Курсовая работа: Пристрій для вимірювання температури та артеріального тиску

Метод безконтактного вимірювання температури (БВТ) (пірометрії) заснований на відомому співвідношенні між температурою об'єкту і характеристиками його випромінювання. Ця властивість дозволяє проводити вимірювання температури тіла без фізичного контакту з ним.

Медична термографія дає можливість вимірювати температуру різних ділянок тіла з точністю до декількох десятих кельвіна. Важливість отриманої інформації пояснюється тим, що температура шкіри в даній точці залежить від локальних клітинних процесів і від кровопостачання даної ділянки тіла. Термографія використовується для локалізації і визначення ступеня порушень при артриті, для визначення глибини ураження тканин при обмороженнях і опіках і для виявлення різних порушень периферійного кровообігу, таких як венозний тромбоз, оклюзія сонної артерії та ін [1].

У реальних умовах на достовірність результатів БВТ впливають неідеальність об'єкту вимірювань, середовище поширення випромінювання, наявність паразитних джерел та ін. У структурі радіометричного ланцюга (рис. 1.1) реальний об'єкт представлений у вигляді абсолютно чорного тіла (АЧТ), сигнал якого проходить через ланку з коефіцієнтом випромінювання ε (λ, Т, φ, х, у )< 1, що визначається станом поверхні, формою, матеріалом об'єкту і є складною функцією довжини хвилі, температури, напрямку поширення для даної координати поверхні.

Рисунок 1.1 – Структурна схема радіометричного ланцюга

При поширенні випромінювання з корисним сигналом сумується випромінювання фону і завад (широкосмугові при наявності інших нагрітих тіл або вузькосмугові від газів, що горять). Параметри середовища поширення, що вносить вибіркове ослаблення сигналу в різних спектральних інтервалах, і їх флуктуації залежать від температури, тиску, компонентного складу і концентрації газів, наявності дисперсних включень і т. п. Необхідно враховувати також характеристики оптичної системи і приймача випромінювання.

Через велику кількість чинників підходити до рішення задачі визначення температури найбільш доцільно зі статистичної точки зору [2].

1.1.4 Оптоволоконні термодатчики

На рис. 1.2 зображено схему напівпровідникового зонда для вимірювання температури на основі арсеніда галію GaAs. Невеликий монокристал бездомішкового GaAs, виготовлений у вигляді призми, закріплений за допомогою епоксидної смоли на кінці двох сполучених разом оптоволоконних світлопроводів. Розміри датчика і світлопроводів повинні бути достатньо малими, щоб разом із захисним ковпачком їх можна було помістити в точку вимірювання. Один зі світлопроводів передає світло від світлодіода до датчика. Світло проходить через кристал GaAs і потім по другому світлопроводу передається у вимірювальний пристрій. При проходженні через напівпровідник частина енергії випромінювання поглинається, причому ця енергія передається електронам, які через це зможуть перестрибнути через заборонену зону з валентної зони в зону провідності. Ширина забороненої енергетичної зони сильно залежить від температури напівпровідника, тому при підвищенні температури кількість енергії, що поглинається, зростає.

Такі неметалічні зонди особливо зручні для вимірювання температури в сильних електромагнітних полях, які можуть використовуватися для нагрівання тканин при лікуванні раку або обігріві пацієнта [1].

Рисунок 1.2 – Структура оптоволоконного напівпровідникового зонду для вимірювання температури на основі датчика з арсеніда галію

1.1.5 Напівпровідникові датчики температури

В сучасних електронних пристроях вимірювання температури надзвичайно важливо, особливо якщо мова йде про дорогі малогабаритні комп'ютери або інших портативні пристрої з щільно упакованими електронними компонентами, які розсіюють помітну потужність у вигляді теплової енергії. Знання температури системи можна також використовувати для управління зарядом акумуляторних батарей і для запобігання пошкодженню дорогих мікропроцесорів. Портативне високо споживаюче устаткування часто має охолоджуючий вентилятор для підтримки внутрішньої температури на потрібному рівні. Для того, щоб продовжити життєвий цикл акумуляторних батарей, вентилятор повинен працювати тільки тоді, коли це необхідно. Точне управління роботою вентилятора вимагає знання критичних температур, які вимірюються за допомогою відповідних датчиків температури.

Датчики температури використовуються:

– для моніторингу (спостереження);

· портативного устаткування;

· температури центрального процесора;

· температури акумуляторної батареї;

· температури навколишнього середовища;

– для компенсації;

· для компенсації дрейфу генератора в стільникових телефонах;

· для компенсації температури холодного спаю термопар;

– для керування;

· зарядом акумуляторної батареї;

· управління процесом утримання температури.

Спектр використання температурних датчиків надзвичайно широкий: від зарядних пристроїв до дорогих портативних приладів. Всюди, де характеристики системи залежать від температурних чинників, застосовуються ці прилади.

Всі термодатчики, за винятком зібраних на ІС, мають нелінійну залежність вихідною сигналу від температури. В минулому для корегування цієї нелінійності був розроблений широкий спектр аналогових схемотехнічних рішень. Ці схеми часто вимагали індивідуальною калібрування. Щоб досягнути заданої точності, в них використовувалися прецизійні резистори. Сьогодні, завдяки наявності АЦП з високою роздільною здатністю, сигнали з датчиків можуть бути оцифровані безпосередньо, без попереднього посилення і лінеаризації. Лінеаризація, компенсація напруги на опорному спаї і інша обробка виконуються потім цифровими способами, що дозволяє понизити складність і вартість системи.

Сучасні напівпровідникові датчики температури дають високу точність і високу лінійність в робочому діапазоні від -55°С до +150°С. Вбудовані підсилювачі можуть масштабувати вихідні сигнали датчика, приводячи їх до зручних величин, як, наприклад, 10 мВ/°С. Датчики також досить корисні в ланцюгах компенсації температури холодного спаю для широкодіапазонних термопар.