3.2.1Cơ sở lý thuyết
3.2.1.1 Cơ sở lý thuyết sự truyền ánh sáng trong các môi trường
Khi ánh sáng đi qua một môi trường vật chất, nó sẽ bị ảnh hưởng theo 3 cách:
• Phản xạ hoặc khúc xạ.
• Cường độ của nó bị giảm khi đi qua môi trường (bị hấp thụ).
• Vận tốc truyền trong môi trường nhỏ hơn vận tốc trong chân không bằng 3.1x108 m/s (hiện tượng tán sắc).
a. Phản xạ và khúc xạ
Khúc xạ:
Khúc xạ (hay chiết xạ) là thuật ngữ thường dùng để chỉ hiện tượng ánh sáng đổi hướng khi đi qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt có chiết suất khác nhau.
19 Sự khúc xạ tuân theo định luật Snell, phát biểu rằng, đối với một cặp môi trường và một sóng với một tần số duy nhất, tỉ lệ sin của góc tới θ1 và góc khúc xạ θ2 tương đương với tỷ số vận tốc pha 1
2
v
v trong hai môi trường, hoặc tương đương, với chiết suất tương đối 2
1
n
n của hai môi trường. ε và μ biểu diễn hằng số điện môi và mômen lưỡng cực từ của hai môi trường khác nhau [6]
1 1 2 2 2 2 2 1 1 2 sin sin v n v n θ ε µ θ = = = ε µ Hình 3.2 Mô phỏng hiện tượng khúc xạ ánh sáng
Công thức đặc trưng của hiện tượng khúc xạ, còn gọi là định luật Snell hay định luật khúc xạ ánh sáng có dạng: 2 1 sin( ) sin( ) n i r = n Trong đó:
• i là góc giữa tia sáng đi từ môi trường 1 tới mặt phẳng phân cách và pháp tuyến của mặt phẳng phân cách hai môi trường.
• r là góc giữa tia sáng đi từ mặt phân cách ra môi trường 2 và pháp tuyến của mặt phẳng phân cách hai môi trường.
• n1 là chiết suất môi trường 1.
• n2 là chiết suất môi trường 2.
20 Trong chuyển động sóng, phản xạ là hiện tượng sóng khi lan truyền tới bề mặt tiếp xúc của hai môi trường bị đổi hướng lan truyền và quay trở lại môi trường mà nó đã tới.
Sự phản xạ của ánh sáng có thể là phản xạ định hướng (như phản xạ trên gương) hay phản xạ khuếch tán (như phản xạ trên tờ giấy trắng) tuỳ thuộc vào bề mặt tiếp xúc.
Hình 3.3 Mô phỏng phản xạđịnh hướng
Phản xạ định hướng là hiện tượng quang học khi ánh sáng va vào vật cản thì bật ngược trở lại theo chiều xác định. Khi đó:
• Tia phản xạ nằm trong mặt phẳng chứa tia tới và đường pháp tuyến của gương ởđiểm tới.
• Góc phản xạ bằng góc tới.
Phản xạ khuếch tán (hay tán xạ) xảy ra khi sóng đi tới bề mặt tiếp giáp giữa hai môi trường không phẳng nhẵn và sóng phản xạ đi theo nhiều phương khác nhau. Phản xạ khuếch tán thường thấy khi ta chiếu một tia sáng vào tờ giấy trắng, trên tờ giấy xuất hiện một vệt sáng. Khí đó ánh sáng bị hắt lại theo mọi hướng. Phản xạ khuếch tán giúp chúng ta nhìn thấy được mọi vật chung quanh.
21
b. Hấp thụ ánh sáng trong môi trường
Từ thực nghiệm các nhà khoa học đã chứng minh được ánh sáng đơn sác sau khi đi qua một môi trường dung dịch sẽ bị hấp thụ một phần. Hiện tượng này đã được phát biểu bởi định luật Lambert-Beer, hay Beer-Lambert, Beer–Lambert– Bougue như sau:
“Độ hấp thụ quang của một dung dịch đối với một chùm sáng đơn sắc tỉ lệ thuận với độ dày truyền quang và nồng độ chất tan trong dung dịch.”
Hình 3.5 Mô phỏng ánh sángđi qua dung dịch
Công thức:
A= × ×ε l c
Trong đó:
• A là độ hấp thụ quang của mẫu, không có đơn vị.
• l là độ dày truyền ánh sáng (cm).
• c là nồng độ mol (mol/l).
• ε là hằng sốđiện môi của chất lỏng, được tính bằng (l/mol)*cm.
3.2.1.2 Hiện tượng tán sắc
Trong quang học, tán sắc là hiện tượng mà vận tốc pha của sóng hay ánh sáng phụ thuộc vào tần số của nó [6]. Vật liệu có tính chất này phổ biến được gọi là vật liệu tán sắc. Một hệ quả quan trọng và quen thuộc của sự tán sắc là sự thay đổi góc khúc xạ của các bước sóng ở các màu khác nhau như trường hợp của lăng kính khúc xạ.
Vật liệu tán sắc (hình 3.6) có thể có những hiệu ứng như mong muốn hoặc không trong các ứng dụng quang học. Sự tán sắc của ánh sáng qua lăng kính thủy tinh được dùng để thiết lập các thông số quang phổ và quang phổ kế. Lưới Holographic cũng được sử dụng, vì chúng cho phép phân biệt chính xác hơn các bước sóng. Tuy nhiên, trong các tròng kính, sự tán sắc gây ra quang sai, đây là một hiệu ứng không mong muốn có thể làm giảm chất lượng ảnh trong các kính hiển vi, kính viễn vọng và các vật thểđược chụp ảnh.
22 Vận tốc pha v, của sóng trong môi trường đồng nhất được xác định theo công thức: c v n = Hình 3.6 Lăng kính tán sắc
Trong đó c là vận tốc ánh sáng trong chân không, n là chiết suất của môi trường.
3.2.2Phương pháp phát hiện bọt khí sử dụng cảm biến quang học [7]
Khi có bọt khí xuất hiện trong bình van một chiều, tức là có sự thay đổi môi trường trong bình chứa nước van một chiều. Nếu khi đó ta chiếu một nguồn ánh sáng vào trong bình van một chiều, ánh sáng sẽ truyền từmôi trường nước sang không khí và sẽ lại truyền về nước. Khi đó ánh sáng đi qua bình do truyền qua các môi trường khác nhau sẽ xảy ra các hiện tượng khúc xạ, tán xạ, hấp thụ và tán sắc một phần ánh sáng, khiến cho độ rọi ánh sáng khi có bọt khí sẽ giảm.
Lúc này, bên phía đầu kia nguồn phát ta đặt một cảm biến ánh sáng, thu dữ liệu ánh sáng thay đổi trước và sau khi không có bọt khí.
Dữ liệu sau đó sẽ được truyền về vi điều khiển, xửlý và báo động nếu phát hiện có bọt khí.
23 Phương pháp phát hiện bọt khí trong hệ thống hút dẫn lưu sử dụng cảm biến quang học bao gồm: một led phát và một led thu như mô tả ở hình 3.7. Khi không có tràn khí màng phổi – không có bọt khí trong ống truyền ở bình van một chiều thì led phát sẽ phát trực tiếp tới led thu đối diện mà không bị phản xạ phần nào, chưa có nguy hiểm nào xảy ra với người bệnh. Khi có tràn khí màng phổi – có bọt khí trong ống truyền ở bình van một chiều thì ánh sáng từ led phát sẽ bị phản xạ bởi bong bong khí tới led thu ở cùng bên với nó, khi led thu nhận được tín hiệu tức là đã có sự cố tràn khí màng phổi xảy ra, người bệnh gặp sự cố nguy hiểm.
3.3 Phương pháp phát hiện bọt khí sử dụng cảm biến áp suất 3.3.1Cơ sở lý thuyết 3.3.1Cơ sở lý thuyết
Cảm biến áp suất là thiết bị điện tử chuyển đổi tín hiệu áp suất sang tín hiệu điện, thường được dùng để đo áp suất hoặc các ứng dụng có liên quan đến áp suất.
Nguyên lý hoạt động cảm biến áp suất cũng gần giống như các loại cảm biến khác là cần nguồn tác động (nguồn áp suất, nguồn nhiệt,… nguồn cần đo của cảm biến loại đó) tác động lên cảm biến, cảm biến đưa giá trị về vi xử lý, vi xử lý tín hiệu rồi đưa tín hiệu ra. Sơ đồ khối cảm biến áp suất Sơ đồ khối cảm biến áp suất Áp suất: ngồn áp suất cần kiểm tra có thể là áp suất khí, hơi, chất lỏng …
Cấu tạo của cám biến áp suất thường gồm 2 phần chính:
• Cảm biến: là bộ phận nhận tín hiệu từ áp suất và truyền tín hiệu về khối xử lý. Tùy thuộc vào loại cảm biến mà nó chuyển từ tín hiệu cơ của áp suất sang dạng tín hiệu điện trở, điện dung, điện cảm, dòng điện … về khối xử lý.
• Khối xử lý: có chức năng nhận các tính hiệu từ khối cảm biến thực hiện các xửlý để chuyển đổi các tín hiệu đó sang dạng tín hiệu tiêu chuẩn trong lĩnh vực đo áp suất như tín hiệu ngõ ra điện áp 4 ~ 20 mA( tín hiệu thường được sử dụng nhất) , 0 ~ 5 VDC, 0 ~ 10 VDC, 1 ~ 5 VDC.
Tùy vào từng loại cảm biến là cách thức hoạt động cũng khác nhau, có loại hoạt động dựa trên sự biến dạng vật liệu để làm sựthay đổi điện trở, loại thì thay đổi điện dung, loại thì sử dụng vật liệu áp điện, trong đó dạng áp điện trở và kiểu điện dung là được sử dụng nhiều nhất.
Các loại cảm biến áp suất thông dụng:
• Cảm biến áp suất dạng áp điện trở:
o Cấu tạo: gồm 1 lớp màn rất nhạy với áp suất, được cấy trên các phần tửáp điện trở.
o Nguyên tắc hoạt động: Khi có tác động của lực áp suất lên màn, màn sẽ bị biến dạng, các áp điện trởcũng sẽ thay đổi tùy theo sự biến cong
24 của màng tụ. Cụ thể giá trị các áp điện trở song song với cạnh màng giảm thì giá trị các áp điện trở vuông góc với cạnh màng tăng và ngược lại khi đó sẽ tạo điện áp ngõ ra khác 0.
• Cảm biến áp suất kiểu tụ:
o Nguyên tắc hoạt động: cảm biến hoạt động dựa vào giá trị của điện dung để xác định áp suất. Điện dung của tụ được thay đổi bằng cách thay đổi khoảng cách của cực tụ.
Ứng dụng chủ yếu của cảm biến áp suất là để đo áp suất trong hệ thống lò hơi, các máy nên khí, trạm bơm, hệ thống điều áp, giám sát áp suất trong các ben thủy lực cũng như các hệ thống khác.
3.3.2Phương pháp phát hiện bọt khí sử dụng cảm biến áp suất [8]
Cảm biến áp suất sử dụng trong nghiên cứu là cảm biến kiểu tụ SCC05DN (Honeywell Inc.). Phạm vi phát hiện là từ áp suất −100 cmH2O đến +100 cmH2O với độ chính xác 0,5%. Các mạch được thiết kế để để số hóa và khuếch đại tín hiệu do áp suất cảm biến dựa trên nguyên tắc được gọi là “mạch cầu Wheastone”, trong đó những thay đổi nhỏ vềbiên độ có thể dẫn đến trong một sự khác biệt lớn vềđiện áp đầu ra (Hình 2.1). Nó là một mạch khuếch đại để tăng cường thu thập tín hiệu từ thiết bị.
Hình 3.8 Sơ đồ thiết kếcơ bản của mạch đo và khuếch đại tín hiệu áp suất
Bộ phát hiện bọt khí bằng áp suất bao gồm: một thiết bị đo áp suất được cấu hình để đo áp suất giữa bình hút chân không và bình van một chiều; một thiết bị phát hiện bọt khí được cấu hình để phát hiện sự xuất hiện của bọt khí được tạo ra trong bình van một chiều dựa trên dao động áp suất được đo bằng thiết bị đo áp suất. Thiết bị này sẽđo áp suất giữa bình hút chân không và bình van một chiều, việc có bọt khí hay không sẽđược phát hiện dựa trên sựthay đổi của áp suất này, do đó có thể phát hiện rò rỉ không khí ở màng phổi của bệnh nhân mà không cần quan sát thấy bọt khí trong bình van một chiều. Sau đó lưu trữ dữ liệu về thời gian bệnh nhân bị tràn khí màng phổi cũng như đưa các cảnh báo lên màn hình hiển thị.
25
Hình 3.9 Vịtrí đặt cảm mạch theo dõi áp suất
Trong nghiên cứu trên động vật, sử dụng dụng cụ phẫu thuật nội soi lồng ngực để tạo ra tổn thương phổi một cách nhân tạo dẫn đến rò rỉ khí rõ rệt. Áp lực cơ bản trước và sau khi chấn thương phổi nhân tạo là khoảng 10 cmH2O. Sau đó, hệ thống hút dẫn lưu đã được chuẩn bị để theo dõi và ghi lại tình trạng của con vật. Sự thay đổi áp suất ban đầu rất lớn và sau đó giảm dần, làm giảm mức độ dao động của tín hiệu mà cảm biến thu được như trên hình 2.3.
Hình 3.10 Áp suất theo thời gian theo dõi trên động vật có phổi bị tràn khí
Trong nghiên cứu trên động vật, áp suất thay đổi sau khi phổi đã bị cắt để tạo ra rò rỉ khí đã được theo dõi. Do được thở máy nên áp suất màng phổi luôn ở mức dương. Ban đầu, áp suất mạnh lên trên 16,5 cmH2O và dao động nhanh. Sau khi liên tục theo dõi trong 900 giây, mức độdao động giảm từ từ (hình 3.10).
Sau gần một vài giờ, biên độ dao động là tối thiểu, cho thấy rằng rò rỉ không khí đã được cải thiện và phổi dần dần nở ra. Ngay cả khi kiểm tra tổng thể cho thấy hoàn toàn không có hiện tượng tràn khí màng phổi, sự thay đổi áp suất vẫn còn rõ ràng. Những thay đổi đã giới hạn trong phạm vi hẹp như hình 3.11.
26
Hình 3.11 Hình ảnh tín hiệu thu được khi không có tràn khí màng phổi
Do đó, tín hiệu từ cảm biến áp suất thời gian thực có thể được xem như một phần bổ trợ cho hệ thống dẫn lưu màng phổi bằng cách cung cấp chính xác và khách quan về thời gian xảy ra tràn khí màng phổi cũng như mức độ hồi phục khi bị tổn thương phổi của bệnh nhân.
Có ít nhất hai ưu điểm khi thêm thiết bị theo dõi áp suất vào hệ thống dẫn lưu hiện tại. Đầu tiên là có thể xác định một cách trực tiếp phạm vi dao động của áp suất. Bởi vì phạm vi dao động áp suất tương quan trực tiếp với mức độ giãn nở của phổi, sự theo dõi trực quan là một phương pháp đáng tin cậy để đánh giá sự phục hồi của bệnh nhân. Ngay cả khi bệnh nhân về nhà với hệ thống dẫn lưu, nếu có thiết bị cảm biến áp suất, bệnh nhân vẫn có thể tự đánh giá sự hồi phục của mình tại nhà. Ưu điểm thứ hai là xác định rõ ràng thời điểm chính xác khi phổi đã hoàn toàn hồi phục, nghĩa là thời điểm mà sựdao động của áp suất không còn nữa. Sự chính xác về điểm mà phổi đã giãn nở đầy đủ cho phép bác sĩ lâm sàng rút ống dẫn lưu sớm hơn với sự chính xác cao.
Phương pháp phát hiện bọt khí sử dụng cảm biến áp suất dựa vào sự thu nhận tín hiệu áp suất được đo ở giữa bình hút chân không và bình van một chiều. Việc có bọt khí hay không sẽđược phát hiện dựa trên sựthay đổi đột ngột của áp suất thu được này. Tín hiệu thu được sẽ được lưu trữ về thời gian bệnh nhân bị tràn khí màng phổi cũng như đưa cảnh báo lên màn hình hiển thị.
3.4 Phương pháp phát hiện bọt khí sử dụng tụđiện 3.4.1Cơ sở lý thuyết 3.4.1Cơ sở lý thuyết
Tụ điện là một linh kiện điện tử thụ động cấu tạo bởi hai bản cực đặt song song được ngăn cách bởi lớp điện môi. Khi có chênh lệch điện thế tại hai bề mặt,
27 tại các bề mặt sẽ xuất hiện điện tích cùng điện lượng nhưng trái dấu. Tụ điện có tính chất cách điện 1 chiều nhưng cho dòng điện xoay chiều đi qua nhờ nguyên lý phóng nạp. Chúng được sử dụng trong các mạch điện tử: mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, mạch truyền tín hiệu xoay chiều, mạch tạo dao động, …
Cấu tạo của tụđiên bao gồm:
• Cấu tạo của tụ điện gồm ít nhất hai dây dẫn điện thường ở dạng tấm kim loại. Hai bề mặt này được đặt song song với nhau và được ngăn cách bởi một lớp điện môi.
• Điện môi sử dụng cho tụ điện là các chất không dẫn điện gồm thủy tinh, giấy, giấy tẩm hoá chất, gốm, mica, màng nhựa hoặc không khí. Các điện môi này không dẫn điện nhằm tăng khả năng tích trữnăng lượng điện của tụđiện
Tùy thuộc vào chất liệu cách điện ở giữa bản cực thì tụđiện có tên gọi tương ứng. Ví dụnhư nếu như lớp cách điện là không khí ta có tụ không khí, là giấy ta có tụ giấy, còn là gốm ta có tụ gốm và nếu là lớp hóa chất thì cho ta tụ hóa.