Thiết bị siêu nhạy sử dụng cho đo lường cơ học của tơ cơ

Đây là một hệ thống thiết bị mới được sử dụng để đo lường cơ cấu cơ học của tơ cơ. Nguyên tắc hoạt động của các bộ cảm biến của hệ thống này là việc thực hiện gắn các tơ vơ với một sợi dây dẫn cứng treo trong một từ trường. Mời các bạn cùng tham khảo để nắm kiến thức cần thiết.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Thiết bị siêu nhạy sử dụng cho đo lường cơ học của tơ cơThiết bị siêu nhạy sử dụng cho đo lường cơ học của tơ cơ Thiết bị siêu nhạy sử dụng cho đo lường cơ học của tơ cơ Bởi: NCS. Nguyễn Phan KiênĐây là một hệ thống thiết bị mới được sử dụng để đo lường cơ cấu cơ học của tơ cơ.Nguyên tắc hoạt động của các bộ cảm biến của hệ thống này là việc thực hiện gắn cáctơ vơ với một sợi dây dẫn cứng treo trong một từ trường. Các mạch hồi tiếp sẽ đưa dòngđiện truyền qua dây dẫn nhằm duy trì được độ dài không đổi của tơ cơ khi tơ cơ co lại.Vị trí của dây được đo bằng hệ thống quang với độ phân giải dưới 1Ao. Hệ thống đotơ cơ bao gồm 2 cảm biến độc lập và có khả năng chuyển sức căng xuống dưới 0,5 ng/sqrt(Hz) và điều khiển độ dài của tơ cơ với tốc độ tăng theo thời gian khoảng 10us. Cácthiết kế quang học và điện tử của hệ thông và các bước hiệu chỉnh cũng sẽ được mô tảchi tiết dưới đây. Thiết kế đầu đo thí nghiệm, bộ điều khiển luồng và phương pháp loạibỏ nhiễu môi trường cũng được đề cậpCho đến gần đây, các thí nghiệm cho cấp độ bé nhất đã được thực hiện trong các thínghiệm về đo cơ học của sarcomere có liên quan tới các đáp ứng động với tốc độ đápứng rất cao trong các sợi cơ đơn của cơ xương (thông thường đường kính của nó khoẳngtừ 50 cho tới 100 um) mà các sợi cơ này thực hiện tạo ra các lực tương ứng với khoảng100mg. Tuy nhiên, việc làm sáng tỏ cơ cấu cơ học của các sợi cơ đơn cũng có thể bịche khuất bởi một số các phản ứng bất thường của các sarcomere. Các đáp ứng sức căngđối với các kích thích hoá học và cơ học trong tơ cơ đơn chỉ chứa đựng có 10 đến 20sarcomere có thể cải thiện được quá trình phân tích cơ cấu của sarcomere. Tuy nhiên,nó không chỉ bao gồm mức độ khó liên quan tới tách tơ cơ đơn khoẻ mạnh cách ly từ bócơ lớn mà nó còn đòi hỏi một yêu cầu cực kỳ cao đối với các cảm biến lực và khống chếchiều dài. Các yêu cầu đều dành cho các mục đích:1) Dải lực đo: 0-100ug2) Độ phân giải lực: 0,1 ug trên tất cả dải tần yêu cầu 1/9Thiết bị siêu nhạy sử dụng cho đo lường cơ học của tơ cơ3) Dải tần lực: ít nhất là 1kHz nhưng kéo lên tới 50kHz có thể đòi hỏi cho các thí nghiệmcó độ nhạy cao4) Độ phân giải điều khiển độ dài: lớn hơn 50nm trong cả dải tần yêu cầu5) Dải tần điều khiển độ dài: Ít nhất là 3kHz nhưng kéo lên tới 50kHz cho các thí nghiệmcó độ nhạy cao.Các yêu cầu thậm chí sẽ khắt khe hơn khi đo đạc dao động sức căng tạo ra bởi chu trìnhcấu trúc cầu nối mà tại đó mức độ phân giải lực cần phải đạt mức 1ng / sqrt(Hz).Các phương pháp đo cơ cấu tế bào đơn và các bó nhỏ của các tơ cơ cũng đã được đềcập tới nhiều nhưng vấn đề chính lại là mức độ tương phụ thuộc của các cảm biến lực(nhằm tăng độ nhạy) đối với sự hạn chế về băng tần. Một vấn đề khác cùng với các thiếtkế thông thường là việc thực hiện điều khiển độ dài với một tốc độ đáp ứng và độ phângiải chưa thực sự cao. Thành công mới trong cấu trúc các thiết bị thí nghiệm phù hợpvới việc phân tích thuộc tính cơ học của tơ cơ sẽ được chỉ ra ở dưới đây.Nguyên tắc hoạt độngTất cả các cảm biến thực hiện cảm nhận sự thay đổi vị trí (hay sức căng) đối với tácdụng của lực. Một vấn đề chung trong các cảm biến lực là phân biệt điểm cảm biến vàđiểm của lực tác dụng. Mối liên kết giữa hai điểm này làm suy giảm tần số đáp ứng vớicác hoạt động do bộ lọc cơ học có khối lượng và mức độ co giãn riêng của nó. Một điểmchú ý quan trọng là phương pháp gắn sợi cơ. Thông thường đường kính của một tơ cơlà khoảng từ 1-2um và một tế bào cơ tim đơn lẻ nhỏ chỉ khoảng 3 đến 10um. Chúng quáyếu đối với các phương pháp kẹp cơ học và cần phải được gắn rất chắn trong khi chúnglại quá mềm tại thời điểm gắn và lại cứng lại rất nhanh trong nước. Nguyên lý đo lựcThiết kế cảm biến được mô tả trong hình 1. Một tơ cơ (hoặc một tế bào cơ nhỏ) đượcgắn với hai dây dẫn rất nhỏ treo song song với nhau. Từ trường cung cấp vuông góc vớimặt phẳng dây và tơ cơ. Vị trí của hai dây được xác định bởi các phôtô điốt riêng rẽ vàđộ lệch vị trí các dây sẽ được xác định khi tơ cơ co lại. Các dòng điện được truyền quacác hướng và giá trị biên độ lực điện từ sẽ được xác định thông qua tương tác giữa dòngđiện trong hai dây dẫn và mật độ thông lượng từ trường một cách chính xác tương ứngvới lực của tơ cơ. Do đó, vị trí của dây duy trì một trạng thái tĩnh ảo khi đặt dưới sự 2/9Thiết bị siêu nhạy sử dụng cho đo lường cơ học của tơ cơquản lý của một mô tơ servo và độ cứng của dây dẫn sẽ tăng lên theo bậc mũ 3 của biênđộ. Biên độ dòng điện tỷ lệ thuận với lực của tơ cơ. Trên thực tế, một dây dẫn sẽ hoạtđộng như là một cảm biến lực và một dây còn lại được coi như là cảm biến điều khiểnđộ dài thông qua việc tối ưu hoá mạch điều kiển cho mô tơ servo.Các vấn đề quan tâm tới thiết kếSơ đồ khối của hệ thống Sơ đồ hệ thống đoSơ đồ tổng quan của hệ thống được chỉ ra ở trong hình 2. Ánh sáng được điều chỉnh từmột đèn halogen được chiếu qua một vòng nam châm mà nam châm này tạo ra một từtrường theo chiều dọc vuông góc với tơ cơ. Ánh sáng truyền qua tơ cơ đầu tiên đượcphân chia bởi một tấm phim mỏng và 5% ánh sáng của nó được truyền tới khu vực mắtquan sát. Phần năng lượng còn lại 95% được phản xạ bởi một gương phẳng và chiếu tới3 bộ phát hiện quang khác nhau. 30% trong số ánh sáng phản xạ được truyền qua mộtkhe hở biến đổi được và truyền qua một ống kính trụ tròn có khả năng tập trung cácđiểm ảnh cảu tơ cơ trên một mảng điốt quang bao gốmg 1024 phần tử nhằm tạo ra ảnhvideo của mỗi sarcomere theo thời gian thực. Ánh sáng còn lại là hình chiếu tối của mỗisợi dây tương ứng với các bộ phát hiện. Mỗi bộ phát hiện vị trí sợi dây có thể điều kh ...