1066

Фотодатчики, их классификации, режимы работы и применение в биоинженерной технике

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Основные понятия фотоэлектрических приборов. Основные характеристики фотоэлектрических преобразователей. Режимы работы датчиков. Области применения медико-биологической практике. Дополнительные возможности датчиков.

Русский

2013-01-06

587 KB

231 чел.

Содержание

Введение

1.0 Основная часть

  1.1 Основные понятия фотоэлектрических приборов

  1.2 Типы датчиков

  1.2.1 Основные характеристики фотоэлектрических преобразователей

  1.3 Режимы работы датчиков

  1.4 Дополнительные возможности датчиков

  2.0 Области применения медико-биологической практике

2. Заключение

3. Список литературы

Введение

           Целью курсовой работы является приобретение и закрепление знаний по теме фотодатчики, их классификации, режимы работы и применение в биоинженерной технике. Она направлена на систематизацию, закрепление и расширение теоретических знаний, полученных на лекциях и лабораторных занятиях, умение самостоятельно систематизировать и изложить знания, полученные в процессе самостоятельного изучения литературы, а так же привитие навыков научно-исследовательской работы, использование анализа и самостоятельных выводов по проблемам применяемости в медико-биологической практике.

             Данная цель проявляются через следующие конкретные задачи курсовой работы:

  •  Расширить теоретические знания, полученные на лекциях и лабораторных занятиях по дисциплинам: «Электротехника и электроника», «Электроника микропроцессорная техника», «Измерительные преобразователи и электроды»;
  •  Определить круг применяемости фотодатчиков в медицинской диагностике;

             Различные преобразователи неэлектрических величин в электрические прочно заняли свое место во многих областях человеческого знания, и уж тем более в медицине. Трудно представить современного врача, занимающегося диагностикой различных заболеваний и их лечением, и тем более биоинженера проектирующего, обслуживающего медоборудование не опирающегося на огромное число достижений таких наук как радиоэлектроника, микроэлектроника, метрология, материаловедение. И хотя, датчики являются одной из самых медленно развивающихся областей медицинской электроники, да и всей электроники в целом, подавляющее большинство диагностических и терапевтических приборов и систем прямо или косвенно содержат множество самых разных преобразователей и электродов, без которых, подчас немыслимая  работа биосистем. Некоторые типы датчиков будут рассмотрены в представленной работе. Определенная сложность заключается в огромнейшем разнообразии этих датчиков, а также в довольно малом количестве публикаций, касающихся этой темы.

              Курсовая работа состоит из введения, основной части, заключения, списка источников информации. Во введении сформулирована цель и задачи работы, в основной части рассматриваются классификация, свойства, области применения. В заключении сформулированы основные выводы. Список литературы содержит источники данной информации.

Основные понятия фотоэлектрических приборов

           Фотоэлектрические датчики – это один из типов устройств, предназначенных для позиционирования объекта. Такие датчики используют модулированный световой пучок, который прерывается или отражается от целевого объекта.

           Конструктивно фотоэлектрический датчик состоит из нескольких основных блоков:

  1.  - эмиттер (источник излучения), который преобразовывает модулированный  электрический сигнал в световую энергию,

(b) - оптическая система, которая соединяет эмиттер и приемник посредством       светового луча,

 (c) - приемник для детектирования излучения, который преобразовывает полученную световую энергию в электронный сигнал,

(d) - демодулятор-усилитель, который извлекает и усиливает часть сигнала от модулированного источника излучения, (e) - компаратор для сравнения полученного сигнала с порогом срабатывания датчика, (f) - выходной каскад на транзисторе или реле для включения внешней нагрузки.

           Самый простой и знакомый всем нам пример использования таких датчиков – это автоматически открывающиеся двери супермаркетов. (рис.1)

Рис.1

Модулированное излучение

           Модулированный луч увеличивает диапазон измерений и снижает влияние внешних источников освещения. Такой луч пульсирует на определенной частоте от 5 до 30 кГц. Фотоэлектрический датчик хорошо отличает модулированный луч от внешнего источника освещения. Источники света, которые применяется в конструкции датчиков, находятся в световом спектре от видимого зеленого до невидимого инфракрасного излучения. Обычно производители для этой цели используют светодиоды.

Рис.2

           Когда луч достигает объекта, возникают такие явления, как отражение, поглощение и передача света. Их параметры и коэффициенты напрямую зависят от объекта, его материала, поверхности, толщины и цвет.

Взаимное влияние датчиков

           Расположенные близко друг от друга, два фотоэлектрических устройства могут создавать взаимные помехи. Поэтому между датчиками всегда существует минимальное расстояние. Такая проблема решается с помощью специальных защитных покрытий и точного позиционирования датчиков. Вся необходимая информация по этому вопросу приводится в спецификации.

Избыточный коэффициент усиления

           Многие промышленные условия предполагают наличие пыли, грязи, дыма, влаги и других вредных компонентов окружающей среды. Датчики, которые работают в условиях присутствия хотя бы трех вышеперечисленных факторов, требуют большего количества света для нормальной работы. Избыточный коэффициент усиления представляет количество излучаемого света, выработанного сверх номинальной нормы приемника. В идеальных условиях среды (чистый воздух) коэффициент усиления близок или равен единицы. Однако если воздух в помещении содержит переносимые частицы, которые поглощают до 50% светового пучка, необходимо установить коэффициент усиления 2 для приемника датчика. Коэффициент усиления рассчитывается по логарифмической шкале, как показано на рисунке 3. На приведенном графике видно, что если необходимо измерять объекты на  расстоянии одного метра с помощью разнесенных излучателя и приемника, коэффициент усиления должен быть 30. Другими словами, для нормальной работы приемника требуется световой луч в 30 раз ярче номинальной яркости.

Рис.3

           Коэффициент усиления уменьшается при увеличении рабочего расстояния. Однако не следует забывать, что рабочее расстояние для разных типов датчиков понимается по-разному: если для датчиков с прерыванием луча оно равно расстоянию от излучателя до приемника, то для совмещенных датчиков, отражающих от объектов, это расстояние от датчика до самого целевого объекта.

Зона срабатывания

           Фотоэлектрические датчики работают в определенной зоне срабатывания. Она зависит от принципов распределения светового пучка и диаметра светового пятна. Это связано с тем, что приемник датчики срабатывает только в том случае, если целевой предмет попадает в зону светового пятна.

Рис.4 Сплошная линия – датчик без подавления заднего фона, пунктирная линия - датчик с подавлением заднего фона

1.2 Типы датчиков по методу сканирования

Принципы детектирования объектов

           Принцип сканирования – это метод, используемый фотоэлектрическим датчиком для детектирования целевых объектов.

           Выбор датчика с определенным принципом сканирования, в первую очередь, зависит  от физических особенностей измеряемых объектов. Одни из них могут быть прозрачными, другие – с повышенными отражающими способностями. Иногда возникает необходимость определить разницу в цвете объектов. Расстояние сканирования – также немаловажный фактор при выборе датчика определенного типа, поскольку некоторые типы имеют большой диапазон сканирования, в то время как другие лучше работают на небольших расстояниях.

Датчики прямого луча (through beam switch)

           Такие датчики состоят из двух устройств: излучателя и приемника, которые располагаются таким образом, чтобы максимальный объем излучаемого света попадал на приемник. При этом целевой объект должен находиться на одном уровне с лучом. Когда объект перекрывает луч, изменяется выходной статус приемника. Когда объект выходит за пределы луча, выходной статус сигнала приемника возвращается в нормальное состояние. Датчики на прерывание луча удобны для детектирования непрозрачных или отражающих объектов, однако их нельзя использовать для обнаружения прозрачных предметов. Кроме того, вибрация может нарушить центровку излучателя на приемник. В целом же, высокий коэффициент усиления разнесенных в разные корпуса фотоэлектрических приемников и излучателей позволяет использовать их в условиях высокой загрязненности окружающей среды. Максимальный рабочий диапазон таких датчиков составляет 350 метров.

     

Рис.5

(Emitter - излучатель

Receiver - приемник

Light path – световой луч

Light blocked – блокированный световой луч

Target - объект)

           Эффективный световой пучок датчиков – это диаметр луча в том месте, где он пересекается с целевым объектом. Для датчиков с прерыванием луча это диаметр линзы излучатели и приемника, поэтому размер минимального целевого объекта должен быть равен диаметру линзы.

Рис.6  

 

Датчики отраженного луча (рефлекторные, reflex switch)

           Такие датчики содержат в одном корпусе и излучатель, и приемник. Световой пучок посылается эмиттером на рефлектор (отражатель специальной конструкции), а затем возвращается отраженным в приемник. Когда целевой объект блокирует световой поток между датчиком и рефлектором, изменяется выходное состояние датчика. При исчезновении преграды датчик возвращается в нормальное состояние. Максимальный диапазон измерений для таких датчиков составляет 55 метров.

Рис.7

           Эффективный диапазон излучения рефлекторных датчиков находится от линзы излучателя до границы рефлектора. Минимальный размер целевого объекта должен равняться размеру используемого рефлектора

Рис.8

           Как правило, рефлекторы заказываются отдельно от датчиков. Они бывают различной формы, круглые или прямоугольные. Диапазон измерений датчиков с рефлекторами указывается при использовании конкретной модели рефлектора. Отражающие наклейки не рекомендуется использовать с поляризованными датчиками.                                                                                                                              

Рис.9

           Призматические рефлекторы отражают внешний свет параллельно, при этом коэффициент его отражения выше, чем у любого объекта под углом более 15 градусов. Обычно, рабочее расстояние увеличивается пропорционально размерам отражателя. Рефлектор может изменять плоскость поляризации внешнего освещения на 90 градусов.

 

                                                Отражение от призматического рефлектора

         Отражение от ровной отражающей поверхности

 

Рис.10

           Датчики с отражателями могут оказаться плохими помощниками при детектировании блестящих предметов, которые будут отражать свет от собственной поверхности. Датчик же при этом будет не в состоянии определить от какого предмета отражается луч, от рефлектора или попавшего в луч целевого объекта.

 

 

Рис.11

(sensor Lens – линза датчика

Shiny Object – блестящий предмет

Corner-Cube or normal reflector – рефлектор)       

           Поэтому для работы с бликующими предметами используются специальные поляризационные фильтры. Они размещаются перед линзой излучателя и приемника и принимают световой пучок только в одной плоскости. В датчиках с поляризованным отражателем излучение света поляризовано в вертикальной плоскости, в то время как прием излучения происходит через поляризованный фильтр в горизонтальной плоскости. Призматический отражатель изменяет световую плоскость под углом 90 градусов, а свет, отражаемый от других объектов, сохраняет свою плоскость излучения и     блокируется входным фильтром приемника.

           Такой свет называется поляризованным. С такими датчиками используется угловой кубический рефлектор. Поляризованный фильтр на приемнике пропускает только отраженный от рефлектора свет.

Рис.12

(Depolarized light – деполяризованный свет

Lens - линза

Polarizing filter - светофильтр

Polarized light – поляризованный свет

Corner-Cube or normal reflector – рефлектор)

           Отдельные модификации датчиков выпускаются для работы со стеклянными предметами. Такие датчики очень чувствительны к даже небольшой разнице между исходящим и входящим сигналом.

 

Датчики рассеянного луча (диффузионные, proximity switch)

           В диффузионных датчиках (proximity sensor) излучатель и приемник расположены также в одном корпусе. Свет, исходящий из эмиттера, достигает целевого объекта и отражается от его поверхности под разными углами. Если приемник получает достаточное количество отраженного света, датчик изменит свое выходное состояние, другими словами, сработает. Если отраженный свет не возвращается в приемник, выходной сигнал останется в неизменном состоянии. Такие датчики представляют наиболее экономичное и легко монтируемое решение (их стоимость ниже стоимости других фотоэлектрических приборов). В датчиках подобной конструкции эмиттер размещен перпендикулярно плоскости целевого объекта, а приемник установлен под некоторым углом для фиксации рассеянного излучения.(Рис.13) Очевидно, что до приемника доходит лишь малая доля света, поэтому максимальный рабочий диапазон таких датчиков составляет 4 метра. Обычно диффузионные датчики работают в режиме срабатывания на светлое: датчик срабатывает при пересечении луча объектом.

Рис.13

           Максимальный рабочий диапазон указывается при работе датчика на матовом белом фоне. В зависимости от характера поверхности целевого объекта применяются особые корректирующие коэффициенты. Табл.1

Матовая белая поверхность

100%

Белая бумага

80%

Серый ПВХ

57%

Дерево с легкой окраской

73%

Пробковое дерево

65%

Белый пластик

70%

Черный пластик

22%

Черный неопрен

20%

Автомобильные покрышки

15%

Матовый алюминий

120%

Нержавеющая сталь, полированная

230%

           Эффективный пучок света для диффузионных датчиков равен размеру целевого объекта.

Рис. 14

           Особого рассмотрения при выборе такого датчика требует вопрос цвета целевого объекта. Очевидно, что лучше воспринимаются светлые объекты на темном фоне, поскольку они отражают больше света. Для работы с темными объектами датчики имеют специальный регулировочный потенциометр (Рис.15)                        

Рис.15

           Диффузионные датчики позволяют измерять различные участки области прохождения луча: быть нечувствительными к близко расположенным объектам (подавление переднего фона), к объектам за пределами определенной зоны (подавление заднего фона) или одновременно к близко и далеко расположенным предметам (energetic). Подавление заднего фона используется для детектирования объектов до определенного расстояния. Все объекты, находящиеся за границами этой области, датчиком игнорируются. Регулировка рабочего расстояния здесь не связана с чувствительностью приемника, а достигается оптической триангуляцией. Такие датчики имеют в конструкции датчик положения (PSD – position sensor detector). Отраженный луч попадает на датчик под различным углом.

           Чем больше расстояние до объекта, тем острее угол отражения. Благодаря такому методу измерения угла отражения датчики могут детектировать все объекты на заданном расстоянии вне зависимости от их цвета.

                          

(target - объект

Emitter - излучатель

Receiver PSD – датчик положения)

Рис.17

           Также, диффузионные датчики могут иметь подавление переднего фона или иметь регулируемое расстояние работы, т.н. energetic, а также работать с блестящими предметами.

           Датчики с подавлением переднего и заднего фона (energetic) позволяют пользователю точно установить минимальное и максимальное расстояние детектирования. Таким образом, датчик срабатывает только на целевые объекты, появляющиеся в заданной зоне. Например, типичной сферой применения таких датчиков являются промышленные конвейеры, где рабочая область датчика соответствует ширине конвейерной ленты.                                         Нечувствительность датчиков к отражающим и рифленым поверхностям гарантирует отсутствие ошибочных срабатываний.

 

1.2.2 Основные характеристики фотоэлектрических преобразователей

           1) Световая характеристика - выражает зависимость значения фототока от величины падающего на фотоэлемент светового потока IФ = f (Ф) при постоянном напряжении между электродами U = const.

2) Спектральная характеристика - определяет зависимость спектральной чувствительности фотоэлемента от длины волны светового потока Sλ = f (λ) при неизменном напряжении между электродами. По этой характеристике определяют максимальную спектральную чувствительность фотоэлементов и ширину спектральной области,  в  которой  он  пригоден  для  работы. Зависимость  Sλ = f(λ)  называется абсолютной спектральной характеристикой, а отношение γλ  =  Sλ/Sλmax относительной спектральной характеристикой фотоэлемента.  

3) Спектральной чувствительностью фотоэлемента, выраженной в мкА/Вт, называют отношение приращения фототока к изменению монохроматического лучистого потока длиной волны λ:

 

S λ  =

 I φ

Pλ

 

4)  Интегральная чувствительность значение которой зависит от степени

Рис. 1. Зависимость степени перекрытия функции спектральной чувствительности γλ  фотоэлемента от спектральной плотности Рλ

 

δp =

 

I p

P

 

S λ max  Pλγ λ dλ

0

Pλ dλ ,

 

перекрытия функций спектральной чувствительности фотоэлемента γλ и спектральной плотности Рλ лучистого потока (рис.1) при номинальном значении внешнего напряжения.

5) Статическая вольтамперная характеристика показывает зависимость фототока в цепи фотоэлемента от напряжения, приложенного к его электродам IФ=f(U) при постоянном значении светового потока неизменного спектрального состава Фλ=const.

6) Частотная характеристика определяет зависимость амплитуды фототока в цепи фотоэлемента или его фото - э. д. с. от частоты пульсирующего с постоянной амплитудой потока излучения.

           К фотоэлектрическим относятся приемники с внешним и внутренним фотоэффектами. Группу приемников с внешним  фотоэффектом составляют вакуумные и газонаполненные фотоэлементы и фотоумножители.

Принцип действия фотоэлементов с внешним фотоэффектом заключается в том, что кванты света, достигая чувствительной поверхности фотокатода, вызывают эмиссию фотоэлектронов, которые под действием внешнего электрического поля создают фототок.

Рис. 2. Вакуумные фотоэлементы в виде стеклянного баллона

           Вакуумные фотоэлементы конструктивно оформляются обычно в виде стеклянного баллона (рис. 2.), на внутреннюю поверхность которого наносится светочувствительный слой из щелочных металлов. Катод занимает около половины внутренней поверхности баллона, а остальная прозрачная его часть служит входным световым окном. Анод фотоэлемента выполнен в виде металлического  стержня,  кольца  или  сетки  и  расположен  в  центре  баллона. Внутри баллона создается вакуум до 0,01...0,001 Па. Под действием светового потока фотокатод потока  фотокатод  излучает  поток  электронов,  которые  при  наличии  между катодом и анодом постоянного напряжения создают фототок. Достоинствах этой группы преобразователей

высокая чувствительность (фотоумножители, газонаполненные фотоэлементы) и высокое быстродействие (вакуумные фотоэлементы и фотоумножители). Недостатки - необходимость высоких питающих напряжений и существенные габариты. В современных датчиках предпочтительнее использование разнообразных полупроводниковых фотоприемников с внутренним фотоэффектом. Внутренний  фотоэффект, сопровождающийся переходами электронов и дырок внутри полупроводника из связанных состояний в свободные, имеет два проявления.

Фоторезисторы

           Первое из них состоит в том, что в результате появления свободных носителей заряда изменяется сопротивление полупроводника. Действие основано на зависимости их фотопроводимости от интенсивности и спектрального состава падающего на них излучения.

Технологически фоторезисторы формируются в виде: поликристаллических пленок, прессованных поликристаллических. Полупроводниковый светочувствительный материал (сульфид кадмия - ФСК, селенид кадмия – ФСД, сульфид свинца – ФСА, селенид свинца – СФ4) может быть выполнен разными способами: нанесен методом напыления в вакууме или химическим осаждением на изоляционную пластину, которая помещена в пластмассовую или металлическую оправу с окошком для пропускания света; изготовлен методом прессования из порошкообразного материала в виде прямоугольных или кольцевых пластинок с последующей наклейкой на изоляционную подложку; изготовлен из монокристалла

Светочувствительный слой всех фоторезисторов покрыт прозрачной защитной лаковой пленкой.

           Варианты конструктивного выполнения фоторезисторов:  герметизированный металлостеклянный корпус, пластмассовый корпус, бескорпусное исполнение.

Габаритные размеры – 0,3 мм – 20 мм (в среднем 1 – 4 мм).

           Главным  достоинством  фоторезисторов  являются  простота  их  устройства  и низкая стоимость, главные недостатки — заметная инерционность (по сравнению с другими фотоэлектрическими преобразователями) и температурная и временная нестабильность.

Фотодиоды

           Фотоэлектрические приемники, в которых под действием излучения возникает фото-ЭДС на границе двух контактирующих материалов, называются вентильными фотоэлементами, или фотоэлементами с запорным слоем.

           Они выполняются на основе полупроводниковых р-п переходов и могут использоваться в вентильном, или в диодном режиме — с внешним источником обратного напряжения, поданного на фотодиод. Вентильные фотоэлементы являются генераторными преобразователями.

           Вентильный фотоэлемент представляет собой полупроводниковый диод (рис. 3. а), чувствительным элементом которого является полупроводник p-типа, над которым специальной    обработкой    образован    тонкий слои полупроводника n-типа  и разделяющий их тончайший запорный слой, называемый р - n - переходом. Сверху полупроводник покрыт полупрозрачным металлическим слоем или сеткой 1 из серебра, золота или платины, служащей верхним электродом. Нижним электродом является металлическое основание 2. Под действием светового потока, проникающего через полупрозрачный электрод и тонкий слой n-полупроводника, вследствие фотоэффекта в p-полупроводнике образуется повышенная концентрация электронно-дырочных пар. Электроны увлекаются потенциальным барьером на границе р-п перехода и беспрепятственно проникают в слой n-полупроводника, заряжая его отрицательно, а дырки, оставшиеся в  p-полупроводнике, заряжают его  положительно. В  результате этого процесса между электродами возникает разность потенциалов, значение которой зависит от интенсивности светового потока и интегральной чувствительности фотоэлемента.

Рис. 3. Вентильный фотоэлемент  и его эквивалентная схема.

           Диодный режим имеет преимущества (большее быстродействие, лучшая стабильность, больший динамический диапазон, большая чувствительность в ИК области). Недостаток – наличие темнового тока. Разновидности фотодиодов: p-и-n диоды - имеют три области: сильнолегированную n+, с малой концентрацией примеси i, сильнолегированную p+; лавинные - реализуется усиление тока, обусловленное умножением числа носителей за счет ионизации атомов кристаллической решетки; гетерофотодиоды - используют слоистую структуру из разных полупроводниковых материалов.

Достигается высокая чувствительность при высоком быстродействии. 

Технические характеристики

Табл.1

Тип

фотоэлементов

Интегральная

чувствительность,

мкА/лн

Внутреннее

темновое сопротивление, Ом

Максимальная

частота, Гц

Фото-э.д.с.,

мВ

К-5 (селеновый)

250÷500

103÷5*104

50÷100

-

ФЭСС-2

(сернисто-

селеновый)

3500÷8000

1500÷3000

5÷10

60÷150

ФД-1

20000

5*105

105

-

ФД-2

10000÷20000

2*105÷106

105

-

ФДК-1

3000

6.6*106

105

-

 

Режимы работы датчиков

Рабочие режимы фотоэлектрических датчиков

           Датчики имеют 2 рабочих режима: срабатывают на темное (DO) или светлое (LO). При выборе DO датчика подключенная нагрузка сработает тогда, когда приемник не получает отраженного луча.

           Соответственно, датчики, срабатывающие на светлое, будут включать нагрузку при наличии принимаемого приемником луча.

(Emitter – излучатель

Receiver – приемник

Light path – световой луч

Load energized – нагрузка включена

Light blocked – луч прерывается

Load deenergized – нагрузка выключена

Object – объект)

           В табл. 2 показана взаимосвязь рабочего режима датчика и состояния подключенной к нему нагрузки.

Рабочий режим

Путь луча

Статус нагрузки

с рефлектором и парные

диффузионные

Срабатывание на светлое (LO)

Не заблокирован

включена

выключена

Заблокирован

выключена

включена

Срабатывание на темное (DO)

Не заблокирован

выключена

включена

Заблокирован

включена

выключена

Дополнительные возможности датчиков

Волоконно-оптические датчики

           Волоконно-оптические датчики не представляют собой отдельной измерительной технологии, просто они используют другой метод передачи света. Такие датчики содержат эмиттер, приемник и гибкий кабель, которые корпусированы со множеством волокон, передающих свет. Пользователь может также выбрать отдельный кабель для эмиттера и приемника или же использовать один кабель. В последнем случае эмиттер и приемник используют различные методы распределения волокон излучателя и приемника в изоляции кабеля. Если эмиттер излучает ИК свет, используются кабели со стекловолокном. Пластиковое оптоволокно применяется в тех случаях, когда излучение должно быть видимым.

волокна приемника волокна излучателя

           Оптоволоконные датчики могут использовать один из трех принципов детектирования объекта: прямой луч от эмиттера к приемнику, отражение от рефлектора, отражение от целевого объекта. В датчиках прямого луча свет излучается и принимается различными кабелями. В датчиках отраженного луча используется общий кабель (раздвоенный). Оптоволоконные датчики незаменимы для небольших расстояний сканирования или объектов малых габаритов. В связи со световыми потерями такие датчики имеют короткие рабочие диапазоны.

(individual cables – отдельные кабели Bifurcated – раздвоенный кабель From emitter – от излучатель

To receiver – к приемнику

Target – объект

Thru-beam – датчики прямого луча Retroreflective – датчики с отражателями Diffuse – диффузионные датчики)

Лазерное излучение

           Часто в качестве источника света используются лазеры. Как правило, это лазеры класса 2 с максимальной мощностью излучения 1 мВт. Лазеры класса 2 не требуют специальных мер защиты. Лазерные излучатели могут использоваться в фотоэлектрических датчиках любого типа. Лазеры имеют видимый свет высокой интенсивности, что значительно упрощает регулировку и настройку датчика. Лазерная технология обеспечивает точность определения даже самых малых объектов (размером до 0.03 мм) на значительных расстояниях (около метра). Поэтому лазерные фотоэлектрические датчики используются и для определения скорости, и для определения толщины предмета.

Обучающий режим teach-in

           Некоторые фотоэлектрические датчики имеют обучающий режим teach-in. Он предоставляет пользователям возможность обучить датчик в конкретных рабочих условиях.  

Перед датчиком располагается целевой объект, и датчик запоминает качество отраженного от него света. Затем датчик программируется на срабатывание только от этого света. Технология teach-in позволяет работать даже с прозрачными объектами.

Фотоэлектрические датчики с аналоговым выходом

           Аналоговые датчики позволяют измерять расстояние до объекта с высокой точностью. Датчики используют видимое лазерное излучение и имеют линейный выходной сигнал высокой точности.

Область применения в медико-биологической практике

           Фотоэлектрические датчики используются в медицинском газоанализаторе НПО"Орион". Этот прибор используется для диагностики функциональных расстройств и раннего обнаружения заболеваний жизненных систем человека с помощью анализа газовых микрокомпонент выдыхаемого воздуха человека. На основании тех или иных микрокомпонент, возможно, оценить состояние органов и систем в соответствии с этим целенаправленно проводить терапию этих нарушений.                                         Газоаналитический метод, в отличие от метода основанном на анализе крови, исключает возможность заражения гепатитом и СПИДом,   выполняется в реальном масштабе времени и в перспективе может диагностировать развитие заболеваний (диабет, рак внутренних органов, цирроз печени и др.) на более ранних стадиях. Прибор основан на методе диодно-лазерной спектроскопии. Выше рассмотренный и основное большинство других приборов в медицинской практике использующих фотоэлектрические датчики работают по тому же принципу. То есть преобразователи этого типа применяют в паре с лазерами, как высоко точными источниками монохроматического света заданной длины волны инфракрасного диапазона, для анализа спектра светового потока, прошедшего через исследуемую среду. Это такие приборы, как фотоэлектрический анализатор билирубина "Билимет", многочисленные фотоколориметры, приборы для интроскопии, гемоглобинометры и др.

           Гемоглобинометрами возможно так же осуществление контроля эффективности дыхания, путем фотометрического измерения процентного содержания оксигемоглобина в периферической артериальной крови. Метод  измерения основан на отличие спектральных характеристик поглощения света восстановленным гемоглобином  (Hb)  и  оксигемоглобином. При  длине  световой  волны  620-680 мкм коэффициент поглощения для Hb в несколько раз выше. Датчик для такого измерения конструктивно выполнен в виде клипсы, надевается на мочку уха таким образом, что с одной стороны ее располагается лампочка осветитель со светофильтром для получения монохроматического света с нужными спектральными качествами, а с другой стороны фотосопротивление, будет изменяться величина этого сопротивления, а следовательно, и ток, протекающий через него. Введя компенсацию на толщину ткани и ее кровенаполнение, и анализируя полученные значения токов, получим нужную нам оценку эффективности дыхания.

           Но фотоэлектрические датчики могут применяться и без внешних источников света таких как лазеры и лампы, потому что человек, как и все нагретые тела, излучает свет инфракрасного диапазона, на которую приходится около 60% энергии постоянно испускаемой человеком в течении всей жизни. На принципе регистрации ИК излучения человека построены приборы инфракрасной медицинской термографии. Точная работа таких устройств возможна из-за связи энергетической светимости от четвертой степени температуры излучателя, поэтому даже небольшое изменение температуры вызывает заметное изменение светимости. В связи с богатыми перспективами применения лазерной техники для внутрисосудистых операций особое значение имеет визуализация внутрисосудистых объектов, дающая возможность осуществлять оперативный контроль процесса разрушения патологических тканей. Выбор способа визуализации обусловлен рядом факторов как медицинского, так и технического характера.            В настоящее время разработано устройство первичного анализа поступающих с фотоприемного устройства сигналов как принципиально важной части системы оперативной диагностики на основе топологического исследования наблюдаемых объектов. Основной задачей, решаемой средствами оптической локации в лазерной ангиопластике, является диагностика патологических образований − бляшек и тромбов, вызывающих частичное или полное перекрытие просвета сосуда. При обнаружении патологическое образование разрушается мощным лазерным излучением с целью восстановления нормального функционирования сосуда. Для проникновения в сосуд и передачи к объекту лазерного излучения используется многоволоконный оптический катетер, содержащий центральный передающий световод и несколько периферийных световодов, расположенных концентрически по окружности вокруг центрального.

           Назначением периферийных световодов является прием отраженного внутрисосудистыми  объектами  излучения.  Анализируя  интенсивность отраженного сигнала, принятого различными периферийными световодами, требуется определить геометрические и оптические характеристики объектов, находящихся перед торцом катетера с целью распознавания последних.

           Сведения  об  исследованиях и разработках  волоконно-оптических датчиков приведены в табл.3

Измеряемая

физическая величина, объект измерения

Источник информации

Элементы измерительной аппаратуры

Принцип действия, используемое физическое явление

Давление крови

Измерение

давления крови с помощью волоконно- оптического волокна

Жидкий кристалл

Изменение

коэффициента преломления жидкого кристалла в зависимости от давления

Поток крови

Измерение потока

крови с помощью волоконно- оптического катетера

Оптический гетеродинный детектор

Эффект Доплера

Плотность

Измерение диффузного отражения кровяной среды

Волоконный пучок,

цветовой фильтр

Изменение

коэффициента отражения в зависимости от плотности среды

 

Заключение

           В рамках президентской целевой программы модернизации здравоохранения, наш город Балашов тоже не отстал от тенденции современности. Приобретаются – современные приборы: ультразвуковые ингаляторы, приборы инфракрасного излучения, физиотерапевтические  аппараты, магнитно-резонансный томограф (МРТ), кардиографы.                                       Биоинженерам, как никому другим, необходимы знания по применяемости фотодиодов и других элементов микроэлектронике  и микропроцессорной технике. Данная курсовая работа призвана обобщить и дополнить знания, умения и навыки полученные на лекционных и практических занятий.

           В данной курсовой работе были рассмотрены фотодатчики, классифицированы по характеристикам, режимам работы и дополнительным возможностям, указаны области применения в  медицинской диагностики. В процессе выполнения были получены навыки работы со справочной литературой, периодическими изданиями, использовались электронные виды информации.


Список литературы

  1.  Алейников А. Ф., Гридчин В. А., Цапенко М. П. Датчики (перспективные направления развития): учебное пособие. НГТУ, 2001. – 176 c.
  2.  Воробьев Е.А. Датчики-преобразователи информации: Учебное пособие. - СПб.: ГУАП, 2001. – 43 с.
  3.  Коваленко А.А, Петропаловский М.Д. Основы микроэлектроники. - Москва, Академия.; 2010. – 238 c.
  4.  Михеев В.П., Просандеев А.В. Датчики и детекторы. Учебное пособие; 2007, 172 c.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

43404. Моделирование полосно-пропускающего фильтра Чебышева методом инвариантного преобразования 12.84 MB
  Теория моделирования систем фильтрации сигналов.3 Моделирование передаточной функции аналогового фильтра низких частот.33 Приложения А Текст исходной программы Б Simulink – модель цифрового полосно-пропускающего фильтра В Графики АЧХ ФЧХ и времени задержки ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра Робототехника...
43406. Динамика в фотографии 1.19 MB
  Передача характера движения. Направление движения в кадре. Сохранить динамику действия движения внутреннего состояния человека показать развитие события во времени и пространстве в единичном снимке фиксирующем всего лишь кратчайший миг происходящего момент длиною в 1 30 1 100 1 500 долю секунды довольно непросто. И дело конечно не только в передаче на снимке движения как такового как перемещения объекта съемки в пространстве.
43408. Моделирование технологии получения отливки «ОТЛИВКА» из сплава марки СПЛАВ методом литья в МЕТОД ЛИТЬЯ в системе компьютерного моделирования литейных процессов СКМ 578 KB
  Произвести компьютерное моделирование заполнения и затвердевания отливки по заданному технологическому процессу. Провести анализ полученных результатов и дать рекомендации по улучшению предложенного технологического решения. Обозначить вероятные проблемы и возможные дефекты литья, выявленные в ходе анализа. Применить для анализа СКМ ЛП LVMFlow.
43409. Проект мероприятия по озеленению и благоустройству территории сквера “Победа” 263 KB
  Летнее повышение температуры вызывается тропическим воздухом, проникающим из Средиземноморья. Юго-восточные ветры приносят из пустынь Средней Азии засуху. Воздушные потоки с Атлантики приносят пасмурную погоду, снегопады, а летом – облачность и дожди.
43410. Разработка и исследование математическую модель функционирования бытового электрического водонагревателя 621.5 KB
  Интегрированная среда разработки Trce ModeОбщие сведения TRCE MODE состоит из инструментальной системы интегрированной среды разработки и из набора исполнительных модулей. С помощью исполнительных модулей TRCE MODE проект АСУ запускается на исполнение в реальном времени. TRCE MODE позволяет создавать проект сразу для нескольких исполнительных модулей узлов проекта.
43411. Усилитель мощности звуковой частоты 296.5 KB
  Очень широкое применение в современной технике имеют усилители у которых как управляющая так и управляемая энергия представляет собой электрическую энергию. Такие усилители называют усилителями электрических сигналов. Усилители электрических сигналов далее просто усилители применяются во многих областях современной науки и техники. Особенно широкое применение усилители имеют в радиосвязи и радиовещании радиолокации радионавигации радиопеленгации телевидении звуковом кино дальней проводной связи технике радиоизмерений где они...
43412. УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ СИГНАЛОВ ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ 551 KB
  Выходная группа каскадов –двухтактный эмиттерный повторитель на составных квазикомплементарных транзисторах работающих в режиме АВ. наметились два направления в конструировании любительских УМСЗЧ – проектирование ультролинейных усилителей имеющих коэффициент гармоник порядка тысячных долей процента но весьма сложных в регулировке и налаживании и создание сравнительно простых усилительных устройств обычно на одном – двух операционных усилителях и двух – четырёх транзисторах легко повторяемых но не позволяющих получить требуемое для...