Введение
На различных стадиях диагностики состояния организма человека необходимы соответствующие медицинские технические средства измерения давления, поскольку давление является показательным источником информации о здоровье человека [1, с. 16].
Для разработчиков датчиков давления определяющими параметрами являются диапазон измерения давления и чувствительность преобразователя датчика. Основная проблема, встающая перед разработчиками средств измерения давления медицинского назначения, - низкие значения измеряемых давлений, в связи с чем трудно достичь нужной чувствительности преобразования сигналов. Сложно подобрать упругий воспринимающий элемент (мембрану) малых размеров, имеющий стабильную упругость материала, из которого он изготовлен. Эти проблемные вопросы можно решить с помощью волоконно-оптического датчика давления (ВОДНД) отражательного типа [2]. С целью избежания дискомфорта и снижения риска повреждения человеческих тканей, вызывающих боль и воспаление необходимо снижать габаритные размеры данного датчика.
Цель исследования – определение конструктивных параметров мембраны малогабаритного ВОДНД, обеспечивающих требуемую чувствительность преобразования оптических сигналов.
Материал и методы исследования
В ВОДНД модуляция оптического сигнала происходит зеркально отражающей поверхностью [2, с. 73, 75]. Схема, поясняющая процесс модуляции оптического сигнала при перемещении отражающей поверхности мембраны относительно торцов оптических волокон (ОВ), представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Модуляция оптического сигнала зеркально отражающей поверхностью
Лучи света (габаритные лучи 1 и 2) от передающего подводящего волокна ПОВ проходят в прямом направлении путь L(X)/2 до отражателя и путь L(X)/2 в обратном направлении до отводящего оптического волокна ООВ под апертурным углом ΘNA к оптической оси волокна.
Функция преобразования ВОДНД имеет вид [2, с. 78]:
|
|
(1) |
,где Ф0 - световой поток, введенный в зону измерения; r - коэффициент отражения зеркальной поверхности; rc - радиус сердцевины ОВ; ΘNA - апертурный угол ОВ; Хi - текущее значение расстояния от отражающей поверхности мембраны до ООВ; R - внешний диаметр кольцевой освещенной зоны в плоскости ООВ, R=2(ХitgQNA –rc).
Определено что, если в ВОДНД применяется стаканообразная или плоская мембрана, то при воздействии давления Р на мембрану, она деформируется, принимая сферическое очертание. Для определения микроперемещений центра мембраны w необходимо воспользоваться известной формулой [3]:
|
|
(2) |
.Результаты исследования и их обсуждение
Для передачи в зону измерения достаточной мощности оптического сигнала выбираем «квар-кварцевое» ОВ, радиус сердцевины которого равен 200 мкм, а апертурный угол - 12° [4]. Из условия надежного функционирования микро-оптико-механической системы прогиб мембраны должен быть 20…50 мкм, а начальное расстояние между мембраной и ОВ 950…1000 мкм. По результатам расчёта (таблица 1) строится ФП (рисунок 1).
Таблица 1 – Результаты расчёта ФП
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
Xi, мкм |
950 |
960 |
970 |
980 |
990 |
1000 |
|
Ф(X)/Ф0 |
0,143 |
0,144 |
0,146 |
0,1473 |
0,1477 |
0,1478 |
Рисунок 1 – Вид ФП микро-оптико-механической системы ВОДНД
Рассчитаем прогиб мембраны ВОДНД.
Особенность исходных данных для расчета в том, что мембрана не может быть металлической, так как не обеспечит нужную чувствительность преобразования низких значений давления в преобразуемые физические величины [1, с. 19].
Выберем материал мембраны – тефлон, модуль упругости E которого равен 4500 МПа; коэффициент Пуассона – μ = 0,45. Возьмём мембрану радиусом R = 1 мм в связи с тем, что нам нужно уменьшить габариты ВОДНД, чтобы избежать дискомфорта и уменьшить риск повреждения тканей, вызывающих боль и воспаление. Толщину мембраны h возьмём равной 0,024 мм, чтобы обеспечить нужную чувствительность преобразования сигналов.
Давление p возьмём равным 0…100 мм рт. ст., то есть 0… 13,3 к Па [1].
По результатам расчёта (таблица 2) построим график зависимости прогиба мембраны w от действующего на неё давления p (рисунок 2).
Таблица 2 – Результаты расчёта прогиба мембраны в зависимости от действующего на неё давления
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
|
p, кПа |
0 |
1,33 |
2,66 |
3,99 |
5,32 |
6,65 |
7,98 |
9,31 |
10,64 |
11,97 |
13,3 |
|
p, мм рт. ст. |
0 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
|
w, мкм |
0 |
3,2 |
6,4 |
9,6 |
12,8 |
16 |
19,2 |
22,4 |
25,6 |
28,8 |
32 |
Рисунок 2 – Зависимость прогиба мембраны от действующего на неё давления
Выводы
Авторы считают, что в данной работе новыми являются:
– обоснование используемых материалов мембраны, ОВ, обеспечивающих снижение габаритов ВОДНД;
– результаты расчёт мембраны с выбранными параметрами, показавшие, что зависимость прогиба мембраны от действующего на неё давления линейная.