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(电工理论与新技术专业论文)眩晕实验转台控制与光纤血流量传感器的设计.pdf.pdf 免费下载
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西北工业大学硕士学位论文 b 目 a b s t l 甚c t v 施g oi sac o m m o nd i s e 弱eo fp e o p l c t sd a i l yl i f c ,i th 鲢b c o 锄e 姐i m p o n a 毗 d i 删i 帆o fr 髂e 砌h o wt ot e s t t h ce 箍c yo f 趾柚t i - v c n i g om c d i c i n eq u i c l 【l y a n da 咖a t c l y 舡t h ec x p c d i t i n go fr c s e a r c h 恤a l j n c t r a d i t i o n a lm c d i d n e r c s i s t i l l g h n e t o s i s ,h o wt 0i n s p e c t ,锄i y 粗d “a l u a t ec h i n c t f a d i t i o n a im c d i d n ch a s b c c o m eo o fk e yp r o b l e m st ob cr c l v e du r 铲n t l y ht l i i sp 印e f t h cm a i n 鹏e 砌w o r ki sp a no f “t h cr c 辩卸c h n 州d i g i t a l m e l h o d st oc v a l u a t eo l i n e 仃a d “i o n a lm e d i c i r 鹤i s t i n gk i n e t i s ”c m 塔i d e r i n gt l i c d i s a d v 柚t a g c so ft h ee x i s t i n gm e t h o d st h a ta 佗u s c dt oc x 锄i n ca w h i t cm o u sb l d 日o w ,an e wm e m i 碡o f n - i 吖弱i v ed c t c d i o l lf o rb 1 0 0 df l o wi sp u tf b 聊a r db a s c d 姐 d i g i t a lf 鹤e a r c h t h ec x p c r i 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i g a t i o n ,t h ea c h i c v c m e n t sh a v et h cv i t a ls c j e n t i f i cs i 印j f i c 柚c c k 曲w o r d s :v e n i g o ,d ( p p l c r s t e p p c rm o t o r ,助e f - 叩t i c w 娩l e 辐c o m m 岫渤t i o i l s c d a i n 吼u i l i c a “o n m 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定,即:研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证,毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名: 叼年弓月叶日 指导教师签名:幽 叩年乡月穹日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德,本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知,除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外,本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果,不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体,均己在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实,愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名: 叩年3 月7 日 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 眩晕是临床最常见的症状之一,据文献报道,人群中眩晕的患病率为5 。 以眩晕为主诉者在神经内科门诊中占5 1 0 ,在耳鼻喉科门诊中占7 ,在神 经内科住院病例中占6 7 【。2 1 。眩晕是一种主观症状,是机体对于空间关系的定 向感觉障碍或平衡感觉障碍,是一种运动幻觉,也有人认为是运动错觉。人机体 在运动中受到加速度、视觉和深部感觉的刺激,当机体不能适应这些刺激时,可 发生眩晕、头昏、恶心、呕吐、面色苍自等各种反应,称为运动病1 3 j 。临床上可 将眩晕分为前庭系统性眩晕( 亦称真性眩晕) 及非前庭系统性眩晕( 亦称头晕) 前庭系统性眩晕是由前庭系统包括前庭末梢感受器、前庭神经、前庭神经核、内 侧纵束、小脑、颖叶等的病损而产生【4 l ,根据病变部位不同,前庭系统性眩晕又 可分为前庭周围性眩晕与前庭中枢性眩晕。而非前庭系统性眩晕包括眼源性眩 晕、本体感觉性眩晕、精神性眩晕及全身疾患如贫血、心血管疾病、感染等导致 的眩晕。 随着现代交通的发展,运动病的发生率显著增加,大约9 0 的人患有不同程 度的运动病,其中1 0 3 0 患有严重的运动病。军事飞行人员在训练中晕机病 发生率为4 0 。大约5 0 的航天员发生空间运动病i 卯,这不仅影响航天员的工作 效率和健康,而且对应急返回构成威胁。因此,运动病的防治是军事医学和航天 医学中亟待解决的问题。 药物抗运动病一直是防治运动病的主要手段,目前人们认为快速而有效治疗 运动病的办法就是使用抗眩晕药物。美国学者s c h m i d t 对飞行员、航天员等用 药物抗运动病提出了航空药理学( a v i a t i o np h a 珊a c o l o g y ) 理论l “。英国在马 岛等战争中用催眠药左比坦和佐匹克隆调节睡眠和中枢兴奋以抗疲劳i “。法国 研制的新型中枢a l 受体激动剂莫达非尼是迄今最好的抗疲劳药物。美国空军 阿姆斯特朗实验室研究用止吐药5 h t 3 、抗胆碱药、组胺h l 受体阻断药、肾 上腺素能受体激动药治疗运动( 眩晕) 病1 8 l 。临床研究证明,尽管这些西药对 以眩晕为主的运动病有一定的疗效,但长期使用容易产生成瘾和依赖,尤其 对人的中枢认知和操作功能有严重的副作用。因此,医治以眩晕为主的运动 病的西药如晕海灵、异丙嗪、马嗪等,用于航天、航空、航海等作战人员持 非常谨慎的态度,许多国家都已明确禁止将这些药物用于上述人员。中药如 党参片、刺五加、红景天等具有增强体质和提高肌体抗运动病的功能。2 0 世 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 纪6 0 年代,前苏联科学家也发现,中草药可以提高肌体对不利环境的耐受性, 使肌体在运动状态下始终保持正常水平,明显提高肌体对运动( 眩晕) 病的 抵抗力【9 】。如复方党参片和参芪花粉片等提高肌体缺氧能力。复方红景天等可 提高肌体的低氧运动能力。同时,我国航空医学界主张为了保持复杂情况下 的工作状态和工作能力,科学用药可以作为一种有效的辅助手段1 1 0 1 。 药物能增加机体对运动病的抵抗力,但任何药物都不是完全有效的药效受 个体敏感性和刺激种类、强度及时间长短等因素的影响,推荐应用的抗运动病药 物,均应以其在运动病实验中的效果为依据。采用合理的实验方法和检测仪器系 统成了药物药效分析的关键。 中药在医治航天载人、航空飞行和航海训练等所产生的眩晕病具有独特的疗 效,如对人中枢认知无毒副作用;增强体质和肌体抗运动病能力;保持肌体在复 杂环境下正常操作功能等i 。随着抗运动病中药研究的加快,抗眩晕中药疗效的 科学监测、分析和评价成为中药现代化亟待解决的关键问题之一。目前,中药疗 效的评价大多是沿袭了西药的分析方法,以分析中药的化学成分为主。但是由于 中药化学成分复杂性,各种成分相互影响、弥补,其通过多种途径、靶点发挥物 质群的整体作用,化学成分分析很难准确的评价药效。因此,必须通过准确有效 的检测系统,对中药的药效进行合理和科学的评价。 本文课题研究的是一套专门针对抗运动病中药的药效检测系统。旨在采用旋 转刺激法建立一个操作简单、切实可行的实验性动物眩晕检测平台,通过该检测 平台可以直接观察动物在服药前后的抗运动病能力的变化,以此来评价抗眩晕中 药的药效。这样可以更加直观的对中药的药效做出科学的评价。 本文捡测系统包括眩晕旋转平台和信号的采集两大部分。通过旋转刺激 平台使大自鼠处于眩晕状态,对大白鼠的眼震变化和血流量变化两个参数的 采集和分析来判断大白鼠的眩晕状态【1 2 】采用皮肤血流量传感器来采集血流 量信号,经过无线通信到达计算机,由计算机对信号进行分析和计算得出血 流量的变化情况;通过c c d 摄像头采集眼睛的图像信号,经过数据通信最后 到达计算机。计算机进行图像处理和分析,来确定眼震是否发生。 1 2 国内外眩晕检测方法和仪器的发展现状 目前,国内外关于抗运动病药物筛选实验法有多种。从诱发眩晕的刺激环境 分析,主要以旋转法居多,其特点是简单实用,也有模拟仿真法,主要用于空晕 和船晕,其实验成本较高。从检测方法分,主要有肉眼观测法、动物眼图摄像法、 电图法。从检测对象分,主要有眼图分析法【1 3 】,前庭血流量分析法i ,兔脑电功率 谱分析法等。 2 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 中国药科大学所开发研制的筛选抗运动病药物的动物实验方法就是选用一 个昆明种小鼠,通过训练使其建立起逃避电击反射,然后通过旋转使动物产生眩 晕,以眩晕后逃避电击反射完成所需的时间作为衡量药效的重要指标i 嘲。 广州解放军体育学院军事体能训练研究中心孙学川教授研制出我国第一台 “绳索斜拉式电动抗眩晕实验平台”,可以逼真地模拟航海中的各种状态,以及 直浪、斜浪、混合浪等各种海浪,还可以自行加温、加湿。该实验平台代表了模 拟仿真实验法的最新技术1 1 7 l 。 动物眼图摄像法是指通过摄取眩晕后动物眼睛图像的方法,根据眼图的变 化,用相应的数学模型进行分析。眼震电图法( e n g ) 是指通过贴电片导出动物眼 睛角膜与视网膜之间存在的电位差在眼球周围形成的电场,从而分析动物是否眩 晕,它是目前测量眼球运动的一种比较精确的方法。它把计算机及信号处理技术 应用于眼震电图的分析处理,代替手工分析,实现了从定性分析到定量分析的飞 跃,但对眼震电图测量分析的仪器大多是进口的,价格昂贵,且无法掌握测试的 核心技术,国内也有许多单位研究智能眼震电图测试仪器,如h z y - l 型智能化 眼震电图机,不过在测试中使用的是盘形生物电极,对测试者有一定的刺激,因 而有时会出现赝像,达不到实验的要求。 兔脑电功率谱分析法采用正弦旋转刺激,引发家兔产生眼震,在兔子清醒安 静状态下将脑电引导电极插入兔子顶部皮下,参照电极和接地电极分别插入兔子 左右耳廓皮下,然后由计算机分析脑电的平均功率谱,从而达到精确分析眩晕的 实验方法。 1 3 课题研究内容及意义 课题通过检测耳朵处血流量和眼震电图这两个生理信号的变化来判断实 验者眩晕的发生程度。以大白鼠为研究对象,选用对实验动物无损伤的图像 传感器和光电传感器,采集其在旋转状态下服用或没服用过需要检测的抗运 动病药后,眼睛图像及耳朵处血流量的变化信息,进而对所采集信号进行对 比分析和处理,来判断抗眩晕药物药效的好坏。整个检测系统具有体积小、 无创伤、连续检测等特点,提取临床所需各种数据,为药效分析和疾病诊断 提供了可靠依据。 无损伤抗运动病药物性能检测系统属于生物医学信号检测技术的范围, 它不是工业检测技术的简单移植1 1 8 】,由于检测的对象是人或者动物,它要求被 实验者和系统的连接必须具备安全、可靠、动态的特点。实时地获取与生命 活动相关的各种信息,并经技术处理后送入主控计算机进行相应处理,建立 科学的人机连接方式是课题中无损伤抗运动病药物性能检测设备首先考虑的 3 西北工业大学碗上学位论文 第一章绪论 问题。 一般现有的生物信号检测仪器系统,是通过传感器将眼震、血流量等生 物体信号转换为电信号,经模数转换器a d c 采样、量化、编码后。成为数字 信号,然后下位机通过电缆将数据送给p c 机分析和处理【1 9 l 。然而,对于旋转 刺激模型,用有线连接的方式来实现采集信息的传递很难满足要求。 对于旋转实验动物模型,一则将采集数据在下位机上进行存储,实验完 后再送给p c 处理,然而这根本就谈不上是实时性,也不能实现对其控制;二 则采用无线通信技术,将采集的数据由测量点通过无线传输的方式发送到主 控站。课题采用了无线技术实现主控机与下位机之间的数据通信,完成眼睛 图像和血流量信号的无线传输,方便快捷地实现了p c 机对旋转生物体上生物 信号的实时采集与监控,解决了旋转实验中有线连接的烦恼,大大地增强了 设备的灵活性和实用性。同时,课题所研究的检测系统在其它领域的信号无 线检测中也有着广泛的应用前景。 具体实现过程是:实验动物体固定于一封闭的旋转平台上,平台由电机 带动旋转,现场采集动物体的血流量和眼睛图像两个信号,采用无线数字通 信技术和选用适当的p c 机外设接口,将所采集到的信号准确无误地传送给终 端主控p c 机进行处理,同时主控p c 机能对采集到的信号进行软件处理,并 对电机进行相应的控制。整个过程均在室内,通信距离约1 0 m 左右。 1 4 本文的主要工作 鉴于课题涉及传感器技术、信号检测与处理、无线通信、接口技术、电机调 速及图像处理软件编程,工作量大。因此,本文主要负责了眩晕实验转台的控制 和血流量传感器的设计,其中包括两轴转台的转速控制、光纤血流量传感器的设 计、信号的采集和无线通信等。检测系统总体原理图如图1 1 所示。 图1 1 检测系统总体原理图 西北工业大学硕士学位论文第二章系统设计方案的确定 第二章系统设计方案的确定 本实验的系统设计主要包括两轴实验转台的旋转控制、血流量传感器的设计 以及血流量信号的采集和数据传输。本章将对整个方案的具体实现作详细的介 绍。通过对不同设计原理的比较和研究,最终确定整个系统的设计方案 2 1 眩晕实验转台的控制方式 眩晕实验转台为两轴转台,可以实现两个方向的自由旋转。并且每个方向的 旋转是相对独立的。由于实现两轴旋转的执行机构是电机,因此眩晕实验转台的 控制就是对电机的控制,包括两台电机的旋转速度和方向的控制。 随着现代科学技术的进步,电机在其实际应用中,过去是以简单的起、停控 制,提供动力为主要目的。现在上升到对其速度、方向、转矩等进行精确的控制, 使被驱动的机械运动符合预想的要求。特别是在工业自动化,办公室自动化和家 庭住宅自动化方面使用的大量控制电机,几乎都采用电力电子器件进行控制。不 同的电机采用不同的控制方式,满足不同场合的控制要求在这种情况下,原先 的“电机控制”,“电气传动”已发展到“运动控制”新阶段i 刎。 2 1 1 电机调速控制方式的比较 电机调速技术的发展经历了从直流到交流,从开环到闭环,从模拟到数字的 发展过程【2 1 j 。每种调速系统各有其优缺点,因此,通过比较选择适合本实验 系统的调速方式。 l 、直流和交流调速控制系统 1 9 世纪8 0 年代前,直流电气传动是唯一的电气传动方式。1 9 世纪末交流电 气传动出现在工业应用领域,但在2 0 世纪大部分时间,不变的格局是:直流调 速而交流不调速。2 0 世纪9 0 年代,在先进的电力电子技术及现代化控制理论的 支持下,交流调速系统具备了宽调速范围,高稳定精度、快速动态响应和四象限 运行等良好特性,并显示出取代直流调速的趋势。 与交流调速系统相比,直流调速系统简单,调速性能好,易于平滑调速,启 动、制动和过载转矩大,易于控制等优点,长期以来占统治地位,当前已经发展 的相当完善。随着微电子技术的发展,国际上全数字直流运动调速系统已经非常 普及。但是直流运动调速系统与交流调速系统相比也存在以下的缺点: 西北工业大学硕士学位论文 第二章系统设计方案的确定 ( 1 ) 直流电机结构复杂、成本高、故障多、维护困难且工作量大,经常因 为火花大而影响生产,同时对其它设备也造成不同程度的干扰; ( 2 ) 机械换向器的换向能力限制了电动机的容量、电压和速度,接触式的 电流传输又限制了电动机的应用场合; ( 3 ) 电枢在转予上,电动机效率低,散热条件差,冷却费用高,为了改善 换向能力,减小电枢的漏感,转子变得粗短,影响了系统的动态性能。 2 、步进电机调速控制系统 步进电机调速系统是以步进电机作为执行元件,通过微控制单元发送脉冲信 号,经过步进电机驱动器来对电机进行控制。步进电机是一种将电脉冲信号交换 成相应的角位移或直线位移的机电执行元件【捌。它可以将数字脉冲信号转换为 旋转或直线增量。当采用适当的控制时,步进电机的输出步数( 转角位移量) 总 是和输入的电脉冲数相等,因此它可以作为开环位置系统工作。在增量运动方面, 步进电机可以作为具有迅速加速、减速和停机能力的起停运动控制器。 步进电机具有低转动惯量、无漂移和无累积定位误差的特点,而且其控制线 路经济简单,不需要反馈编码器和相应的电子线路,特别是近年来微控制器的发 展,使步进电机的控制性能大为改善,所以在很多位置和速度控制的应用中都是 非常实用的。 2 1 2 步进电机控制系统的选择 通过对不同调速方式的比较,结合本实验的控制特点,最终选择采用步进电 机的控制方式对两轴旋转平台进行控制。透过p c 机和单片机两级控制的方式对 两台步进电机的旋转速度和方向进行控制,其控制原理框图如图2 1 所示。 图2 1 步进电机控制系统原理图 通过主控p c 与单片机控制卡的通信,将转速与方向等数据传递给单片机, 通过单片机的计算编程,将转速转化为相应的脉冲信号对步进电机驱动器进行控 制。两个步进电机驱动器分别驱动两台步进电机,实现眩晕转台的两轴旋转。 2 2 血流量信号的检测 血流量检测在医学上已经广泛应用,医院里普遍使用的血流量检测方法有超 6 西北工业大学硕士学位论文第二章系统设计方案的确定 声血流量检测方法和激光血流量检测方法,各种检测方法都存在优点和弊端,总 结和综合这些方法的优缺点,本实验最终确定了光纤血流量传感器设计方案。 2 2 1 血流量检测的方法 l 、超声多普勒血流量检测 超声血流量检测在医学上应用比较广泛【2 3 1 ,超声多普勒血流量传感器在心 脏血流量检测方面得到了广泛的应用。超声血流量检测是根据经典的多普勒原理 实现的。射入人体一定频率的超声波,在遇到流动的血红细胞时,产生的散射信 号就会出现多普勒频移【2 4 l 。通过对多普勒回波信号的分析,就能够获得血流的 方向和流速信息。超声多普勒效应计算公式为 ,丝q 竺!( 2 1 ) c 式中,r 为多普勒频移;而为入射波频率;v 为血红细胞流速:c 为超声波在 血液中的传播速度;口为超声波束与血红细胞移动速度方向问夹角。 因为超声波在血液中的传播速度较大( 超声在血液中的传播速度约1 5 7 0 i i 怕, 在人体内的平均传播速度为1 5 0 0 m s ) ,而血液的流速并不大( 人体静息时,主 动脉内的血液的平均流速为0 1 8 0 2 2 m s ) ,c 和p 两者相比,c p ,所以多普 勒频移信号,仅与血液颗粒的流动速度v 有关【2 4 l 。只要测得,就可以求得相 应的血液流动速度。 超声检测是一种较好的无损检测方法,检测系统原理简单,不会对检测体造 成创伤,检测较为精确,特别是对心血管这类大血管的血流速度和血流量进行检 测时,能较为准确的检测出血流量或血流速度。 2 、激光多普勒血流量检测 激光多普勒血流量检测采用的是光多普勒效应【2 5 l ,具体原理上一节已介绍。 它主要用于测量组织血流速度,即毛细血管血流速度和血流量的变化。因为血管 的直径小,血流速度低,采用一般的方法难以准确地测量血流速度。采用光纤导 管和光混频技术制成的光纤激光多普勒血流量传感器,可以实现快速准确地测 量。 光纤血流量传感器测量血流速度与超声多普勒技术、电磁流速计等比较,有 如下的优势: ( 1 ) 光纤传输简单,导管及探头结构简单、容易制作; ( 2 ) 光纤探头十分精细,可以缩小检测范围: ( 3 ) 可以进行连续重复性测量,测量范围广,从0 0 1 c i i l s 1 啪s 。 光纤激光多普勒血流量检测主要应用在两个方面:一是研究微循环的血液流 7 西北工业大学硕士学位论文第二章系统设计方案的确定 动;二是研究主动脉、静脉、冠状血管等主要血管血液流动。从这两个方面出发, 根据光纤探头的不同形式,光纤血流计分为非插入式皮肤血流计和插入式血流 计。前者用于测量皮肤表面的微循环毛细血管及视网膜血管血流情况,后者用来 测量主血管血流,也用来测量体内组织的血流,这两种血流计原理相同,采用不 同形式的光纤探头,所测量的速度范围及对应的频移范围也不同。常用的激光多 普勒血流仪如图2 2 所示。 ( a ) 激光多普勒血流仪( b ) 血流仪片式电极 图2 2 激光多普勒血流仪与电极 除了上面介绍的两大类的血流量检测方法,还有电磁流速计、注射方法等, 因为这些方法存在弊端较多,不太常用,这里不作具体介绍。 2 。2 2 光纤血流量传感器系统 以上对医疗和实际应用中常用的几种检测方法进行了介绍,并对检测原理和 实现方法进行了简单的介绍。超声多普勒检测血流速度应用较为广泛,但是超声 检测对于小血管,特别是像皮肤血管的血流速度检测,需要设计专门的超声换能 器探头,设计比较复杂,且信号处理也较为复杂,特别是在旋转的平台内,整个 超声检测系统要固定在大白鼠的耳部,对于检测大白鼠的耳部皮肤血管血流量, 有较大的难度,会产生很大的噪声,系统的振动等各方面的影响,会对超声检测 带来更大的噪声。 光纤血流量传感器与超声多普勒检测比较,光纤血流量传感器测量精度高, 探头设计较简单。插入式光纤探测器精度高、信号强、噪声小,但是插入式光纤 血流量传感器要求探头插入血管内,对检测体有损伤,在检测时会对大白鼠产生 影响,并在对大白鼠多次测量的过程中,多次的损伤会对大白鼠的检测结果造成 影响。另外,在旋转过程中大白鼠会发生眩晕状态,在这种运动的环境中,大白 鼠耳部的动作对有损探头的固定增加了难度。 针对以上检测方法的优缺点,必须设计一种符合实验要求,简单可靠的传感 器系统,连续无创的对微循环血流量进行检测。 8 西北工业大学硕士学位论文第二章系统设计方案的确定 本文设计了适合检测要求的简易微循环光纤血流量传感器系统,包括激光器 的选择、传输光纤的选择、探头设计、光探测器设计以及信号分析处理电路设计 等,在第四章将对具体设计作详细的介绍 2 3 数据的采集与传输 光纤血流量传感器采集到的血流量信号经过放大、滤波、除法校正等处理电 路后,最终要在计算机上进行分析和计掣冽。因此信号必须经过转换和传输, 才能供计算机处理;同时,由于眩晕实验转台的旋转特性,采集到的血流量信号 需要以无线传输的方式进行传输。因此整个数据传输系统包括有线和无线两种传 输方式如图2 3 所示,主控计算机通过串口通信的方式与单片机控制卡交换数 据,同时单片机控制卡以无线通信的方式接收眩晕转台上的血流量信号 图2 3 数据传输原理图 单片机与计算机的串口通信是比较常用的通信方式,这里主要介绍一下无线 通信方式的选择。目前,比较实用的短距离无线通信标准主要有n r f 技术、蓝 牙技术、8 0 2 1 1 b 无线局域网技术和h o m e r f 家用无线局域网技术四种【2 7 l 。这四 种标准都工作在2 4 g h z i s m 频段,但各自都有不同的特点,因此适应的应用场 合也有所不同 8 0 2 1 1 b 传输速率高,传输距离远,但它适合于有因特网的地方,适应于多 人同时高速连接上因特网的连接,不适合于个人周围的电子设备之间以及个人电 脑与电子设备之间的连接;h o m c r f 适合于个人电脑与电子设备之间的连接,但 是它同样要求连接上因特网;n r f 技术和蓝牙技术不需要连接上因特网,同时适 合于个人周围的电子设备之间以及个人电脑与电子设备之间的连接,因此符合本 文的设计要求,但是n r f 技术和蓝牙技术也有各自不同的特点,如表2 1 所示。 蓝牙( b l u e l h ) 工作在全球通用的2 4 g i s m 频段 2 町。蓝牙的数据速率 最高为1 m b p s 。时分双工传输方案被用来实现全双工传输。蓝牙空中接口是建立 在天线电平为o d b m 的基础上的。空中接口遵循f c c ( 美国联邦通信委员会) 有 关电平为o d b m 的i s m 频段的标准。如果全球电平达到1 0 0 l i i l w 以上,可以使用 扩展频谱功能来增加一些补充业务。频谱扩展功能是通过起始频率为2 4 0 2g h z , 终止频率为2 4 8 0g k ,问隔为1 m h z 的7 9 个跳频频点来实现的。最大的跳频 9 西北工业大学硕士学位论文第二章系统设计方案的确定 速率为1 6 6 0 跳,秒。理想的连接范围为1 0 c n l 1 0 m ,但是通过提高发送电平可以 将距离延长至1 0 0 m 。蓝牙芯片比较昂贵,协议也十分复杂,在手机和p d a 中应 用比较广泛。 表2 1 蓝牙与n r f 方案比较 短距离无线 硬件设计 接口方式 编程 通信 通信距离 开发 数传方案速率成本 由多个芯 复杂,时序 通信协议复需专 蓝牙方案片组成, 要求严格 杂。需购买专1 m b p s 1 0 m 用仪 硬件复杂用开发系统器 多数元件简便,只需提供实用化 室内3 0 不需 n r f 方案内置,外与单片机编程代码,编 1 m b p s4 0 1 1 1 室外 专用 围元件少l ,o 口连接程简单 2 0 0 m仪器 嵌入式系统中应用较多的是n r f 2 4 0 1 芯片。n r f 2 4 0 1 是挪威n o f d i c 公司推 出的单片2 4 g k 无线收发一体芯片1 2 9 l ,n r f 2 4 0 1 无线收发一体芯片和蓝牙比较 可看出,都工作在2 4 g m i s m 频段,能够在全球无线市场畅通无阻。n r f 2 4 0 1 支持多点间通信,最高传输速率超过1 m b i 帕,而且比蓝牙具有更高的传输速度。 它在设计上,只需少量外围元件便可组成射频收发电路。与蓝牙不同的是, n r f 2 4 0 l 没有复杂的通信协议,它完全对用户透明,同种产品之间可以自由通信, 更重要的是,n r f 2 4 0 1 比蓝牙产品更便宜,所以n r f 2 4 0 1 是业界体积最小、功 耗最少、外围元件最少的低成本射频系统级芯片。另外其短距离无线数据传输技 术成熟,功能简单、携带方便,使其在嵌入式短程无线产品中得到广泛应用,如 医疗、工业、智能建筑、消费电子等领域。 n r f 2 4 0 1 芯片用在无线传输中应用方便,协议简单,开发成本低,因此本实 验系统采用n r f 2 4 0 1 芯片进行血流量信号的无线传输。 2 4 本章小结 本章针对实验的特殊要求,分析了当今各方面的研究现状。确定了两轴眩晕 实验转台的控制方式以及血流量信号的采集传输方式。通过对电机不同控制方式 的比较,最终确定以步进电机作为驱动元件对两轴眩晕实验转台进行控制:对当 前血流量信号的检测方法进行了比较,最终确定采用光纤血流量传感器对微循环 血流量进行检测;对当前的无线传输方式进行比较,分析了各自的优缺点,最终 确定了简易蓝牙模式的n r f 2 4 0 1 芯片进行数据的无线传输。 1 0 西北工业大学硕士学位论文第三章眩晕实验转台的控制 第三章眩晕实验转台的控制 为了准确地测量动物在眩晕之后血流量及其它相关的生理变化,必须设计一 种旋转刺激平台,通过控制旋转台的转速和旋转方向使动物达到眩晕状态,然后 对其血流量及其它相关生理变化进行检测,判断是否眩晕。 当前的转台设计主要是针对航空、航天等军事应用领域,其控制精度高,控 制过程复刹捌,并不适用于旋转刺激台的应用。因此需要针对实验要求设计一 种控制简单、经济可靠的旋转平台。 3 1 眩晕实验转台的主要性能及控制要求 旋转刺激转台主要作用是通过对转速和旋转方向的控制使小动物达到眩晕 状态。仿照多轴转台的旋转要求设计一种两轴旋转刺激台,如图3 1 所示,通过 电机1 和电机2 控制两轴的交替旋转,达到眩晕的目的,同时每一轴的转速可调。 图3 1 两轴转台示意图 眩晕实验转台是通过控制两台步进电机来驱动两轴的交替旋转。驱动元件是 控制系统中的重要组成部分,是系统的执行元件,它的作用是把驱动线路的电信 号转换为机械运动。整个控制系统的调速性能、动态性能、运动精度等都与驱动 元件有关p ”。因此,对驱动元件有如下的要求: ( 1 ) 调速范围宽而且有良好的稳定性,尤其是低速时的速度平稳性; ( 2 ) 负载特性硬,即使在低速时也应该有足够的负载能力; ( 3 ) 具有快速响应特性; ( 4 ) 能够频繁启、停及换向。 眩晕实验转台的两轴能够独立旋转,且每一轴的转速范围在2 0 2 0 0 r m i n 西北工业大学硕士学位论文 第三章眩晕实验转台的控制 内可调。每一轴可进行正、反两个方向的旋转。 驱动元件有电气的、液压的或电液的,它们各有其特点,适用在不同的控制 系统中。在开环伺服系统中有电液脉冲马达和功率步进电机。目前主要采用功率 步进电机。在伺服系统中早期多采用液压马达和直流伺服电机中的小惯量直流电 机。2 0 世纪7 0 年代中期以后多采用脉宽调速直流伺服电机,由于直流伺服电 机结构复杂经常需要维修,而电子技术的发展使交流电机的调速等性能提高很 快,2 0 世纪8 0 年代初期已开始采用步进电机进行精确控制,具有很广阔的前 景。 3 2 步进电机及其选型 步进电机是一种将电脉冲转化为机械角位移的电磁机械执行机构1 3 2 】,由于 所用的电源是脉冲电源,所以也称为脉冲马达。每当输入一个电脉冲,电动机就 转动一个角度前进一步,脉冲一个一个的输入,电动机便一步一步的转动。又因 为它输入的既不是正弦交流电,又不是恒定的直流电,而是电脉冲,又称为脉冲 电动机。 3 2 1 步进电机的结构特点 步迸电机由转子和定子两部分组成,转子和定子均由带齿的硅钢片叠成。定 子上有绕组分为若干组,每相磁极上有极齿,当某相定子绕组通以直流电压激磁 后,便吸引转子,使转子上的齿与该相定子对齐,令转子转动一定的角度。依次 向定子绕组轮流激磁,会使转子连续旋转。 步进电动机种类繁多,有旋转运动的,直线运动的和平面运动的。从结构看, 它分为反应式与激磁式,激磁式又可分为供电激磁式和永磁式两种;按定子数目, 可分为单段定子式与多段定子式;按相数,可分为单相,两相,三相和多相。各 相绕组可在定子上径向排列,也可在定子的轴向上分段排列。激磁式步进电动机 与反应式步进电动机相比,只是转子多了激磁绕组,工作原理与反应式相似。 步进电机分为三种:永磁式( p m ) ,反应式( v r ) 和混合式( 船) 。永磁式步 进电机一般为两相,转矩和体积较小,步距角一般为7 5 度或1 5 度;反应式步 进电机一般为三相,可实现大转矩输出,步距角一般为1 5 度,但噪声和振动都 很大。在欧美等发达国家8 0 年代已被淘汰;混合式步进是指综合了永磁式和反 应式的优点,它又分为三相和五相:三相步距角一般为1 5 度,而五相步距角一 般为0 7 2 度。这种步进电机的应用最为广泛。 步进电动机是一种增量运动的电磁执行元件,这种元件是将数字脉冲输入转 西北工业大学硕士学位论文 第三章眩晕实验转台的控制 换为旋转或直线增量运动的一种装置,当采用适当的控制时,步进电动机的输出 步数( 转角位移量) 总是和输入的电脉冲数相等,因此它可以作为开环位置系统工 作。在增量运动方面,步进电动机可以用作具有迅速加速、减速和停机能力的起 停运动控制器。由于试验转台需要随时进行转速和旋转方向的调整,采用步迸电 机控制有利于实现快速响应加速、减速和正反转功能 步进电动机以具有低转动惯量、无漂移和无累积定位误差为特征,而且其控 制线路经济简单,不需要反馈编码器和相应的电子线路,特别是近年来微型机方 面的发展,使步进电动机的控制性能大为改善,所以在很多位置和速度控制的应 用中都是非常实用的。 3 2 2 步进电机的驱动 步进电机不能直接连接到交直流电源上工作,而必须使用专用设备步进 电机驱动器。步进电机驱动系统的性能,除与电动机自身的性能有关外,也在很 大程度上取决于驱动器的优劣。步进电机驱动器的主要构成如图3 2 所示,一般 由环形分配器、信号处理级、推动级、驱动级等各部分组成,用于功率步进电机 的驱动器还要有多种保护线路。 图3 _ 2 步进电机驱动器组成 各种电子设备的最末级一般需要功率放大,步进电机驱动也是这样,为使步 进电机满足各种需要的输出,驱动级必须对电机绕组提供足够的电压和电流。但 步进电机驱动与一般电子设备的驱动是有区别的,主要体现在: ( 1 ) 各相绕组都是开关工作; ( 2 ) 电机各相绕组都是绕在铁芯上的线圈,所以有比较大的电感; ( 3 ) 绕组停电时,电感中磁场的储能将维持绕组中已有的电流不能突变, 结果使应该电流截止的相不能立即截止; ( 4 ) 电机运转时在各相绕组中将产生旋转电势,这些电势的大小和方向将 对绕组电流产生很大的影响: ( 5 ) 电机绕组中有电感电势、互感电势、旋转电势。 对于驱动级线路,应该既要保证绕组有足够的电压电流及正确的波形,同时 西北工业大学硕士学位论文 第三章眩晕实验转台的控制 又要保证驱动级功率放大器件的安全运行。 3 2 3 步进电机及驱动器的选型 步进电机一般在较大范围内调速使用,其功率是变化的,一般只用力矩来衡 量。力矩与功率换算如下: p = d x m( 3 1 ) d = 劲n 6 0 ( 3 - 2 ) p = 劲玎盯6 0 ( 3 - 3 ) 式中,为功率,单位w ;d 为角速度,单位s ;玎为转速,单位r n 血;肘为力 矩,单位为n m 。 步进电机有步距角( 涉及到相数) 、静转矩及电流三大要素组成。一旦三大要 素确定,步进电机的型号就确定下来了。 l 、步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要求,将负载的最小分辨率( 当量) 换算到电 机轴上每个当量电机应走多少角度。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市 场上步进电机的步距角一般有o 3 6 0 o ,7 2 。 五辐电机) 、0 1 9 。,1 8 0 ( 二、四相电 机) 、1 5 0 3 。( 三相电机) 等。 2 、静力矩的选择 步进电机的动态力矩很难确定,往往先确定电机的静力矩。静力矩的选择依 据是电机工作的负载,而负载可分为惯性负载和摩擦负载两种,单一的惯性负载 和单一的摩擦负载是不存在的。直接启动时两种负载均要考虑,加速启动时主要 考虑惯性负载,恒速运行时主要考虑摩擦负载。一般情况下,静力矩应为摩擦负 载的2 3 倍,静力矩一旦选定,电机的几何尺寸便能确定下来 3 、电流的选择 静力矩相等的电机,由于电流参数不同,其运行
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