Рис.7. Схема импульсного датчика
Особенность ультрарзвукового доплеровского прибора состоит в использовании в качестве зондирующего сигнала механических вибраций, передаваемых в тело человека. В процессе работы прибора производятся механические колебания элементов тканей на поверхности тела. Распространение ультразвука зависит от плотности, структуры, однородности, вязкости и сжимаемости тканей. Интегративным отражением этих свойств является акустический импеданс (АИ) ткани. АИ характеризует степень сопротивления среды распространению ультразвука.
,
где d - плотность среды (кг\м3), с - скорость распространения ультразвука в среде.
Циклическое движение элементов тканей на поверхности, производимое пьезоэлектрической пластиной, вызывает в свою очередь, силовые воздействия на элементы тканей с более глубоких слоев, и, соответственно, их циклическое перемещение и т.д. Таким образом, за счет передачи силовых воздействий сжатия-растяжения между соседними элементами тканей возникает передача механических вибраций в тело человека, называемое ультразвуковой волной.
В настоящее время в ультразвуковых приборах применяется ультразвук с частотами до 20 МГц. Так, например, при УЗ обследований головы используют самые низкие частоты порядка 0.5 - 2 МГц, при обследовании периферических сосудов - до 10 МГц, в офтальмологии - до 15 МГц. А чем выше частота, тем ниже минимальная регистрируемая скорость, поэтому, применяемые в настоящее время ультразвуковые доплеровские приборы для измерения кровотока, как отмечалось ранее, имеют ограничения на минимальную регистрируемую скорость.
Указанное ограничение возникает по двум причинам:
из-за зависимости доплеровского сдвига от частоты излучения;
из-за необходимости фильтрации принимаемого сигнала.
Допплеровский сдвиг (разность частот излучаемого и принимаемого сигнала) прямо пропорционален частоте ультразвукового сигнала, на которой проводится исследование кровотока - т.е. чем ниже частота ультразвука, тем меньше допплеровский сдвиг, получаемый при обследовании одного и того же кровотока на различных частотах.
Ограничения, налагаемые на частотный диапазон существующих допплеровских измерителей скорости кровотока, обусловлены, в основном, двумя причинами:
сложностью получения приемлемых параметров ультразвукового преобразователя, выполненного на основе пьезокерамики, для работы на частотах свыше 10 МГц. Толщина пьезокерамической пластины, используемой в качестве активного элемента, составляет половину длины волны, и на частотах свыше 10 МГц становится меньше 0.2 мм. Из-за существования пор в объеме керамики, напыляемые на противоположные поверхности пьезокерамической пластины электрические контакты образуют электрические соединения друг с другом через эти поры, и такой преобразователь становится непригодным для работы;
существующие в настоящее время схемы построения блоков обработки сигналов ультразвуковых преобразователей (в диапазоне до 16 МГц) предполагают производить эту обработку непосредственно в высокочастотной области, что приводит к усложнению схемы, и как следствие, к заметному удорожанию всего допплеровского комплекса.
Основываясь на всем выше сказанном, функциональную схему прибора можно выполнить следующим образом (см. приложение 1).
Рассмотрим работу данной схемы. Сигнал U1, вырабатываемый генератором представляет собой последовательность прямоугольных импульсов f =4МГц. Затем он посылается на буфер, который повторяет сигнал по напряжению и усиливает его по току. На микросхемах DD1, DD1.4 и DD1.5 реализован формирователь импульсов U2 и U3, сдвинутых на , необходимых для раскачки транзисторов VT1 и VT2.
На вторичной обмотке трансформатора формируется двухполярный сигнал U4, который поступает на излучающий пьезоэлемент измерительного преобразователя. Отраженный U6 улавливается приемным пьезоэлементом преобразователя.
Затем сигнал пропускается через повторитель и поступает на усилитель и избирательный фильтр, на выходе которого имеем U7. Полученный сигнал проходит через блок автоматической регулировки усиления, основной задачей которого является изменение коэффициента передачи приемного тракта локатора таким образом, чтобы уровень эхосигнала на выходе приемного блока зависел только от размера цели и не зависел от расстояния от преобразователя.
Для детектирования доплеровского смещения полученный сигнал необходимо подать на смеситель, на выходе которого имеем U8. Частотный спектр этого сигнала широк, поэтому для выделения нужной нам полосы ставим последовательно два фильтра: фильтр низких частот (ФНЧ) и фильтр высоких частот (ФВЧ). После этого сигнал усиливается и в итоге получаем полезный сигнал U9, который поступает на входы блока оптической и акустической индикации.
Блок оптической индикации содержит компаратор (преобразующий изменяющийся во времени сигнал в прямоугольные импульсы), фильтр, повторитель и светодиод.
Блок звуковой индикации состоит из двух последовательно стоящих фильтров нижних и верхних частот и акустического низкочастотного излучателя.
Схема электрическая функциональная приведена в приложении 2.
Для формирования прямоугольных импульсов частотой 4 МГц используем генератор типа К555ЛА3 на логических элементах DD1.1 и DD1.2 с кварцевой стабилизацией. Резистор R1 переводит элементы в активный режим. Для подстройки частоты резонанса используется переменный конденсатор С1. На выходе генератора получаем сигнал U1 (рис.8).
Рис.8. Эпюры напряжений
Сигнал U1 поступает на синхронизирующий вход триггера типа К555ТМ2 DD2, на выходах которого формируются противофазные импульсы напряжения U2 и U3 с частотой 2 МГц. Эти напряжения через элементы DD1.4 и DD1.5 и резисторы R3 и R4 поступают на транзисторы (КТ316А) VT1 и VT2, работающие в ключевом режиме и нагруженные на трансформатор Т1. Ко вторичной обмотке трансформатора Т1 подключен излучающий преобразователь BQ1. Приемный преобразователь BQ2 подключен ко входу приемного тракта через разделительный трансформатор Т2. Трансформаторы Т1 и Т2 обеспечивают дополнительную гальваническую развязку акустических преобразователей от электронных блоков прибора.
В качестве приемного блока DA1 используем микросхему К174ХА2.
Частота генератора - 4 МГц. Зададим =10пФ. Зная соотношение для времени периода (время от начала одного импульса до начала следующего), можно найти сопротивление .
Произведем расчет транзисторов и (рис.9).
Рабочая частота равна МГц. Тогда:
Найдем длительность импульса, зная период (рис.10).
Рис.9. Трансформатор Т1 и транзисторы VT1 и VT2
Рис.10. Период и время импульса
Транзисторы должны удовлетворять условию
.
Для нашего случая выберем транзистор типа КТ316А и проведем расчет величины времени нарастания (по этому параметру можно будет судить о правильности выбора типа транзистора).
Время нарастания можно найти, используя формулы:
где - коэффициент трансформации;
- напряжение возбуждения транзистора;
- пороговое напряжение перехода база - эмиттер кремниевого транзистора;
собственные параметры транзистора.
Транзистор типа КТ316А имеет следующие параметры:
Учитывая, что получим:
Таким образом, видно, что рассчитанная величина времени нарастания меньше требуемой величины ; следовательно, тип транзистора нами выбран правильно. Произведем расчет трансформатора.
Индуктивность первичной обмотки определим из условия:
где - приведенное к первичной обмотке сопротивление нагрузки.
Далее проведем расчет типоразмера магнитопровода и его начальной магнитной проницаемости .
где -средняя эффективная линия (см);
-площадь поперечного сечения (см2);
-число витков.
Найдем магнитопроницаемость:
Выбираем типоразмер К .
Таким образом, трансформатор представляет собой магнитопровод типоразмера К , тип феррита никелево-цинковый, с магнитной проницаемостью , числом витков , .
Проблема обеспечения надежности связана со всеми этапами создания изделия и всем периодом его практического использования. Надежность изделия закладывается в процессе его конструирования и расчета и обеспечивается в процессе его изготовления путем правильного выбора технологии производства, контроля качества исходных материалов, полуфабрикатов и готовой продукции, контроля режимов и условий изготовления.
Зная элементную базу электрической схемы, можно рассчитать ее надежность.
Работоспособность системы оценивается как произведение вероятностей безотказной работы элементов:
, где
- вероятность безотказной работы i-го элемента.
Система, как и элемент, может находиться в одном из двух несовместимых состояний: отказа или работоспособности. Следовательно,
- вероятность отказа системы, определяемая по выражению:
При произвольном законе распределения времени наработки до отказа для каждого из элементов:
- интенсивность отказов i-го элемента.
Вероятность безотказной работы системы соответственно запишется:
По последнему выражению можно определить вероятность безотказной работы системы до первого отказа при любом законе изменения интенсивности отказов каждого из n элементов во времени.
Для наиболее часто применяемого условия выражение для вероятности безотказной работы системы примет вид:
где можно представить как интенсивность отказов системы, сведенной к эквивалентному элементу с интенсивностью отказов:
Для нашего случая расчет надежности системы будет производить в расчете на 1 год. В расчете будем использовать номинальные значения интенсивности отказов элементов.
Данные для определения интенсивности отказов приведены в табл.3.
Таблица 3. Определение интенсивности отказов
№п/п
Наименование элемента
Количество элементов, шт.
Интенсивность отказов в нормальном режиме,
Интенсивность отказов,
1
Задающий генератор
0,35
2
Резистор
32
0,043
1,376
3
Микросхема
5
0,013
0,065
4
Транзистор
0,84
3,36
Диод
0,2
6
Конденсатор
16
0,06
0,9
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11
