Сетевое издание
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

ВЫВОД ФУНКЦИИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ДЛЯ ИНВАЗИВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ В ПАРЕНХМАТОХНЫХ ОРГАНАХ

Паршикова Т.В. 1 Мурашкина Т.И. 1
1 Пензенский государственный университет
Выведена функция преобразования (ФП) волоконно-оптического датчика (ВОД), предназначенного для измерения низкого давления в диапазоне 0…20 кПа в паренхиматозных органах: печени и почках. Рассчитан прогиб мембраны, имеющей малые габариты и стабильную упругость материала, обеспечивающий требуемую чувствительность преобразования оптического сигнала. На различных стадиях диагностики состояния организма человека необходимы соответствующие медицинские технические средства измерения давления, поскольку давление является показательным источником информации о здоровье человека.
измерение
низкое давление
функция преобразования
волоконно-оптический датчик
мембрана
1 Бадеева Е.А., Мурашкина Т.И., Геращенко С.И., Бростилова С.И., Васильев С.И. Проблемные вопросы применения волоконно-оптических датчиков давления в медицинской практике. // В сборнике: Новые технологии в медицине, биологии, фармакологии и экологии. Материалы Международной конференции NT + M&Ec`2021. Весенняя сессия. Москва, 2021. С. 16-32
2 Бадеева Е. А., Мурашкина Т. И., Мещеряков В. А. Волоконно-оптические датчики давления отражательного типа для летательных аппаратов // Датчики и системы.2001. №9. С.14-18.
3 Андреева, Л. Е. Упругие элементы приборов.– М. : Машиностроение, 1981.
4 Мурашкина Т. И., Бадеева Е. А. Волоконно-оптические приборы и системы: научные разработки НТЦ «Нанотехнологии волоконно-оптических систем» Пензенского государственного университета Ч. I // СПб: Политехника, 2018. 192 с.

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.


Библиографическая ссылка

Паршикова Т.В., Мурашкина Т.И. ВЫВОД ФУНКЦИИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ДЛЯ ИНВАЗИВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ В ПАРЕНХМАТОХНЫХ ОРГАНАХ // Международный студенческий научный вестник. – 2022. – № 1. ;
URL: https://eduherald.ru/ru/article/view?id=20837 (дата обращения: 27.05.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674