Устройства регистрации ультразвуковых импульсов

Значение интенсивности (плотности мощности) падающее на ПЗС матрицу получено. Далее необходимо выяснить, сколько мощности приходится на единичный фотодетектор:

размер фотодетектора ограничен требуемым пространственным разрешением или, в данном случае субъективным размером спекла. Ограничения, связанные с размерами единичного фотодетектора обсуждены в данной статье. Оттуда имеем:

Предполагаемая длина волны 633 нм, величина 1,22 л/б должна равняться 10 мкм, отсюда:



Отношение r/D следует записать или как требование к объективу в результатах вычисления, или найти соответствующие реальные значения r и D.

Размер единичного фотодетектора ПЗС матрицы - 10 мкм². Тоже можно вывести как требование в результатах.

Мощность падающего света на единичный фотодетектор:

Предположим, что основным фактором, ограничивающим чувствительность разрабатываемого устройства, является дробовой шум:

q - заряд электрона, B - ширина полосы принимаемых частот, з - эффективность преобразования(равен около 0.5 можно уточнить). Видно, что дробовой шум пропорционален средней мощности света на фотодетекторе. Из выражения для модуляции мощности падающего света смещением:

выведем среднюю мощность падающего света:

и подставив в формулу для шума, получим:



Вклад в мощность света, вызванный смещением поверхности описан третьим членом выражения для общей мощности:

Мощность сигнала тогда:

Оценить детектируемость сигнала можно, если решить неравенство:

константы и их значения для расчета:

P₀ - максимальное значение мощности света вычисляется как удвоенная сумма интенсивностей опорного и предметного лучей.

K - Видимость интерферометрических полос. Изменяется от 0 до 1 берем равной 0.9.

k - Волновой вектор.

д - Смещение поверхности. В нашем случае берем значение, равное 1 нм.

- разность оптических путей плеч интерферометра. Должна составлять величину л/4 для оптимального режима регистрации.

Выводы.

Из проведенного энергетического расчёта видно, что разрабатываемый детектор ультразвука способен регистрировать ультразвуковые колебания с минимально регистрируемым смещением порядка 1 нм и пространственным разрешением 10 нм. Стоит отметить, что в расчете не учитывалось влияние таких факторов, как тепловой шум, шум генерации рекомбинации и пр., то есть предполагалось, что источники прочих шумов, кроме дробового, устранены. Также стоит не забывать о других факторах, влияющих на точность измерений оптических систем: точная юстировка, нестабильность параметров лазерного излучения, низкочастотные колебания помещения, турбулентность воздуха и пр.

При дальнейшей работе в этом направлении стоит уточнить: количество оптической энергии, рассеянной поверхностью в апертуру оптического датчика, коэффициент фотоэлектрического преобразования и т.д.



6. Техника безопасности при работе оператора с оборудованием

Безопасность эксплуатации оборудования - это система технических мероприятий, обеспечивающих безопасные для жизни и здоровья условия эксплуатации оборудования.

Обслуживающий персонал должен уметь пользоваться защитными средствами и предохранительными приспособлениями; знать правила оказания первой медицинской помощи при поражении электрическим током; правила тушения пожара в помещении и уметь применять средства.

Специфика труда оператора заключается в малой двигательной активности, монотонности выполняемых операций, вынужденной рабочей позе. Эти факторы отрицательно сказываются на самочувствии работающего.

Целью данного раздела является обеспечение безопасности персонала при эксплуатации и обслуживании и выработка рекомендаций по организации рабочего места оператора.

Задачами данного раздела являются:

- обнаружение и изучение влияния на человека опасных и вредных производственных факторов, отрицательно влияющих на здоровье человека;

- ослабление действия этих факторов до безопасных пределов или исключение их вообще, если это возможно.

Условия труда на рабочих местах оператора ЭВМ в производственных помещениях узла связи складываются под воздействием большого числа факторов, различных по своей природе, формам проявления, характеру воздействия на оператора.

Эти факторы подразделяются на следующие группы:

- физические;

- химические;

- биологические;

- психофизиологические.

Первые три группы включают воздействия, оказываемые производственной техникой и рабочей средой. Психофизиологические факторы характеризуют изменения состояния человека под влиянием тяжести и напряженности труда. Включение их в систему факторов производственной опасности обусловлено тем, что чрезмерные трудовые нагрузки в итоге могут также привести к заболеваниям.

Физические опасные и вредные производственные факторы на рабочем месте:

- микроклимат рабочей зоны;

- освещенность рабочей зоны;

- повышенный уровень шума на рабочем месте;

- повышенное значение напряжения в электрической цепи;

- пониженная контрастность;

- повышенный уровень электромагнитных излучений и т.д.

Психофизиологические опасные и вредные факторы на рабочем месте:

- статические физические перегрузки;

- нервно-психические перегрузки (умственное напряжение и перенапряжение, эмоциональные перегрузки, утомление).

Пониженное энергопотребление непосредственным образом влияет на параметры экологичности. Уменьшение энергопотребления позволяет снизить затраты пользователей на электроэнергию, а также уменьшить нагрев оборудования, что положительным образом отражается на надежности.

Для защиты человека от травмирования должна быть обеспечена недоступность человека в опасные зоны. Для предотвращения случайного попадания человека в опасную зону применяются оградительные устройства. Компоненты, вышедшие из строя, должны быть утилизированы соответствующим образом.

Таким образом, минимальное воздействие на окружающую среду обеспечивается за счет соблюдения природоохранных норм, правил и требований.

ПЭВМ должны соответствовать требованиям настоящих санитарных правил и каждый их тип подлежит санитарно-эпидемиологической экспертизе с оценкой в испытательных лабораториях, аккредитованных в установленном порядке.

Электромагнитные поля, характеризующиеся напряженностями электрических и магнитных полей, наиболее вредны для организма человека. Основным источником этих проблем, связанных с охраной здоровья людей, использующих в своей работе автоматизированные информационные системы на основе персональных компьютеров, являются дисплеи (мониторы), особенно дисплеи с электронно-лучевыми трубками.

Они представляют собой источники наиболее вредных излучений, неблагоприятно влияющих на здоровье программиста.

ПЭВМ являются источниками таких излучений как:

- мягкого рентгеновского;

- ультрафиолетового 200-400 нм;

- видимого 400-700 нм;

- ближнего инфракрасного 700-1050 нм;

- электростатических полей.

Основными источниками поражения электрическим током являются силовые и осветительные линии электропередач, отдельные части электроустановок, неизолированные, с повреждением или влажной изоляцией и посторонние предметы, случайно оказавшиеся в соприкосновении с ними.

Для операторов, обслуживающих аппаратуру, опасность представляют незаземлённые корпуса оборудования, электроприборов, измерительных приборов, различные электроинструменты, переносные электроосветительные установки. Для питания оборудования используется переменный ток с напряжением 205…230 В с частотой 50 Гц .

Действие электрического тока на живую ткань носит разносторонний и своеобразный характер. Проходя через организм человека, электрический ток способен производить термическое, электролитическое, механическое и биологическое действие. При достаточно сильном воздействии этого фактора может произойти летальный исход. Исход поражения человека электрическим током зависит от: силы тока, времени его прохождения через организм, характеристик тока (переменный или постоянный), пути тока в теле человека, при переменном токе также от частоты.

Допустимым является ток, при котором человек может самостоятельно освободиться от электрической цепи. Его величина зависит от скорости прохождения тока через тело человека. В ГОСТ установлены предельно-допустимые значения напряжения прикосновения и тока, протекающего через тело человека:

– U=400 В при длительности воздействия до 0,2 с;

– U=200 В при длительности воздействия до 0,5 с;

– U=20 В, I=6 мА при длительности воздействия от 1 до 10 с;

– I=2 мА при длительности более 10 с.

Основными мерами защиты от поражения электрическим током являются следующие:

– обеспечение недоступности токоведущих частей, находящихся под напряжением, для случайного прикосновения;

– электрическое разделение сети;

– устранение опасности поражения при появлении напряжения на корпусах, кожухах и других частях электрооборудования, что достигается применением малых напряжений, использованием двойной изоляции, выравниванием потенциала, защитным заземлением, занулением, защитным отключением и другими мерами;

– применение специальных электрозащитных средств - переносных приборов и приспособлений (средств индивидуальной защиты);

– организация безопасной эксплуатации электроустановок.

В основном, шум воздействует на органы слуха. Под воздействием шума снижается концентрация внимания, нарушаются физиологические функции, появляется усталость в связи с повышенными энергетическими затратами и нервно-психическим напряжением, ухудшается связность речи. Всё это снижает работоспособность человека и его производительность, качество и безопасность труда. Длительное воздействие интенсивного шума (выше 80 дБ) на слух человека приводит к его частичной или полной потере.

В производственных помещениях, в которых работа на ПЭВМ является вспомогательной, уровни шума на рабочих местах не должны превышать значений, установленных для данных видов работ санитарными нормами допустимых уровней шума на рабочих местах.При выполнении основной работы на ПЭВМ (диспетчерские, операторские, расчетные кабины и посты управления, залы вычислительной техники) уровень шума на рабочем месте не должен превышать 50 дБ. В помещениях операторов ПЭВМ уровень шума не должен превышать 65 дБ.

Освещенность производственных, служебных и общественных помещений регламентируется СНиП. Естественное освещение оценивается коэффициентом естественной освещённости (КЕО). Работа инженера-оператора относится к категории работ высокой зрительной точности - III (наименьший размер объекта различения 0,3-0,5 мм). Для этой категории работ при искусственном общем освещении наименьшая освещенность E_min=300 Лк, коэффициент неравномерности освещения z=1,1, коэффициент пульсации освещенности не более 15%, коэффициент запаса k=1,5.

Обычно искусственное освещение выполняется посредством электрических источников света двух видов: ламп накаливания и люминесцентных ламп.

Люминесцентные лампы по сравнению с лампами накаливания имеют ряд существенных преимуществ:

- по спектральному составу света они близки к дневному, естественному свету;

- обладают более высоким КПД (в 1,5-2 раза выше, чем КПД ламп накаливания);

- обладают повышенной светоотдачей (в 3-4 раза выше, чем у ламп накаливания);

- более длительный срок службы.

Для решения вопросов о необходимости и целесообразности снижения шума необходимо знать уровни шума на рабочем месте оператора. Уровень шума, возникающий от нескольких некогерентных источников, работающих одновременно, подсчитывается на основании принципа энергетического суммирования излучений отдельных источников.

где, - уровень звукового давления i-го источника шума;

- количество источников шума.

Для защиты работников от опасности поражения электрическим током при переходе напряжения на металлические нетоковедущие части, нормально не находящиеся под напряжением, применяют защитное заземление.

Защитное заземление представляет собой систему металлических заземлителей, помещенных в землю и электрически соединенных специальными проводами с металлическими частями электрооборудования, нормально не находящимися под напряжением.

Защитное заземление эффективно защищает человека от опасности поражения электрическим током в сетях напряжения до 1000 В с изолированной нейтралью и в сетях напряжением выше 1000 В - с любым режимом нейтрали.

Заземление устроено в соответствии с требованиями Правила устройства электроустановок (ПУЭ).

В качестве искусственных заземлителей применим угловую сталь 60x60 мм, стальные трубы диаметром 35-60 мм и стальные шины сечением не менее 100 мм². Стержни длиной 2,7 м забиваются в грунт вертикально в специально подготовленной траншее.

Расчет заземления сводится к определению числа заземлителей и длины соединительной полосы исходя из допустимого сопротивления заземления.

При выносной системе заземления заземлители располагаются на некотором удалении от заземляемого оборудования. Поэтому заземленное оборудование находится вне поля растекания тока и человек, касаясь его, окажется под полным напряжением относительно земли. Выносное заземление защищает только за счёт малого сопротивления грунта.

В данном разделе произведена идентификация и анализ основных опасных и вредных производственных факторов, возникающих при эксплуатации и обслуживании сети, таких как повышенный уровень электромагнитных излучений, повышенный уровень шума на рабочем месте, микроклимат рабочей зоны, повышенное значение напряжения в электрической цепи, замыкание которой может произойти через тело человека. Таким образом, при соблюдении всех выше перечисленных норм, правил и ГОСТов рабочее место в операторской при эксплуатации и обслуживании данной системы будет безопасно для сотрудников компании.



Заключение

Таким образом, в решения задачи лазерного детектирования ультразвука, применяемого в задачах фотоакустической визуализации медицинской диагностики, было выполнено:

* выбрана и обоснована схема

* выбраны и описаны принципы построения прибора

* произведен энергетический расчет чувствительности спекл-интерферометрических средств регистрации малых смещений (ультразвука) вследствие воздействия фотоакустического эхоимпульса.

Расчет показал возможности регистрации фотоакустических эхосигналов по изменению колебаний поверхности бесконтактным методом.

Применение лазерного детектирования ультразвука является перспективным для приборов неинвазивной диагностики в перспективной медицине.



Список литературы

1. Kokkonen K. Imaging of Surface Vibrations Using Heterodyne Interferometry - Aalto University publication series, 2014.

2. Осипов М.Н., Фалиев И.Н., Чекменев А.Н., Щеглов Ю.Д. Применение Спекл-Интерферометрии для Регистрации Акустического Сигнала - Ползуновский вестник, 2012.

3. Франсон М. Оптика спеклов - М: Мир, 1980.

4. Осипов М.Н. Поведение выходного сигнала в системе измерения на основе оптоэлектронного интерферометра Майкельсона - Ползуновский вестник, 2011.

5. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов - М.: Мир, 1978.

6. Сердюк В.С., Игнатович И.А., Кирьянова Е.Н., Стишенко Л.Г. Безопасность жизнедеятельности: Методические указания к самостоятельным работам - Омск: ОмГТУ, 2008.

7. Коронкевич В. П., Ханов В. А. Современные лазерные интерферометры - Новосибирск: Наука, 1985.

8. Кондратьев А. И., Гусаков С. А. Интерференционный способ измерения малых ультразвуковых сигналов и интерференционное устройство для его осуществления, 1988.

9. Смолин Ю.А., Тихонов А.С., Шлыков Е.С. Новые разработки в УЗтехнике и их применение - Л., ЛДНТП,1982.

10. Кондратьев А.И., Криницын Ю.М., Гусаков С.А. Лазерные интерферометры для измерения ультразвуковых колебаний - Хабаровск, 2000.

Размещено на Allbest.ru

...