XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

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 Θ_NA к оптической оси волокна.

Функция преобразования ВОДНД имеет вид [2, с. 78]:

,

(1)

где Ф₀ -световой поток, введенный в зону измерения;  - коэффициент отражениязеркальной поверхности; r_c - радиус сердцевины ОВ; Θ_NA- апертурный угол ОВ; Х_i- текущее значение расстояния от отражающей поверхности мембраны до ООВ; R - внешний диаметр кольцевой освещенной зоны в плоскости ООВ, R=2(Х_itg_NA –r_c).

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 wот 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.

Список литературы

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.

Код для цитирования: Скопировать