РЕЗОНАНСНЫЙ МЕТОД ОБНАРУЖЕНИЯ ТОКОИ МАГНИТОПРОВОДЯЩИХ ОБЪЕКТОВ В ТЕЛЕ ЧЕЛОВЕКА

June 22, 2012 by admin Комментировать »

*Скрипник Ю. А., Иващенко В. А., Яненко А. Ф.

*              Киевский национальный университет технологий и дизайна Киев, 01010, Украина, тел.: (044) 291-21-30, НИЦ квантовой медицины “Видгук” М3 Украины Киев, 01033, Украина, тел.: (044) 220-87-81, 220-72-88

Аннотация Рассмотрен резонансный метод и устройство для обнаружения токои магнитопроводящих объектов в диэлектрических, полупроводниковых и биологических средах. Предложенный метод может быть использован в медицине для обнаружения инородных объектов в теле человека.

I.   Введение

В медицинской практике часто возникает задача выявления посторонних предметов, находящихся в теле человека в виде металлических частичек, осколков, сгустков крови и других объектов, обладающих токопроводящими или магнитными свойствами.

Для обнаружения токопроводящих или магнитных объектов используют системы с индукционными катушками, создающими переменное магнитное поле, которое глубоко проникает в диэлектрическую, полупроводниковую или биологическую среду. Токопроводящие объекты, которые находятся в этих средах, например, металлические, создают вторичное магнитное поле вихревых токов, которое вносит размагничивающее действие в поле индукционных катушек, обуславливая дополнительные электрические потери. Присутствие токопроводящих объектов вблизи индукционного датчика из системы катушек, оказывает влияние на его обмотки, изменяя их индуктивное сопротивление. По величине этого изменения можно судить о массе и глубине нахождения искомого токопроводящего объекта [1, 2].

Однако неизбежна неидентичность параметров катушек, которая вызывает неравенство их индуктивностей. Всегда имеет место пространственная асимметрия осей катушек относительно поверхности исследуемой среды, что обуславливает появление паразитного разностного сигнала. Предварительная настройка системы по нулевому отклонению стрелки индикатора в отсутствие токопроводящих объектов, не исключает появление паразитного сигнала в процессе работы системы, например, из-за деформации каркасов, нарушения изоляции и т.д.

II.   Теоретическая часть

Авторами разработан метод и устройство, в котором посредством нового схемотехнического решения исключена возможность появления ложного сигнала, возникающего из-за неидентичности индукционных катушек и нестабильности резонансных частот колебательных контуров. Метод повышает точность и чувствительность локализации токопроводящих объектов (рис. 1).

Метод реализуется следующим образом.

Индукционные катушки 1 и 2 датчика располагают перпендикулярно друг другу и механически жестко фиксируют. Катушки приближают к поверхности исследуемой среды 21, в которой может находиться токопроводящий объект 22. К катушкам 1 и 2 с одинаковыми индуктивностями Ц = L2 = L0 поочередно с помощью автоматических переключателей 3 и 4 подключаются конденсаторы 5 и 6 с различными емкостями С., и С221). Конденсаторы образуют совместно с индуктивностями катушек два колебательных контура. Резонансная частота одного

контура

Рис. 1. Функциональная схема устройства для обнаружения спрятанных токопроводящих объектов

Fig. 1. Schematics of the device for detecting hidden conducting objects

Поскольку выводы индукционных катушек 1 и 2 соединены с противоположными входами автоматических переключателей 3 и 4, то резонансные частоты й>1 и т2 возникают в каждой катушке отдельно.

При указанном положении переключателей 3 и 4 в катушке 1 и конденсаторе 6 возникает высокочастотный резонанс, а в катушке 2 и конденсаторе 5 — сверхвысокочастотный резонанс. Сопротивления резисторов 7 и 8 выбирают равными сопротивлению резонансных контуров на высокой и сверхвысокой частотах.

При наличии в исследуемой среде 21 токопроводящего (металлического) объекта 22 реакция индукционных катушек 1 и 2 будет различной, вследствие их пространственного положения относительно объекта 22 и значений резонансных частот.

Так, если объект 22, например, металлическая пластина размещена перпендикулярно оси катушки

1,   в которой протекает высокочастотный переменный ток, то высокочастотные вихревые токи, наведенные в пластине, будут оказывать на катушку размагничивающее воздействие. На перпендикулярно расположенную катушку 2, ось которой параллельна плоско

сти предмета, металлическая пластина 22 практически не будет оказывать размагничивающее влияние. Если учесть, что через катушку 2 в это время протекает переменный СВЧ ток, то реакция проводящего объекта вообще будет отсутствовать. Последнее обусловлено тем, что электромагнитное СВЧ поле катушки сильно затухает и взаимодействует практически лишь с поверхностью тела 21.

При изменении положения переключателей 3 и 4 на противоположное, катушка индуктивности 1 возбудится СВЧ током. Но и в этом случае она также не будет воспринимать сверхвысокочастотное размагничивающее воздействие от токопроводящего объекта вследствие его глубинного расположения. В обмотке 2 в это время будет протекать ВЧ ток, однако из-за перпендикулярного положения ее оси к объекту 22 реакция последнего будет также отсутствовать.

Таким образом, резонансная частота а>2 и Добротность ВЧ контура будет периодически изменяться при наличии токопроводящего объекта в исследуемой среде, а резонансная частота СВЧ контура

не будет. В отсутствие токопроводящего объекта, переключение катушек с одинаковыми индуктивностями не изменяет частоту ВЧ резонанса и соответствующую добротность ВЧ контура.

Колебательные контура с резисторами 7 и 8 образуют делители напряжения по отношению ко входам усилителей 12 и 14. Поэтому, если модуль полного сопротивления контура и его фаза периодически изменяются при переключении катушек индуктивности (из-за воздействия токопроводящего объекта), то на вход усилителя 14 высокой частоты будет поступать модулированное по амплитуде и фазе напряжение. Глубина модуляции при этом тем больше, чем больше масса токопроводящего объекта или он ближе размещен к поверхности.

Усиленное модулированное напряжение поступает на синхронный ВЧ детектор 15, который управляется непосредственно напряжением высокой частоты с выхода делителя частоты 10. Аналогичным образом СВЧ напряжение с выхода делителя напряжения усиливается усилителем 12 и детектируется синхронным детектором 13 СВЧ напряжения, который управляется СВЧ напряжением кварцевого генератора 9.

На выходах синхронных детекторов 13 и 15 выделяются напряжения огибающих модулированных напряжений, частота которых определяется частотой коммутации переключателей 3 и 4 и задается выходной частотой делителя частоты 11. Переменные напряжения частоты коммутации суммируются в сумматоре 16. Результирующее напряжение на выходе сумматора 16 усиливается избирательным усилителем 17 частоты коммутации, настроенным на выходную частоту делителя частоты 11.

Усиленное напряжение выпрямляется синхронным детектором 18 частоты коммутации, который управляется тем же напряжением, что и переключатели 3 и 4. Выпрямленное напряжение сглаживается фильтром 19 нижних частот и регистрируется прибором 20. Поскольку амплитуда напряжения частоты коммутации пропорциональна глубине модуляции ВЧ напряжения, то показания прибора 20 пропорциональны массе поискового объекта и обратно пропорциональны глубине его залегания.

Теоретически, в отсутствие токопроводящего объекта, модуляция ВЧ напряжения, а тем более сверхвысокочастотного напряжения отсутствует.

Практически же, из-за неминуемой неидентичности индуктивных обмоток 1 и 2 \Ц *1-2), а также асимметричного расположения их относительно зондирующей поверхности 21, возникает паразитная модуляция в высокочастотном напряжении даже при отсутствии токопроводящего объекта. Неравенство индуктивностей катушек 1 и 2 и их пространственная асимметрия вызывает появление аналогичной модуляции и в сверхвысокочастотном напряжении с той же глубиной. Но огибающие этих напряжений находятся в противофазе, так как обмотки 1 и 2 подключены к противоположным входам переключателей 3 и 4. Это означает, что когда в высокочастотный контур вводится, например, обмотка Ц с большей индуктивностью (L|>/-2), то в сверхвысокочастотный контур вводится обмотка с меньшей индуктивностью {i2< Ц) и наоборот. Взаимное периодическое замещение обмоток с неравными индуктивностями обуславливает противофазность огибающих в высокочастотном и сверхвысокочастотном напряжениях.

Противофазные напряжения частоты коммутации, которые выделяются в процессе синхронного детектирования, суммируются в сумматоре 16 и взаимно компенсируются. В случае попадания в поле катушек 1 и 2 токопроводящего объекта 22 возникает полезная модуляция только в высокочастотном напряжении. В сверхвысокочастотном напряжении изза малой глубины зондирования, как упоминалось выше, такая модуляция не возникает. Поэтому полезное напряжение частоты коммутации не компенсируется в сумматоре 16, а после усиления и синхронного детектирования на частоте коммутации регистрируется устройством 20. В то же время неидентичность обмоток, которая возникла в процессе эксплуатации, или их асимметрия по отношению к зондирующей поверхности, автоматически компенсируется.

Таким образом, на результат поиска не воздействует нарушение ортогональности индукционных катушек, поскольку они возбуждаются поочередно одним и тем же током ВЧ частоты. Не влияет на результат также нестабильность резонансной частоты колебательного контура из-за температурных и других изменений параметров конденсаторов или индуктивностей.

Данное схемотехническое решение в предложенном варианте поискового прибора, позволяет исключить дрейф нуля электрической системы из-за неминуемой неидентичности электрических параметров катушек и непостоянства воздействия поверхности зондирующей среды на параметры этих катушек.

Компенсация всех составляющих погрешности, вызванных нестабильностью параметров катушек и элементов измерительной схемы, обеспечивает стабильный ноль в электрической системе. При наличии стабильного нуля легко повысить чувствительность устройства к массе поискового объекта и глубине его залегания, за счет увеличения коэффициента усиления избирательного усилителя частоты коммутации и усиления по низкой частоте.

I.    Результаты исследований

Исследованный макет обнаружителя токопроводящих предметов был выполнен по рассмотренной схеме. Ортогональные катушки выполнены печатным способом на радиотехническом стеклотекстолите диаметром 30 мм. Каждая из катушек содержит по 10 витков. Сверхвысокочастотный генератор выполнен на кварцевом генераторе на частоту 100 МГц с относительной нестабильностью частоты не хуже + 5-10′5 (фирмы Geyer Electronics, мод. КХО-800). Выходной сигнал кварцевого генератора формируется в виде прямоугольных импульсов со скважностью 2, которые поступают на делители частоты. В качестве делителей частоты использованы схемы на триггерах. Коэффициент деления первого делителя частоты выбранного равным 24=8, что обеспечивает поочередное возбуждение индуктивных катушек на частоте приблизительно 6,25 МГц. Коэффициент деления второго делителя частоты равен 21 =65536 и создает частоту коммутации порядка 1520 Гц. В качестве автоматических переключателей использованы электронные ключи DS1640 фирмы Dallas Semiconductor. Усилители выполнены на быстродействующих операционных усилителях AD8531 фирмы Analog Devices. Исследования показали, что двухкатушечное коммутационное устройство позволяет находить металлические предметы массой менее 2 граммов в диэлектрических и биологических средах на глубине до 0,1-0,2 м, что весьма перспективно для использования метода и устройства в медицине для обнаружения металлических частичек и других металлических предметов в организме человека и животных. Эффективным может оказаться использование этого устройства и в пищевой промышленности для контроля наличия металлических осколков в жидкостях.

II.  Литература

1. Гордиенко В. И., Убогий В. П., Ярошевский Е. В. Электромагнитное обнаружение инженерных коммуникаций и локальных аномалий. К.: Наукова думка. 1981. С. 127-140.

A RESONANCE TECHNIQUE OF DETECTING CURRENTAND MAGNETOCONDUCTING OBJECTS IN HUMAN BODY

*Skrypnyk Yu. A., Ivashchenko V. A., Yanenko A. F.

*Kyiv National University of Technologies and Design Kyiv, Ukraine, 01010 phone +380 (44) 2912130

*           ‘Vidguk’ Quantum Medicine Research Centre, Ministry of Public Health of Ukraine Kyiv, Ukraine, 01033

phone +380 (44) 2208781, fax +380 (44) 2274482

Abstract A resonance technique and a device for the detection of currentand magneto-conducting objects in dielectric, semiconductor and biological media are presented. The suggested technique may be used for medical applications to indicate foreign objects in human body.

I.  Introduction

In medical practice it is often necessary to detect extraneous objects present in human body, such as metal particles, splinters, blood clots or other objects having certain currentconducting or magneto-conducting properties.

II.  Theory

The authors have developed a technique and a device which by virtue of new schematics rule out any possibility of false signals due to non-identical induction coils and/or instability of oscillatory circuit resonant frequencies. This technique increases the precision and sensitivity of detecting currentconducting objects.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты