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 Suport

Strat 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