Разработка аналогового электронного спирографа с тензорезистивным датчиком

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЯЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ И БИОМЕДИЦИНСКОЙ ТЕХНИКИ

Курсовой проект

Разработка аналогового электронного спирографа с тензорезистивным датчиком

Выполнил: студент группы 132

Варушкин А.Ю.

Проверил: доц. каф. ИИБМТ

Морозов В.Н.

Рязань, 2013

Содержание

1. Введение

2. Спирография

3. Структурная схема спирографа

4. Расчет

4.1 Формирование входного сигнала

4.2 Расчет дифференциального усилителя

4.3 Расчет фильтра нижних частот

4.4 Расчет преобразователя напряжения в ток

Список используемой литературы

1. Введение

спирограф сигнал частота тензорезистивный

В данной курсовой работе нужно рассчитать аналоговый электронный спирограф с тензорезистивным датчиком с заданными выходными параметрами:

Полоса пропускания Дf = (0.1ч10) Гц;

Выходной ток I_вых =(0ч15) мА.

Аналоговые электронные устройства (АЭУ) - это устройства усиления и обработки аналоговых электрических сигналов, выполненные на основе электронных приборов. Аналоговый сигнал представляет собой непрерывную функцию, с неограниченным числом значений в различные моменты времени. Аналоговые сигналы изменяются по тому же закону, что и описываемые им физические процессы.

Преобразователи электрических сигналов (активные устройства аналоговой обработки сигналов) - выполняются на базе усилителей, либо путем непосредственного применения последних со специальными цепями обратных связей, либо путем некоторого их видоизменения. Сюда относят устройства суммирования, вычитания, логарифмирования, фильтрации, перемножения, деления, сравнения и др.

2. Спирография

Спирография - это метод оценки состояния легких путем измерения объема и скорости выдыхаемого воздуха.

Эта процедура безболезненна, не связана с введением в организм пациента каких-либо медицинских инструментов, может проводиться в амбулаторных исследованиях и занимает всего несколько минут.

Зачем нужна спирография?

Данное исследование позволяет определить функциональное состояние легких и предположить или подтвердить диагноз бронхиальной астмы.

В обоих случаях правильно установленный диагноз помогает начать своевременное лечение, сохраняя здоровье и качество жизни пациента.

Помимо этого, спирография проводимая с лекарственными средствами, уменьшающими спазм бронхов (например, вентолином) позволяет уточнить, является ли нарушение их проходимости обратимым.

Когда нужна спирография?

Спирографию целесообразно проводить, если вы:

1. Являетесь курильщиком с многолетним стажем

2. Страдаете частыми обострениями бронхита или испытываете одышку / чувство нехватки воздуха

3. Имеете наследственность, отягощенную по заболеваниям дыхательной системы или аллергическим заболеваниям

4. Нуждаетесь в коррекции терапии бронхиальной астмы

Как проводится спирография?

Исследование проводится в утреннее или дневное время, натощак / не ранее, чем через 2 часа после легкого завтрака. Перед исследованием в течение 15 минут необходим отдых в положении сидя. Бронходилатирующие (расширяющие бронхи) препараты короткого действия отменяются за 6 часов до проведения исследования, длительного действия - за 12 часов.

3. Структурная схема спирографа

В данном приборе используется тензорезестивный датчик.

Датчик представляет собой резистор, проводник которого наклеен, напылён или нанесён другим способом на подложку, способную деформироваться под действием приложенной силы. Вместе с подложкой деформируется и жёстко связанный с ней проводник резистора. При деформации проводника изменяется его длина и поперечное сечение. Соответственно, будет изменяться и его сопротивление. Измеряя сопротивление тензорезистора можно определить приложенное к подложке давление.[4]

Преобразователь сопротивления в напряжение применяются в измерительных устройствах с резистивными датчиками. Их можно разделить на два типа:

а) преобразователи полного сопротивления, для которых

б)преобразователи приращения сопротивления, для которых

В разрабатываемой схеме используется преобразователь приращения сопротивления. В нем используется мостовая схема.

Дифференциальный усилитель предназначен для усиления разности двух входных напряжений. Стабилизация коэфицента усиления осуществляется с помощью цепи отрицательной обратной связи (ООС). Так же дифференциальный усилитель подходит для усиления слабого дифференциального сигнала с наложенным на него синфазным сигналом в виде постоянного уровня, детерминированного или случайного сигнала (помехи).

Фильтры - это частотно-избирательные устройства, которые пропускают или задерживают сигналы, лежащие в определенных полосах частот. В данной работе нам нужен фильтр нижних частот. Он эффективно пропускает частотный спектр сигнала ниже некоторой частоты (частоты среза), и уменьшает (подавляет) частоты сигнала выше этой частоты. Будем использовать фильтр Баттерворта второго порядка (структура Саллена-Кея). [5]

Преобразователь напряжения в ток

Входные и выходные каскады большинства электронных устройств обычно являются источниками или приемниками напряжения. Однако в некоторых случаях проще и удобнее работать с токовыми сигналами. Для этих целей применяются преобразователи напряжения в ток.[5]

4. Расчет

4.1 Формирование входного сигнала

Тензорезистивный датчик в разрабатываемом приборе представляет собой пояс, который накладывается на грудную клетку. Он имеет длину l= 1м. Число проводников n в поясе равно 20, а радиус одного r_пр равно 0.06мм. Тогда общая длина проводника:

L=n?l; L=20?1=20м.

Площадь сечения проводника:

S=р? r_пр ; S= 3.14?0.06²мм²=0,011304 мм².

Объем всего датчика будет равен:

V=L?S; V=20?0.11304?10^-6=0.22608?10^-6м³.

Пусть в основе тензорезистивного датчика медь. Удельное сопротивление с меди примем равным 0.0175 Ом*мм²/м. Рассчитаем сопротивление :

При дыхание амплитуда колебаний грудной клетки Дr_тел составляет 1см. Так как при выдохе грудная клетка уменьшается , то и соответственно радиус уменьшается, значит

r_{тел.сокр} = r_тел -Д r_тел.

Найдем r_тел:

L=2?р? r_тел; отсюда ,

Таким образом, r_{тел.сокр} =0.15924 - 0.01=0.14924 м.

При этом длина пояса:

l_сокр=2?р? r_{тел.сокр}; l_сокр = 2?3.14?0.14924=0.9372м.

Общая длина проводника:

L_сокр= n? l_сокр; L_сокр= 20?0,9372 =18.744м.

Так как при деформации объем датчика не меняется, мы можем выразить новую площадь сечения:

,

Тогда сопротивление :

Выходной сигнал формируемый с преобразователя сопротивления в напряжение будет рассчитываться по формуле:

;

4.2 Расчет дифференциального усилителя

Допустим, что R₅=1кОм. Тогда по формуле

,

получим, что

.

Округлим до значения, соответствующего шкале номинальных величин резисторов[6]: R₆=2кОм

Найдем R₇ по формуле

R₇=2?R₅+R; R₇=2? 2?10³+=2030.9625Ом

Так же округлим до значения, соответствующего шкале номинальных величин резисторов[6]: R₇=2кОм

Найдем выходное напряжение на дифференциальном усилителе

подставим значения и получим

4.3 Расчет фильтра нижних частот

Данная структура фильтра предполагает, что R₈=R₉=R и C₁=C, C₂=2C.

Частота среза равна 10 Гц, и рассчитывается по формуле

.

Примем величины конденсаторов в соответствии со шкалой номинальных величин конденсаторов[7]: С=0.47мкФ и 2С = 1мкФ.

Тогда из формулы выразим сопротивление:

;

Подставим значения: Ом.

Округлим до значения, соответствующего шкале номинальных величин резисторов[6]: R=24к Ом.

4.4 Расчет преобразователя напряжения в ток

Для преобразования напряжения в ток будем использовать инвертирующий преобразователь на одном операционном усилителе.

Коэффициент преобразования равен:;

Найдем сопротивление:

;

Подставим значения

Округлим до значения, соответствующего шкале номинальных величин резисторов[6]: R₁₀=3.9 Ом.

Список используемой литературы

Аналоговые электронные устройства. http://ru.wikipedia.org/wiki/%C0%ED%E0%EB%EE%E3%EE%E2%FB%E5_%F3%F1%F2%F0%EE%E9%F1%F2%E2%E0

Спирография

http://ru.wikipedia.org/wiki/Спирография

Тензорезистивные сенсоры и датчики давления на их основе. http://www.sibcontrols.com/ru/tjenzorjezistivnyje_sjensory_i_datchiki_davljenija_na_ikh_osnovje (20.12.2013.)

Пейтон А.Дж., Вояш В. Аналоговая электроника на операционных усилителях - М:БИНОМ 1994 - 352с.

Шкала номинальных величин резисторов.

http://katod-anod.ru/articles/2 (20.12.2013.)

Шкала номинальных величин конденсаторов.

http://katod-anod.ru/articles/59

Размещено на Allbest.ru