位置傳感器在心電圖機(jī)中的應(yīng)用

傳感器在人體參數(shù)測量過程中起能量變換作用，因此也稱換能器。在生物醫(yī)學(xué)測量中，需要測定各種力學(xué)量（距離、位移、力、扭轉(zhuǎn)、速度、加速度、壓力等），由于這些力學(xué)量都與位移有一定的關(guān)系，因此通常先將各種力學(xué)量通過一次變換器變換成位轉(zhuǎn)量。位移的測量方法很多，諸如光學(xué)測量法、超聲法、輻射成像法。由于價(jià)格昂貴，通常采用電參數(shù)傳感器，如電阻式、電容式和電感式等。電參數(shù)傳感器能將位移的變化變換成相應(yīng)的電參數(shù)（電阻、電容、電感）的變化，再通過檢測電路變換成電信號(hào)的幅度或頻率的變化，以達(dá)到測量人體參數(shù)之目的。

1 位置傳感器

1.1 “差動(dòng)變壓器”式位置檢測器

差動(dòng)變壓器原理圖如圖1所示。它包含初級(jí)線圈和次級(jí)線圈兩部分。初級(jí)線圈接入幾百KHz交流信號(hào)電壓作信號(hào)激勵(lì)用，次級(jí)線圈由兩個(gè)結(jié)構(gòu)、尺寸和參數(shù)相同的兩個(gè)線圈反相串接而成。也就是說差動(dòng)變壓器是由一組相對(duì)于固定位置的次級(jí)線圈而可以移動(dòng)的初級(jí)線圈和兩組固定位置的次級(jí)線圈組成。它是利用初級(jí)線圈作直線移動(dòng)，以改變初次級(jí)線圈的互感的互感量（初次級(jí)之間是通過空間耦合）來達(dá)到兩個(gè)次級(jí)線圈電壓的差值與初級(jí)線圈作距離線性關(guān)系的。差動(dòng)變壓器的工作原理是：在初級(jí)線圈L0中加入一定的交流激勵(lì)電壓E時(shí)，在次級(jí)線圈L1和L2中將分別感應(yīng)出交流信號(hào)V1和V2。當(dāng)L0和L1、L2之間等距時(shí)，將在次級(jí)L1、L2感應(yīng)出大小相等相位相同的電壓信號(hào)，輸出為零。當(dāng)L0和移動(dòng)到L1附近（遠(yuǎn)離L２時(shí)），L1上上感應(yīng)到的交流信號(hào)V1>V2。反之V２>V1。總之，當(dāng)L0產(chǎn)生位移時(shí)，兩個(gè)次級(jí)線圈L 1、 L2的感應(yīng)電勢(shì)就不相等，一個(gè)增加伴隨另一個(gè)減少，因此，差動(dòng)變壓器便產(chǎn)生差動(dòng)電壓輸出，輸出電壓的大小與相位取決于位移的大小與位移的方向。

該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的盤香彈簧機(jī)械式記錄系統(tǒng)比較，其優(yōu)點(diǎn)是：無噪音，壽命極長，無接觸，分辨率小，力矩小，頻響和靈敏度高，可靠性好，小型輕量。而且還克服了傳統(tǒng)的檢流計(jì)筆描記錄器為提高時(shí)間精度采取了各種直線補(bǔ)償聯(lián)動(dòng)機(jī)械，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和摩擦阻力的增加又導(dǎo)致了固有頻率降低，回零滯后增大等缺點(diǎn)，同時(shí)也克服了采用增加扭轉(zhuǎn)部件剛度解決上述缺點(diǎn)，從而又帶來偏轉(zhuǎn)所需的線圈電流電壓會(huì)隨之增大，甚至超出驅(qū)動(dòng)放大器輸出能力和記錄器結(jié)構(gòu)功耗能力允許的弱點(diǎn)。缺點(diǎn)是：差動(dòng)變壓器位置檢測器的初級(jí)線圈需要激勵(lì)信號(hào)，電路中增設(shè)了高頻信號(hào)電壓產(chǎn)生電路和檢波電路等。該傳感器應(yīng)用在國產(chǎn)的XDH—3B型心電圖機(jī)中，現(xiàn)已淘汰。

1.2 “電磁傳感式”位置傳感器

電磁傳感式位置傳感器由初級(jí)線圈和次級(jí)線圈組成，次級(jí)線圈有上下兩個(gè)繞組。與差動(dòng)式位置傳感器的結(jié)構(gòu)大致相似，工作原理基本相同。所不同的是初級(jí)線圈接收高頻交流信號(hào)電壓是10KHz，初次級(jí)線圈之間裝有一個(gè)帶有螺紋的磁芯。該傳感器應(yīng)用在ECG—5403型心電圖機(jī)中，已淘汰。

1.3 “同軸電位器”式位置檢測器

“同軸電位器”式位置檢測器原理圖請(qǐng)參看筆者編著的《中外心電圖機(jī)實(shí)用技術(shù)》一書P164圖5—61。該位置檢測器是采用了與記錄線圈同軸轉(zhuǎn)動(dòng)的固態(tài)性電位器結(jié)構(gòu)，其工作原理是當(dāng)固態(tài)線性電位器隨記錄線圈同軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，R01和R02的阻值也在變化：線性電位器中心臂在中產(chǎn)位置時(shí)，R01=R02，此時(shí)V0＝；線性電位器中心臂在上面位置時(shí)，R01<R02,此時(shí)V0>；線性電位器中心臂在下面位置時(shí)，R01>R02，，此時(shí)V0<。也就是說它是利用電位器中心臂與記錄器線圈同軸移動(dòng)，在不同的位置時(shí)R0不同的原理，以達(dá)到檢測記錄器不同位置時(shí)的相應(yīng)反饋電壓之目的。該傳感器應(yīng)用在進(jìn)口心電圖機(jī)中。

1.3“磁敏電阻”式檢測器

“磁敏電阻”式檢測器原理圖請(qǐng)參看筆者編著的《中外心電圖機(jī)實(shí)用技術(shù)》一書P151圖5—54。當(dāng)磁鐵在磁敏電阻上、下移動(dòng)時(shí)，R磁1和R磁2的阻值也相應(yīng)變化：磁鐵在中間位置時(shí)，此時(shí)V0=；磁鐵在上面位置時(shí)，R磁1>R磁2此時(shí)V0<；磁鐵在下面位置時(shí)，R磁1<R磁2，此時(shí)V0>。總之，它是得用磁鐵與記錄器線圈同軸轉(zhuǎn)動(dòng)。使磁鐵在磁敏電阻上、下移動(dòng)時(shí)，R磁不同的原理，從而達(dá)到檢測記錄器不同位置時(shí)的相應(yīng)反饋電壓之目的。該傳感器已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代心電圖機(jī)之中。

2 磁敏傳感器在心電圖機(jī)中的應(yīng)用

該系統(tǒng)主要由筆馬達(dá)，位置傳感器和主放大電路組成。為了便于讀者的理解，以國產(chǎn)ECG—11A型心電圖機(jī)為例進(jìn)行闡述。

2.1磁敏電阻式位置反饋記錄器

磁敏電阻式位置反饋記錄器主要由一個(gè)小磁鐵和兩個(gè)磁敏電阻組成。主要特點(diǎn)是無噪音，壽命極長，無接觸，分辨率極小，力矩極小，頻響和靈敏度高，可靠性好，小型輕量等特點(diǎn)。熱筆采用“點(diǎn)”狀接觸熱筆，它是采用了半導(dǎo)體材料“點(diǎn)”接觸發(fā)熱元件，元件與筆桿之間用絕緣材料隔離，因而它的熱容量，散熱量和耗電量均較小。“點(diǎn)”狀熱筆必須配合特殊機(jī)構(gòu)才能將記錄軸的轉(zhuǎn)動(dòng)變成筆端的直線運(yùn)動(dòng)，從而使筆端的垂位移與記錄器的偏轉(zhuǎn)角成正比。

2.2 磁敏電阻式位置反饋記錄器放大電路

由前置放大單元放大輸出的心電信號(hào)加到由輸入信號(hào)處理器、限幅放大器、位置反饋放大器、信號(hào)合成處理器、微分放大器、電壓變換器、驅(qū)動(dòng)放大器等組成的磁敏電阻式位置反饋記錄器放大電路，實(shí)現(xiàn)信號(hào)電平轉(zhuǎn)換再驅(qū)動(dòng)BTL功率放大器。靜態(tài)時(shí)，由于四個(gè)晶體管參數(shù)對(duì)稱，輸出為0，熱筆不動(dòng)作。動(dòng)態(tài)時(shí)熱筆馬達(dá)在正負(fù)心電信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)熱筆在記錄紙上描記出正負(fù)心電波形。

筆馬達(dá)與位置傳感器記錄器由熱筆機(jī)械連接在一起。當(dāng)筆馬達(dá)帶動(dòng)熱筆偏轉(zhuǎn)時(shí)，位置傳感器的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，固定在轉(zhuǎn)軸上的永久小磁鐵也隨著轉(zhuǎn)動(dòng)，使磁場強(qiáng)度的方向發(fā)生改變，并導(dǎo)致固定在基座上靠近小磁鐵的磁敏電阻的阻值發(fā)生變化而產(chǎn)生位置反饋信號(hào)電壓，即產(chǎn)生一個(gè)正比于記錄器的角位移信號(hào)。

2.3 記錄器故障的檢修

故障現(xiàn)象 開機(jī)后熱筆單偏，調(diào)節(jié)基線電位器不起作用或?qū)㈦娢黄髡{(diào)到某極限位置時(shí)，熱筆能夠勉強(qiáng)靠近中心位置。當(dāng)把增益電位器逆時(shí)針調(diào)節(jié)，使增益為零時(shí)熱筆仍不能回到中心位置。

分析檢修 當(dāng)出現(xiàn)此故障時(shí)，在確保電路沒有問題后，應(yīng)對(duì)記錄器進(jìn)行檢查。首先卸下熱筆，拔下位置傳感器插頭，然后用數(shù)字萬用表測量位置傳感器輸出端（蘭線與黑線）之間的電阻。當(dāng)連桿位置自由上限時(shí)蘭黑線間阻值正常值在11.60KΩ±3KΩ；當(dāng)連桿位置在自由下限時(shí)蘭黑線間的正常阻值在12.60KΩ±3KΩ。變化范圍1KΩ。測量時(shí)，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)位置傳感器的連桿觀察阻值有無變化，如果無變化，阻值又很大，說明位置傳感器已壞，應(yīng)更換新的。如果在轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器的連桿到達(dá)極限位置時(shí)，阻值從小到大，突然又從大變小，而電阻的變化范圍基本正常。出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是由于小磁鐵的磁場強(qiáng)度方向沒有處在最佳位置所引起。此時(shí)應(yīng)對(duì)位置傳感器的安裝角度進(jìn)行調(diào)整：

①位置傳感器的安裝角度調(diào)整

松開位置反饋傳感器的固定螺釘，安裝好熱筆，將位置反饋傳感器向熱筆單偏相反的方向旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，直到將故障排除，然后再緊固螺釘，進(jìn)行通電實(shí)驗(yàn)。

②限幅（LIM）電位器的調(diào)整

當(dāng)電橋失衡比較嚴(yán)重采取上面的措施仍不理想，熱筆在某一側(cè)的偏轉(zhuǎn)幅度不夠時(shí)，可在開機(jī)工作的狀態(tài)下，將面板上的限幅電位器逆時(shí)針微調(diào)，以增大限幅范圍。此時(shí)值得注意的是限幅電位器調(diào)整后，增益會(huì)隨之改變，定標(biāo)壓會(huì)增高，所以還需把增益（GAIN）電位器逆時(shí)針微調(diào)一下，達(dá)到定標(biāo)電壓幅度符合標(biāo)準(zhǔn)即可。

③位置傳感器磁場強(qiáng)度方向校正法

當(dāng)磁敏電阻變值使電橋失衡較嚴(yán)重?zé)峁P單偏，經(jīng)過上述方法處理后仍不能達(dá)到要求時(shí)，可調(diào)整小磁鐵與傳感器基座相對(duì)角度的方法進(jìn)行校正。方法是：取下位置傳感器的屏蔽罩，松開塑料基座的固定螺釘，將心電圖機(jī)面板上的增益調(diào)節(jié)電位器逆時(shí)針調(diào)到頭，使增益為零。將筆馬達(dá)和位置傳感器的接線插頭分別插在電路板上，然后接通電源，邊旋轉(zhuǎn)塑料基座，邊觀察熱筆是否回復(fù)到中心位置。這樣直至熱筆位置調(diào)到中點(diǎn)時(shí)，即相對(duì)于上下極限位置對(duì)稱平衡，最后再固定塑料基座底部的固定螺釘，裝上外殼即可。