Попечителев Е.П. Кореневский Н.А. Электрофизиологическая и фотометрическая медицинская техника: Теория и проектирование

Подождите немного. Документ загружается.

U'o

+ AU и U" = U

- AU. Включение двух пороговых уровней в каж-

дом пороговом устройстве приводит к тому, что измеряются два (для

каждого сигнала) временных интервала

рассчитывается их разность

1 . М

. И . И

At'=t'

-t;«

а, (1+8.)

-0+8

)

откуда

h'=h.

1+8

1+8,

а относительная погрешность определения h

Ah 8,-8,

= = .

h 1+8,

(7.3)

7.1.4. Преобразователи с оптико-электрическим

контуром обратной связи

В ОЭИП-СП один из потоков излучения является опорным. Однако

сделать его интенсивность постоянной невозможно, так как в этом типе

ОЭИП оба потока являются измерительными и проходят через исследуе-

мую среду. Поэтому оптические свойства среды оказывают влияние на

интенсивность обоих потоков, и известные схемы управления интенсив-

ностью с помощью контура отрицательной обратной связи по потоку ста-

новятся непригодными. Для стабилизации излучения в ОЭИП-СП эффек-

тивным оказывается применение оптико-элект-

рического контура отрицательной обратной свя-

зи, в который включен оптический канал фор-

мирования опорного потока [6]. В этом случае

стабилизируется уже не интенсивность источ-

ника излучения, а интенсивность потока, Падаю-

щего на ФЭП, включенный

состав этого конту-

ра. Измерительная информация об оптических

свойствах исследуемой среды будет содержать-

ся в другом потоке, который измеряется любым

известным способом.

Один из возможных вариантов фотометра с

ОЭИП-СП и контуром обратной связи рассмот-

Р и с . 7.7. Структура

ре

нного типа приведен на рис. 7.7.

фотометра с ОЭИП-СП и

_ _

оптико-электрическим Особенностью схемы управления в этой

контуром обратной связи структуре является включение в нее дифферен-

158

циального усилителя (ДУ), на один вход которого поступает управляю-

щий сигнал um (БП—блок питания источника излучения), а на другой—

сигнал

с согласующего усилителя

подключенного к выходу ФПУ

Сигнал иду с выхода дифференциального усилителя

иду = К

(и

п - и

где и

= К

;

КД

— коэффициенты усиления соответствующих усили-

телей; S

— чувствительность ФЭП

, на который падает лучистый поток

Тогда поток излучения источника можно определить как

= идуфи = ФиК

БП

/(1 +(p

где фи—коэффициент преобразования источника, отражающий функци-

ональную зависимость между потоком излучения и величиной управляю-

щего напряжения; т

— коэффициент пропускания участка среды между

источником излучения и ФЭП

Если выбрать К

Кдфит

»1, то:

Oo = u

/(T

); (7.4)

= т

= u

/(K

Так как все величины, входящие в (7.4), постоянные, то интенсив-

ность потока Фо остается неизменной и не зависит ни от оптических

свойств исследуемого участка среды, ни от. коэффициента ф

Сигнал на выходе ФПУ

включенного в измерительный канал,

ui = t^

S,K, = 9H^u

nSiK,T,/(l + ф

где ti — коэффициент пропускания участка биоткани между источником

и ФПУ

; Si — чувствительность

ФЭП1

(в составе

ФПУ1);

Ki—коэффици-

ент усиления усилителя Уь

При выполнении полученного выше условия выбора коэффициентов

усиления получим

ui=k Ti/x

= k/h,

где k = UETISIKI/S

— постоянный коэффициент, не зависящий от опти-

ческих свойств исследуемой ткани.

Если усилитель

У1

сделать логарифмирующим, то сигнал на устрой-

ство отображения информации будет пропорционален оптической плот-

ности исследуемой среды. Коэффициент к задает масштаб измерения h;

011

зависит от величины и

БП

, которая определяет также и помехоустойчи-

вость фотометра.

159

Определим относительную погрешность формирования сигнала

виде

_ и.

—

U, 1

5и, = — - = ,

и;

+ Ф„К

откуда нетрудно определить, что

= (1/8и-1У(Кат,82«ри).

Сомножитель 5

фи определим как коэффициент передачи [6]; ei

можно оценить, если известны характеристики и геометрия элементов

ОЭИП. При использовании в качестве излучателей и ФЭП полупровод-

никовых свето- и фотодиодов значение 8

(при согласовании спектра-

льных характеристик) достигает значений

0,01

и более, а при использова-

нии фототранзисторов — 8

0,07. Но даже приняв 8

0,005 и

= 500 для относительной погрешности 8ui <5%, получим Кд £ 76

д.п

Тз

0,1

или К

> 380 для т

= 0,05. Такие коэффициенты усиления легко

могут быть достигнуты с помощью операционных усилителей широког

применения.

При выборе элементов ОЭИП следует обращать внимание не тольк

на согласование спектральных характеристик, но и на геометрические

размеры источника излучения

ФЭП, а также на расстояние между ними.

Важным условием является также требование к линейности энергетиче

ской характеристики фототока ФЭП, так как на него попадает лучистый

поток, зависящий от оптических свойств исследуемого участка. Для

ФПУ

, включенного в контур обратной связи, требование к линейности

энергетической характеристики может не выполняться — на него всегда

воздействует постоянный поток.

В состав контура обратной связи можно включить и ФПУ)

—-

ближ-

ний к источнику излучения, тогда дальний ФПУ включается в измерите

льный канал. В этом случае сигнал и

определяется следующим выраже-

нием:

u, « u

/(S |К | т I) = k'h,

где k' = u

/(K|Si), и.следовательно, выходной сигнал фотометра бу-

дет пропорционален параметру h для исследуемой среды.

160

7.1.5. Преобразователи с функциональным

управлением интенсивностью излучения

Выше был рассмотрен оптико-электрический измерительный преоб-

разователь с амплитудной шкалой преобразования (ОЭИП-АШ), в кото-

ром интенсивность излучения источника лучистой энергии ИИ изменяет-

ся во времени по определенному закону. Известные излучатели лучисто-

о потока обычно имеют небольшую область линейной зависимости ин-

снсивности излучения от величины питающего напряжения [40].

Компенсацию нелинейности можно осуществить с помощью формирова-

ния управляющих сигналов специальной формы, однако такой путь мало

•ффективен, так как необходима подстройка формы сигналов при смене

образца излучателя. Учитывая, что многие типы ФЭП имеют линейную

•нергетическую характеристику преобразования в широком диапазоне

изменения интенсивности излучения, высокое быстродействие и стаби-

льность других характеристик, для коррекции нелинейности характери-

стики преобразования источника излучения становится возможным ис-

пользование оптико-электрического контура отрицательной обратной

связи, который охватывает один из потоков двухлучевого ОЭИП-АШ.

Оценим влияние этого контура на точность измерения ФП на примере

анализа работы двухлучевого фото-

метра, изображенного на рис. 7.8.

Для упрощения описания работы

фотометра выделим в нем две струк-

|уры:

контур обратной связи:

— система управления СУ ин-

тенсивностью исходного излучения,

и которую входят усилитель У|, на

входе которого включен ФПУ], функ-

циональный генератор ФГ, диффе-

ренциальный усилитель ДУ, сумма-

юр С и источник излучения ИИ;

измерительный контур:

— устройство первичной обра-

ботки УПО, включающее усилитель

V,. вход которого подключен к ФПУ

пороговое устройство ПУ, схему сов-

падений СС, генератор счетных им-

пульсов ГСИ и счетчик Сч, выход ко-

трого подключен к устройству ото-

оражения информации.

'. Чдектрофизиологическая и фотометрическая

медицинская технология

Рис. 7.8. Структура фотометра с

ОЭИП-АШ и оптико-электрическим

контуром обратной связи

161

Пусть излучатель формирует поток излучения

ФоО) = <p

Uc(t),

где u

(t) — выходной сигнал сумматора;

<р

— функция преобразования.

Согласно

(7.1),

сигналы на выходах ФПУi

ФПУ

определяются с по-

мощью следующих соотношений:

ui(t) = kiOo(t)S|Ti; (7.5)

(t) = к

0)8

. (7.6)

Напряжение u,{t), формируемое генератором ФГ, поступает на вход

сумматора

один из входов дифференциального усилителя, поэтому сиг-

нал на входе ДУ

ду

« = К

[u«<t)-u,(t)K,], (7.7)

где К|,К

—коэффициенты усиления усилителей У1 и ДУ.

Сигнал на выходе сумматора

(t) = К,[(1 + К

)и

(1) - К

К,и,(1)],

где К

— коэффициент передачи сумматора.

Подставляя в это выражение соотношение для определения Ui(t), по-

лучим

(t) =

[(1

+ Кд)ц,<0 - K,K

k,S

(t)]. (7.8)

После ряда преобразований из выражения (7.8) можно получить соот-

ношение для определения ФоО)

- 0 + К

)-ф

(t) (7.9)

+ к

.ф

.К

-К

-8

-т

Обычно легко обеспечить К

»1 и KiKc»l, поэтому можно счи-

тать, что kitp„KiK

K.flSiTi

»1, поскольку k,9„S,T

(

О.В

этом случае выра-

жение (7.9) упростится

ФоО) « Ur(t)/KiSiXik]. (7.10)

Из выражения (7.10) следует, что крутизна изменения Ф

(0 за счет

действия контура обратной связи отличается от крутизны сигнала u,<t) в

1/kiKiSiTi раз, причем ki,Ki и Si — величины постоянные. Подставив вы-

ражение (7.10) в (7.5), получим: Ui(t) = u,<t), то есть контур обратной свя-

зи, образованный путем включения ФПУ в схему управления интенсив-

ностью источника, так воздействует на ФоО), что крутизна сигнала u,(t)

162

соответствует крутизне u^t). Это соответствие сохраняется независимо

от значений Si, т, и вида функции cp„.

Рассмотрим работу измерительного контура—ФПУ

УПО. Сигнал

на выходе усилителя У

можно определить с учетом (7.6) и (7.10)

(t) = u,(t)k

S2T

/k,K,S,T, = u

(t)K

•

h, (7.11)

где K=k

/k!KiSi—коэффициент преобразования фотометра.

При выводе выражений (7.10) и (7.11) никаких особых требований к

ФоО) поставлено не было, а конечный результат вообще не зависит от

функции преобразования излучателя

ср

Закон изменения выходного сиг-

нала

ФПУ1

во времени полностью определяется управляющим сигналом

u,(t), поступающим с.функционального генератора,

значением парамет-

ра h. На выходе У

включено пороговое устройство с опорным уровнем

, поэтому для определения длительности выходного импульса^ полу-

чим следующее выражение:

= khu

(to).. (7.12)

Импульс

выхода ПУ поступает на схему совпадений

СС и

открывает

ее. Через эту схему проходят счетные импульсы, фиксируемые

счетчике

Сч; результат, накопленный

счетчике

Сч,

представляет

собой

цифровой

эквивалент измеряемого фотометрического параметра, который отобра-

жается в УОИ.

Форма напряжения Ur(t) определяется типом измеряемого ФП. Пусть

(t) = a„t, где а

= U

(T)/T — крутизна нарастания пилообразного напря-

жения; U

(T) — амплитуда; Т — длительность одного цикла преобразо-

вания. Определим интервал времени to из (7.12)

= U

T/kU

(T)h.

Число импульсов, фиксируемое счетчиком за время

to,

foto,

где

fo — частота счетных импульсов, поэтому

= f

T/U

(T)kh = k

/h, (7.13)

где k

= foUoT/Ur(T)k — постоянный коэффициент.

В этом случае, когда в структуру обратной связи включен ФПУ

, а в

измерительный контур — ФПУ

легко показать, что N

= k'

h, где

=kf

T/U

(T).

Таким образом, если функциональный генератор формирует пилооб-

разное напряжение, рассматриваемый фотометр позволяет измерять ФП,

которые определяются отношением двух сигналов. Если необходимо

оценить другой параметр, связанный с отношением u]/u

функциональ-

ной зависимостью, то вместо схемы совпадения требуется включить

функциональный преобразователь или использовать генератор счетных

163

импульсов, для которого частота следования импульсов в пределах одно-

го цикла измерения изменяется по определенному закону. Однако изме-

рять другие фотометрические параметры с помощью этого фотометра

можно, изменив вид функции u

(t) [30, 35].

Пусть функциональный генератор формирует импульсы экспоненци-

альной формы, т. е.

u,<t) = U

- е

-т/т

"),

где Т

— постоянная времени; Т — длительность импульса одного цикла

преобразования; U

=Ur(T).

Подставив значение u^t) в выражение для Uo и выбрав

= T/lg[Uo/(kV

)], после ряда несложных преобразований получим

= ^ lg—=

b"D.

(ПЛАЛ

lg[U

/(kUJ] *h (7-И)

Следовательно, подбирая закон управления излучением источника,

также можно вычислять любой фотометрический параметр. Закон управ-

ления должен выражаться обратной функцией по отношению к функции,

связывающей параметр h с другими. *

Рассмотренная структура фотометра может не удовлетворять разра-

ботчика из-за необходимости формирования значительных интенсивно-

стей излучения. Это связано с тем, что здесь используется метод время-

импульсного преобразования, и для достижения высокой точности изме-

рений необходимо сформировать достаточное число счетных импульсов,

поэтому длительность импульса для источника должна быть не менее де-

сятых долей миллисекунды. За это время происходит разогревание излу-

чающего элемента (например, кристалла светоизлучающего диода), что

вызывает изменения эксплуатационных характеристик излучателя — ин-

тенсивности и спектрального состава излучения, то есть должна быть

ограничена максимальная интенсивность излучения, что приводит к сни-

жению чувствительности фотометра и т. д.

Реализовать ОЭИП-АШ можно

по

несколько иному принципу, отнеся

функцию формирования счетных импульсов в цепь управления интен-

сивностью исходного излучения (рис. 7.9).

Функциональный генератор, как и прежде, формирует сигнал u

(t), в

соответствии с которым должна изменяться во времени интенсивность

излучения источника Этот сигнал служит опорным для оптико-электри-

ческого контура отрицательной обратной связи, в который кроме функ-

ционального генератора (ФГ) входят дифференциальный усилитель

(ДУ), генератор импульсов (ГИ), ключ (Кл), источник излучения и фото-

приемное устройство ФПУ

. Генератор импульсов формирует счетные

164

импульсы с частотой

fo,

которы-

ми управляется состояние клю-

ча. Когда ключ замкнут, благо-

даря воздействию контура об-

ратной связи устанавливается

такая интенсивность исходного

излучения, которая соответству-

ет амплитуде сигнала на выходе

ФГ1У

, равной значению сигнала

функционального генератора в

конкретный момент цикла изме-

рения. Таким образом, осущест-

вляется амплитудная модуляция

излучения источника и контуром обратаой

высокочастотных импульсов связи

сигналом с функционального ге-

нератора. Вследствие этой модуляции источник излучает импульсы лу-

чистой энергии с изменяющейся интенсивностью.

Импульсный лучистый поток источника в измерительном контуре

преобразуется фотоприемным устройством ФПУ] в серию импульсов с

изменяющейся амплитудой, которые поступают на пороговое устройст-

во. Последнее срабатывает при достижении очередных импульсов поро-

ювого уровня; выходные импульсы с этого устройства поступают на

счетчик. Число счетных импульсов может быть определено в соответст-

вии с выражениями (7.12) или (7.13). В данном варианте фотометра ре-

жим работы источника излучения облегчен, поскольку формируется не

непрерывное излучение в течение одного цикла измерения, а импульсы

лучистой энергии с изменяющейся интенсивностью в течение того же

времени; это позволяет улучшить отмеченные ранее эксплуатационные

характеристики прибора. Включение генератора счетных импульсов в

цепь управления интенсивностью излучения источника позволяет также

упростить и процесс времяимпульсного преобразования, так как в дан-

ном варианте фотометра сокращается число операций, необходимое для

формирования цифрового'эквивалента фотометрического параметра по

сравнению, например, с фотометром, схема которого показана на

рис. 7.8. Так, например, для определения в цифровом виде оптической

плотности среды необходимо выполнить следующие операции: сформи-

ровать определенным образом (во времени, пространстве, по когерентно-

сти, поляризации

и т.

д.) лучистый поток; обеспечить условия взаимодей-

ствия лучистого потока с объектом исследования; преобразовать лучи-

стый поток после взаимодействия с объектом в электрический сигнал;

рассчитать отношение выходных сигналов

ФПУ;

сформировать импульс,

длительность которого будет пропорциональна логарифму отношения

16S

ДУ 1

СУ

ФГ

V Кл

[УйГ

УПО"

ПУ

Сч

'Выход

4 •

Рис. 7.9. Структура фотометра с

импульсной модуляцией интенсивности

сигналов; преобразовать длительность этого импульса в цифровой экви-

валент путем его заполнения счетными импульсами; зафиксировать циф-

ровой эквивалент оптической плотности в счетчике и индицировать его в

устройстве отображения результатов. В варианте фотометра по схеме на

рис. 7.9 благодаря организации работы излучателя в режиме импульсной

модуляции исключаются четвертая, пятая и шестая операции.

В заключение отметим, что в двухлучевых фотометрах, использую-

щих ОЭИП с совмещенными потоками и оптико-электрической отрица-

тельной обратной связью, точность измерения повышается в результате

сокращения числа математических операций, выполняемых с электриче-

скими сигналами; исключения влияния нелинейности функции преобра-

зования электрического сигнала в лучистый поток; уменьшения влияния

состояния, структуры и качества контакта ОЭИП с исследуемой средой;

уменьшения влияния дрейфа параметров электронных элементов и эле-

ментов ОЭИП; представления результата измерения в цифровом виде,

что также облегчает ввод и обработку информации с помощью ЭВМ. В

таких фотометрах погрешность измерения может возникнуть, если ФЭП,

включенный в состав ФПУ контура обратной связи, имеет нелинейную

энергетическую характеристику передачи. Однако и в этом случае дина-

мический диапазон работы ФПУ существенно ограничен вследствие дей-

ствия указанного контура. Особых требований к линейности энергетиче-

ской характеристики второго ФПУ (второго ФЭП) не предъявляется, по-

скольку всегда используется только одна точка этой характеристики, со-

ответствующая формированию сигнала, при котором срабатывает

пороговое устройство.

7.1.6. Двухволновые преобразователи

В двухволновых фотометрах выходной фотометрический параметр

также функционально связан с двумя сигналами, но эти сигналы — и(?ч)

и и(А.г),

формируемые на выходе блока ФПУ, характеризуют пропускание

(или отражение) лучистой энергии двух длин волн ?ц и

А-г

или излучения

двух спектральных диапазонов, то есть характеризуют оптические свой-

ства исследуемой среды по отношению к двум разным источникам лучи-

стой энергии. Поэтому фотометр, измеряющий это отношение, правиль-

нее рассматривать как двухканальный, в котором в каждый канал вклю-

чен оптико-электрический преобразователь, выполненный по однолуче-

вой схеме (рис. 7.10, а). Методика исследования по существу предус-

матривает определение поглощательной (или отражательной, рассеиваю-

щей) способности исследуемой среды в каждом из спектральных диапа-

166

а)

б)

Рис. 7.10. Структуры двухволновых ОЭИП

зонов, то есть оценку двух фотометрических параметров, которые изме-

ряются с помощью двух однолучевых фотометров.

В качестве параметра, оценивающего отличия в оптических свойст-

вах среды в этих диапазонах, чаще всего используется отношение

u(X.j)

и(А.г),

по форме совпадающее

выражением

для

параметра h. Вычисление

отношения выходных сигналов однолучевых фотометров есть не что

иное, как расчет некоторого комплексного показателя для характеристи-

ки оптического свойства среды (на рис. 7.10, а для этого предусмотрено

устройство вторичной обработки — УВО). i

Поскольку двухлучевые фотометрические устройства имеют лучшие

метрологические характеристики по сравнению с однолучевыми, то в

ОЭИП каждого измерительного канала в двухволновых фотометрах так-

же целесообразно строить по двухлучевой оптической схеме (рис. 7.10,

б). Здесь используются два источника излучения (ИИ1) и (ИИг), а лучи-

стый поток каждого спектрального диапазона, прошедший объект иссле-

дования, падает на два ФЭП для каждого двухлучевого ОЭИП (ФПУц,

ФПУ12 и ФПУ

ь ФПУ22 на рис. 7.10, б).

Затем выходные сигналы ФЭП поступают на устройства первичной

обработки, выходы которых подключены к устройству вторичной обра-

ботки, вычисляющему комплексный показатель. При этом оптические

свойства исследуемой среды в каждом спектральном диапазоне в общем

случае можно характеризовать с помощью любого параметра, который

известен для двухлучевых фотометров (см. табл. 7.1), а в качестве комп-

лексного показателя могут использоваться различные функциональные

зависимости от фотометрических параметров. Например, если оптиче-

ские свойства в каждом спектральном диапазоне характеризовать пара-

метром h, то есть в измерительных каналах определять

h(X

) = U

)/U

) и h(X

)=U

)/U2(X2),

167

то в качестве комплексного показателя можно выбрать отношение

ц, = h(fc,)/h(ta).

Здесь UI(A-I); U2(^I); U 1(^-2) И U

) — электрические сигналы на выхо-

дах блоков ФПУ соответствующих двухлучевых ОЭИП. Показатель jii

не единственно возможный комплексный показатель. В качестве него

можно выбрать и другое отношение

= Ь(А

)/[Ь(А

)+Ь(А.

)].

Если оптические свойства среды оценить с помощью параметра

г,

то

есть определять

гС^О = U(X,)/[U

)+U2(?„)] И r(^

) = U

)/[U

)+U

)],

то комплексные показатели jj.i и ц

принимают вид

р, = г(А.,)/Г(А

= rC^O/frC^iHK^)]-

Несложно построить и другие варианты двухволновых фотометров,

отличающихся как видом выбранных для оценки оптических свойств

среды фотометрических параметров, так

типом выходного комплексно-

го показателя.

Применение двухлучевых ОЭИП в двухволновых фотометрах значи-

тельно усложняет структуру как оптического тракта фотометра, так и

устройства обработки сигналов ФПУ. Кроме того, построение таких фо-

тометров связано с преодолением определенных трудностей по достиже-

нию требуемой точности измерений, которые обусловлены отличием в

интенсивности излучения источников лучистой энергии в разных спект-

ральных диапазонах, различной спектральной чувствительностью фото-

приемников и другими факторами. Многие результаты могут быть испо-

льзованы и для анализа точности измерений двухволновых фотометров.

Двойное преобразование с выходными сигналами двух двухлучевых

ОЭИП необходимо для нахождения значения комплексного показателя,

измеряемого с помощью двухволнового фотометра Например, относите-

льная погрешность 5) измерения показателя pi в соответствии с выраже-

нием (7.3) рассчитывается как

бы-бь,

1+8

где 5ы и 5i

— относительные погрешности измерения параметров hi

каждая из которых рассчитывается с помощью выражения в виде

168

5 _8

,(^

)-8

lfl

)

1+SA) ' "

l+6

lfl

) '

где

i(A,i); 6

(A.i); 5

|(Я.

); 6

(X.2)

— относительные погрешности измере-

ния каждого из сигналов ui(A-i); u

(A.|); ui(A,

); u

(A.

Для выходного параметра двухволнового фотометра также

A|i]

> Api", а функция плотности распределения показателя pj при нали-

чии случайных флуктуаций в сигналах ОЭИП имеет еще более выражен-

ный асимметричный вид.

Все сказанное справедливо и при выборе другого комплексного пока-

зателя, например ц

, при этом для расчетов погрешности его измерения

нужно воспользоваться выражениями для расчета погрешностей пара-

метра г.

Детальный анализ аналитических подходов к исследованию характе-

ристик двухволновых фотометров выходит за рамки данной книги, поэ-

тому далее рассмотрим некоторые возможности оптимизации структуры

этого класса фотометров. Реализация этих возможностей позволяет упро-

стить фотометры, повысить точность измерения комплексного показате-

ля и снизить требования к эксплуатационным характеристикам ряда уз-

лов

таких

фотометров.

Покажем эти возможности на примере двухволно-

вого

фотометра,

котором в качестве фотометрических параметров испо-

льзуется h, а в качестве комплексного показателя — ць

Нетрудно убедиться, что

_ h, _ u,(A.,)/ U

(A.,) _ u,(A.,)u

(A.

)

u,(A.

)/u

(A,

) U

(A,)U,(A.

то есть pi вычисляется путем определения двойного отношения сигналов.

Упростить задачу определения двойного отношения можно было бы,

например, если в фотометре создать условия, при которых

(A.|)ui(A.

) = const. Тогда

р.|

будет определяться значением произведения

сигналов

Ui(A.i)u

(A,

Еще большее упрощение достигается при выполне-

нии следующих условий:

(A-i)

= const, a

ui(A-i)

= UI(A.

тогда pi определяется только значением и

(А.

). Обеспечить эти условия

позволяет применение оптико-электрического контура отрицательной

обратной связи, в который входит один из оптических каналов, и автома-

тического управления интенсивностью излучения в обоих спектральных

диапазонах (рис. 7.11).

169

Рис. 7.11. Структуры двухволновых

фотометров с разнесенными

и совмещенными потоками

Источник излучения фотометра

может излучать поток энергии в двух

спектральных диапазонах. Для изме-

нения этих диапазонов источник

имеет два входа для управляющих

сигналов, которые формируются в

схеме управления (СУ), содержащей

источник постоянного опорного на-

пряжения (ИОН), устройство выбор-

ки и хранения (УВХ), дифференциа-

льный усилитель (ДУ) и сумматор

(С). Схема управления содержит так-

же генератор тактов (ГТ), связанный

с переключателем П, в котором пре-

дусмотрены четыре пары контактов.

Один цикл измерения показателя

pi содержит два такта. В первом так-

те источник излучает поток энергии в спектральном диапазоне {Xi}, а во

втором —

диапазоне {Х

}. Пусть pi(Xi) и р

(Х0—коэффициенты обрат-

ного рассеяния участков среды между источником и ФПУ] и источником

и ФПУ

для диапазона {А.|}, a pi(X

) и р

(Х.

)

— такие же коэффициенты

для диапазона {Х

}, причем pi(Xi) * p

(Xi) и pi(X

) * р

(Х

), так как ФПУ1

и ФПУ

расположены на разном расстоянии от источника излучения. Вы-

ходные сигналы ФПУ для разных диапазонов определяются как

иКХО^к^^Ор^ОФоФО;

(Х,) = к,8

(Х

)р

(Х

)Ф

(Х

);

и,(Х

) = к

8,(Х

)р

(Х

)Ф

(Х

);

(к

) = k

(Xi )р

(Х

)Фо(Л,

где Ф

(А.,), Фо(А.

) — интенсивности исходного излучения в соответству-

ющих диапазонах; Si(A-i), S

(Xi)—чувствительности ФПУ]

ФПУ

в пер-

вом диапазоне; Si(X

),S

) — чувствительности этих ФПУ во втором

диапазоне; ki и к

— коэффициенты преобразования для соответствую-

щих потоков.

первом такте переключатель с помощью генератора тактов устанав-

ливается в положение, при котором сигнал с ФПУ

— u

(Xi) — через кон-

такт 4 и усилитель (У) поступает на вход дифференциального усилителя.

На второй вход последнего через контакт 7 поступает опорное напряже-

ние с (ИОН). Это же напряжение поступает на сумматор, выход которого

170

через контакт

подключен к источнику излучения. Таким образом, в пер-

вом такте образуется оптико-электрический контур отрицательной об-

ратной связи, в который входят ИИ, участок среды ИИ-ФПУ

, ФПУ

, ДУ

С. При достаточно большом коэффициенте усиления ДУ благодаря дей-

ствию контура обратной связи можно считать, что

(A,I)

(Uo—опор-

ное напряжение источника ИОН), поэтому

Фо(Х,) = U

/[k|S

(X.|)p

(X.i)]; (7.15)

u,(A,) = S^Op^OUo/tS^MX,)].

Сигнал ui(Xi) через контакт 6 переключателя поступает на вход УВХ

и запоминается в нем.

Во втором такте переключатель переводится сигналом с ГТ во второе

положение, при котором на входы дифференциального усилителя посту-

пают сигнал Ui(X

) с ФПУ] (через контакт 5)

напряжение U

с УВХ (че-

рез контакт

7).

Выход сумматора подключается ко второму управляюще-

му входу источника излучения (через контакт 1). Благодаря действию

контура обратной связи во втором такте уже включен ФПУь поэтому

U|(X

)=U

, а ФО(А,

) И сигнал И

(Х

) определяются как

Фофа) = U„ / [k

Si(X

)pi(A,

)]; (7.16)

) = S

/ [S,(X

)

)J.

Так как U

= k„ui(A.i)

(k„

— коэффициент преобразования устройства

выборки

хранения), то выражение (7.16)

учетом (7.15) можно записать

в виде

(7-17)

S^yp&fo^yp ,(Х

) h

где k = k

UoSi(X

)/[S

(^i)Si(Xi)] — коэффициент преобразования

двухволнового фотометра.

Сигнал и

(Х

), поступающий во втором такте на устройство отображе-

ния информации (УОИ), как следует из выражения (7.17), пропорциона-

лен комплексному показателю Ць Масштаб представления показателя щ

зависит от выбора значений к

и Uo. Отличия в спектральной чувствите-.

льности ФПУ, температурные изменения чувствительности практически

не влияют на работу фотометра, поскольку, как показано в [6], они в зна-

чительной степени компенсируются, так как входят в сомножители чис-

лителя и знаменателя коэффициента к. Основное требование к ФПУ —

линейность их энергетических характеристик.

171

Рассмотренная структура формирования сигналов управления источ-

ника излучения не является единственно возможной, но в любом вариан-

те эффективным средством упрощения структуры двухлучевого фото-

метра является введение оптико-электрического контура отрицательной

обратной связи, обхватывающего оптический канал двухлучевых ОЭИП.

7.2. УЗЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ

ОПТИКО-ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Эффективное использований возможностей описанных выше струк-

тур ОЭИП в значительной степени определяется качеством входящих в

них узлов

элементов: типом излучателей и фотоэлектрических преобра-

зователей, характеристиками оптических узлов, используемых для фор-

мирования отдельных лучей и управления спектральным составом лучи-

стого потока, схем вычисления фотометрических параметров и расчета

медицинских показателей. Радиоэлектронная промышленность постоян-

но предлагает все новые светоизлучающие и фоточувствительные эле-

менты, а также оптические и оптоэлектронные узлы и изделия микро-

электроники, которые позволяют

совершенствовать конструкцию и эксп-

луатационные показатели фотометров.

Перед разработчиками технических систем всегда стоят проблемы

выбора тех или иных элементов и узлов из имеющегося набора, что не

всегда легко сделать. Для осознанного выбора необходимо знать назначе-

ние и характеристики узла или элемента, возможности согласования его

характеристик с характеристиками других узлов. Ниже будут рассмотре-

ны основные типы оптических систем, излучателей лучистой энергии и

фотоэлектрических преобразователей для использования их в фотомет-

рических системах, а также методы решения проблемы согласования ха-

рактеристик этих элементов, объединяемых, как показано в гл. 5, в два

специфических для фотометрических исследований устройства: устрой-

ство формирования излучения (УФИ) и фотоприемное устройство

(ФПУ). Расчету электрических схем этих устройств будут посвящены ма-

териалы следующего раздела. Сведения о механических конструкциях

оптических трактов фотометров изложены в специальной литературе по

оптическим приборам и в руководствах по применению фотометров [10,

23, 27] и другие.

172

7.2.1. Оптические элементы фотометров

От выбора элементов в оптических системах (ОС), включенных в

структуру оптико-электрических измерительных преобразователей, в

значительной степени зависит точность формирования потоков излуче-

ния, интенсивность которых определяет величины электрических сигна-

лов на выходе блока ФПУ. Оптические системы могут включаться как со

стороны источника излучения, так

со стороны блока ФПУ

(см.

рис. 7.1).

Остановимся подробнее на характеристике оптических элементов, пред-

назначенных для управления спектральным составом потоков и канали-

зации энергии излучения.

Для формирования заданного спектрального состава излучения или

выделения потоков лучистой энергии относительно узкого спектрально-

го диапазона из исходного полихроматического излучения применяются

оптические фильтры и монохроматоры. Более просты по устройству и

широко доступны на практике оптические фильтры. Система фильтров

позволяет согласовывать спектральные характеристики излучения источ-

ника и спектральные характеристики чувствительности блока ФЭП со

спектральными характеристиками пропускания (отражения) исследуе-

мой среды.

Оптические фильтры делятся на абсорбционные и интерференцион-

ные.

Действие абсорбционных фильтров основано на избирательном по-

глощении излучения; они изготавливаются на твердых, жидких и газооб-

разных избирательно-поглощательных средах. Примерами абсорбцион-

ных фильтров могут служить цветные стекла, окрашенные пленки жела-

тина

пластмассы, пленки германия

кремния, щелочно-галоидные слои

и другие материалы.

Процесс поглощения абсорбционным фильтром лучистого потока

описывается выражением (4.1) (см. параграф 4.2.1), а основными его по-

казателями являются (рис. 7.12): спектральная характеристика пропуска-

ния

Тф(Я,);

длина волны ^

nax

, на которой коэффициент пропускания имеет

максимальное значение т

тах

; ширина полосы пропускания к =

Хг

A-ь

где

Я.)

Я.2

(к

А.0

— длины волн, для которых

Тф (Я.|)

Тф (fa)

= т

тах

/2.

Если на пути излучения со спектральной характеристикой

Фо(А)

уста-

новить фильтр со спектральной характеристикой пропускания

Тф

(А,), то

результирующее излучение будет обладать спектральной характеристи-

кой

Фо(к) Тф (А.).

Поток излучения после взаимодействия с образцом, име-

ющим спектральную характеристику пропускания

т(Х),

будет обладать

уже спектральной характеристикой Фо(А,)тф(А,)т(А,).

173

TRIM/2

Рис. 7.12. Параметры абсорбционных

оптических фильтров

I] X, (X),

1Ш) Км

] х,(Х)

ум

Рис. 7.13. Параллельные (а) и

последовательные (б) соединения

оптических фильтров

Как отмечалось в гл. 4, оценить состав и концентрацию веществ в ис-

следуемом образце среды можно путем выбора оптимальной формы

спектральной характеристики Тф(Х). Но возможности такого анализа

ограничены, и прежде всего это связано с трудностями подбора оптима-

льной характеристики фильтра Тф

>опт

которая определяется линейной

комбинацией спектральных характеристик всех компонентов исследуе-

мой среды [10]. При большом числе компонентов поиск

Тф

0ГГТ

(А.)

значите-

льно усложняется. Кроме того, возникают затруднения при изготовлении

фильтров с требуемыми характеристиками, а при использовании узкопо-

лосных фильтров ухудшаются технические характеристики приборов. В

практике фотометрических исследований нашли применение оптические

фильтры с относительно широкой спектральной характеристикой пропу-

скания.

Обычно влиянием лучистого потока, проходящего через фильтр за

пределами полосы пропускания

пренебрегают. Однако для ряда фото-

метрических методов принципиальным может оказаться наличие в спект-

ральной характеристике

Тф (X)

спектральных окон

далеких от

областях

спектра, влияние которых будет проявляться в изменении интенсивности

регистрируемых потоков излучения, а следовательно, приведет к ошиб-

кам в измерении фотометрических параметров. Для исключения влияния

таких эффектов используют наборы оптических фильтров, расположен-

ных друг за другом

обеспечивающих поглощение лучистого потока вне

полосы пропускания основного фильтра (рис. 7.13, а).

Если расположить друг за другом п фильтров, то общая спектральная

характеристика набора т„(Я.) определяется выражением

(Л) = т,(Л)т

(Х)...т

(Х) = Пт

i (X),

174

где Tj(A.) — спектральная характеристика i-ro фильтра из набора.

Иногда

практике фотометрических исследований возникает необхо-

димость пространственной коррекции спектральной характеристики из-

лучения. Для этого также целесообразно использовать набор оптических

фильтров, но расположенных

одной плоскости, например, так, как пока-

зано на рис. 7.13, б. Если площадь каждого фильтра Sj, то интегральный

коэффициент пропускания набора из п фильтров

х'

=S,T, /S

+...+S

=£

I /S-

где

— суммарная площадь составного фильтра;

т,-

— интегральный ко-

эффициент пропускания i-ro фильтра.

Спектральная характеристика пропускания такого набора уже стано-

вится функцией пространственных координат х и у: т„'(^, х, у). Точность

коррекции определяется количеством фильтров в наборе и точностью

подбора спектральных характеристик отдельных фильтров. Возможны и

более сложные системы фильтров, хотя практическое их применение

ограничено.

Более широкие возможности по созданию оптических фильтров с

почти произвольными спектральными характеристиками дает использо-

вание эффекта интерференции потоков излучения, многократно отража-

ющихся и проходящих через тонкие слои прозрачных материалов. Один

слой фильтра состоит из тонкой пленки прозрачного диэлектрика, покры-

той с обеих сторон полуотражающими металлическими слоями. Излуче-

ние, попадая в фильтр, при многократном отражении от металлических

слоев образует систему прошедших

отраженных

лучей,

интерферирую-

щих между собой. Спектральная характеристика интерференционного

фильтра зависит от показателей преломления, толщины и числа слоев.

Изменяя их толщину, можно изготовить фильтр для любого заданного

участка спектра. Однако ширина полосы пропускания такого простейше-

го фильтра будет довольно большой. Применяются многослойные интер-

ференционные фильтры, которые могут состоять из 10,20

более отдель-

ных слоев. Теория и способы изготовления оптических фильтров этого

типа являются самостоятельными разделами физической оптики.

При использовании интерференционных фильтров при фотометриче-

ских исследованиях приходится считаться с тем, что специфика явления

интерференции нередко приводит к возникновению дополнительных об-

ластей пропускания («окон») вне основной полосы пропускания фильтра.

В некоторых случаях эти области удается устранить при комбинировании

интерференционного фильтра с абсорбционным. Другой особенностью

интерференционного фильтра является зависимость спектральной харак-

175

теристики пропускания от угла па-

дения потока на его поверхность,

поэтому такие фильтры рекомен-

дуется использовать в условиях,

когда угол между осью пучка

его

краевыми лучами не превышает

нескольких угловых градусов.

Рассмотренные типы филь-

тров позволяют формировать не-

обходимые спектральные характе-

ристики излучения. Кроме них в оптических каналах ОЭИП используют-

ся фильтры, предназначенные для равномерного ослабления лучистого

потока по всему спектру,—так называемые нейтральные оптические фи-

льтры (рис. 7.14). Основное требование к ним — равномерность спектра-

льной характеристики фильтра

Тф(А,)

в диапазоне спектральной характе-

ристики излучения источника

(Х),

поэтому поглощающее вещество не

должно иметь спектральных полос поглощения в рабочей области филь-

тра. В качестве поглощающих материалов для нейтральных фильтров

чаще всего используют тонкие пленки титана, платины, хрома, никеля,

палладия. Эти материалы обеспечивают достаточно равномерное погло-

щение излучения в области спектра от 400 до 1200 нм.

Излучение в узком спектральном диапазоне можно получить с помо-

щью монохроматоров, в которых спектральное разложение излучения

производится с помощью дисперсионной призмы или дифракционной ре-

шетки (поэтому монохроматоры делятся на призменные и дифракцион-

ные), а для подведения излучения к диспергирующему элементу и выде-

ления монохроматического пучка используются щелевые диафрагмы.

Для фотометрических

систем,

используемых при проведении физиологи-

ческих исследований, монохроматоры не нашли применение.

Другим, не менее ответственным оптическим элементом ОЭИП яв-

ляется оптический узел, определяющий геометрические параметры пото-

ка излучения. Описанию зеркал, призм, линз и их наборов, объединенных

окуляры, объективы, конденсоры

и т.

п., которые используются для сбо-

ра лучистой энергии, изменения направления потока, уделено значитель-

ное внимание в технических справочниках и литературе по оптическим

приборам.

Весьма перспективными для применения в ОЭИП, предназначенных

для клинических исследований, являются элементы волоконной оптики.

Из волоконных элементов изготавливают пластины, диски, линзы, жест-

кие световоды, гибкие жгуты и

т.

д. Световод представляет собой тонкий

стеклянный стержень, чаще всего круглого или прямоугольного сечения,

состоящий из сердцевины с показателем преломления п

и оболочки с по-

176

Рис. 7.14. Характеристики нейтральных

оптических фильтров

лированными торцами, характеризующейся показателем преломления

По

Пс.

От внутренней поверхности оболочки происходит полное отраже-

ние потока внутрь световода по законам геометрической оптики. Спект-

ральные характеристики световодов определяются материалом сердце-

вины

охватывают область от ультрафиолетового

до

инфракрасного диа-

пазонов спектра. Световоды диаметром менее 100 мкм называют оптиче-

ским волокном, группируя которые образуют световолоконные жгуты.

Световоды и жгуты предназначены для канализированной передачи по-

тока излучения на определенное расстояние, разведения потока от одно-

го источника по нескольким каналам, изменения аппретурного угла пуч-

ка, изменения направления потока и т. д.

При передаче излучения по волокну потери связаны в основном с по-

глощением излучения в стекле, причем пропускание волокна не умень-

шается и при его изгибе, если при этом углы падения пучка на внутрен-

нюю

боковую поверхность не окажутся меньше критических. Коэффици-

ент пропускания т

св

цилиндрического световолоконного жгута, содержа-

щего п

одинаковых волокон, можно определить

помощью выражения

Тсв

= nS

T„(L - p

)A/So,

где

S„

— площадь торца одного волокна;

т„

— коэффициент пропускания

материала волокна; р — коэффициент отражения от торца волокна; А —

числовая апертура волокна, зависящая от его формы, размеров торцов и

коэффициентов преломления По и, п

Известны жгуты, содержащие волокна разной формы (например, во-

локна с переменным диаметром), что позволяет изменять апертурный

угол пучка излучения и, следовательно, расширить область таких жгутов.

7.2.2. Источники излучения

фотометрических приборах различного назначения для генерирова-

ния исходных лучистых потоков излучения находят применение специа-

льные лампы накаливания, газоразрядные лампы, лазеры и полупровод-

никовые светоизлучающие диоды (светодиоды).

Лампы накаливания и газоразрядные лампы не получили распростра-

нения в приборах, предназначенных для физиологических исследований

в клинических условиях, из-за ряда присущих

им

недостатков: зависимо-

сти спектральной характеристики излучения от температуры нагрева из-

лучающего элемента (то есть от стабильности параметров источника

излучения), большой тепловой инерционности тела накала, небольшого

коэффициента преобразования энергии источника питания в излучение

(менее

%), относительно небольшого срока службы, сложности и гро-

177