туды, что необходимо для эксперимента. У тензостанции ТС-1 максимальный коэффициент усиления, следовательно, можно анализировать колебания демпфера с малой амплитудой. Кроме того, в ТС-1 предусмотрены функции, необходимые для проведения эксперимента по измерению на-груженности демпфера, отсутствующие в готовых аналогах. К ним относятся запуск измерений по внешнему сигналу контактора и синхронная с измерениями обработка сигналов от датчика угла.
Тензостанция ТС-1 является прибором более адаптированным к проведению целевого эксперимента, чем готовые аналоги, имеющие схожие технические характеристики, но
лишенные ряда качеств, необходимых для успешного проведения испытаний.
Л и т е р а т у р а
1. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника / Пер. с нем. Т. 1, 2. М.: Додэка-ХХ1, 2008.
2. Немец И. Практическое применение тензорезисторов / Пер. с чешск. М.: Энергия, 1970.
3. Олифер В., Олифер Н. Компьютерные сети: принципы, технологии, протоколы. СПб: Питер, 2010.
Дата принятия 25.02.2015 г.
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
681.5
Метод измерения температуры на основе модуляции оптического излучения в чувствительном элементе волоконно-оптического датчика
М. Ф. ЗАМАЛТДИНОВ
Казанский государственный энергетический университет, Казань, Россия, e-mail: zamaltdinov.mf@gmail.com
Рассмотрен метод измерения температуры внутренней среды организма на основе модуляции оптического излучения в чувствительном элементе волоконно-оптического датчика в составе медицинского прецизионного термометра.
Кпючевые слова: волоконно-оптический датчик температуры, чувствительный элемент, показатель преломления, граница раздела двух сред, модуляция оптического излучения.
The method of temperature measurement of internal medium of organism based on the boundary modulation of optical radiation in sensitive element of fiber-optical sensor as a part of medical precision thermometer is considered.
Key words: fiber-optics temperature sensor, sensitive element, refractive index, thermometric substance, boundary modulation of optical radiation, transmission and reflection capacity of two media interface.
Низкоинтенсивное лазерное и светодиодное излучения, применяемые в физиотерапии, нашли широкое приложение в клинической практике при лечении различных заболеваний. Однако существуют проблемы определения диапазона параметров излучения при лазеро- и светотерапии и, главное, температуры при воздействии излучения на биоткань. Актуален непрерывный контроль температуры внутренних органов, который возможен с помощью медицинского прецизионного термометра (МПТ) на основе волоконно-оптического датчика температуры (ВОДТ) [1—4].
Рассмотрим схему измерения температуры внутренней среды организма (ВСО), представленную на рис. 1. В настоящее время часто используют светоизлучающие аппараты,
например на основе лазеров 1. Во время воздействия низкоинтенсивного лазерного излучения 2 на биозону 4 ВСО ведется непрерывный контроль температуры с помощью МПТ 14 на основе ВОДТ 15 с модуляцией оптического излучения. Основными элементами МПТ являются: источник излучения — Не—Ne-лазер 19; фотоприемник — фотодиод (ФД) 16; ВОДТ 15, цифровой блок (на рис. 1 не показан). В состав ВОДТ 15 входят: чувствительный элемент (ЧЭ) 8 с управляемым оптическим волокном (ОВ) 7 и оптическим волокном 17 с Y-разветвителем. В свою очередь, ЧЭ также содержит полимер-капилляр 9, заполненный термометрическим веществом (ТВ) 12, отражающую поверхность 13 с серебряным напылением. Оптическое волокно состоит из
Конструкция МПТ с ВОДТ также включает цифровой блок термометра с элементами питания, сенсорный дисплей для отображения измеряемых температур в градусах Цельсия и давления в миллиметрах ртутного столба, разъемы для подключения ОВ к источнику излучения и фотодиоду, индикаторы работы МПТ. В качестве источника излучения для данного вида термометра можно использовать светоизлучающий диод, главные преимущества его — малые габаритные размеры, низкое энергопотребление, а недостатки — угловая расходимость, широкий диапазон излучения. Чувствительный элемент короткий, закрытый с одного конца полимер-капилляр 9 (см. рис. 1), заполненный внутри термометрическим веществом (ТВ) — эпоксидной смолой, в которую введен освобожденный от оболочки конец оптического волокна 7 [2, 5].
Выбор эпоксидной смолы связан с тем, что она обладает наименьшим показателем поглощения для излучения Не— Ne-лазера с длиной волны 632,8 нм, т. е. является оптически прозрачной для красного света; показатель преломления смолы пТВ связан с температурой ТВСо зависимостью
птв = 1,5062 — 3,6576-Ю-4 7"всо.
(2)
Процесс измерения температуры ВСО является изобарным и происходит при нормальном атмосферном давлении ратм = 760 мм рт. ст. = const. Предполагаем, что (2) выполняется при этом давлении, в случае изменения давления зависимость (2) необходимо корректировать и требуется калибровка МПТ. При измерении температуры на сенсорном экране МПТ устанавливают значение ратм, после чего микроконтроллер с учетом данного давления пересчитывает силу тока фотодиода в температуру через соответствующие калибровочные коэффициенты А = {a0, a1, ..., an}, B = {b0, b1, ..., bn} и т. д. Их можно рассчитать путем интерполяции температурной зависимости ТВ пТВ для определенного ратм при калибровке МПТ:
Рис. 1. Схема измерения температуры ВСО при помощи МПТ: 1, 2 — лазер и его излучение; 3, 4, 5 — области с температурами Т1, Т2, Т3; 6, 10, 11 — потоки теплового излучения; 7 — управляемое оптическое волокно (ОВ); 8 — чувствительный элемент; 9 — полимер-капилляр; 12 — термометрическое вещество; 13 — отражающая поверхность; 14 — медицинский прецизионный термометр; 15 — волоконно-оптический датчик температуры; 17, 18 — оболочка и сердцевина ОВ; Р1, Р2 — мощности излучений соответственно Не^е-лазера 19 и падающего на фотодиод 16
ntb1 (7bco) - ao + a1 7bco + a2 7bco + ■■■ + an 7bco ; ntb2 (7bco) - 00 + b1 7bco + 7bco + ■■■ + bn 7bco ;
ntbm (7bco) - x0 + x1 7bco + x2 7bco + ■■■ + xn ^co ;
ntb40 (7bco) - y0 + y1 7bco + у2 7bco + ■■■ + yn 7bco >
оболочки 17 и сердцевины 18. При воздействии лазерного излучения 2 на биозону 4 температура области 3 повышается до Т1. Часть теплоты этой области передается зонам с температурами Т2 , Т3 благодаря теплопроводности. Чувствительный элемент 8 нагревается вследствие передачи тепла (6, 10) из области 3 и поглощения теплового излучения (11) с поверхности биозоны 4.
В оптическом волокне луч распространяется под критическим углом полного внутреннего отражения (ПВО) 0 , определяемым по формуле
9ф = arcsin (no6 / nc) ,
(1)
где поб, пс — показатели преломления оболочки и сердцевины, соответственно.
где 7
всо
20...50 °C; c — степень интерполяционного поли-
■ Ратм min = 780—740 = 40 — число уравнений, определяемое разностью максимального и минимального давлений, соответственно относящихся к последнему и первому уравнениям. Если зависимость nTB (TBCO) линейна, то c = 1.
Характеристики источника излучения. Апертурная характеристика He—Ne-лазера представляет зависимость оптической мощности Ропт на выходе лазера от апертурного угла (угла расходимости) выходного луча ур, т. е. Pопт = Pопт0 £,(ур), где P
опт0
мощность осевого луча при ур = 0; f = cosyp
функция апертурной характеристики лазера. Так как ур = 0,115° = 0, а расстояние от лазера до торца волокна составляет несколько миллиметров, можно принять
P = P опт опт0'
Излучение He—Ne-лазвра является линейно- или плос-кополяризованным: плоскости поляризации и падения луча совпадают, поэтому можно записать
Ропт = Ропт0|| ■ (3)
В дальнейшем при расчетах следует принимать во внимание отражательную и пропускную способности границ раздела двух сред только для этой поляризации. Составляющая мощности луча Ропт01, плоскость поляризации которого перпендикулярна плоскости падения, в (3) не учитывается, поскольку окна разрядной трубки He—Ne-лазера расположены под углом Брюстера [5].
Таким образом, достоинствами He—Ne-лазера являются [5, 6]: монохроматическое излучение с длиной волны X = 632,8 нм (излучение красного цвета); когерентность; низкая мощность оптического излучения Ропт = 0,1...5 мВт, что важно, так как в биозону ВСО попадает незначительная часть излучения; малые габаритные размеры; малая угловая расходимость светового пучка (излучаемый свет почти не рассеивается); диаметр светового пятна на зеркале dmn > 0,3 мм; на выходе лазера излучение плоскополяризо-ванное. Такой лазер можно применять в разрабатываемом МПТ. К его недостаткам можно отнести [5, 6]: необходимость блока питания с повышающим трансформатором напряжения (220/1000 В) и выпрямителем; низкий коэффициент полезного действия 0,01 %■
Характеристики оптического волокна. В разрабатываемом МПТ применено кварцевое ступенчатое многомодовое волокно с диаметрами оболочки и сердцевины соответственно 0,6 и 0,3 мм. Удельные потери излучения в кварцевом волокне для X = 632,8 нм составляют Ауд = 5 дБ/км [2], а при длине волокна L = 0,5 м потери А = Ауд L будут 2,5-10-3 дБ.
Поскольку МПТ предназначен для измерений температуры ВСО, требуется определить тепловое изменение показателей преломления изготовленных из кварцевого стекла сердцевины пс = f2(TBco) и оболочки по6 = f3(TBco) в интервале температур ТВСО = 20.50 °С при ратм = const:
Пс = Пс0 + Рк.с (Твсо - Твс00) = 1,47 + 9,8-10-5 (Твсо - 20); (4)
По6 = Поб0 + Рк.с ( Твсо - Твс00) = 1,45 + 9,8-10-5 ^ - 20), (5)
где ТВС00 = 20 °С — начальное значение температуры ВСО; пс0 = 1,47, поб0 = 1,45 — начальные значения показателей преломления сердцевины и оболочки при температуре 20 °С, (nc - поб) / nc = 0,01; Ркс = 9,8-10-5 К-1 — температурное приращение показателя преломления кварцевого стекла SiO2 при 20 °С [7].
В указанном диапазоне температур угол распространения излучения 0 в ОВ с учетом (1), (4), (5) приблизительно находится в пределах 81 < 9кр < 90°.
Расчет мощности излучения на выходе ЧЭ. При распространении в ЧЭ лазерный луч многократно отражается и преломляется, что влияет на суммарную мощность падающего на фотодиод результирующего излучения. Для упрощения расч
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.