Автор работы: Пользователь скрыл имя, 24 Октября 2013 в 21:44, курсовая работа
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.
Если поглощенный свет приводит к такому увеличению энергии электронов, что они покидают объем, занимаемый веществом, говорят о внешнем фотоэффекте. Если при освещении изменяется энергетическое состояние носителей заряда внутри твердого тела, то мы имеем дело с внутренним фотоэффектом. При этом добавочная проводимость, обусловленная носителями заряда, созданными излучением, называется фотопроводимостью.
При внутреннем фотоэффекте первичным актом является поглощение фотона, поэтому процесс образования свободных носителей заряда под воздействием излучения будет проходить по-разному в зависимости от особенностей процесса поглощения света. К тому же поглощенный свет не всегда вызывает фотоэффект.
Существует несколько видов поглощения света:
Этот вид поглощения имеет место в том случае, когда оптическое возбуждение электронов происходит из валентной зоны в зону проводимости.
Такое поглощение при наличии в запрещенной зоне полупроводника локальных уровней примеси может вызвать переходы электронов между уровнями примеси и зонами. Фотопроводимость, обусловленная такими переходами, называется примесной фотопроводимостью. Для реализации переходов нужна меньшая энергия кванта, чем для реализации переходов из валентной зоны в зону проводимости. Поэтому примесное поглощение имеет место при больших длинах волн падающего света.
При экситоном поглощении света имеет место создание связанной пары электрон-дырка, которая является электрически нейтральным образованием. Поэтому поглощение света, связанное с образованием экситонов, первоначально не ведет к возникновению свободных носителей заряда. Однако в реальных кристаллических структурах экситоны имеют значительно большую вероятность диссоцировать безызлучательно (с образованием электронов и дырок), чем рекомбинировать с испусканием кванта света. Таким образом, образование экситонов в конечном итоге ведет к образованию свободных носителей зарядов, а, следовательно, и фототока. Экситонное поглощение, характеризующееся узкими полосами поглощения, определяет и узкие полосы фототока. При этом спектр фототока в области экситонного будет зависеть от состояния поверхности. Состояние поверхности полупроводника можно легко изменить путем воздействия на нее (механическое, химическое и т.д). Таким образом, можно изменить характер наблюдаемого спектра фототока, обусловленного экситонным поглощением.
Поглощение света свободными носителями заряда сопровождается увеличением их энергии. При этом в отличие от рассмотренных выше трех видов поглощения, число свободных носителей не изменяется. Но вместе с тем изменяется подвижность носителей заряда.
В результате такого поглощения увеличивается амплитуда колебаний узлов решетки. В этом случае не изменяется концентрация носителей заряда, ни их подвижность. Поэтому поглощение света кристаллической решеткой не является фотоактивным.
Поглощение света свободными носителями заряда и кристаллической решеткой не могут непосредственно вызвать изменение концентрации носителей заряда. Однако возрастание концентрации носителей заряда в этих случаях может происходить в результате вторичных эффектов. Когда поглощение света значительно увеличивает концентрацию фононов, которые затем отдают свою энергию на возбуждение носителей заряда.
3. Технические характеристики устройства
- Длина волны излучения инфракрасных
светодиодов - 0,95 мкм;
- Максимальная мощность измерительного
излучения - 20 мВт;
- Частотный диапазон регистрируемых сигналов
от 0,25 до 40 Гц;
- Потребляемая мощность фотоплетизмографа
- не более 2,5 Вт;
В фотоплетизмографе применены оригинальные миниатюрные оптоэлектронные датчики, работающие как в проходящем, так и в отраженном монохроматическом свете, защищенные авторскими свидетельствами СССР. Применение разработанных датчиков позволяет снизить влияние артефактов, связанных с перекосом датчика, смещением его на загрязненный участок ткани или участок с пигментацией кожного покрова, что важно при проведении исследований в полевых условиях. Кроме того, разработанные датчики и примененные в фотоплетизмографе схемные решения обеспечивают контроль работоспособности каналов прибора в процессе эксплуатации и позволяют исключить из регистрации аномальные пульсовые кривые.
4.Выбор и расчет основных параметров
Из справочника выберем два светодиода:
- GNL-5013IR- светодиод инфракрасный, прозрачный:
- 3009R1G6C-DHB-HYE – светодиод красный
Рассчитаем сопротивление, которое нужно подключить к светодиодам. Светодиод должен иметь резистор последовательно соединенный в его цепи, для ограничения тока, проходящего через светодиод, иначе он сгорит практически мгновенно.
Резистор R определяется по формуле:
Рис. Схема подключения светодиода
VS– Напряжение питания
VL- Прямое напряжение, расчетное для каждого типа диодов (как правило от 2 до 4 вольт)
I – ток светодиода (например 25 мА), это должно быть меньше максимально допустимого для Вашего диода.
Напряжение питания VS=12В, и есть светодиоды VL=3V, требующие I=25мА=0,025А
При этом выбирается стандартное сопротивление из справочника. Подходящим является C2-33H-0,125-620 Ом ±5%.
Все это монтируется на печатную плату, которая крепится в корпусе датчика. Электрические выводы подсоединены к выносной колодке на корпусе.
Излучаемая мощность.
W=I2*R
W=0.0252*620=0.3875 Вт
5.Описание конструкции устройства
Система состоит из 5-канального
фотоплетизмографа и
Сам датчик представляет собой прищепку, которая фиксируется на пальце руки, пальце ноги, ухе или др. части тела. Между двумя поверхностями, которые соприкасаются с поверхностью, расположена пористая резина, обеспечивающая плотный контакт и защиту от внешнего источника света.
Светодиод (полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет при пропускании через электрического тока) и фотодиод (приемник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счет процессов в p-n переходе) размещены на печатной плате, электрические выводы вынесены на колодку, которая встроена в корпус датчика и прибора, обрабатывающего информацию. Использование фотодиода в режиме холостого хода позволяет получить логарифмическое преобразование светового потока в выходное напряжение.
Вся вычислительная
система, где происходит
Метод фотоплетизмографии основан на том, что исследуемая ткань че-
рез специальный световод и светофильтры просвечивается монохроматиче-
ским светом, который после рассеивания или отражения попадает на фото-
электропреобразователь, вызывая изменения фототока. Установлено, что ин-
тенсивность света, отраженного или рассеянного тканью, является функцией
количества содержащейся в ней крови. Поскольку коэффициент поглощения
инфракрасного света кровью значительно выше, чем тканью, фотоплетизмо-
графия регистрирует лишь изменения содержания крови. При этом рассеива-
ние света происходит в основном за счет отражения от поверхности эритро-
цитов.
Список литературы:
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТ
ФАКУЛЬТЕТ ЭЛЕКТРОНИКИ И ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
КАФЕДРА «ЭГА и МТ»
Курсовой проект
На тему:
«Фотоэлектрический измерительный преобразователь для фотоплетизмографа»
Выполнил:
Проверила:
г. Таганрог 2012г.
Информация о работе Фотоэлектрический измерительный преобразователь для фотоплетизмографа