfecare pe feţe.
Circuitul echivalent este prezentat în fig. 8.
(b)
R = Ra Rs /(Ra+ Rs ) » Ra
C C = s + Cc + Ca
Sursă is = Kdx/dt
is
C RiC
iR+
−
ia 0=
υo
Amplificator
(a)
Sursa q = x K
Rs Cs Cc Ca
+iAmplif = 0 υo
−
AmplificatoreCablu x
Cristal
12
Fig 8 (a) Circuitul echivalent al unui traductor piezoelectric. Rs = rezistenţa senzorului, Cs =
capacitatea senzorului, Cc = capacitatea cablului, Ca = capacitatea amplificatorului, Ra =
rezistenţa amplificatorului , q = sarcina electrică a sursei. (b) Circuit echivalent modificat cu
generator de curent care înlocuieşte generatorul de sarcină.
Ris
dqs/ dt = is = K dx/dt C
−
υο
isC isR + FET
senzor piezo-electric
Fig.9 Amplificatorul de sarcină transferă sarcina generată de senzorul piezoelectric la op-amp
feedback condensator C.
deplasare
timp timp
Timp crescător Timp crescător
Fig. 10 Semnalul de răspuns al senzorului la o deplasare treaptă. Datorită rezonanţei mecanice,
circuitul echivalent pentru frecvenţe mari este complex. Acest efect se reprezintă adăugând în
13
paralel un circuit serie RLC, fig. 12.
rezonanţăTensiune iesire mecanicăForţa intrare
Domeniul de utilizare
Lm
Cm Cs Rt
Rm
f c frecvenţa (a) (b)
Fig.11 (a) Model de circuit de înaltă frecvenţă pentru senzorul piezoelectric. Rs rezistenţa
senzorului, Cs capacitatea senzorului. Lm, Cm, and Rm reprezintă sistemul mecanic
(b) Răspunsul senzorului piezoelectric
Măsurarea temperaturii
Temperatura corpului unui pacient dă informaţii importante medicului despre starea
fiziologică a pacientului. Temperatura exterioară a corpului este unul din parametrii utilizaţi la
evaluarea pacienţilor în stare de şoc, deoarece presiunea sanguină redusă a unei persoane în şoc
circulator generează circulaţie sanguină redusă la periferie. O scădere a temperaturii degetului
mare este un semnal de şoc. Pe de altă parte, infecţiile, sunt de obicei reflectate de o temperatură
a corpului ridicată, cu înroşirea pielii şi pierderi de fluide. Anestezia scade temperatura corpului
deoarece deprimă centrul regulator termic. De fapt, chirurgii induc hipotermia pentru a reduce
procesele metabolice şi circulaţia sanguină a pacientului.
În pediatrie, incubatoare special încălzite sunt utilizate pentru stabilizarea temperaturii nou-
născuţilor. Monitorizarea precisă a temperaturii şi sistemele de control şi reglare au rolul de a
menţine temperatura ambientală necesară copilului.
14
În studiul artritelor, medicii au arătat că temperatura articulaţiilor este corelată gradul de
inflamare locală. Fluxul sanguin crescut datorat artritei şi inflamaţia cronică pot fi determinate
prin măsurători termice.
Locul specific al înregistrărilor de temperatură corporală trebuie ales cu grijă, aî să reflect
temperatura reală a pacientului. De ex, temperatura pielii sau a mucoasei orale reflectă de obicei
temperatura reală a organismului.
Se folosesc următoarele tipuri de metode de măsurare a temperaturii: cu termocuple, cu
termistoare, cu detectori de radiaţii şi cu detectori chimici.
Termocuplele
Termometria termoelectrică are la bază forţa electromotoare emf care apare la joncţiunea a
două metale disimilare. Acest fenomen este o sumă a unor efecte independente. Primul efect,
este datorat diferenţelor de material şi de temperatură ale joncţiunii. Al doilea efect, este o forţă
emf datorată gradientului de temperatură de-a lungul fiecărui conductor în parte.
În fig. sunt prezentate un circuite cu termocuple dintre metale diferite A şi B, la două
temperaturi diferite, T1 şi T2, forţa emf netă la terminalele c-d este funcţie de diferenţa de
temperatură.
Avantajele termocuplelor: răspuns rapid în timp, (1ms), dimensiuni reduse (12 µm diametru),
uşor de fabricat, stabilitate îndelungată.
Dezavantaje: tensiune de ieşire mică, sensibilitate redusă, necesitatea temperaturii de
referinţă.
În medicină, datorită dimensiunilor reduse, termocuplele se folosesc inserate în catetere şi în
acele hipodermice.
15
Fig.12 Circuite cu termocuple (a) Peltier emf. (b) Legea circuitelor omogene (c) Legea
metalelor intermediare. (d) legea temperaturilor intermediare.
16