Фотоэлектрический измерительный преобразователь для фотоплетизмографа

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

 

 

 

Факультет_______________Электроники и Приборостроения______________

Кафедра __________Электрогидроакустической и медицинской техники____

Группа____________________________Э-129__________________________

 

Техническое задание 

По проекту студента:

1. Тема проекта    Фотоэлектрический измерительный преобразователь для фотоплетизмографа_______________________________                                                      

 

2. Срок сдачи студентом законченного проекта____________________

 

3. Исходные данные к проекту

 

1. Тип излучателя                                                                         светодиод 
2. Тип приемника                                                                           фотодиод
3. Длина волны излучателя                                                                  950нм
4. Напряжение питания                                                                         12 В 
5. Излучаемая мощность                                                              до 2,5 Вт
6. Частотный диапазон регистрируемых сигналов       от 0,25 до 40 Гц 

___________________________________________________________

 

 

 

 

4. Содержание

 

1. Введение___________________________________________________
2. Обзор литературы__________________________________________
3. Физические принципы работы_________________________________
4. Технические  характеристик устройства_______________________
5. Выбор и расчет основных параметров_________________________
6. Описание конструкции устройства____________________________
7. Место датчика в конструкции прибора________________________
8. Список литературы_________________________________________                                                                                                                   

____________________________________________________________________________________________________________

 

5. Перечень графического материала

 

Сборочный чертеж фотометрического датчика___________________

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание принял к  исполнению__________________________________   

Подпись студента______________________

 

 

 

Введение

Фотометрия – раздел физической оптики и измерительной техники, посвященный методам исследования энергетических характеристик оптического  излучения в процессе его испускания, распространения в различных  средах и взаимодействия с телами.

Фотометрию проводят в  диапазонах инфракрасного (длины волн – 10 –3…7·10 –7 м), видимого (7·10 –7…4·10 –7 м) и ультрафиолетового (4·10 –7…10 –8 м) оптических излучений.

При распространении электромагнитного  излучения оптического диапазона в биологической среде наблюдается ряд основных эффектов: поглощение и рассеивание излучения атомами и молекулами среды, рассеивание на частицах неоднородностей среды, деполяризация излучения. Регистрируя данные взаимодействия оптического излучения со средой, можно определить количественные параметры, связанные с медико-биологическими характеристиками исследуемого объекта.

Для измерения фотометрических  величин применяют приборы – фотометры. Устройство всех фотометров отвечает некоторой обобщенной схеме, показанной на рис. 1.

 

 

Рис. 1

 

 

 

 

Структура фотометра

 

Основной принцип состоит  в измерении поглощения лучистой энергии растворами анализируемых  веществ. Характер спектра поглощения служит качественным признаком определяемого  соединения, а величина поглощения выступает  как количественная характеристика, позволяющая судить о содержании интересующего компонента. Дела в  том, что поглощение лучистой энергии  при прочих  равных условиях пропорционально  концентрации поглощающего вещества.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Обзор литературы

 

Плетизмография — способ регистрации изменений объема тела или части его, связанных с динамикой кровенаполнения. Общая плетизмография или body plethys-mography используется для исследования функций внешнего дыхания и минутного объема кровообращения. С помощью плетизмографии можно оценить сосудистый тонус и при использовании различных проб составить представление об органической или функциональной природе сосудистых изменений.

     Регистрация  плетизмограмм производится специальными приборами

плетизмографами различной конструкции (водяные, электро-, фотоплетизмографы). Каждый из них имеет плетизмографический рецептор и датчик измерительного устройства. В зависимости от характера сигнала, получаемого при изменении кровенаполнения, различают механическую плетизмографию, при которой обследуемая часть тела заключается в герметически закрывающийся сосуд с твердыми стенками, а колебания объема регистрируются благодаря воздушной или водяной передаче, электроплетизмографию отражающую динамику электропроводимости в зависимости от степени кровенаполнения (она называется также импедансной плетизмографией, реографией, ее разновидности транстрахеальная, полисегментарная, электроплетизмографию и др.), фотоэлектрическая плетизмография или денсография, в основе которой лежит оценка светопроницаемости органов или части тела в зависимости от степени кровенаполнения.

Фотоплетизмография − динамический метод измерения, который может

ответить на вопрос, на сколько изменился тот или иной параметр перифери-

ческого кровообращения, исходя из абсолютного нулевого уровня для того

или иного человека. Фотоплетизмограф может быть применен для количест-

венного изучения различных  параметров кровообращения в коже и  слизи-

стых оболочках тела человека и для количественной регистрации сосудистых

рефлексов как показателя состояния сосудодвигательных центров.

     Максимальному  сигналу при исследовании тканей  в проходящем свете

соответствует такое положение  фотоплетизмографического датчика, при ко-

тором светодиод отстоит  от ткани на 2 мм, а фотодиод находится в контакте

с ней. Проведенные эксперименты позволяют констатировать, что запись фо-

топлетизмограммы при исследованиях биологических тканей в проходящем

свете дает информацию о непосредственном изменении кровотока в них, так

как все изученные ткани  относительно "прозрачны" по сравнению  с кровью,

а запись фотоплетизмограммы в отраженном свете несет в себе информацию

только об изменении положения  ближайшей к фотоплетизмографическому

датчику поверхности.

Фотоплетизмографический датчик пульсоксиметра содержит два светоизлучающих диода, работающих один в «красной», другой – в «инфракрасной» области спектра, а так же широкополосный фотоприемник. Конструктивно датчик выполняется таким образом, что при его расположении на поверхности тела человека на фотоприемник поступает свет излучателей, ослабленный участком тканей, содержащим артериальный сосуд.

Используется два типа датчиков, первый, анализирующий излучение  светодиодов, проходящих через ткани, и второй – излучение, отраженное от исследуемых тканей.

В качестве фотоприемников используются кремниевые фотодиоды, используются кремниевые фотодиоды, обладающие большим  быстродействием, лучшей стабильностью, большим динамическим диапазоном, большей чувствительностью в ИК-области. И низким уровнем шума.

Сигналы с датчиков после  усиления поступают на входы АЦП  микроконтроллера, который преобразует  каждый сигнал в цифровой код и  передает в память ПЭВМ.

 

2.Физические основы  работы устройства

Преобразование энергии в ФЭП  основано на фотоэлектрическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения.

Неоднородность структуры ФЭП  может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n переходов) или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны - энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов.

Эффективность преобразования зависит  от электрофизических характеристик  неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП , среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость. Она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.

Основные необратимые потери энергии  в ФЭП связаны с:

• отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя,
• прохождением части излучения через ФЭП без поглощения в нём,
• рассеянием на тепловых колебаниях решётки избыточной энергии фотонов,
• рекомбинацией образовавшихся фото-пар на поверхностях и в объёме ФЭП,
• внутренним сопротивлением преобразователя,
• и некоторыми другими физическими процессами.

Для уменьшения всех видов потерь энергии в ФЭП разрабатываются и успешно применяется различные мероприятия. К их числу относятся:

• использование полупроводников с оптимальной для солнечного излучения шириной запрещённой зоны;
• направленное улучшение свойств полупроводниковой структуры путём её оптимального легирования и создания встроенных электрических полей;
• переход от гомогенных к гетерогенным и варизонным полупроводниковым структурам;
• оптимизация конструктивных параметров ФЭП (глубины залегания p-n перехода, толщины базового слоя, частоты контактной сетки и др.);
• применение многофункциональных оптических покрытий, обеспечивающих просветление, терморегулирование и защиту ФЭП от космической радиации;
• разработка ФЭП, прозрачных в длинноволновой области солнечного спектра за краем основной полосы поглощения;
• создание каскадных ФЭП из специально подобранных по ширине запрещённой зоны полупроводников, позволяющих преобразовывать в каждом каскаде излучение, прошедшее через предыдущий каскад, и пр.;

Также существенного повышения  КПД ФЭП удалось добиться за счёт создания преобразователей с двухсторонней  чувствительностью (до +80 % к уже имеющемуся КПД одной стороны), применения люминесцентно переизлучающих структур, предварительного разложения солнечного спектра на две или более спектральные области с помощью многослойных плёночных светоделителей (дихроичных зеркал) с последующим преобразованием каждого участка спектра отдельным ФЭП и т. д.

 

 

Полупроводниковый фотодиод – это  полупроводниковый диод, обратный ток  которого зависит от освещенности.

Обычно в качестве фотодиода  используют полупроводниковые диоды  с p-n переходом, который смещен в обратном направлении внешним источником питания.

При поглощении квантов света в  p-n переходе или в прилегающих к ним областях образуются новые носители заряда. Неосновные носители заряда, возникшие в областях, прилегающих к p-n  переходу на расстоянии, не превышающей диффузионной  длины, диффундируют в p-n переход и проходят через него под действием электрического поля.  То есть обратный ток при освещении возрастает. Поглощение квантов непосредственно в p-n переходе приводит к аналогичным результатам. Величина, на которую возрастает обратный ток,  называется фототоком.

Падающий на вещество поток света  может испытывать отражение, поглощение или проходить насквозь.