CS202248B1

CS202248B1 - Acceleration scanner with the scanning pellote

Info

Publication number: CS202248B1
Application number: CS358478A
Authority: CS
Inventors: Tomas Salava
Original assignee: Tomas Salava
Priority date: 1978-06-02
Filing date: 1978-06-02
Publication date: 1980-12-31

Description

Vynález se týká akceleračního snímače se snímací pelotou určeného zvláště pro snímání fonokardiogramů, vibrokardiogramů íonoangiogramu a pro snímání respiračních šelestů, u něhož se řeší současně zvýšení citlivosti a odolnosti proti poškození.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to an acceleration sensor with a sensing pellet for detecting phonocardiograms, vibro-cardiograms and angiograms, and for sensing respiratory murmurs, which simultaneously address increased sensitivity and resistance to damage.

Akcelerační snímače se užívají při snímání chvění v nejrůznějších aplikacích. V lékařské diagnostice se užívají snímače na principu akcelerometrů, zvláště pro snímání zvukových projevů systému srdce — cévy s povrchu těla, dále pro snímání a záznam podzvukových vibrací hrudní stěny vyvolaných akcí srdeční, pro snímání respiračních šelestů a pod.Acceleration sensors are used for vibration sensing in various applications. In medical diagnostics, sensors based on the accelerometer principle are used, especially for sensing the sound manifestations of the heart - vessel system from the body surface, for sensing and recording the subsonic vibrations of the thoracic wall induced by cardiac actions, for sensing respiratory murmurs.

Snímače určené pro snímání zvukových a částečně též podzvukových projevů funkce srdeční se nazývají buď fonokardiografické snímače nebo též srdeční mikrofony. Tyto snímače pracují buď jako mikrofony určené pro snímání zvuku vyzařovaného do vzduchu nebo častěji jako snímače kontaktní. Snímače prvého druhu jsou z různých důvodů v praxi méně výhodné. Jednou z jejich nevýhod je např. značná relativní citlivost na vnější rušivé hluky. V tomto směru výhodnější vlastnosti mají tzv. těžké fonokardiografické snímače kontaktní.Sensors designed for sensing sound and partially also subsonic manifestations of cardiac function are called either phonocardiographic sensors or cardiac microphones. These sensors work either as microphones designed to sense the sound emitted into the air or more often as contact sensors. Sensors of the first kind are less advantageous in practice for various reasons. One of their disadvantages is, for example, the considerable relative sensitivity to external disturbing noises. In this respect, the so-called heavy contact phonocardiographs have more advantageous properties.

Příklad konstrukce těžkého kontaktního snímače je schématicky znázorněn na obr. 1, kde je zjednodušené řešení tohoto typu snímače znázorněno ve dvou vzájemně kolmých řezech. Ve válcovém pouzdře 2 s víkem í je upevněn tuhý sloupek 3 s vetknu2 tou plochou pružinou 4, k níž je připevněn tuhý člen 4 se snímacím kontaktem, tzv. pelotou 8. Tuhý člen 7 je na svém volném konci spojen s piezoelektrickým členem 6, jehož druhý konec se opírá o tuhý opěrný člen 5.An example of the construction of a heavy contact sensor is schematically shown in Fig. 1, where a simplified solution of this type of sensor is shown in two mutually perpendicular sections. In a cylindrical housing 2 with a lid 1, a rigid column 3 with a fixed spring 4 is fixed, to which a rigid member 4 with a sensing contact, so-called pellet 8, is fixed. The rigid member 7 is connected at its free end to a piezoelectric member 6. the other end is supported on the rigid support member 5.

Síly působící na pelotu 8 se prostřednictvím členu 7 přenáší na piezoelektrický člen, který pracuje jako elektromechanický měnič, na jehož elektrickém výstupu, který není na obr. 1 znázorněn, je elektrický náboj v širokém rozmezí působících sil úměrný síle působící na piezoelektrický člen.The forces applied to the pellet 8 are transmitted by means of the member 7 to a piezoelectric member which operates as an electromechanical transducer, whose electrical output, not shown in Fig. 1, has an electric charge proportional to the piezoelectric member over a wide range of applied forces.

Jestliže se takový snímač přiloží pelotou 8 na kmitající těleso, bude podle 2. Newtonova zákona síla působící na pelotu 8 dána součinem celkové hmotnosti snímače a zrychlení peloty, a to až do určitého tzv. mezního kmitočtu snímače. Výstupní elektrický signál takového snímače bude pod tímto mezním kmitočtem sledovat zrychlení peloty. Citlivost snímače je určena vlastnostmi piezoelektrického elektromechanického měniče a celkovou hmotností snímače.If such a sensor is applied by the pile 8 to the oscillating body, according to Newton's law, the force acting on the pile 8 is given by the product of the total weight of the sensor and the acceleration of the pile, up to a certain so called sensor frequency. The output electrical signal of such a sensor will follow the pile acceleration below this cutoff frequency. The sensitivity of the sensor is determined by the characteristics of the piezoelectric electromechanical converter and the total weight of the sensor.

Se zvyšující se hmotností klesá u tohoto snímače současně poměrná citlivost na okolní rušivé hluky. Při dostatečné hmotnosti lze snímač aplikovat rukou. V tomto případě působí poddajnost držení rukou s hmotností snímače jako účinný mechanický filtr potlačující např. i vliv třesu ruky. Aby byly uvedené výhodné vlastnosti dostatečně výrazné, musí mít snímače tohoto typu hmot202 248As the weight increases, the relative sensitivity to ambient noise noises at the same time. With sufficient weight the sensor can be applied by hand. In this case, the hand-holding compliance with the weight of the sensor acts as an effective mechanical filter to suppress even the effect of hand shaking. In order for these advantageous properties to be sufficiently pronounced, sensors of this type have to have 248 248

202 248 nost blížící se 1 kg. Proto jsou tyto snímače také dosti rozměrné.202 248 a load approaching 1 kg. Therefore, these sensors are also quite large.

V některých aplikacích však velká hmotnost i větší rozměry snímače znesnadňují jejich použití. V takových případech se používají tzv. lehké akcelerační snímače s hmotností zpravidla řádu 0,01 kg. Tyto snímače se konstruují nejčastěji v provedení s tzv. vnitřní seismickou hmotností a uzavřeným pouzdrem. Příklad jedné z možných konstrukcí takového snímače je schematicky znázorněn na obr. 2. V horní části obr. 2 je znázorněn řez snímačem, v dolní části je znázorněn pohled do snímače s odejmutým víkem 4. Na obr. 2 je znázorněno pouzdro snímače 1 tvaru nízkého válce, s nímž je spojen tuhý člen 2 s vetknutým plochým nosníkem 6, na jehož volný konec je připevněno závaží 5, tvořící hlavní část tzv. seismické hmotnosti snímače. Na nosníku 6 je poblíž místa vetknutí nalepen piezoelektrický člen tvaru tenké destičky.However, in some applications, the large weight and larger dimensions of the sensor make it difficult to use. In such cases, so-called light acceleration sensors are used with a mass of the order of 0.01 kg. These sensors are most often designed in the version with the so-called internal seismic weight and closed housing. An example of one possible construction of such a sensor is shown schematically in FIG. 2. In the upper part of FIG. 2 is a cross-section of the sensor, in the lower part is a view of the sensor with the lid removed. FIG. The cylinder 2, to which the rigid member 2 is connected, has a fixed beam 6 fixed to it, to whose free end a weight 5 is attached, constituting the main part of the so-called seismic mass of the sensor. A thin plate-shaped piezoelectric member is adhered to the support 6 near the point of attachment.

Funkce tohoto snímače je obdobná jako funkce snímače znázorněného na obr. 1 s tím rozdílem, že namísto snímací peloty tvoří vstup snímače vlastně celé jeho pouzdro. Snímač se přikládá do zvoleného místa jednou z kruhových stěn, tj. základen a snímá se pak zrychlení ve směru osy snímače.The function of this sensor is similar to that of the sensor shown in Fig. 1 except that the sensor inlet instead of the sensor pellet actually forms its entire housing. The sensor is placed at the selected location by one of the circular walls, ie the bases, and the acceleration in the direction of the sensor axis is then sensed.

Snímače tohoto typu mohou být velmi malé a velmi lehké. Lze je snadno upevnit napr. jen přelepením leukoplastí nebo jinou adhesivní páskou, což je v klinické praxi často velmi výhodné. Jejich jedinou význačnou nevýhodou proti kontaktní snímačům těžkým je jejich vyšší relativní citlivost na rušivé hluky. Někdy je též na závadu nutně nižší základní citlivost těchto snímačů. Citlivostí na vnější hluky se blíží snímačům membránovým, v žádném případě je nelze při snímání držet rukou.Sensors of this type can be very small and very light. They can be easily fastened, for example, only by adhesive tape or other adhesive tape, which is often very advantageous in clinical practice. Their only significant disadvantage over heavy contact sensors is their higher relative sensitivity to disturbing noises. Sometimes it is also necessary to lower the basic sensitivity of these sensors. Sensitivity to external noise is close to the diaphragm sensors;

Výhodnější je řešení lehkého snímače se snímací pelotou, kde obdobně jako u těžkých snímačů tvoří pouzdro snímače seismickou hmotnost. Jestliže však má být seismická hmotnost malá je třeba k dosazení potřebné citlivosti snímače použít dostatečně citlivý elektromechanický měnič. Uspořádání znázorněné na obr. 1 je pro konstrukci lehkých snímačů se snímací pelotou zcela nevhodné.More advantageous is the solution of a light sensor with a sensing pellet, where, similarly to heavy sensors, the sensor case forms a seismic weight. However, if the seismic mass is to be small, a sufficiently sensitive electromechanical transducer must be used to achieve the required sensor sensitivity. The arrangement shown in FIG. 1 is totally unsuitable for the construction of lightweight sensors with a sensing pad.

Výhodnější známé řešení lehkého snímače se snímací pelotou je znázorněno na obr. 3, kde je v horní částí znázorněn řez snímačem a v dolní části pohled do snímače s odňatým víkem 8 a pelotou 9,A more advantageous known solution of a light sensor with a sensing pellet is shown in Fig. 3, in which the upper part shows a cross-section of the sensor and the lower part shows the sensor with the lid 8 and the pellet 9 removed.

Na obr. 3 je v řezu znázorněno víko 1, jehož otvorem proniká snímací pelota 9. Dále je znázorněn pružný plochý nosník 2 připevněný pomocí vzpěr 3 a 7 na přídavné závaží 4 upevněné v pouzdru snímače 5. Ke střední části nosníku 2 je nalepen piezoelektrický prvek 6 tvaru tenké destičky. Z opačné strany je k nosníku 2 připevněn držák 8, na který lze našroubovat snímací pelotu 9. Funkce tohoto snímače je obdobná jako funkce snímače, jehož uspořádání je znázorněno na obr. 1, pouze s tím rozdílem, že v uspořádání podle obr. 3 je mnohem účinnější transformace síly z peloty 9 na piezoelektrický prvek 6, takže snímač může být velmi citlivý i při malé celkové hmotnosti. Závažnou nevýhodou tohoto řešení akceleračního snímače se snímací pelotou je snadná poškoditelnost piezoelektrického členu, který je v tomto případě namáhán tahovou sílou úměrnou přítlačné síle při aplikaci snímače do místa snímání. Elektromechanický měnič pak musí být konstruován především s ohledem na statické namáhání piezoelektrického členu.FIG. 3 shows a cross-sectional view of a lid 1 through which a sensing pad 9 penetrates the opening. Further, a flexible flat beam 2 fixed by struts 3 and 7 to an additional weight 4 mounted in the sensor housing 5 is shown. 6 thin plate shape. On the opposite side, a bracket 8 is attached to the beam 2 to which the sensing pad 9 can be screwed. The function of this sensor is similar to that of the sensor shown in Fig. 1, except that in the arrangement shown in Fig. 3 a more efficient transformation of the force from the pellet 9 to the piezoelectric element 6, so that the sensor can be very sensitive even at a low total weight. A serious disadvantage of this solution of the acceleration sensor with the sensing pellet is the easy damage of the piezoelectric element, which in this case is stressed by a tensile force proportional to the contact force when the sensor is applied to the sensing point. The electromechanical converter must then be designed primarily with regard to the static stress of the piezoelectric element.

Tento nedostatek odstraňuje uspořádání lehkého snímače se snímací pelotou, podle tohoto vynálezu, kde elektromechanický měnič tvořený soustavou pružného nosníku a piezoelektrického prvku tvaru tenké destičky je uspořádán tak, že piezoelektrický prvek je umístěn na té stěně plochého nosníku, k níž směřuje snímací pelota, takže je tento piezoelektrický prvek umístěn v prostoru mezi snímací pelotou a příslušnou stěnou plochého nosníku.This drawback is overcome by the light sensing pellet transducer assembly of the present invention, wherein the electromechanical transducer consisting of a flexible beam and thin plate piezoelectric element assembly is arranged such that the piezoelectric element is disposed on the flat beam wall toward which the sensing pad is directed. the piezoelectric element being disposed in the space between the sensing pad and the respective wall of the flat beam.

Příklad řešení snímače podle tohoto vynálezu je znázorněn na obr. 4. Zde je v horní části naznačen řez snímačem a ve spodní části pohled do snímače s odejmutým víkem a odejmutou snímací pelotou ze strany snímací peloty. Na obr. 4 je v horní části znázorňující řez snímačem zakreslena snímací pelota 1 a víko snímače 2. Dále je v řezu znázorněno válcové pouzdro snímače 7, v němž jsou pomocí dvojic šroubů 4 a 12 upevněny tuhé podpěry 6 a 9 s dvojicí plochých per 3 a 5 v nichž je upevněn ¹tuhý spojovací člen 8 tvaru válce, jehož spodní část je vyrobena z elektrického izolantu a jehož druhá strana je opatřena vnitřním závitem pro upevnění snímací peloty 1. V pohledu do snímače s odejmutou pelotou 1 a víkem 2 je znázorněna dvojíce šroubů 4 a druhá dvojice šroubů 12 a dále jeden z dvojice plochých per 3.An example of a sensor solution according to the present invention is shown in Fig. 4. Here, a cross section of the sensor is shown at the top and a bottom view of the sensor with the lid removed and the sensing pellet removed from the sensing pellet. FIG. 4 shows the sensor pellet 1 and the sensor cover 2 in the upper section showing the sensor cross-section. Furthermore, the cylindrical housing of the sensor 7 is shown in which the rigid supports 6 and 9 are fixed with a pair of flat tongues 3. and 5, in which ^{1 a} rigid cylinder-shaped coupling member 8, the bottom of which is made of an electrical insulator and whose other side is provided with an internal thread for fastening the sensing pellet 1, is fastened. screws 4 and a second pair of screws 12 and one of a pair of flat tongues 3.

Jestliže se snímač přiloží pelotou 1 do zvoleného místa, vyvolá přítlačná síla působící na pouzdro snímače ve směru osy snímače namáhání piezoelektrického členu 13 na tlak, zatímco u konstrukce snímače podle obr. 3 je piezoelektrický člen za stejných podmínek namáhán na tah. Protože dnes nejčastěji užívané polykristalické piezoelektrické materiály mají mnohem větší mechanickou pevnost na tlak než na tah, je uspořádání podle obr. 4, které je předmětem tohoto vynálezu mnohonásobně odolnější proti poškození a současně může být elektromechanický měnič v tomto případě navržen na vyšší citlivost.When the sensor is applied by the pellet 1 to a selected location, the contact force acting on the sensor housing in the direction of the sensor axis causes the piezoelectric member 13 to be stressed, while in the sensor design of Fig. 3 the piezoelectric member is subjected to tension under the same conditions. Since the most commonly used polycristal piezoelectric materials today have much greater mechanical compressive strength than tensile strength, the arrangement of Figure 4, which is the subject of the present invention, is many times more resistant to damage, and at the same time the electromechanical transducer can be designed for higher sensitivity.

Přenos síly na piezoelektrický člen 13 lze zvýšit zeslabením plochého nosníku 10 pod piezoelektrickým členem 13 několika příčnými drážkami. Tyto drážky nejsou na obr.The power transmission to the piezoelectric element 13 can be increased by weakening the flat beam 10 below the piezoelectric element 13 by several transverse grooves. These grooves are not shown in FIG.

vyznačeny. Zvýšení přenosu síly tímtomarked. Increase power transmission by this

202 248 způsobem a tedy i další zvýšení citlivosti snímače je zde možné vzhledem k značné pevnosti všech piezoelektrických polykristalických materiálů při namáhání na tlak.202 248 in this manner and thus further increase the sensitivity of the sensor is possible here due to the considerable strength under pressure of all piezoelectric polycrystalline materials.

Snímače podle tohoto vynálezu mohou být konstruovány s dostatečnou odolností proti poškození při vysoké citlivosti a malé hmotnosti.Sensors according to the invention can be constructed with sufficient damage resistance at high sensitivity and low weight.

PŘEDMĚT VYNÁLEZUSUBJECT OF THE INVENTION

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

An acceleration transducer with a sensing pellet and an electromechanical transducer comprising a system of flat at both ends of a supported beam and a thin plate-shaped piezoelectric element, characterized in that the piezoelectric element (13) is located on a flat beam wall (10) facing the sensing pad (1) in the space between the sensing pad (1) and the flat beam (10).

2. The acceleration sensor according to claim 1, characterized in that the sensing pad (1) is connected to the electromechanical transducer transducer by means of a rigid coupling (8) which is further connected to a pair of flat tongues (3, 5). firmly connected to the encoder housing (7).

3. The acceleration sensor according to claims 1 and 2, characterized in that the flat beam (10) is weakened by at least one groove underneath the piezoelectric element (13).

4. Acceleration sensor according to claims 1, 2 to 3, characterized in that the grooves formed in the flat beam (10) are filled with a mass having a lower modulus of elasticity than the mass from which the flat beam (10) is made.

4 drawings

202 248