МОДЕЛЮВАННЯ ПРИСТРОЇ ВИМІРЮВАННЯ АРТЕРІАЛЬНОГО ПУЛЬСУ
Наші конференції
У даній секції Ви можете ознайомитись з матеріалами наших конференцій
VIII Міжнародна науково-практична Інтернет-конференція «Спецпроект: аналіз наукових досліджень» (30–31 травня 2013р.)
Одеський національний політехнічний університет, Україна
МОДЕЛЮВАННЯ ПРИСТРОЇ ВИМІРЮВАННЯ
Велике значення для покращення характеристик медичних приладів має можливість їхнього дослідження шляхом комп'ютерного моделювання.
Пульсометр дозволяє визначити такі властивості артеріального пульсу як частота, ритмічність, наповнення пульсу, напруга та висота пульсу, відобразити інформацію в реальному масштабі часу на екрані дисплея, а також передати інформацію для подальшої обробки даних.
Структурна схема пристрою вимірювання артеріального пульсу наведено на рис. 1.
Мал. 1. Структурна схемапристрої вимірювання артеріального пульсу
Якість результатів медичних досліджень багато в чому визначається властивостями вимірювального каналу пульсометра, що складається з інтегрального датчика, підсилювача, фільтрів та блоку оцифрування отриманих даних.
Датчик сприймає удари пульсу і перетворює їх на імпульси напруги, які посилюються підсилювачем (УС) і пропускаються через фільтри верхніх частот (ФВЧ) і фільтри нижніх частот (ФНЧ) з метою виключення шумів та зовнішніх перешкод. Отриманий сигнал подається в процесор (МП) з вбудованим аналого-цифровим перетворювачем, де обробляється і передається в комп'ютер (ПК) через USB інтерфейс. Результати вимірів відбиваються також на дисплеї пульсометра.
Метою роботи є моделювання вимірювального каналу пульсометра з метоюдослідження процесів, що відбуваються в даному пристрої, оптимізації параметрів та покращення його характеристик.
На рис. 2 представлена досліджена нами у програмному середовищі PSPICE модель п'єзорезистивного датчика тиску, підключеного до входу інструментального підсилювача.
Мал. 2. Модель п'єзорезистивного датчика тиску з підсилювачем
Датчик має тонку кремнієву мембрану, що герметично закриває розташовану під нею порожнину, і чотири сформовані на її поверхні п'єзорезистивні елементи. Будь-яке відхилення зовнішнього тиску від тиску всередині порожнини викликає деформацію мембрани та зміну опору цих елементів. П'єзорезистивні елементи з'єднані за схемою моста Уітстона, до однієї діагоналі якого підключено напругу збудження, з іншого діагоналі знімається сигнал, пропорційний зміні тиску.
Модель одного п'єзорезістора (рис. 2) є [1] паралельно з'єднані резистор R 1 , конденсатор C 1 і ланцюжок послідовно з'єднаних елементів R 2 , C 2 , L 1 , що відображають динамічні властивості п'єзоелемента.
Резистори R 1 і R 5 реєструють збільшення тиску, що відображено в моделі, а R 3 і R 4 - зменшення тиску. Підсилювач забезпечує необхідний коефіцієнт підсилення та перетворює симетричний (диференціальний) вихід датчика в несиметричний.
Отримано та досліджено амплітудно-частотну характеристику моделі п'єзорезистивного датчика тиску з підсилювачем (рис. 3).
Мал. 3. Амплітудно-частотна характеристика моделі п'єзорезистивного
датчика тиску з підсилювачем
Резонансні властивості п'єзорезисторів, використаних у даній схемі, виявляються на частоті 110 кГц, рівень вихідної напруги – 4 В достатнійдля подальших перетворень.
Робоча смуга частот вимірювача пульсу знаходиться в діапазоні 0,1 -10Гц, що забезпечується фільтрами низької (ФНЧ) та високої (ФВЧ) частот.
Розроблено та досліджено моделі фільтрів низької та високої частот [2], що входять у вимірювальний канал пульсометра. Моделювання фільтрів дозволяє легко визначити параметри елементів, що визначають частоту фільтрів. Результати комп'ютерного моделювання вимірювального каналу пульсометра представлені малюнку 4, на якому відображені верхня межа робочої смуги частот пульсометра, що визначається параметрами ФНЧ і нижня межа робочої смуги частот, що визначається параметрами ФВЧ.
Мал. 4. Амплітудно-частотна характеристика вимірювального каналу пульсометра
Проведено комп'ютерне моделювання п'єзорезистивного датчика тиску з підсилювачем та інших вузлів вимірювального каналу пристрою вимірювання артеріального пульсу в програмному середовищі PSPICE з метою покращення характеристик запропонованого пристрою. За результатами моделювання здійснено вибір параметрів датчика, підсилювача та фільтрів, що забезпечують необхідні характеристики пристрою.
Список використаних джерел:
1. Джагупов Р. Г. П'єзокерамічні елементи в приладобудуванні та автоматиці / Р. Г. Джагупов, А. А. Єрофєєв. - Л.: Машинобудування, 1986. - 252 с.
2. Костенко В. Л. Моделювання вимірювального каналу комп'ютерного фотоплетизмографа / В. Л. Костенко, М. В. Ядрова, А. А. Ніколенко // Електротехнічні та комп'ютерні системи. - 2011. - № 04 (80). - С. 205-208.