سنسورهای نوری
استفاده از تکنولوژی فیبرنوری در اندازه گیری گازها مبنای علمی این مبحث است و اختصارا به حسگرهای optrodes مشهور هستند .
شعاع نوری تولید شده در یک منبع از فیبر نوری عبور می کند و به ماده می رسد که در آن جذب و یا منعکس و یا پخش می شود . ماده مذکور می تواند گازی باشد که مقدار و نوع آن باید اندازه گیری شود .
به وسیله یک کابل فیبرنوری دیگر بخشی از نور وارد شده به فضای گاز به یک آشکارساز بر می گردد و به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می شود . سادگی ساختمان و نداشتن الکترود مرجع و طیف گسترده کاری از نظر انواع گازها و مواد مورد اندازه گیری از امتیازات حسگر مذکور است . شایان ذکر است که یکی از موارد قابل توجه استفاده از این حسگر اندازه گیری مقدار اکسیژن موجود در خون است . حسگرهای پیشرفته تر با همان مبنای علمی امکان اندازه گیری PH,O2,CO2 را به صورت ساده مقدور می سازند .
برای اندازه گیری پیوسته فشار خون ضربان قلب و مقادیر O2,CO2 در خون حسگری با تعدادی از فیبرهای نوری طراحی و در یک لوله قرار می گیرند . در انتهای دیگر لوله صفحه نازک با قابلیت ارتجاعی کافی با امکان عبور گاز از بیرون به داخل حسگر نصب شده است . نور با طول موج 760nm , 2µm برای اندازه گیری PH,O2,CO2 از طریق فیبرهای ورودی نور با اندازه گیری نور منعکس شده از طریق فیبرهای خروجی نور به اندیکاتور متصل می شود .
معرفي پتنت_سيستم‌هايحسگر گاز در ابعاد نانو:
پالس اکسی متری pulse oximetry چیست؟
چشم انسان برای تشخیص کم اکسیژنی خون بسیار ضعیف است . حتی در شرایط ایده آل ، پزشکان خبره نمی توانند کم اکسیژنی را تشخیص دهند مگر اینکه مقدار آن به مقدار 80% برسد . با آمدن پالس اکسی متر ، تحولی در تشخیص کم اکسیژنی خون رخ داد.
پالس اکسی متر هایی که اکنون استفاده می شوند دارای دو LED می باشند .؛ یکی نوری با طول موج nm 660 (قرمز) و دیگری نوری به طول موج nm 940 (فروسرخ) ایجاد می کند. این دو نور به این دلیل استفاده می شود چون Hb و O2Hb دارای طیف جذبی متفاوتی در این طول موج ای به خصوص خستند. در ناحیه قرمز ، O2Hb نور کمتری نسبت به Hb جذب می کند و در ناحیه فروسرخ برعکس این قضیه رخ ی دهد. سپس نسبت این مقدیر جذبی نسبت به اندازه گیری مستقیم مقدار اکسیژن اشباع شده در خون کالیبره می شود و سپس الگوریتم بدست آمده در میکرو پروسسوری دررون دستگاه پالس اکسی متر قرار داده می شود.در زمانی که از دستگاه استفاده می شود ، نمودار کالیبره شده برای تخمین میزان اکسیژن اشباع شده در خون استفاده می شود .
پروب بر رویی انگشتان گذاشته می شود . LED ها از بالای پروب نور خود را می فرستند. در طرف دیگر LED ها حسگر های نوری قرار دارند. دیود ها تقریبا 30 بار در ثانیه چشمک می زنند. دیود ها با یک ترتیب خاصی روشن و خاموش می شوند . و مدتی هر دو با هم خاموش هستند . در این مدت نور اطراف سنجیده میشود تا مقدار نور LED تنظیم شود . میکرو پروسسور تغییرات نور را در هنگام جریان ضربه ای تحلیل می کند و سیگنال جریان های غیر ضربه ای را نادیده می گیرد.
همانطور که گفته شد، مقدار اشباع اکسیژن از جذب نور تکفاز(منوکروماتیک) توسط بافت ضربه ای سنجیده میشود. این پدیده بر اساس قانون بییر-لمبرت توجیه می شود:
قانون بییر می گوید: مقدار شدت نور ارسال شده با تغییر غلظت ماده ای که از درون آن فرستاده شده ، به صورت نمایی تغییر می کند.( A=lnIo/I)
که در آن A مقدار جذب است . I مقدار شدت نور عبوری است . و Io شدت نور اولیه است .
قانون لمبرت می گوید : شدت نور ارسالی از درون ماده ای ، با افزایش فاصله ای که نور از آن ماده عبور می کند به صورت نمایی کاهش می یابد.
نوری که توسط یک بافت غیر ضربه ای جذب می شود ثابت(DC) می باشد . جذب غیر یکنواخت (AC) در نتیجه ی ضربه های جریان خون ضربه ای است. حسگر نوری ولتاژی را متناسب با نورعبور کرده تولید می کند. قسمت متناوب موج ولتاژ دریافتی تقریبا 1- 5% آن را تشکیل می دهد . فرکانس بالای نور ارسالی دیود ها باعث می شوند که مقدار جذب به تعداد دفعات مکرر محاسبه شوند. این خود باعث شده که اثرات ناشی از حرکت کاهش پیدا کنند.
استفاده از تکنولوژی فیبرنوری در اندازه گیری گازها مبنای علمی این مبحث است و اختصارا به حسگرهای optrodes مشهور هستند .
شعاع نوری تولید شده در یک منبع از فیبر نوری عبور می کند و به ماده می رسد که در آن جذب و یا منعکس و یا پخش می شود . ماده مذکور می تواند گازی باشد که مقدار و نوع آن باید اندازه گیری شود .
به وسیله یک کابل فیبرنوری دیگر بخشی از نور وارد شده به فضای گاز به یک آشکارساز بر می گردد و به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می شود . سادگی ساختمان و نداشتن الکترود مرجع و طیف گسترده کاری از نظر انواع گازها و مواد مورد اندازه گیری از امتیازات حسگر مذکور است . شایان ذکر است که یکی از موارد قابل توجه استفاده از این حسگر اندازه گیری مقدار اکسیژن موجود در خون است . حسگرهای پیشرفته تر با همان مبنای علمی امکان اندازه گیری PH,O2,CO2 را به صورت ساده مقدور می سازند .
برای اندازه گیری پیوسته فشار خون ضربان قلب و مقادیر O2,CO2 در خون حسگری با تعدادی از فیبرهای نوری طراحی و در یک لوله قرار می گیرند . در انتهای دیگر لوله صفحه نازک با قابلیت ارتجاعی کافی با امکان عبور گاز از بیرون به داخل حسگر نصب شده است . نور با طول موج 760nm , 2µm برای اندازه گیری PH,O2,CO2 از طریق فیبرهای ورودی نور با اندازه گیری نور منعکس شده از طریق فیبرهای خروجی نور به اندیکاتور متصل می شود .
معرفي پتنت_سيستم‌هايحسگر گاز در ابعاد نانو:
اين اختراع در زمينه حسگرهاي گازي با ابعاد نانو است که از فوتون براي برهم کنش بامادة مورد نظر استفاده مي‌کند. اين فناوري مبتني بر جذب، شکست، انعکاس و ناپايدارينوري فوتون‌هاست.
در اين روش از يك مادة واسط استفاده مي‌شود که يک کمپلکسشيميايي را در بيرون يا مجاورت منبع فوتون يا موجبر(Waveguide) تشكيل مي‌دهد. اين واسط يك مادة شيميايي است که خواص شيميايي خود را در پاسخ بهگازيا بخار تغييرمي‌دهد.
در اين روش از يك مادة واسط استفاده مي‌شود که يک کمپلکسشيميايي را در بيرون يا مجاورت منبع فوتون يا موجبر(Waveguide) تشكيل مي‌دهد. اين واسط يك مادة شيميايي است که خواص شيميايي خود را در پاسخ بهگازيا بخار تغييرمي‌دهد.
اين وسيله با استفاده از مانيتورينگ فوتوني يک يا چندحسگرکه بهگازهدف پاسخ مي‌دهند، كارمي‌كند. اين مانيتورينگ با روش‌هاي زير انجام مي‌شود:
1 . عبور دادن فوتون‌ها ازدرونحسگر
2 . عبورچند‌باره يک باريكة فوتوني از درونحسگر
3 . استفاده از روشجذب ميدان ناپايدار (EFA1 )
4 . استفاده از تغييرات ضريب شکست به منظور تغييرمسير فوتوني.
1 . عبور دادن فوتون‌ها ازدرونحسگر
2 . عبورچند‌باره يک باريكة فوتوني از درونحسگر
3 . استفاده از روشجذب ميدان ناپايدار (EFA1 )
4 . استفاده از تغييرات ضريب شکست به منظور تغييرمسير فوتوني.
سيستم شناسايي EFA متشکل از يک منبع فوتون است که به طريقه نوريباحسگرو سيستم فوتوديود،جفت شده‌است؛ به گونه‌اي که شار فوتون، تابعي است از پاسخ دست کم يکحسگرديگر بهگازهدف.
علاوه بر اين،مي‌توان از حسگري که ضريب شکست خود را با قرار گرفتن در معرض يکگازهدف مانندCO تغييرمي‌دهد، به‌منظور سوئيچ کردن فوتون‌ها از يک هادي‌موج به هادي ديگر استفاده کرد کهاين تعويض متناسب با تغييرات ضريب شکست و به نوبه خود متناسب با غلظتگازهدف است.
روش‌هايحس‌کننده ديگري نيز با فناوري‌نانو وجود دارد که مي‌توانند در ساختحسگرگازي به کار روند؛ بااين حال اين اختراع از روش‌هاي نوري در معناي گسترده‌اي استفاده مي‌كند .اينروش‌هاي نوري شامل نوعي درهم کنش فوتون با ماده، يک ساطع‌کننده فوتون، يک شناساگرفوتون و يک سيستم حس‌کننده مينياتوري است.
کاربردها
يکي از کاربردهاي اينحسگرهاي مينياتوري شامل مونيتور کردن ستون‌هاي دود تأسيسات، اندازه‌گيري گازها برا يکنترل موتورها، پيل‌هاي سوختي و ساير فرايندها و مراقبت‌هاي زيست‌محيطي است.
يکي از کاربردهاي اينحسگرهاي مينياتوري شامل مونيتور کردن ستون‌هاي دود تأسيسات، اندازه‌گيري گازها برا يکنترل موتورها، پيل‌هاي سوختي و ساير فرايندها و مراقبت‌هاي زيست‌محيطي است.
سنسور ردياب نشتي گاز طبيعي قابل حمل با دست، با قابليت نشت يابي از راه دور :
هدف از اين ايده و پيگيري ساخت اين نوع ردياب، افزايش توانمندي تکنولوژي رديابهاي سبک وزن است که قادر است نشتي گاز طبيعي را از نشتي ساير هيدروکربنها تشخيص داده، عمل نشت يابي را از فاصله دور انجام دهد و حجم نسبي گاز نشت شده را به صورت اعداد کمي نشان دهد.
عملکرد دستگاه به صورتي است که کارايي دستگاه ردياب را در محيطهاي آلوده ميسر کرده است بدون اينکه براي تکنسين نشت ياب خطري ايجاد کند.
هدف از اين ايده و پيگيري ساخت اين نوع ردياب، افزايش توانمندي تکنولوژي رديابهاي سبک وزن است که قادر است نشتي گاز طبيعي را از نشتي ساير هيدروکربنها تشخيص داده، عمل نشت يابي را از فاصله دور انجام دهد و حجم نسبي گاز نشت شده را به صورت اعداد کمي نشان دهد.
عملکرد دستگاه به صورتي است که کارايي دستگاه ردياب را در محيطهاي آلوده ميسر کرده است بدون اينکه براي تکنسين نشت ياب خطري ايجاد کند.
مکانيسم عملکرد دستگاه بدين صورت است که اشعه ليزري مادون قرمز’Infrared laser beam ‘بسمت محيط آلوده و يا محيط مشکوک به آلودگي مانند سطح جاده يا ديوار ساختمان، تابانده مي شود سنسوري ميزان نور ليزر برگشتي از روي مانع سخت (ديوار ساختمان يا سطح جاده) را جمع آوري کرده و پس از پردازش آن، مقدار گاز متان موجود در مسير تابش نور ليزر را اعلام مي کند.
از ديگر مزاياي اين نشت ياب گاز طبيعي نسبت به ساير دستگاه هاي نشت ياب، قدرت نشت يابي گاز طبيعي از فاصله 100 فوتي از محل نشتي است که به نشت ياب گاز طبيعي از راه دور (RMLD) معروف شده است. اين سيستم به نشتي هاي جزئي در حد چند ppm هم حساس است و قادر است سريعاً نشتي گاز طبيعي را به ميزان 50 ليتر در ساعت رديابي کند.
از ديگر مزاياي اين نشت ياب گاز طبيعي نسبت به ساير دستگاه هاي نشت ياب، قدرت نشت يابي گاز طبيعي از فاصله 100 فوتي از محل نشتي است که به نشت ياب گاز طبيعي از راه دور (RMLD) معروف شده است. اين سيستم به نشتي هاي جزئي در حد چند ppm هم حساس است و قادر است سريعاً نشتي گاز طبيعي را به ميزان 50 ليتر در ساعت رديابي کند.
پالس اکسی متری pulse oximetry چیست؟
چشم انسان برای تشخیص کم اکسیژنی خون بسیار ضعیف است . حتی در شرایط ایده آل ، پزشکان خبره نمی توانند کم اکسیژنی را تشخیص دهند مگر اینکه مقدار آن به مقدار 80% برسد . با آمدن پالس اکسی متر ، تحولی در تشخیص کم اکسیژنی خون رخ داد.
پالس اکسی متر هایی که اکنون استفاده می شوند دارای دو LED می باشند .؛ یکی نوری با طول موج nm 660 (قرمز) و دیگری نوری به طول موج nm 940 (فروسرخ) ایجاد می کند. این دو نور به این دلیل استفاده می شود چون Hb و O2Hb دارای طیف جذبی متفاوتی در این طول موج ای به خصوص خستند. در ناحیه قرمز ، O2Hb نور کمتری نسبت به Hb جذب می کند و در ناحیه فروسرخ برعکس این قضیه رخ ی دهد. سپس نسبت این مقدیر جذبی نسبت به اندازه گیری مستقیم مقدار اکسیژن اشباع شده در خون کالیبره می شود و سپس الگوریتم بدست آمده در میکرو پروسسوری دررون دستگاه پالس اکسی متر قرار داده می شود.در زمانی که از دستگاه استفاده می شود ، نمودار کالیبره شده برای تخمین میزان اکسیژن اشباع شده در خون استفاده می شود .
پروب بر رویی انگشتان گذاشته می شود . LED ها از بالای پروب نور خود را می فرستند. در طرف دیگر LED ها حسگر های نوری قرار دارند. دیود ها تقریبا 30 بار در ثانیه چشمک می زنند. دیود ها با یک ترتیب خاصی روشن و خاموش می شوند . و مدتی هر دو با هم خاموش هستند . در این مدت نور اطراف سنجیده میشود تا مقدار نور LED تنظیم شود . میکرو پروسسور تغییرات نور را در هنگام جریان ضربه ای تحلیل می کند و سیگنال جریان های غیر ضربه ای را نادیده می گیرد.
همانطور که گفته شد، مقدار اشباع اکسیژن از جذب نور تکفاز(منوکروماتیک) توسط بافت ضربه ای سنجیده میشود. این پدیده بر اساس قانون بییر-لمبرت توجیه می شود:
قانون بییر می گوید: مقدار شدت نور ارسال شده با تغییر غلظت ماده ای که از درون آن فرستاده شده ، به صورت نمایی تغییر می کند.( A=lnIo/I)
که در آن A مقدار جذب است . I مقدار شدت نور عبوری است . و Io شدت نور اولیه است .
قانون لمبرت می گوید : شدت نور ارسالی از درون ماده ای ، با افزایش فاصله ای که نور از آن ماده عبور می کند به صورت نمایی کاهش می یابد.
نوری که توسط یک بافت غیر ضربه ای جذب می شود ثابت(DC) می باشد . جذب غیر یکنواخت (AC) در نتیجه ی ضربه های جریان خون ضربه ای است. حسگر نوری ولتاژی را متناسب با نورعبور کرده تولید می کند. قسمت متناوب موج ولتاژ دریافتی تقریبا 1- 5% آن را تشکیل می دهد . فرکانس بالای نور ارسالی دیود ها باعث می شوند که مقدار جذب به تعداد دفعات مکرر محاسبه شوند. این خود باعث شده که اثرات ناشی از حرکت کاهش پیدا کنند.
