Прибор для измерения пульса

 

Рис.7 Устройство оптического  датчика.

Оптические бесконтактные выключатели состоят из 2-х функционально законченных блоков - источника излучения и приемника этого излучения, Источник излучения (передатчик);  
1. Генератор вырабатывает последовательность электрических импульсов поступающих на излучатель. 
2. Излучатель светодиод инфракрасного или оптического (красного) диапазона, создающий излучение. 
3. Индикатор показывает наличие напряжения питания на излучателе. Приемник: 
1. Фотоприемник (фототранзистор) - воспринимает излучение и преобразует его в электрический сигнал, 
2. Триггер обеспечивает необходимую крутизну фронта сигнала переключения и значение гистерезиса.  
3. Усилитель увеличивает амплитуду выходного сигнала до необходимого значения, В качестве коммутационных элементов используются мощные транзисторы. 
4. Светодиодный индикатор показывает включенное/выключенное состояние выключателя, обеспечивает контроль работоспособности, оперативность настройки и ремонта оборудования.

5. Компаунд обеспечивает необходимую степень защиты от проникновения твердых частиц и воды.  Корпус обеспечивает монтаж выключателя, защищает от механических воздействий. Выполняется из полиамида, комплектуется.

                            Схема подключения оптического  датчика

Рис.8 Схема подключения  оптического датчика (нагрузка отключена)

Выходной транзистор NРN-типа с открытым коллектором. Нагрузка подключается между выходом и  общим, плюсовым, проводом. Выполняется функция замыкающего контакта (в исходном состоянии нагрузка отключена). Выпускаются две модификации: кабельное соединение и разъемное соединение.

Рис.9 Схема подключения  оптического датчика (нагрузка подключена)

Выходной транзистор NРN-типа с открытым коллектором. Нагрузка подключается между выходом и общим, плюсовым, проводом. Выполняется функция размыкающего контакта (в исходном состоянии нагрузка подключена). Выпускаются две модификации: кабельное соединение и разъемное соединение.

Для измерения пульса применяют оптические датчики, как  работающие «на просвет», так и «отражающие». Недостатком датчика «на просвет» является то, что  с помощью него можно измерять пульс только на таких участках, как палец либо мочка уха. В датчике излучатель и приемник расположены друг на против друга, а излучение не может пройти сквозь плотные ткани. Если у пациента на ногтях находится красители, включая лак для ногтей, то они могут спровоцировать заниженное значение пульсации. Дело намного лучше обстоит с «отражающим» датчиком, работающим. Данный датчик можно закрепить с помощью ленты на любом участке тела. Например, у новорожденного ребенка очень маленькие пальчики и использовать прибор для измерения пульса в виде прищепки, где используется датчик «на просвет», крайне не удобно, поскольку его не возможно будет закрепить, часть излучения будет потеряны, поскольку пальчики ребенка маленькие и излучатель будет рассеивать излучение. А прибор, где используется «отражающий» датчик, можно закрепить на ножке новорожденного и снять точные показания частоты сердечных сокращений.

Выбирая «отражающий» датчик, мы выбрали датчик, имеющий расстояние до объекта обеспечивающее максимальную чувствительность 1,02 мм, поскольку большее расстояние для измерения пульса не удобно. Приведена таблица характеристик оптических  «отражающих» датчиков фирмы Honeywell.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1.

Характеристики оптических отражающих датчиков фирмы Honeywell

характеристики/модель	HOA 0149-001	HOA 0708-001	НLС 1395-002
Тип изделия	Инфракрасный излучатель	Инфракрасный излучатель	Инфракрасный излучатель
Ток коллектора в открытом состоянии	1,00 мА	0,20 мА	0,60 мА
Выход	Транзисторный	Транзисторный	Транзисторный
Прямой ток	40 мА	40 мА	10 мА
Постоянный прямой ток	50 мА	50 мА	50 мА
Корпус	Пластик	Пластик	Пластик
Прямое напряжение	1,6 В	1,6 В	1,6 В
Обратный ток	10 мкА	10 мкА	10 мкА
Время включения-выключения	15 мкс	15 мкс	15 мкс
Рассеиваемая мощность	70 мВт	70 мВт	70 мВт
Диапазон рабочих температур	-40о…+85оС	-40о…+85оС	-40о…+85оС
Темновой ток	100нА	100нА	100нА
Напряжение пробоя коллектор-эмиттер	30 В	30 В	30 В
Напряжение пробоя эмиттер- коллектор	5 В	5 В	5 В
Напряжение насыщения коллектор-эмиттер	0,4 В	0,4 В	0,4 В
Доступность	Глобальная	Глобальная	Глобальная
Расстояние до объекта, обеспечивающее максимальную чувствительность	5,08 мм	3,81 мм	1,02 мм
Наименование изделия	Датчик отражающий	Датчик отражающий	Датчик отражающий
Диаметр отверстия датчика	1,52 мм	1,52 мм	1,52 мм

 

 

 

4.3 Операционный  усилитель. Фильтры.

Операционный усилитель LM 358 фирмы Kingbright изображен на рисунке 10

Рис.10 Операционный усилитель LM 358 фирмы Kingbright

Не инвертирующий усилитель собран на LM 358 фирмы Kingbright. Это сдвоенный операционный усилитель общего назначения. Коэффициент усиления схемы задается резисторами R6 и R5 и равен 42. Вполне достаточно чтобы получить сигнал с размахом амплитуды до 0,5 – 1,5 Вольт. Коэффициент усиления рассчитывается по следующей формуле:

С2, R3, R4 и C5, R7, R8 – пассивные фильтры ВЧ для отсечки постоянной составляющей. Частота среза 0,2 Гц. Конденсатор С4 ослабляет коэффициент усиления схемы на высоких частотах вместе с резистором R6 образует фильтр НЧ с частотой среза 26 Гц. Конденсатор С3 обрезает постоянную составляющую  и вместе с резистором R9 образует ВЧ фильтр с частотой среза 0,15 Гц.

 

 

 

 

 

4.4 Выбор светодиода для индикации.

Рис.11 Светодиод Green Led LLC 5300E17

В данном случае подойдет светодиод Green Led LLC 5300E17. Он имеет подходящие характеристики и низкую стоимость.

Таблица 2.

Электрические характеристики диода Green Led LLC 5300E17, Chicago Miniature Lighing.

Technical/Catalog Information	5300E17
Vendor	CHICAGO MINIATURE LIGHTING, LLC
Category	Optoelectronics
Color	Green
Mounting Type	Through Hole, Right Angle
Configuration	Single
Voltage Rating	2.1V
Current	10mA
Lens Style/Size	Round, 5mm, T-1 3/4
Packaging	Bulk
Lens Type	Diffused, Yellow Tinted
Lead Free Status	Lead Free
RoHS Status	RoHS Compliant
Other Names	5300E17  5300E17

Расчет сопротивления  для светодиода, осуществляется по следующей формудле:

R = (V _S - V _L) / I

V_S -  напряжение питания  
 V _L -  прямое напряжение, расчётное для каждого типа диодов ( 5 В)  
 I  = ток светодиода (10мA)

Мы получили что сопротивление R =290 Ом

 

4.5.Блок питания

Рис.12. Блок питания.

Источник питания батарейка “Крона 9В”. Так как наша схема питается от напряжения питания 5В, то мы стабилизировали напряжение с помощью стабилизатора DD3 и двух конденсаторов С8 и С9, которые равны 20пФ. За счет этого мы получаем на выходе напряжение питания 5В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Энергетическое  обеспечение прибора

Таблица 3

Электрические характеристики компонентов  прибора

 

Элемент	Напряжение питания, В	Потребляемый  ток, мА	Мощность, Вт
PIC16F877	5	20	0.1
LM 358	5	350	1,75
Green Led LLC 5300E17	2,1	10	0,021
HLC 1395-002	1,6	10	0,016
Итого		390	1,887

 

Потребляемый ток проектируемого прибора при максимальной нагрузке составляет 0,390 А. Потребляемая мощность составляет 1,887 Вт.

 

Глава 6. Анализ и расчет погрешностей разрабатываемого прибора

При определении суммарной  погрешности измерительного устройства необходимо руководствоваться следующими правилами:

Для определения значения оценки результирующей погрешности всего измерительного устройства должны учитываться взаимные корреляционные связи различных составляющих погрешности отдельных функциональных блоков, поэтому исходными данными для расчета являются значения соответствующих оценок отдельных составляющих, а не оценки суммарных погрешностей отдельных функциональных узлов.

Эти составляющие прежде всего разделяются  на аддитивные и мультипликативные, для их последующего раздельного суммирования.

Так как суммировать с учетом корреляционных связей можно лишь средние  квадратические значения составляющих, то для каждой составляющей должны быть по исходным данным найдены ее средние квадратические значения.

Далее должны быть выделены группы сильно коррелированных между  собой составляющих погрешности  и внутри этих групп произведено  алгебраическое суммирование. К ним, как правило, относят погрешности, вызванные одной общей причиной (общий источник питания, одинаковые температурные условия и т.д.), когда тесные корреляционные связи определяются логически,  и для них принимают  rr  равным  +1  или -1.

Погрешности же, между  которыми такие взаимосвязи не обнаруживаются, относят к некоррелированным и для них принимают rr=0.

После того как все  группы сильно коррелированных погрешностей выделены и внутри их произведено алгебраическое суммирование, суммарные по группам и оставшиеся вне группы погрешности можно считать уже некоррелированными и складывать по правилу         

Значение погрешности  с 90%-ной доверительной вероятностью определяем согласно рекомендациям, приведенным в ,как

      

Пример расчетного определения  погрешности прибора по известным  погрешностям его отдельных функциональных блоков

Пусть необходимо определить погрешность прибора, структурная  схема которого показана, по известным  составляющим погрешностей входящих в него функциональных блоков. Прибор состоит из фотооптического датчика Д, усилителя У и индикатора И в виде светодиода. Датчик имеет аддитивную погрешность, ноpмиpованную предельным значением . Датчик питается через стабилизатор от общего с усилителем блока питания БП.

Прежде всего, как указывалось  выше, все оставшиеся погрешности  необходимо подразделить на аддитивные и мультипликативные, приписать  каждой из них соответствующий закон  распределения и найти с.к.о. Все  расчеты будем вести в относительных приведенных значениях и сохранять при промежуточных округлениях один лишь недостоверный десятичный знак в их значениях.

Пусть аддитивная погрешность  прибора обусловлена аддитивными  погрешностями датчика и индикатора, а мультипликативная – колебаниями напряжения питания датчика и усилителя и зависимостью от чувствительностей усилителя и индикатора.

Закон распределения  погрешности фотооптического датчика  можно принять равномерным, а  так как чаще всего погрешности  датчиков нормируются без существенного запаса на старение, то можно считать половиной ширины распределения. Отсюда с.к.о. .

Погрешность электроизмерительных приборов по стандарту указывается с запасом на старение. Поэтому предельную погрешность индикатора можно оценить как , где - основная погрешность, соответствующая классу точности. Отсюда . Закон распределения погрешностей электромеханических приборов близок к трапецеидальному с контрэксцессом cc=0,7 и энтропийным коэффициентом k=1,9. Доверительное значение погрешности с РД=0,9 для такого распределения равно приблизительно . Поэтому . Отсюда .

Аддитивная погрешность  прибора будет образована суммой двух рассмотренных составляющих. Поэтому с.к.о. погрешности нуля прибора составит

Переходя к суммированию мультипликативных составляющих погрешности, примем следующие исходные данные. Пусть коэффициент влияния на чувствительность индикатора равен YYои=-0,2%/10К и усилителя YYОУ=-0,1%/10К. Если усилитель и индикатор располагаются в одном корпусе, то оба они находятся всегда при одной и той же температуре и, следовательно, их температурные погрешности достаточно жестко коррелированы между собой и должны суммироваться не геометрически, а алгебраически. Отсюда результирующий коэффициент влияния температуры равен YYО=-0,2 + 0,1=-0,1%/10К. Тогда температурная составляющая мультипликативной погрешности имеет равномерное распределение с .