УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДОГРАФИИ
PODOGRAPHY DEVICE

Предлагаемое устройство относится к медицинской технике, предназначено для определения временных характеристик ходьбы или бега человека и крупных животных и может использоваться в устройствах охранной сигнализации.
Известно устройство для охранной сигнализации, содержащее чувствительный элемент с подвижными контактами, блок формирования сигнала тревоги, причем чувствительный элемент представляет собой напольное покрытие и состоит по меньшей мере из трех слоев эластичного электропроводного материала, а верхний и нижний слои выполнены из упругого эластичного электропроводного материала в виде протяженных участков (рифов), причем рифы нижнего слоя расположены перпендикулярно рифам верхнего слоя, внутренний слой покрытия выполнен из пористого эластичного электропроводного материала, торцы рифов верхнего и нижнего слоев подключены к контактным жилам многопроводных кабелей (шинам), которые подключаются к регистрирующему блоку, подключенному к блоку формирования сигнала тревоги и(или) индикации (патент РФ №2234134, кл. G08B 13/10, 2003 г.).
Существенными признаками, общими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются наличие чувствительного элемента (в заявляемом устройстве - датчика опоры) и регистрирующего блока (в заявляемом устройстве - регистратора).
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются низкая надежность и сложность конструктивного выполнения, обусловленные использованием трех слоев эластичного электропроводного материала специальной формы.
Известно селективное емкостное устройство для охранной сигнализации, содержащее последовательно соединенные: входной узел формирования сигнала срабатывания, детектор, усилитель, пороговое устройство, исполнительный механизм и узел селекции, установленный во входном узле формирования сигнала срабатывания, состоящего из входного LC-контура, параллельно соединенного с антенной-датчиком и через элемент сопротивления - с выходом ВЧ-генератора, при этом узел селекции состоит из последовательно соединенных: селективного узкополосно-избирательного фильтра и нормирующего узкополосного ВЧ-усилителя, при этом вход селективного узкополосно-избирательного фильтра, настроенного на частоту ВЧ-генератора, параллельно соединен с входным LC-контуром, а выход нормирующего узкополосного ВЧ-усилителя, также настроенного на частоту ВЧ-генератора, соединен со входом детектора (патент РФ №2443021, кл. G08B 13/00, 2010 г.).
Существенными признаками, общими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются наличие ВЧ-генератора (в заявляемом устройстве - генератора фиксированной частоты) и детектора.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются низкая надежность, поскольку на вход антенны-датчика могут поступать радиопомехи и электромагнитные наводки с частотой, совпадающей с рабочей частотой данного устройства, также сложность конструктивного выполнения, обусловленная использованием большого количества элементов.
Из известных устройств для подографии наиболее близким по технической сущности является устройство, которое содержит датчик опоры, выполненный в виде диэлектрического основания с нанесенным на его горизонтальную поверхность проводящим покрытием, и регистратор, а также генератор фиксированной частоты, согласующий усилитель и приемник, причем проводящее покрытие датчика опоры выполнено сплошным и нанесено на обе горизонтальные поверхности диэлектрического основания, а генератор фиксированной частоты через согласующий усилитель подключен к проводящим покрытиям диэлектрического основания (авторское свидетельство СССР №I4058I5, A61B 5/10, G08B 13/10, 1986 г.).
Существенными признаками, общими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются наличие датчика опоры, выполненного в виде диэлектрического основания с нанесенным на его горизонтальную поверхность проводящим покрытием, генератора фиксированной частоты и регистратора.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются низкая помехоустойчивость, поскольку на вход приемника помимо сигнала могут поступать напряжения мешающих воздействий, а также значительная мощность, излучаемая устройством в моменты опоры. Это излучение может создавать помехи другим радиоэлектронным устройствам. Кроме того, узкополосной высокочувствительный приемник прототипа сложен в реализации.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение помехоустойчивости устройства, снижение мощности излучения и упрощение устройства.
Для достижения технического результата в известное устройство введен амплитудный детектор, причем вход амплитудного детектора и выход генератора фиксированной частоты подключены непосредственно к датчику опоры.
Технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее датчик опоры, выполненный в виде диэлектрического основания с нанесенным на его горизонтальную поверхность проводящим покрытием, генератор фиксированной частоты и регистратор, введен амплитудный детектор, обнаруживающий изменения параметров колебательного контура генератора фиксированной частоты, причем вход амплитудного детектора и выход генератора фиксированной частоты подключены непосредственно к датчику опоры.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена структурная схема устройства для подографии, на фиг. 2 - схема выходного контура генератора, на фиг. 3 - нагрузочные характеристики генераторов: а - усилителя, б - автогенератора, на фиг. 4 - вариант принципиальной схемы устройства для подографии при использовании автогенератора.
св
A
A
A
A
Устройство содержит (см. фиг. 1) диэлектрическое основание 1, проводящие покрытия 2, генератор 3, амплитудный детектор 4, регистратор 5. Твердое диэлектрическое основание 1 с нанесенным на его горизонтальные поверхности проводящим покрытием 2 образует датчик опоры. Напряжение с выхода генератора 3 создает между проводящими покрытиями 2 высокочастотное напряжение с амплитудой U. К проводящим покрытиям 2 подключен также вход амплитудного детектора 4. К выходу амплитудного детектора 4 подключен регистратор 5. Объект исследования (человек или животное) связан с датчиком опоры через емкость связи С между стопой и верхним проводящим покрытием 2. Тело объекта выполняет роль открытой вертикальной антенны. В общем случае входное сопротивление такой антенны содержит как активную, так и реактивную составляющие Z=R+jX. Эквивалентная схема выходного контура генератора с учетом входного сопротивления антенны показана на фиг. 2. Колебательный контур генератора образован индуктивностью 6 и емкостью датчика опоры 7 относительно точек подключения генератора 3. Через емкость связи 9 к контуру подключено входное сопротивление антенны 10. Величина емкости связи 9 прямо пропорциональна площади стопы и обратно пропорциональна расстоянию между стопой и верхним проводящим покрытием 2 датчика опоры. Величина входного сопротивления антенны 10 зависит от отношения высоты объекта l к длине волны λ генератора 3. При l/λ>0,1…0,2 величина реактивной составляющей входного сопротивления X мала, а величина активной составляющей соизмерима с резонансным сопротивлением контура. В этом случае подсоединение антенны к контуру генератора 3 существенно изменяет параметры колебательной системы генератора.
A
A
A
A
В предлагаемом устройстве с помощью амплитудного детектора регистрируются изменения параметров колебательной системы генератора под влиянием объекта исследования, т.е. амплитудный детектор обнаруживает изменения амплитуды высокочастотного напряжения генератора фиксированной частоты, вызванные изменением параметров колебательного контура данного генератора. При этом тело объекта выполняет роль штыревой (несимметричной) антенны (Гарматюк С.С. Входной иммитанс тела человека // Труды Международной научной конференции «Излучение и рассеяние ЭМВ - ИРЭМВ-2009». Таганрог, Изд-во ЮФУ, 2009, с. 616-619). Входное сопротивление несимметричной антенны содержит активную и реактивную составляющие Z=R+jX и зависит от отношения роста (высоты l) объекта к длине волны генератора λ (Лавров А.С, Резников Г.Б. Антенно-фидерный устройства. М., Сов. радио, 1974, с. 106, 126). При l/λ>0,1…0,2 величина реактивной составляющей входного сопротивления X мала, а величина активной составляющей соизмерима с резонансным сопротивлением контура. В этом случае подсоединение антенны к контуру генератора 3 существенно изменяет параметры колебательной системы генератора.
Благодаря тому, что в предлагаемом устройстве амплитудный детектор подключен непосредственно к выходу генератора, амплитуда высокочастотного напряжения на входе детектора значительно больше, чем на входе приемника в случае использования радиоканала, как это имеет место в прототипе. При этом резко уменьшается влияние на работу устройства напряжений внешних мешающих воздействий.
В предлагаемом устройстве может быть использован сравнительно маломощный генератор, поскольку для нормальной работы амплитудного детектора достаточно обеспечить амплитуду высокочастотного напряжения около 1 В. Поэтому мощность излучения устройства в моменты наступания на опору очень мала. В случае отсутствия объекта излучения практически нет, так как при этом электромагнитная энергия сосредоточена между проводящими обкладками 2 датчика опоры. Значительное упрощение устройства достигнуто, поскольку нет высокочувствительного узкополосного приемника.
Устройство работает следующим образом.
При локомоциях объекта исследования величина емкости связи 9 изменяется обратно пропорционально расстоянию между стопой и верхним проводящим покрытием 2 датчика опоры, достигая максимального значения в моменты наступания на опору. Пропорционально величине этой емкости изменяется влияние антенны на параметры колебательной системы генератора: изменяются резонансная частота и резонансное сопротивление контура. Изменения параметров контура могут быть обнаружены с помощью частотного или амплитудного детектора 4. С выхода детектора сигнал поступает на регистратор 5. Этот сигнал позволяет определить временные характеристики.
Рассмотрим конкретный случай использования в устройстве амплитудного детектора. При увеличении емкости связи 9 антенна сильнее шунтирует колебательную систему генератора, уменьшая величину R резонансного сопротивления нагруженной колебательной системы генератора, что приводит к снижению амплитуды U напряжения на выходе генератора 3. Эти изменения амплитуды выделяет амплитудный детектор 4.
В качестве генератора 3 может быть использован либо генератор независимого возбуждения (усилитель), либо генератор с самовозбуждением (автогенератор). На фиг.3 показаны нагрузочные характеристики усилителя (фиг.3,а) и автогенератора в мягком, наиболее употребительном, режиме самовозбуждения (фиг.3,б) (Генерирование колебаний и формирование радиосигналов: Учебное пособие / В.Н. Кулешов, Н.Н. Удалов, В.М. Богачев и др.; под ред. В.Н. Кулешова и Н.Н. Удалова. - М.: Издательский дом МЭИ, 2008, с. 68 и 167). Рабочим является участок между точками 1 и 3, где амплитуда колебаний U на выходе генератора сильно зависит от сопротивления нагрузки R генератора. Наиболее резкая зависимость получается при использовании автогенератора (фиг.3,б). При малой величине сопротивления R условие баланса амплитуд в автогенераторе не выполняется и происходит срыв автоколебаний (точка 3 на фиг.3,б).
В случае отсутствия объекта датчик опоры практически не излучает, так как электромагнитная энергия сосредоточена между проводящими обкладками 2 датчика опоры. Излучение электромагнитной энергии происходит лишь в моменты наступания объекта на опору. Мощность этого излучения мала, поскольку амплитуда напряжения U на контуре генератора вообще мала, а в моменты наступания объекта на опору становится еще меньше. Это обстоятельство обеспечивает малый уровень помех, которые может создавать предлагаемое устройство другим радиоэлектронным средствам, а также обеспечивает скрытность при использовании предлагаемого изобретения в устройствах охранной сигнализации. На фиг.4 изображена принципиальная схема устройства при использовании автогенератора. Автогенератор 3 выполнен на биполярном транзисторе по схеме емкостной трехточки. Между коллектором и эмиттером этого транзистора включена емкость датчика опоры С4. Использование в устройстве амплитудного детектора, подключенного к выходу генератора, выгодно отличает предлагаемое устройство для подографии от прототипа большей помехоустойчивостью, поскольку амплитуда высокочастотного напряжения на входе амплитудного детектора значительно больше, чем на входе приемника-прототипа. Кроме того, в предлагаемом устройстве может быть использован генератор меньшей мощности, благодаря чему снижается мощность излучения устройства. Упрощение устройства достигнуто благодаря исключению узкополосного высокочувствительного приемника.