Устройство сфигмометрии

     В контур генератора параллельно датчику  введена подстроечная емкость с  выведенной на панель прибора рукояткой  для установки «нуля». В контур дискриминатора также введена подстроечная емкость, необходимая при производственной настройке преобразователя. Наличие этой емкости позволяет также использовать с одним преобразователем датчики с конструктивно различными емкостями.

Рис. 1.14. Принципиальная схема преобразователя.

Л1—  лампа 6П1П, Л2— лампа 6Х2П; R1=300Ом, R2=47к, R3, R4=30Ом; С1=5800пФ, С2=51пФ, С3=200пФ, С4=125пФ, С5=110пФ, С6=30пФ, С7, С8=1000пФ; L1=0.11мкГн, L2=0.19мкГн; Др1— дроссель (30 витков, провод ПЭЛ-0.20, на каркасе сопротивления МЛТ-1); Д— датчик. 

     Выходное  сопротивление детектора определяется в основном относительно большим сопротивлением диодов. Это обеспечивает работу преобразователя прямо на низкоомные вибраторы с рабочим током 6—8мА без дополнительного усиления. Избыток выходного тока гасится шунтирующим потенциометром, в результате чего обеспечивается плавная регулировка масштаба записи.

     Питание преобразователя осуществляется стабилизированным  анодным напряжением 150—250В, питание  накала ламп— от переменного тока (с бареттером). В таком режиме преобразователь безотказно и устойчиво работает неограниченное время.

     Преобразователь обладает следующими типовыми характеристиками:

     а) Чувствительность 3—4мА/пФ при Е_а=150В и 4—6мА/пФ при Е_а=250В.

     б) Чувствительность по механическому  сигналу 0.02—1.0мА/мм вод. ст. Она зависит  от конструкции датчика, характеристики и степени натяжения мембраны.

     в) Характеристики «изменение емкости— выходной ток» и «давление— выходной ток» линейны на 70—80% всего диапазона  выходного тока. Загиб характеристики с обеих сторон наблюдается при  выходном токе 8—10мА и более в зависимости от анодного напряжения и качества настройки.

     г) Частотные искажения исследуемых  процессов, начиная со стационарных, по электронному преобразованию отсутствуют.

     д) Преобразователь практически нечувствителен к электрическим помехам. Фон  от питания накала ламп переменным током ничтожно мал.

     е) Стабильность схемы удовлетворительная. При хорошей естественной вентиляции дрейф выходного тока преобразователя, собранного с применением воздушного конденсатора и безцокольной лампы 6П1П, за 4—5ч составляет 0.1—0.2мА.

2. Обоснование и  расчет схем устройства  сфигмометрии

   2.1. Обоснование структурной  схемы измерительной 

   части устройства сфигмометрии

     Проведенный в первом разделе обзор существующих устройств сфигмометрии и устройств  с аналогичным предназначением показывает, что наибольшее распространение получили емкостные сфигмографические приставки, у которых чувствительным элементом является емкость с изменяющимся расстоянием между обкладками. Эта емкость включается в цепь автогенератора, благодаря чему модулируется его частота генерации. Учитывая эту особенность, предлагаем к рассмотрению структурную схему устройства сфигмометрии, приведенную на рис.2.1. В разрабатываемом устройстве также используется принцип модуляции частоты автогенератора, однако, в качестве первичного измерительного преобразователя давления используем частотный преобразователь давления на основе кварцевого резонатора с модулированной шириной межэлектродного зазора.

     Принцип работы схемы следующий.

     Через воспринимающий орган (воронку или манжету) давление подается на преобразователь давление—частота, роль которого выполняет генератор на основе кварцевого резонатора с модулированной шириной межэлектродного зазора. На выходе кварцевого автогенератора стоит устройство фильтрации сигнала, которое отрезает часть спектра сфигмограммы, лежащую выше 30Гц— верхней значимой частоты спектра сфигмограммы. Также оно не пропускает частоты сфигмограммы менее 0.5Гц, благодаря чему на его выходе будет полезный сигнал, свободный от артефактов, связанных с мышечными сокращениями во время проведения регистрации пульсовой волны, и от дрейфа изолинии, связанного с нестабильностью элементов схемы. Далее в схеме измерительного канала стоит частотный детектор, преобразующий информативное изменение частоты датчика в соответствующее изменение напряжения. Это напряжение в блоке АЦП преобразуется в двоичный код и заводится на интерфейсный блок, осуществляющий связь разрабатываемого устройства сфигмометрии с ЭВМ. Частоту дискретизации сигнала в АЦП выберем равную 250Гц, что значительно больше верхней граничной частоты спектра сфигмограммы и благодаря чему будут отсутствовать искажения. Сигнал с частотой 250Гц вырабатывается числовым блоком и заводится на вход управления АЦП.

Рис.2.1. Структурная схема разрабатываемого устройства

сфигмометрии. 

2.2. Обоснование и  расчет функциональной  схемы

измерительной части устройства сфигмометрии

     Исходя  из требований, указанных в разделе 2.1, предлагается следующая функциональная схема разрабатываемого устройства сфигмометрии (рис.2.2).

     В качестве первичного измерительного преобразователя  давления используем частотный преобразователь  давления на основе кварцевого резонатора с модулированной шириной межэлектродного  зазора.

     В данном случае чувствительным элементом является кварцевый резонатор с модулированной шириной межэлектродного зазора, пневматически связанный с воспринимающим органом, который устанавливается на исследуемом участке тела пациента. Исследуемый процесс (колебания стенок артерий) преобразуется в изменения давления в пневматическом тракте и, как следствие, в перемещения мембраны чувствительного элемента, а затем перемещение мембраны преобразуется в изменение частоты.

     Частота кварцевого резонатора f(x), возбуждаемого в межэлектродном зазоре, равна:

где x, x₀, x_m—текущий и начальный зазор между мембраной и кварцевым пьезоэлементом, а также ход мембраны под действием измеряемого давления соответственно; f₀— номинальная частота кварцевого пьезоэлемента при x=0; m, h_пэ, e_пэ—емкостное отношение, толщина и диэлектрическая проницаемость кварцевого пьезоэлемента соответственно. Относительная информативная девиация частоты измерительного сигнала

а крутизна S_F  характеристики d_F(x) датчика равна:

Здесь — параметр кварцевого пьезоэлемента; N— его частотный коэффициент.

     Так как параметры m, N и e_пэ определяются типом среза кварцевого пьезоэлемента, то величины d_F и S_F зависят лишь от величины текущего зазора x, изменяющегося под действием измеряемого давления, и значения рабочей частоты f₀. Для увеличения информативной девиации частоты в датчиках необходимо использовать резонаторы АТ-среза, у которых емкостное отношение m максимально, причем форма пьезоэлемента должна быть плоской, так как в линзовых пьезоэлементах величина m значительно ниже. Диапазон рабочих частот должен составлять 1¸30МГц, в пределах которого резонаторы АТ-среза работают на первой механической гармонике.

     Крутизна  характеристики преобразования перемещения  мембраны в частоту датчика  S_F максимальна при зазоре x=0 и прямо пропорциональна рабочей частоте f₀, а с увеличением зазора крутизна уменьшается. Информативная девиация частоты пьезорезонансного датчика увеличивается с увеличением рабочей частоты и с увеличением зазора x. Учитывая же необходимость на практике согласовывать противоречивые требования получения максимальной девиации частоты при сохранении достаточной активности кварцевого резонатора (активность уменьшается с увеличением зазора) и возможно меньшей нелинейности градуировочной характеристики датчика, целесообразно ограничить величину x_max<x_кр так, чтобы в рабочей области крутизна этой характеристики изменялась бы не более, чем в четыре раза. Так, для датчиков, в которых используются пьезоэлементы с параметрами m=6.29´10^-3, N=1661кГц, e_пэ=4.5 и с частотой f₀ вблизи 5МГЦ, 10МГц и 30МГц рабочая область значений зазора составляет 0¸74мкм, 0¸37мкм и 0¸12мкм соответственно. Таким образом, в рассматриваемых датчиках с целью обеспечения высокой точности измерений за счет повышения крутизны характеристики преобразования и уменьшения хода мембраны (снижения погрешности гистерезиса) необходимо применять кварцевые плоские пьезоэлементы АТ-среза, работающие на частотах 5МГц< <f₀<30МГц. При этом эффективная область рабочих значений соответствует мкм.

     Прогиб  кремниевой мембраны x_М под действием максимального артериального давления P_max=300мм рт. ст.=0.04МПа равен:

где E=130Па—модуль упругости кремния с проводимостью n-типа, h_М— толщина мембраны.

     Так как величина прогиба мембраны больше рабочей области значений зазора для пьезоэлемента с частотой f₀=30МГц, то выбираем для датчика давления пьезоэлемент с частотой f₀=10МГц, для которого рабочая область значений зазора составляет до 37мкм, что больше максимального прогиба мембраны.

     Кварцевый резонатор с модулированной шириной  межэлектродного зазора первичного измерительного преобразователя давления включается в схему автогенератора, собранного по схеме емкостной трехточки, в качестве эквивалентной индуктивности. Кварцевый резонатор необходимо экранировать. Если воспользоваться конструкцией датчика, обеспечивающей самоэкранирование, то необходимо применить такую схему автогенератора, в которой один электрод кварцевого резонатора непосредственно связан с корпусом. Для ослабления влияния нагрузки на генератор на его выходе поставим эмиттерный повторитель, имеющий большое входное сопротивление.

     На  выходе эмиттерного повторителя  стоят параллельно две системы  фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), работающих в режиме следящих фильтров. Подстраиваемые генераторы этих систем ФАПЧ настроены на частоту 10МГц автогенератора. Первая система ФАПЧ имеет полосу удержания равную 30Гц, а вторая— полосу удержания DF_уд=0.5Гц (для обеспечения фильтрации сигнала). На выходе первой системы ФАПЧ поставим смеситель, на второй вход которого подадим кварцованное колебание частотой 100кГц, и на выходе смесителя выделим колебание суммарной частоты. Сигналы с выхода этого смесителя и подстраиваемого генератора второй системы ФАПЧ подадим на смеситель, с выхода которого будем снимать разностный сигнал.

     Для того, чтобы реализовать систему  ФАПЧ с очень узкой полосой удержания, необходимо прибегать с специальным методам и устройствам, позволяющим обеспечить захват частоты эталонного генератора (ЭГ), которым в нашем случае является кварцевый автогенератор. Одну из таких возможностей дает система автопоиска частоты [14]. Но поскольку автопоиск обычно осуществляется в пределах всей сравнительно широкой полосы удержания, то общее время автопоиска может быть значительным. Также при наличии комбинационных помех на выходе фазового детектора вместе с сигналом разностной частоты ЭГ и ПГ появляются побочные составляющие, в результате чего может возникнуть «ложный» захват. Поскольку во время «ложного» захвата принудительное изменение собственной частоты ПГ продолжается, то при достаточном уровне комбинационной помехи может оказаться, что к моменту выхода системы ФАПЧ из режима «ложного» захвата частота ПГ выйдет за пределы полосы 8захвата для полезного сигнала. В этом случае режим синхронизма в системе ФАПЧ не установится. Следовательно, система ФАПЧ с автопоиском частоты в нашем случае неприменима.

     Радикальным решением вопроса о расширении полосы захвата при обеспечении большой  помехоустойчивости и малого времени  захвата является создание двухрежимной системы ФАПЧ [14]. В одном режиме (режиме захвата) система приводится в состояние синхронизма, после достижения которого устанавливается стационарный режим фильтрации помех. В режиме захвата фильтр нижних частот должен иметь широкую полосу пропускания (практически несколько большую полосы удержания). В этих условиях полоса захвата и время установления режима синхронизма практически такие же, как и без фильтра нижних частот. В этом случае полоса захвата Dw_з с достаточной для практики точностью равна полосе удержания Dw_у, а время установления режима синхронизма весьма мало и равно: .