Автоматизований контрольно-вимірювальний комплекс

Автоматизований контрольно-вимірювальний комплекс, що містить генератор сигналів, широкосмугову антену, підключену до першого виходу спрямованого відгалужувача, до другого виходу якого підключені послідовно з'єднані змішувач із гетеродином, смуговий підсилювач проміжної частоти, квадратичний детектор, підсилювач низької частоти, синхронний детектор, фільтр нижніх частот і індикатор, який відрізняється тим, що як генератор сигналів використовується кодокерований генератор коливань мм-діапазону, що працює в режимах свіпірування частоти в заданому діапазоні, крокової перебудови частоти і режимі монохроматичних сигналів, до виходу якого підключені послідовно з'єднані і додатково введені кодокерований перемикач, до першого виходу якого підключено вихід кодокерованого ключа і послідовно з'єднані кодокерований атенюатор, вентиль і амплітудний модулятор, з якого через спрямований U 2 45091 1 3 45091 4 напруги, перетворювач напруги в струм, реохорд з (1×10-12…1×10-14Вт) з використанням високочутлирухомим контактом, джерело різнополярної напрувої радіометричної апаратури [див. Скрипник Ю.А., ги і автоматичний потенціометр. Однак, дана схеЯненко А.Ф., Манойлов В.Ф., Куценко В.П., Гимпима не дозволяє досліджувати залежність коефіцієлевич Ю.Б. Микроволновая радиометрия физичентів відбиття й поглинання від різних видів ских и биологических объектов/ Под ред. Ю.А. модуляції. Крім того, відсутність автоматичної обСкрипника. Житомир: изд-во «Волынь», 2003. робки сигналів і керування елементами перебудоС.232-233]. ви режимів роботи пристрою також обмежують Для вимірювання коефіцієнтів відбиття й подослідницькі можливості приладу. глинання застосовують різні способи мікрохвильоВ якості прототипу приймають радіометричну вого опромінення біооб'єктів: з широкосмуговим систему [див. Скрипник Ю.А., Иващенко В.А., Янешумовим спектром частот, з монохроматичним, з нко О.П. Радиометрическая система для опредеімпульсної модуляцією, з регулюванням інтенсивления биологически активних частот модуляции ності сигналів і т.інш. Однак, взаємодія електромамиллиметрового радиоизлучения // Материалы гнітного опромінювання мм-діапазону з біооб'єктамеждународной конференции „СВЧ-техника и теми, яке уявляється у виді вузькосмугового лекоммуникационные технологии" - Севастополь: (резонансного) поглинання, залежить не тільки від 2001. - С.75-77.], що містить блок живлення, касдеяких терапевтичних частот, але і від режимів кад формування імпульсної напруги, імпульсний модуляції, інтенсивності сигналів, оперативності генератор шуму, фільтр верхніх частот, спрямоваконтролю і аналізу цих процесів. Тому при оцінці ний відгалужувач відбитої хвилі, широкосмугова коефіцієнтів відбиття й поглинання необхідно ураантена, змішувач, гетеродин, смуговий підсилювач ховувати усі вище вказані умови. А отже, вимірюпроміжної частоти, квадратичний детектор, підсивання і контроль реакції об'єктів на зовнішній енерлювач низкою частоти, синхронний детектор, гетичний вплив краще проводити з використанням фільтр нижніх частот, індикатор і каскад формуавтоматизованої радіометричної системи яка завання прямокутної напруги низької частоти. Однак, безпечує ширші можливості і підвищену точність. широкосмуговий сигнал, що формується газорозВідома вимірювальна радіометрична система рядним генератором шуму, не має стабільності [див. Ситько С.П., Скрипник Ю.А., Яненко А.Ф. потужності в діапазоні спектра випромінювання, Аппаратурное обеспечение современных технолощо знижує точність виявлення смуги частот поглигий квантовой медицині - Киев: Фата ЛТД, 1999, нання, яка не перевищує одиниць відсотка. Крім С.131-134], що утримує тепловий генератор шуму того, відсутність функції регульованої модуляції як міліметрового діапазону, погоджене навантаженпо глибині, так і за формою сигналів також знижує ня, спрямований відгалужувач, імпульсний модуінформаційну здатність системи. лятор, вентиль, приймально-випромінюючу антеВ основу корисної моделі покладене завдання ну, регульований атенюатор, квадратичний створити автоматизований контрольнодетектор, синхронний детектор, генератор низьких вимірювальний комплекс, у якого введення нових частот, імпульсний генератор, циркулятор, змішуелементів і зв'язків забезпечило б оцінки стану вач НЗВЧ-діапазону, підсилювач проміжної частолюдини за рахунок дослідження властивостей ткати і реєстраційний вольтметр. Однак, оскільки рінин біологічних об'єктів, що поглинають і відбивавень відбитого від шкіри людини ють, при різних частотах мікрохвильового опроміелектромагнітного випромінювання визначається нення, режимів модуляції і інтенсивності сигналів в параметрами генератора (потужності випромінюавтоматичному режимі по встановленій програмі. вання, спектрального складу опромінення), які Поставлене завдання вирішується за рахунок можуть змінюватися в процесі дослідження, то того, що у автоматизований контрольновиділити в цих умовах складову сигналу, яка б вимірювальний комплекс, що містить генератор залежала тільки від поглинання й ступеня узгосигналів, широкосмугову антену підключену до дження шкіри з хвилеводної системою генератора, першого виходу спрямованого відгалужувача, до досить важко. Крім того, відомий пристрій не додругого виходу якого підключені послідовно з'єдзволяє автоматично регулювати залежність поглинані змішувач із гетеродином, смуговий підсилюнальної здатності шкіри від параметрів електромавач проміжної частоти, квадратичний детектор, гнітного випромінювання. підсилювач низької частоти, синхронний детектор, Існує вимірювальна радіометрична система фільтр нижніх частот і індикатор, згідно корисної [див. Патент №50849 (Україна), A61N5/02, моделі, в якості генератора сигналів використовуА61В5/05 Пристрій для реєстрації поглинаючої ється кодокерований генератор коливань ммздатності шкіри людини від температури електродіапазону, що працює в режимах свіпірування часмагнітного випромінювання тепловою генератора тоти в заданому діапазоні, крокової перебудови шуму/ Скрипник Ю.О., Яненко О.П., Іващенко В.О., частоти і режимі монохроматичних сигналів, до Горбань С.М., Бюл. №11, 2002.], що містить тепвиходу якого підключені послідовно з'єднані і доловий генератор шуму міліметрового діапазону, датково введені кодокерований перемикач, до хвилевод, два напрямлених відгалужувача, імпупершого виходу якого підключено вихід кодокерольсний модулятор, вентиль, приймальнованого ключа і послідовно з'єднані кодокерований випромінюючу антену, два підсилювача, регулююатенюатор, вентиль і амплітудний модулятор, з чий атенюатор, два квадратичних детектора, синякого через спрямований відгалужувач сигнал похронний детектор, генератор низької частоти, подається в антену, а до другого виходу перемикача тенціометр, два диференційних підсилювача, підключено другий амплітудний модулятор, до керований операційний підсилювач, фільтри верхкеруючого входу якого підключено другий кодокеніх і нижніх частот, інтегратор, джерело опорної 5 45091 6 рований генератор сигналів, що модулює, а до підсилювач низької частоти 15, синхронний детекйого виходу вхід кодокерованого ключа і також тор 16, фільтр нижніх частот 17, аналоговведені комп'ютер з генератором тактової частоти, цифровий перетворювач 18 і мікроЕРМ 21. Мікроаналого-цифровий перетворювач (АЦП), дільник ЕРМ 21 через дільник частоти 19 з'єднаний із синчастоти, перший цифровий вихід комп'ютера з'єдхронним детектором 16 і керуючим входом амплінаний з кодокерованим генератором сигналів, що тудного модулятора 3, а через кодокеровані модулює, другий цифровий вихід з'єднаний з кодоланцюга з атенюатором 5, перемикачем 8, ключем керованим генератором коливань мм-діапазону, 6, генератором коливань мм-діапазону довжин третій цифровий вихід з'єднаний з кодокерованим хвиль 9, генератором сигналів, що модулює, 10 і перемикачем, четвертий цифровий вихід з'єднаіндикатором 20. ний з кодокерованим атенюатором, п'ятий цифроКонтрольно-вимірювальний комплекс працює вий вихід з'єднаний з цифровим індикатором, шоснаступним чином. тий цифровий вихід з'єднаний з кодокерованим При роботі генератора 9 у режимі свіпірування гетеродином, сьомий цифровий вихід з'єднаний з частоти в заданому діапазоні, його вихідний сигкодокерованим ключем, до аналогового входу нал через замкнутий ланцюг кодокерованого пеАЦП підключено вихід фільтру нижніх частот, а ремикача 8, кодокерований атенюатор 5 і вентиль цифровий вихід АЦП підключено до цифрового 4 надходить на амплітудний модулятор 3, що правходу комп'ютера, керуючі сигнали тактової частоцює за принципом відбиття сигналу при закритому ти із комп'ютера через дільник частоти подаються режимі. Коли ж модулятор відкритий, генеруємий на перший амплітудний модулятор і синхронний сигнал через спрямований відгалужувач 2 надходетектор. дить в антену 1 і випромінюється в напрямку об'Введення кодокерованого генератора колиєкта дослідження. вань мм-діапазону, до виходу якого підключені Частина випромінюваного сигналу через послідовно з'єднані кодокерований перемикач, до спрямований відгалужувач 2 надходить на вхід одного виходу якого підключено кодокерований НЗВЧ-змішувача 12, а на другий його вхід подаключ і кодокерований атенюатор, а до другого виється сигнал від кодокерованого НЗВЧ-гетеродина ходу другий амплітудний модулятор, до керуючого 11. У результаті змішування сигналів утворяться входу якого підключено кодокерований генератор коливання різницевої проміжної частоти, які підсисигналів, а також введення кодокерованого гетелюються підсилювачем проміжної частоти 13, деродина, комп'ютера (мікроЕРМ) з генератором тектуються квадратичним детектором 14, підситактової частоти, АЦП, цифрового індикатора і люються по низькій частоті підсилювачем 15 і дільника частоти, дозволяє значно підвищити фудетектуються синхронним детектором 16. Вихідна нкціональні можливості комплексу, за рахунок яких напруга з фільтра нижніх частот надходить на забезпечити в автоматичному режимі по встанованалого-цифровий перетворювач 18, а потім на леній програмі дослідження поглинаючих і відбимікроЕРМ 21, де здійснюється нагромадження і ваючих властивостей біооб'єктів в залежності від обробка вимірюваної інформації та виведення її на різних параметрів опромінюючих електромагнітних цифровий індикатор. Одночасно з виходу мікросигналів, підвищити точність вимірювань за рахуЕРМ 21 по певній програмі подаються кодовані нок комп'ютерної стабілізації параметрів опромісигнали керування, які перетворюються в пропорнюючих сигналів та оперативності обробки сигнаційні вихідні напруги. Напруга перебудовує частоту лів. кодокерованого НЗВЧ-гетеродина 11 від fmin до fmax На Фіг. представлена електрична функціонаіз кроком n=Df, де Df - смуга частот підсилювача льна схема контрольно-вимірювального комплекпроміжної частоти. Одночасно з перемиканням су. частоти гетеродина на кожному такті проводиться Автоматизований контрольно-вимірювальний перебудова вихідного сигналу кодокерованого комплекс включає наступні елементи: широкосмугенератора коливань мм-діапазону довжин хвиль гову антену 1 підключену до першого виходу 9. спрямованого відгалужувача 2, вхід якого послідоВідбите від об'єкта випромінювання ммвно з'єднаній із амплітудним модулятором 3, вендіапазону приймається антеною 1 і далі через відтилем 4, кодокерованим атенюатором 5, до входу критий модулятор 3 надходить на вентиль 4, у якого підключені кодокерований ключ 6, до входу якому поглинається. У спрямований відгалужувач якого підключені другий амплітудний модулятор 7 2 прийняте випромінювання не попадає. з підключеним до його модулюючого входу кодоАмплітудний модулятор 3 управляється прякерованим генератором сигналів, що модулюють, мокутною напругою низької частоти від мікроЕРМ 10 і перший вихід кодокерованого перемикача 8, 21 через дільник частоти 19. Коли амплітудний другій вихід якого підключене до сигнального вхомодулятор 3 закривається, то сигнал кодокероваду другого амплітудного модулятора 7, а вхід поного генератора 9 відбивається від модулятора і слідовно з'єднаний із кодокерованим генератором поглинається у вентилі 4. Сигнал, прийнятий шиколивань мм-діапазону довжин хвиль (НЗВЧ) 9, що рокосмугової антеною 1 від об'єкта дослідження, працює в режимах свіпірування частоти в задановідбивається від закритого модулятора 3 і через му діапазоні, крокової перебудови частоти і режимі спрямований відгалужувач 2 надходить на вхід випромінювання монохроматичних сигналів. До НЗВЧ-змішувача 12. другого виходу спрямованого відгалужувача 2 підСигнал кодокерованого генератора 9, що праключені послідовно з'єднані НЗВЧ-змішувач 12 з цює в режимі сканування частоти кодокерованим НЗВЧ-гетеродином 11, підсилювач (1) UG1( t ) = UG1 cos[(w1 ± Dw)t + j1], проміжної частоти 13, квадратичний детектор 14, 7 45091 8 генератора 9 у режимі свіпірування; j - фаза мопри замкнутому першому положенні кодокерованого перемикача 8 через кодокерований атенюнохроматичних коливань кодокерованого генераатор 5, вентиль 4, відкритий амплітудний модулятора 9; W - частота керуючої напруги кодокероватор 3, широкосмуговий спрямований відгалужувач ного генератора 10; j - фаза керуючої напруги 2 надходить у широкосмугову антену 1, при закодокерованого генератора 10; t - час. мкнутому другому положенні кодокерованого пеЗначення низької частоти W вибирають рівремикача 8 і ключа 6 він модулюється по амплітуді ним половині резонансної смуги поглинання DwP , сигналом низької частоти кодокерованого генераоб'єкта, що опромінюється, тобто частота модулятора 10 ції W = DwP / 2. (2) UG2 ( t ) = UG2 cos(Wt + Ф), У результаті модуляції утвориться амплітудноде w1 - частота монохроматичних коливань модульований сигнал: кодокерованого генератора 9; Dw - девіація частоти монохроматичних коливань кодокерованого UG ( t ) = UG {cos[( w1 ± Dw)t + j1] + + m cos[( w1 ± Dw + W)t + (j1 + Ф)]} 2 де UG - напруга несучих коливань; m - коефіцієнт глибини амплітудної модуляції НЗВЧ-сигналу. Складова різницевої частоти з фазою j 2 = j1 - Ф являє = (w1 ± Dw) - W w2 собою сигнал нижньої бічної частоти щодо частоти w1 ± Dw випромінювання, а складова сумарної частоти w3 = (w1 ± Dw) + W й фазою j 3 = j1 + Ф сигнал верхньої бічної частоти. У режимі закритого амплітудного модулятора 3 монохроматичний сигнал кодокерованого генератора 9 не надходить у широкосмугову приймально-передавальну антену 1 і, відповідно, дисперсія прийнятого сигналу при дослідженні біологічного об'єкта буде визначатися його випромінюванням, що залежить від радіотеплових і метаболічних процесів, що відбуваються в біооб'єкті: (4) U 2 = (b + c )S X1kT0 Df1. O де SX1 - чутливість антени X1; b - коефіцієнт, що залежить від випромінювальної здатності біологічного об'єкта; k - постійна Больцмана; TO - температура біологічного об'єкта; Df1 - смуга частот високочастотної частини вимірювача; c - коефіцієнт біоактивності біологічного об'єкта. Якщо коефіцієнт передачі спрямованого відгалужувача А1 позначити KА1, то при закритому модуляторі 3 дисперсія вхідного сигналу НЗВЧзмішувача 12 з обліком його власних шумів має вигляд: (5) U 2 = K A1U 2 + U 2 , ШU3 0 U3 де U 2 - дисперсія власних шумів НЗВЧШU3 змішувача 12, наведених до його входу з урахуванням шумів гетеродина 11 і підсилювача 13. m cos[( w1 ± Dw - W )t + (j1 - Ф)] + 2 , (3) При відкритому модуляторі 3 дисперсія вхідного сигналу НЗВЧ-змішувача 12 складе: ¢ (6) , U 2 = K A1K A3 U 2 + U 2 U3 ШU3 G де KA3 - сумарний коефіцієнт передачі ланцюга комутації і модуляції сигналу, атенюатора 5 і вентиля 4; U 2 - дисперсія (потужність) сигналу на G вході атенюатора 5. Таким чином, у результаті перемикань модулятора 3 на об'єкт, що опромінюється, діють імпульси електромагнітної енергії із частотою проходження, що задається мікроЕРМ 21. Одночасно частина енергії цих імпульсів надходить і на вхід НЗВЧ-змішувача 12. У паузах між імпульсами, що опромінюють, на вхід НЗВЧ-змішувача 12 надходять імпульси електромагнітної енергії із цією же частотою від об'єкта дослідження з T0 температурою. Надходження цих імпульсів на вхід НЗВЧзмішувача 12 формує на його виході модульований по амплітуді НЗВЧ-сигнал. Імпульси модульованого сигналу, перенесені на проміжну частоту, по черзі детектуються квадратичним детектором 14 і створюють на виході відеоімпульси з амплітудами: (7) UU4 = S U3K A 4UU4 (K A1U 2 + U 2 , ШU3 0 (8) , UU4 ¢ = S U3 K A 4 UU4 (K A1K A 3 U 2 + U 2 ШU3 G де SU3 - крутість перетворення змішувача 12; KA4 - коефіцієнт підсилення підсилювача 13 проміжні частоти; Su4 - крутість перетворення квадратичного детектора 14. Підсилювачем 15 низкою частоти підсилюється змінна складова послідовності відеоімпульсів з амплітудою: U2 - K A3U 2 (9) U - UU4 G, UA5 = K A5 U4 = K A1SU3K A 4SU4K A5 0 2 2 де KA5 - коефіцієнт підсилення підсилювача низької частоти 15. Посилена змінна напруга UA5 випрямлюється синхронним детектором 16, що управляється ни зькочастотною напругою від мікроЕРМ 21, згладжується фільтром нижніх частот 17 і фіксується цифровим індикатором 20. 9 45091 10 Оцінка коефіцієнтів поглинання й відбиття об'Відбиваючи властивості біологічних об'єктів єктів дослідження проводиться у два етапи - калімікроЕРМ 21 розраховує як різниця між рівнями брування і вимірювання. Калібрування комплексу сигналу, що опромінюють, і поглиненого. Автомаздійснюється шляхом екранування струмопровідтичне виконання умови (10) за допомогою мікроним матеріалом входу антени 1. У режимі калібруЕРМ 21 забезпечує високу точність вимірювання, вання випромінюваний сигнал повністю відбивана яку не впливає нестабільність елементів схеми. ється від екрана й реєструється мікроЕРМ 21. Зміною режиму роботи генератора 9, режиму Потім мікроЕРМ 21 підбирає коефіцієнт передачі модуляції його сигналів від генератора 10 і частоти кодокерованого атенюатора 5 до нульового покапроходження імпульсів цих модульованих сигналів зання індикатора 20. З формули (9) треба, щоб за допомогою мікроЕРМ 21 можна забезпечити дана умова була при співвідношенні інтенсивносдослідження поглинаючих і відбиваючих властитей міліметрового впливу і власного міліметрового востей біологічних об'єктів, залежно від вартих випромінювання об'єкта 1:1, тобто на рівні флукзавдань у різному частотному діапазоні й при різтуаційного порога чутливості комплексу: них режимах модуляції сигналів, що опромінюють. Так, наприклад, певні умови максимального імініK A3 = U 2 / U 2 . (10) мального прояву відбиваючих і поглинаючих власG 0 тивостей об'єктів можуть бути використані для Значення кодокерованого атенюатора 5(B1) визначення терапевтичних частот у квантовій мезапам'ятовується мікроЕРМ 21. Потім антена 1 дицині, оптимізації параметрів цих сигналів, пронаправляється на об'єкт дослідження. Збільшуючи гнозування лікувального ефекту щодо дози поглисигнал кодокерованим атенюатором 5, мікроЕРМ неної електромагнітної енергії частот, стабільності 21 встановлює знову нульове показання індикатохарчових продуктів і визначення інших практичних ра 20, що також задовольняє співвідношенню завдань. опромінюваного і відбитого сигналів - 1:1. Запам'яРозроблений автоматизований контрольнотовується значення атенюатора 5 (B2). Поглинальвимірювальний комплекс дозволяє визначати влана здатність об'єкта дослідження в логарифмічних стивості шкіри людини за значенням коефіцієнта одиницях визначається вираженням поглинання в межах від 0,002 до 0,998 з відносною ВP = В1 -В2, (11) похибкою не більше 0,5% у діапазоні частот 48Поглинена об'єктом інтегральна потужність 73ГГц при рівні потужності опромінення £10-12Вт, визначається як частоті модуляції 100кГц і частоті перемикання (12) PP = DP(B1 - B 2 )Df , 1кГц. Використання мікроЕРМ дозволило повністю де DP - флуктуаційний поріг чутливості радіоавтоматизувати керування параметрами комплекметра; В1, В2 - показники атенюатора 5 у відносних су, а також реалізувати наступні режими роботи: одиницях; Df - смуга пропущення радіометричного перебудову частоти із кроком 10МГц у смузі робоприйомного каналу комплексу до квадратичного чих частот, свіпірування частоти в інтервалі детектора 14. 100МГц на околицях установленого значення часРозподіл відносної поглинальній здатності об'тоти, а також у половині діапазону робочих частот. єкта КР залежно від рівня сигналу, що РG опроміВстановлено, що використання автоматизованює, і рівня власного випромінювання об'єкта, на ного контрольно-вимірювального комплексу для одній з резонансних частот оцінки коефіцієнтів поглинання і відбиття біологічPG них об'єктів дозволяє значно знизити рівні моноK P = 10 lg (14) , хроматичних сигналів, що опромінюють, до 1 10P0 12 ...1 10-14Вт. При модуляції монохроматичних сигде P0 = P0¢ + P0 ² , a P0 ¢ - рівень власного виналів, що опромінюють, пилкоподібними, імпульсними, синусоїдальним напругами з різною глиби² - рівень відбитого промінювання об'єкта й P0 ною модуляції їхнє поглинання в біооб'єктах сигналу. більше в порівнянні з немодульованими монохроматичними сигналами. 11 Комп’ютерна верстка В. Мацело 45091 Підписне 12 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601