Датчик относительного движения частей тела животного и система биологического мониторинга среды обитания животного на его основе

 

Полезная модель относится к области средств контроля физиологических процессов, происходящих в организме животных, и преимущественно может быть использована для оперативного экологического мониторинга окружающей среды с помощью неинвазивного дистанционного контроля в реальном масштабе времени функционального состояния тестируемых животных в среде их обитания, выполняемого в целях охраны окружающей среды.

Датчик содержит источник оптического излучения, приемник оптического излучения, оптическое волокно, входной и выходной торцы которого установлены с возможностью оптического контакта соответственно с источником оптического излучения и приемником оптического излучения, чувствительный элемент, выполненный в виде петли этого оптического волокна, который установлен на основании, выполненном с возможностью установки на одной части тела животного, и элемент воздействия на чувствительный элемент, выполненный и установленный с возможностью установки на другой части тела животного и с возможностью механического взаимодействия с петлей оптического волокна.

Система содержит, по меньшей мере, один датчик, упомянутый выше, по меньшей мере, один усилитель, подключенный к выходу датчика, по меньшей мере, один аналого-цифровой преобразователь, подключенный к выходу усилителя, и компьютер, подключенный к выходу аналого-цифрового преобразователя.

Полезная модель обеспечивает повышение достоверности контроля окружающей среды, упрощение и снижение стоимости эксплуатации системы контроля окружающей среды, а также уменьшение массы и габаритов датчика относительного движения частей тела животного, используемого в данной системе. 2 н.п. ф-лы, 10 з.п. ф-лы, 6 илл.

Полезная модель относится к области средств контроля физиологических процессов, происходящих в организме животных, и преимущественно может быть использована для оперативного экологического мониторинга окружающей среды с помощью неинвазивного дистанционного контроля в реальном масштабе времени функционального состояния тестируемых животных в среде их обитания, выполняемого в целях охраны окружающей среды.

Анализ современного состояния уровня техники в области средств неинвазивного дистанционного контроля в реальном масштабе времени функционального состояния тестируемых животных с целью биологического мониторинга окружающей среды показывает, что для автоматической оперативной оценки качества среды обитания животных осуществляют дистанционный контроль их физиологической активности, о которой судят, прежде всего, на основании двигательной активности животного или частей его тела.

Так, например, известен датчик движения жаберных крышек рыбы системы автоматического биомониторинга качества воды на основании регистрации дыхательной активности рыб (US 6393899, 2002), который содержит экспозиционную камеру для размещения рыбы, размещенные на камере сверху и снизу два электрода, выполненные для обеспечения устойчивости к коррозии из нержавеющей стали и выполняющие функцию чувствительного элемента, два держателя электродов, включающих электропроводную пластину, разделитель и болт, два герметичных штепсельных разъема и проводную линию передачи сигнала в аппаратуру усиления и обработки сигнала дыхательной активности рыб. Физиологические сигналы, возникающие при движении жаберных крышек тестируемой рыбы, преобразуются данным датчиком в электрический сигнал, который передается по проводной линии для усиления и обработки и позволяет судить о частоте и глубине дыхания рыбы.

Данный известный датчик движения жаберных крышек рыбы позволяет формировать сигнал дыхательной активности аборигенного гидробионта, который несет информацию о качестве контролируемой водной среды, поскольку изменение параметров дыхательной активности рыбы может быть обусловлено происходящим в ее организме стрессом, связанным со снижением качества воды.

Вместе с тем, использование в указанном известном датчике электродов из нержавеющей стали, расположенных в контролируемой водной среде и электрически

не изолированных, приводит к гальваническому взаимодействию нержавеющей стали электродов с водой, что вызывает существенные искажения формируемого электрического сигнала, способные привести к ошибочному принятию решения о состоянии водной среды.

Возможное выполнение электродов данного известного датчика движения жаберных крышек рыбы из неметаллического материала (US 6393899, 2002), например, графита, не подверженного гальваническому взаимодействию с водой, в незначительной степени снижает нестабильность формируемого датчиком сигнала и уровень сопровождающего его шума.

Однако, в обоих случаях использование электродов, находящихся в непосредственном контакте с контролируемой водой и электрически не изолированных, приводит к тому, что формируемый датчиком сигнал подвержен нестабильности и сопровождается достаточно интенсивным шумом. Прежде всего, это наблюдается при значительной электропроводности контролируемой водной среды. Такие искажения также в значительной степени усложняют последующую обработку сформированного электрического сигнала и могут привести к ошибочному принятию решения о состоянии водной среды.

Кроме того, как отмечают сами авторы этих двух технических решений, изменение электропроводности контролируемой воды существенно влияет на амплитуду электрического сигнала, формируемого датчиком. Так, например, увеличение электропроводности воды приводит к существенному уменьшению амплитуды сигнала движения жаберных крышек рыбы, что, с одной стороны, может привести к его пропуску при регистрации. С другой стороны, изменение амплитуды сигнала движения жаберных крышек рыбы, связанное с изменением электропроводности воды, при принятии решения приводит к ошибочным результатам, совершенно не связанным с реальным изменением качества контролируемой воды. Для работоспособности данного технического решения его авторы попытались при обработке сигнала движения жаберных крышек рыбы компьютером использовать частичную алгоритмическую компенсацию изменения его амплитуды, вызванного изменением электропроводности воды. Но это привело к усложнению конструкции и стоимости системы биомониторинга качества воды, в которой используется данный датчик, а также усложнило эксплуатацию указанной системы, поскольку вызвало необходимость осуществления ее периодической калибровки с использованием воды, имеющей различную электропроводность.

Наиболее близким по конструкции к датчику относительного движения частей тела животного, являющемуся предметом настоящей полезной модели, следует считать датчик относительного движения створок раковины моллюска,

который применен в аппаратуре для обнаружения загрязнения водной среды (FR 2713778, 1995), предусматривающей использование в качестве тестируемых животных обитающих в воде двухстворчатых раковинных моллюсков, например мидий или устриц. Данный известный датчик относительного движения створок раковины моллюска содержит расположенное горизонтально основание, установленный на основании чувствительный элемент в виде датчика Холла или индуктивного датчика, упругую пластину, которая прикреплена к основанию параллельно его поверхности и снабжена магнитом или металлической пластинкой, установленными на ее конце с возможностью электромагнитного взаимодействия с чувствительным элементом, то есть соответственно с датчиком Холла или индуктивным датчиком, и выполняющими функцию элемента, воздействующего на чувствительный элемент, а также радиоэлектронную линию передачи сигнала, подключенную к чувствительному элементу. При этом датчик относительного движения створок раковины моллюска выполнен с возможностью закрепления моллюска с помощью клея одной створкой его раковины на основании так, чтобы другая створка раковины моллюска упиралась в упомянутую упругую пластину.

Данный известный датчик аппаратуры для обнаружения загрязнения водной среды позволяет формировать сигналы относительного движения створок раковины моллюска, обеспечивая аппаратуре, в которой он использован, возможность оценивать двигательную активность створок раковины моллюска и автоматически осуществлять принятие решения о снижении качества контролируемой водной среды на основании анализа физиологического состояния моллюска, связанного с качеством воды.

Использование в данном известном датчике, являющемся ближайшим аналогом, для формирования сигнала относительного движения створок раковины моллюска в качестве чувствительного элемента датчика Холла или индуктивного датчика препятствует возникновению нестабильности этого электрического сигнала и сопровождающего его шума при значительной электропроводности контролируемой воды. Это упрощает последующую обработку сформированного электрического сигнала и снижает вероятность ошибочного принятия решения о состоянии контролируемой водной среды.

По этой же причине изменение электропроводности контролируемой воды не оказывает влияния на амплитуду электрического сигнала относительного движения створок раковины моллюска, что способствует надежной его регистрации и снижает вероятность ошибочного принятия решения о качестве контролируемой воды. Кроме того, это не вызывает необходимости при обработке электрического сигнала использовать алгоритмическую компенсацию изменения его амплитуды, вызванного

изменением электропроводности воды. Это упрощает конструкцию и снижает стоимость аппаратуры для обнаружения загрязнения водной среды, в которой использован датчик, а также упрощает ее эксплуатацию, поскольку не требует ее периодической калибровки с использованием воды, имеющей различную электропроводность.

Вместе с тем, закрепление тестируемого моллюска с помощью клея нижней створкой его раковины на расположенном горизонтально основании в положении, которое отличается от положения моллюска в естественных условиях его обитания щелью между створками раковины, сориентированной вверх, а также размещение его между основанием и упругой пластиной, которая вследствие механического контакта и своих упругих свойств оказывает весьма существенное давление на верхнюю створку раковины, препятствующее ее открытию, во-первых, может вызвать у этого животного состояние стресса, которое связано отнюдь не с изменением качества контролируемой водной среды, что может привести к ошибочному решению о качестве контролируемой воды. Во-вторых, эта же причина может вызвать заболевание и даже гибель тестируемого животного, что приводит к повышению стоимости и усложнению эксплуатации использующей данный известный датчик аппаратуры для обнаружения загрязнения водной среды, которые связаны с необходимостью более частой замены тестируемых животных вследствие их заболевания или гибели. Эти же особенности конструкции данного известного датчика, связанные с его использованием, привели к достаточно существенным значениям его массы и габаритов.

Использование в указанной известной аппаратуре радиоканала для передачи сигнала относительного движения створок раковины моллюска приводит, с одной стороны, к усложнению конструкции и повышению стоимости аппаратуры, а, с другой стороны, к искажению полезного радиосигнала под воздействием внешних электромагнитных помех, что может привести к ошибочному принятию решения о качестве контролируемой водной среды. Кроме того, лежащий в основе функционирования датчика, являющегося ближайшим аналогом, электромагнитный принцип взаимодействия чувствительного элемента и элемента, воздействующего на чувствительный элемент, не позволяет избежать влияния на его функционирование внешних электромагнитных полей, действие которых приводит к искажению формируемого датчиком электрического сигнала и поэтому может вызвать ошибочное принятие решения о качестве контролируемой водной среды. В особенности это проявляется при использовании данного известного датчика в составе аппаратуры контроля качества воды на водозаборных станциях и станциях водоподготовки, которые оснащены широким спектром электрооборудования,

работающего на основе взаимодействия электромагнитных полей.

Поэтому недостатками датчика относительного движения створок раковины моллюска, который следует считать ближайшим аналогом, являются недостаточно высокая достоверность контроля состояния окружающей среды, весьма существенные значения его массы и габаритов, а также сложность и высокая стоимость эксплуатации системы биологического мониторинга окружающей среды, в составе которой этот датчик использован.

Среди систем биологического мониторинга окружающей среды известна аппаратура для биологического мониторинга в реальном времени физико-химических параметров водной среды (ЕР 0730736, 1996, W0 95/14925, 1995), для которой в качестве тестируемых животных используются тропические рыбы разновидности Apteronotus albifrons, обладающие физиологической способностью испускать электрические сигналы с частотой около 1000 Гц. Указанная известная аппаратура содержит емкость для проточной контролируемой воды, систему терморегулирования заданной температуры контролируемой воды с погрешностью, не превышающей 0,1°С, по меньшей мере, одну перфорированную капсулу для размещения тестируемой рыбы, установленную в емкости, размещенные в контролируемой воде внутри емкости металлические электроды, подключенный к электродам посредством проводной линии связи усилитель с аналого-цифровым преобразователем и подключенный к выходу аналого-цифрового преобразователя компьютер с монитором.

Недостатками данной аппаратуры для биологического мониторинга в реальном времени физико-химических параметров водной среды являются недостаточно высокая достоверность контроля водной среды, что связано с существенной зависимостью параметров испускаемых рыбами электрических сигналов от температуры контролируемой воды, а не от степени ее экологической опасности, высокие сложность и стоимость этой аппаратуры, связанные с необходимостью использования обладающей высокой точностью системы терморегулирования, а также достаточно высокая стоимость эксплуатации, что обусловлено, во-первых, ее сложностью и, во-вторых, использованием в качестве тестируемых организмов не аборигенных гидробионтов, а редкого вида тропических рыб. При этом область применения данной аппаратуры ограничена возможностью использования ее только для контроля воды, протекающей через упомянутую емкость, а не распространяется на осуществление экологического мониторинга открытых акваторий.

Также известна система автоматического биомониторинга качества воды (US 6393899, 2002), которая основана на регистрации и анализе сигналов движения

жаберных крышек рыб, связанного с дыхательной активностью рыб. Данная известная система содержит экспозиционные камеры с анализируемой водой для размещения рыб, установленные в каждой камере в анализируемой воде сверху и снизу два электрода, каждый из которых выполнен, например, из нержавеющей стали или графита для обеспечения устойчивости к коррозии и снабжен держателем электрода и герметичным штепсельным разъемом. Кроме того, указанная система содержит размещенные вне анализируемой воды последовательно соединенные усилитель, подключенный с помощью проводной линии передачи сигнала к электродам, аналого-цифровой преобразователь, контроллер, терминальную панель и осциллограф, подключенные к терминальной панели пробоотборник и сигнализатор тревоги, а также подключенные к контроллеру удаленный компьютер, удаленный монитор и анализатор качества воды с управляемым электромагнитным клапаном.

Данная известная система автоматического биомониторинга качества воды позволяет формировать и регистрировать сигналы движения жаберных крышек рыб, то есть сигналы их дыхательной активности, а также автоматически осуществлять принятие решения о снижении качества контролируемой водной среды на основании изменения параметров дыхательной активности рыб, которое обусловлено происходящим в их организме стрессом, связанным со снижением качества воды.

Однако, использование в данной известной системе автоматического биомониторинга качества воды в качестве чувствительного элемента датчика движения жаберных крышек рыбы электродов, электрически не изолированных по отношению к воде, приводит к тому, что формируемый электродами сигнал подвержен нестабильности и сопровождается достаточно интенсивным шумом. Прежде всего, это наблюдается при значительной электропроводности контролируемой водной среды. В случае выполнения электродов из нержавеющей стали эти два вида искажений формируемого электрического сигнала еще более возрастают вследствие гальванического взаимодействия нержавеющей стали электродов с водой. Такие искажения в значительной степени усложняют последующую обработку сформированного электрического сигнала и могут привести к ошибочному принятию решения о состоянии контролируемой водной среды.

Как отмечают авторы этой системы, по этой же причине изменение электропроводности контролируемой воды существенно влияет на амплитуду формируемого электрического сигнала движения жаберных крышек рыб. В частности, увеличение электропроводности воды приводит к существенному уменьшению амплитуды сигнала движения жаберных крышек рыб, что, во-первых, может привести к его пропуску при регистрации. Во-вторых, изменение амплитуды

сигнала движения жаберных крышек рыб, связанное с изменением электропроводности воды, при принятии решения приводит к ошибочным результатам, абсолютно не связанным с реальным изменением качества контролируемой воды. Для работоспособности данной системы автоматического биомониторинга качества воды при обработке сигнала движения жаберных крышек рыб компьютером в ней предусмотрено использование частичной алгоритмической компенсации изменения его амплитуды, вызванного изменением электропроводности воды. Однако, это привело к усложнению конструкции и стоимости системы биомониторинга качества воды, а также усложнило ее эксплуатацию, поскольку вызвало необходимость осуществления ее периодической калибровки с использованием воды, имеющей различную электропроводность.

Кроме того, использование в указанной известной системе биомониторинга качества воды достаточно протяженной проводной линии передачи сигнала от электродов к усилителю вызывает дополнительные искажения формируемого электрического сигнала движения жаберных крышек рыб вследствие неизбежных внешних электрических наводок.

Наиболее близкой по технической сущности к системе биологического мониторинга среды обитания животного, являющейся предметом настоящей полезной модели, следует считать аппаратуру для обнаружения загрязнения водной среды (FR 2713778, 1995), предусматривающую использование в качестве тестируемых животных обитающих в воде двухстворчатых раковинных моллюсков, например мидий или устриц. Данная известная аппаратура содержит, по меньшей мере, один датчик относительного движения створок раковины моллюска, который содержит расположенное горизонтально основание, установленный на основании чувствительный элемент в виде датчика Холла или индуктивного датчика, упругую пластину, которая прикреплена к основанию параллельно его поверхности и снабжена магнитом или металлической пластинкой, установленными на ее конце с возможностью электромагнитного взаимодействия с чувствительным элементом, то есть соответственно с датчиком Холла или индуктивным датчиком, и выполняющими функцию элемента, воздействующего на чувствительный элемент, а также радиоэлектронную линию передачи сигнала, передатчик которой подключен к чувствительному элементу. При этом датчик относительного движения створок раковины моллюска выполнен с возможностью закрепления моллюска с помощью клея нижней створкой его раковины на основании так, чтобы верхняя створка раковины моллюска упиралась в упомянутую упругую пластину. Кроме того, указанная известная аппаратура содержит радиоприемник линии передачи сигнала, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, а также блок обработки данных,

блок сбора данных и блок оповещения, выполненные на основе компьютера.

Данная известная аппаратура для обнаружения загрязнения водной среды позволяет формировать сигналы относительного движения створок раковины моллюска, на основании этих сигналов оценивать двигательную активность моллюска и автоматически осуществлять принятие решения о снижении качества контролируемой водной среды в результате анализа физиологического состояния моллюска, связанного с качеством воды.

Использование в данной известной аппаратуре, являющейся ближайшим аналогом, для формирования сигнала относительного движения створок раковины моллюска датчика с чувствительным элементом в виде датчика Холла или индуктивного датчика препятствует возникновению нестабильности этого электрического сигнала и сопровождающего его шума при значительной электропроводности контролируемой воды. Это упрощает последующую обработку сформированного электрического сигнала и снижает вероятность ошибочного принятия решения о состоянии контролируемой водной среды.

По этой же причине изменение электропроводности контролируемой воды не оказывает влияния на амплитуду электрического сигнала относительного движения створок раковины моллюска, что способствует надежной его регистрации и снижает вероятность ошибочного принятия решения о качестве контролируемой воды. Кроме того, это не вызывает необходимости при обработке электрического сигнала использовать алгоритмическую компенсацию изменения его амплитуды, вызванного изменением электропроводности воды. Это упрощает конструкцию и снижает стоимость аппаратуры для обнаружения загрязнения водной среды, а также упрощает ее эксплуатацию, поскольку не требует ее периодической калибровки с использованием воды, имеющей различную электропроводность.

Вместе с тем, при использовании аппаратуры, являющейся ближайшим аналогом, по своему назначению закрепление тестируемого моллюска с помощью клея нижней створкой его раковины на расположенном горизонтально основании в положении, которое отличается от положения моллюска в естественных условиях его обитания щелью между створками раковины, сориентированной вверх, а также размещение его между основанием и упругой пластиной, которая вследствие механического контакта и своих упругих свойств оказывает весьма существенное давление на верхнюю створку раковины, препятствующее ее открытию, во-первых, может вызвать у этого животного состояние стресса, которое связано отнюдь не с изменением качества контролируемой водной среды, что может привести к ошибочному решению о качестве контролируемой воды. Во-вторых, эта же причина может вызвать заболевание и даже гибель тестируемого животного, что приводит к

повышению стоимости и усложнению эксплуатации данной известной аппаратуры для обнаружения загрязнения водной среды, которые связаны с необходимостью более частой замены тестируемых животных вследствие их заболевания или гибели. Эти же особенности конструкции входящего в состав данной известной аппаратуры датчика, связанные с его использованием, привели к достаточно существенным значениям массы и габаритов этого датчика.

Использование в указанной аппаратуре радиоканала для передачи сигнала относительного движения створок раковины моллюска приводит, с одной стороны, к усложнению конструкции и повышению стоимости аппаратуры, а, с другой стороны, к искажению полезного радиосигнала под воздействием внешних электромагнитных помех, что может привести к ошибочному принятию решения о качестве контролируемой водной среды. Кроме того, лежащий в основе функционирования датчика, входящего в состав являющейся ближайшим аналогом аппаратуры, электромагнитный принцип взаимодействия чувствительного элемента и элемента, воздействующего на чувствительный элемент, не позволяет избежать влияния на его функционирование внешних электромагнитных полей, действие которых приводит к искажению формируемого датчиком электрического сигнала и поэтому может вызвать ошибочное принятие решения о качестве контролируемой водной среды. В особенности это проявляется при использовании данного известного датчика в составе аппаратуры контроля качества воды на водозаборных станциях и станциях водоподготовки, которые оснащены широким спектром электрооборудования, работающего на основе взаимодействия электромагнитных полей.

Поэтому недостатками аппаратуры для обнаружения загрязнения водной среды, которую следует считать ближайшим аналогом, являются недостаточно высокая достоверность контроля состояния окружающей среды, сложность и высокая стоимость ее эксплуатации, а также весьма существенные значения массы и габаритов датчика относительного движения створок раковины моллюска.

Задачами настоящей полезной модели являются повышение достоверности контроля окружающей среды, упрощение и снижение стоимости эксплуатации системы контроля окружающей среды, а также уменьшение массы и габаритов датчика относительного движения частей тела животного, используемого в данной системе.

Поставленные задачи решаются, согласно полезной модели, во-первых, тем, что датчик относительного движения частей тела животного, содержащий, в соответствии с ближайшим аналогом, основание, установленный на основании чувствительный элемент, линию передачи сигнала и элемент воздействия на чувствительный элемент, выполненный и установленный с возможностью

взаимодействия с чувствительным элементом, отличается от ближайшего аналога тем, что он снабжен источником оптического излучения и приемником оптического излучения, линия передачи сигнала выполнена в виде оптического волокна, входной и выходной торцы которого установлены с возможностью оптического контакта соответственно с источником оптического излучения и приемником оптического излучения, чувствительный элемент выполнен в виде петли оптического волокна линии передачи сигнала, основание выполнено с возможностью установки на одной части тела животного, а элемент воздействия на чувствительный элемент выполнен с возможностью установки на другой части тела животного и установлен с возможностью механического взаимодействия с петлей оптического волокна линии передачи сигнала.

При этом в качестве источника оптического излучения использован полупроводниковый лазер или светодиод, в качестве приемника оптического излучения использован фотодиод, а основание выполнено из отвердевшего клея или выполнено из полимерного материала и установлено на теле животного с помощью клея.

Снабжение датчика относительного движения частей тела животного, являющегося предметом настоящей полезной модели, источником оптического излучения и приемником оптического излучения, а также выполнение линии передачи сигнала в виде оптического волокна, входной и выходной торцы которого установлены с возможностью оптического контакта соответственно с источником оптического излучения и приемником оптического излучения, позволяет отказаться от использования в конструкции датчика протяженной проводной линии передачи сигнала и поэтому предотвращает возникновение в линии передачи внешних электрических наводок, что приводит к уменьшению искажений электрического сигнала относительного движения частей тела животного и снижению вероятности ошибочного принятия решения о качестве контролируемой среды, обеспечивая повышение достоверности контроля.

Выполнение чувствительного элемента датчика относительного движения частей тела животного в виде петли оптического волокна линии передачи сигнала и установка элемента воздействия на чувствительный элемент с возможностью именно механического взаимодействия с петлей оптического волокна линии передачи позволяет обеспечить формирование датчиком электрического сигнала без использования взаимодействия электромагнитных полей. В результате этого исключается влияние на функционирование датчика внешних электромагнитных полей, что препятствует искажению электрического сигнала, формируемого датчиком, и приводит к повышению достоверности контроля окружающей среды. В

особенности это проявляется при использовании датчика, являющегося предметом настоящей полезной модели, в составе аппаратуры контроля качества воды на водозаборных станциях и станциях водоподготовки, которые оснащены широким спектром электрооборудования, работающего на основе взаимодействия электромагнитных полей.

Снабжение датчика, являющегося предметом настоящей полезной модели, источником оптического излучения и приемником оптического излучения, выполнение линии передачи сигнала в виде оптического волокна, входной и выходной торцы которого установлены с возможностью оптического контакта соответственно с источником оптического излучения и приемником оптического излучения, и выполнение чувствительного элемента в виде петли оптического волокна линии передачи сигнала обеспечивают значительное уменьшение массы и габаритов данного датчика по сравнению с ближайшим аналогом. Эти же отличительные признаки датчика, являющегося предметом настоящей полезной модели, позволяют обеспечить незначительные габариты и массу основания и элемента воздействия на чувствительный элемент и поэтому выполнить основание с возможностью установки на одной части тела животного, а элемент воздействия на чувствительный элемент выполнить с возможностью установки на другой части тела животного и установить его с возможностью механического взаимодействия с петлей оптического волокна линии передачи сигнала. В результате этого не требуется какое либо принудительное закрепление тестируемого животного, которое может самостоятельно выбирать положение и совершать движения, соответствующие естественным условиям его обитания, а также не возникает давления какими либо элементами датчика на тело тестируемого животного или его подвижные части. С одной стороны, это не может вызвать у тестируемого животного состояние стресса, которое связано не с изменением качества контролируемой среды обитания животного, что повышает достоверность контроля среды. С другой стороны, снижается вероятность возникновения заболевания или гибели тестируемого животного вследствие размещения на его теле датчика, что приводит к снижению стоимости и упрощению эксплуатации аппаратуры, использующей данный датчик, поскольку замена тестируемых животных вследствие их заболевания или гибели оказывается необходимой менее часто.

Поставленные задачи решаются, согласно полезной модели, во-вторых, также тем, что система биологического мониторинга среды обитания животного, содержащая, в соответствии с ближайшим аналогом, по меньшей мере, один датчик относительного движения частей тела животного, включающий основание, установленный на основании чувствительный элемент, линию передачи сигнала и

элемент воздействия на чувствительный элемент, выполненный и установленный с возможностью взаимодействия с чувствительным элементом, по меньшей мере, один усилитель, подключенный к выходу датчика относительного движения частей тела животного, по меньшей мере, один аналого-цифровой преобразователь, подключенный к выходу усилителя, и компьютер, подключенный к выходу аналого-цифрового преобразователя, отличается от ближайшего аналога тем, что ее датчик относительного движения частей тела животного снабжен источником оптического излучения и приемником оптического излучения, линия передачи сигнала датчика относительного движения частей тела животного выполнена в виде оптического волокна, входной и выходной торцы которого установлены с возможностью оптического контакта соответственно с источником оптического излучения и приемником оптического излучения, чувствительный элемент датчика относительного движения частей тела животного выполнен в виде петли оптического волокна линии передачи сигнала, основание датчика относительного движения частей тела животного выполнено с возможностью установки на одной части тела животного, элемент воздействия на чувствительный элемент датчика относительного движения частей тела животного выполнен с возможностью установки на другой части тела животного и установлен с возможностью механического взаимодействия с петлей оптического волокна линии передачи сигнала, а вход усилителя подключен к приемнику оптического излучения.

При этом в качестве источника оптического излучения ее датчика относительного движения частей тела животного использован полупроводниковый лазер или светодиод, в качестве приемника оптического излучения ее датчика относительного движения частей тела животного использован фотодиод, а основание ее датчика относительного движения частей тела животного выполнено из отвердевшего клея или выполнено из полимерного материала и установлено на теле животного с помощью клея.

Снабжение датчика относительного движения частей тела животного, который входит в состав системы биологического мониторинга среды обитания животного, являющейся предметом настоящей полезной модели, источником оптического излучения и приемником оптического излучения, а также выполнение линии передачи сигнала в виде оптического волокна, входной и выходной торцы которого установлены с возможностью оптического контакта соответственно с источником оптического излучения и приемником оптического излучения, совместно с подключением входа усилителя к приемнику оптического излучения позволяет отказаться от использования в конструкции датчика протяженной проводной линии передачи сигнала и поэтому предотвращает возникновение в линии передачи

внешних электрических наводок, что приводит к уменьшению искажений электрического сигнала относительного движения частей тела животного и снижению вероятности ошибочного принятия решения о качестве контролируемой среды, обеспечивая повышение достоверности контроля системой биологического мониторинга среды обитания животного.

Выполнение чувствительного элемента датчика относительного движения частей тела животного, входящего в состав системы биологического мониторинга среды обитания животного, в виде петли оптического волокна линии передачи сигнала и установка элемента воздействия на чувствительный элемент с возможностью именно механического взаимодействия с петлей оптического волокна линии передачи позволяет обеспечить формирование датчиком электрического сигнала без использования взаимодействия электромагнитных полей. В результате этого исключается влияние на функционирование датчика внешних электромагнитных полей, что препятствует искажению электрического сигнала, формируемого датчиком, и приводит к повышению достоверности контроля окружающей среды системой биологического мониторинга среды обитания животного. В особенности это проявляется при использовании системы биологического мониторинга среды обитания животного на водозаборных станциях и станциях водоподготовки, которые оснащены широким спектром электрооборудования, работающего на основе взаимодействия электромагнитных полей.

Снабжение датчика, входящего в состав системы биологического мониторинга среды обитания животного, источником оптического излучения и приемником оптического излучения, выполнение линии передачи сигнала в виде оптического волокна, входной и выходной торцы которого установлены с возможностью оптического контакта соответственно с источником оптического излучения и приемником оптического излучения, и выполнение чувствительного элемента в виде петли оптического волокна линии передачи сигнала позволяют обеспечить незначительные габариты и массу основания датчика и его элемента воздействия на чувствительный элемент и поэтому выполнить основание с возможностью установки на одной части тела животного, а элемент воздействия на чувствительный элемент выполнить с возможностью установки на другой части тела животного и установить его с возможностью механического взаимодействия с петлей оптического волокна линии передачи сигнала. В результате этого не требуется какое либо принудительное закрепление тестируемого животного, которое может самостоятельно выбирать положение и совершать движения, соответствующие естественным условиям его обитания, а также не возникает давления какими либо

элементами датчика на тело тестируемого животного или его подвижные части. С одной стороны, это не может вызвать у тестируемого животного состояние стресса, которое связано не с изменением качества контролируемой среды обитания животного, что повышает достоверность контроля среды. С другой стороны, снижается вероятность возникновения заболевания или гибели тестируемого животного вследствие размещения на его теле датчика, что приводит к снижению стоимости и упрощению эксплуатации системы биологического мониторинга среды обитания животного, поскольку замена тестируемых животных вследствие их заболевания или гибели оказывается необходимой менее часто.

Отмеченное свидетельствует о решении декларированных выше задач настоящей полезной модели, благодаря наличию у заявляемых датчика относительного движения частей тела животного и системы биологического мониторинга среды обитания животного перечисленных выше отличительных признаков.

На фиг.1 показаны структурная электрическая схема системы биологического мониторинга среды обитания животного и датчик относительного движения частей тела животного, установленный на створках раковины двухстворчатого моллюска, с основанием, выполненным из полимерного материала и показанным в разрезе, где 1 - компьютер, 2 - источник питания источника оптического излучения, 3 - источник оптического излучения, 4 - приемник оптического излучения, 5 - усилитель, 6 - аналого-цифровой преобразователь, 7 - оптическое волокно, 8 - входной торец оптического волокна, 9 - выходной торец оптического волокна, 10 - основание датчика, 11 - петля оптического волокна, 12 - элемент воздействия на чувствительный элемент, 13 - первая створка раковины и 14 - вторая створка раковины.

На фиг.2 показан датчик относительного движения частей тела животного, используемый для преобразования в электрический сигнал движения жаберной крышки рыбы, с основанием 10, выполненным из полимерного материала, где 15 - тело рыбы и 16 - жаберная крышка.

На фиг.3 показан датчик относительного движения частей тела животного, установленный на створках раковины двухстворчатого моллюска, с основанием 10, выполненным из отвердевшего клея.

На фиг.4 показан датчик относительного движения частей тела животного, используемый для преобразования в электрический сигнал движения жаберной крышки рыбы, с основанием 10, выполненным из отвердевшего клея.

На фиг.5 показан возможный вариант размещения системы биологического мониторинга среды обитания животного в случае использования ее для мониторинга

водной среды водоема, где 17 - помост, 18 - контейнер для аппаратуры, 19 - клетка для животного, 20 - щель для оптических волокон и 21 - тестируемое животное.

На фиг.6 показан возможный вариант размещения системы биологического мониторинга окружающей среды в случае использования ее для контроля качества воды на водозаборных станциях водоподготовки, где 22 - аквариум для животного, 23 - входной патрубок и 24 - выходной патрубок.

Датчик относительного движения частей тела животного (см. фиг.1) содержит оптическое волокно 7, имеющее диаметр, например от 50 до 500 мкм, источник 3 оптического излучения и приемник 4 оптического излучения, установленные с возможностью оптического контакта соответственно с входным торцом 8 оптического волокна и выходным торцом 9 оптического волокна посредством не показанных на фигурах волоконно-оптических коннекторов, например, марки ST или FC. В качестве источника 3 оптического излучения может быть использован светодиод или полупроводниковый лазер, например, марки ИЛПН-109М, испускающий оптическое излучение с длиной волны 0,8-0,86 мкм, а в качестве приемника 4 оптического излучения может быть использован фотодиод, например, марки ФД-290, чувствительный к оптическому излучению данного диапазона длин волн.

Датчик также содержит основание 10 датчика, которое либо выполнено из полимерного материала (см. фиг.1 и 2) с возможностью установки на одной части тела тестируемого животного 21, например, с помощью эпоксидного клея, либо выполнено из отвердевшего клея (см. фиг.3 и 4), например эпоксидного. Оптическое волокно 7 дважды пропущено через отверстия основания 10 датчика с образованием петли 11 оптического волокна, выступающей за пределы основания 10 датчика и являющейся чувствительным элементом датчика, и зафиксировано в отверстиях основания 10 датчика, например, с помощью клея. Кроме того, датчик содержит элемент 12 воздействия на чувствительный элемент, который выполнен, например, из полимерного материала с возможностью установки на другой части тела тестируемого животного 21, например, с помощью эпоксидного клея, и установлен с возможностью механического взаимодействия с петлей 11 оптического волокна, являющейся чувствительным элементом датчика. В случае использования датчика для формирования электрического сигнала относительного движения створок раковины двухстворчатого моллюска (см. фиг.1 и 3) основание 10 датчика может быть установлено на наружной поверхности первой створки 13 раковины, а элемент 12 воздействия на чувствительный элемент - на наружной поверхности второй створки 14 раковины. При использовании датчика для формирования электрического сигнала движения жаберной крышки рыбы относительно ее тела (см. фиг.2 и 4)

основание 10 датчика может быть установлено на теле 15 рыбы вблизи расположения края жаберной крышки 16, а элемент 12 воздействия на чувствительный элемент - на наружной поверхности жаберной крышки 16.

Система биологического мониторинга среды обитания животного содержит (см. фиг.1) компьютер 1, по меньшей мере, один датчик относительного движения частей тела животного, описанный выше, последовательно соединенные усилитель 5, подключенный входом к приемнику 4 оптического излучения датчика, и аналого-цифровой преобразователь 6, подключенный к входу компьютера 1, а также источник 2 питания источника оптического излучения, подключенный к выходу компьютера 1. В качестве компьютера 1 может быть использован персональный компьютер, а количество цепей, состоящих из последовательно соединенных усилителя 5 и аналого-цифрового преобразователя 6, соответствует количеству используемых датчиков относительного движения частей тела животного.

Электронную аппаратуру системы биологического мониторинга среды обитания животного в случае использования ее для контроля водной среды водоема (см. фиг.5) размещают, например, в контейнере 18 для аппаратуры на помосте 17, площадка которого расположена выше уровня контролируемой воды, а опоры установлены на суше или в акватории, на дне контролируемого водоема. Для размещения тестируемого животного 21 используют клетку 19 для животного, которая может быть выполнена из металлической или полимерной сетки и снабжена щелью 20 для оптических волокон. Клетку 19 для животного с размещенным в ней одним тестируемым животным 21 располагают на дне контролируемого водоема.

В случае использования системы биологического мониторинга среды обитания животного для контроля качества воды на водозаборных станциях водоподготовки тестируемое животное 21 размещают (см. фиг.6) в проточном аквариуме 22 для животного, который может быть выполнен из стекла и снабжен входным патрубком 23 и выходным патрубком 24, подсоединенным к не показанному на фигурах водяному насосу, нагнетающему воду из источника водоснабжения.

В обоих этих случаях в качестве тестируемых животных 21 используют рыб или двухстворчатых раковинных моллюсков, например, устриц или мидий.

При необходимости использования в системе биологического мониторинга среды обитания животного нескольких тестируемых животных 21, что позволяет осуществить в системе мажоритарный принцип принятия решения о состоянии контролируемой среды и поэтому повысить достоверность контроля, каждое из них размещают в отдельной клетке 19 для животного или аквариуме 22 для животного, обеспечивая при этом отсутствие визуального контакта между тестируемыми животными 21.

Датчик относительного движения частей тела животного и система биологического мониторинга среды обитания животного, являющиеся предметами настоящей полезной модели, работают следующим образом.

Оператор системы биологического мониторинга среды обитания животного включает питание электронной аппаратуры, входящей в состав данной системы, в том числе, компьютер 1, по сигналу с которого включается источник 2 питания источника оптического излучения. Источник 2 питания источника оптического излучения подает напряжение на источник 3 оптического излучения, который начинает испускать оптическое излучение. Это оптическое излучение попадает во входной торец 8 оптического волокна, распространяется по оптическому волокну 7 к выходному торцу 9 оптического волокна, проходя при этом через петлю 11 оптического волокна, и, пройдя через выходной торец 9, падает на чувствительную поверхность приемника 4 оптического излучения, который преобразует оптическое излучение в электрический сигнал с амплитудой, пропорциональной падающему световому потоку.

При относительном движении частей тела тестируемого животного 21, например, при относительном движении первой створки 13 раковины и второй створки 14 раковины двухстворчатого моллюска или при движении жаберной крышки 16 относительно тела 15 рыбы, элемент 12 воздействия на чувствительный элемент механически взаимодействует с петлей 11 оптического волокна, деформируя ее и изменяя при этом ее радиус кривизны. В результате такой деформации петли 11 оптического волокна нарушаются условия полного внутреннего отражения, свойственного недеформированным оптическим волокнам, что вызывает потери светового потока при прохождении оптического излучения через петлю 11 оптического волокна, приводящие к модуляции светового потока в соответствии с величиной деформации петли 11 оптического волокна. Поскольку величина деформации петли 11 оптического волокна определяется положением элемента 12 воздействия на чувствительный элемент, зависящим от относительного положения частей тела тестируемого животного 21, световой поток, падающий на чувствительную поверхность приемника 4 оптического излучения, оказывается промодулированным в соответствии с относительным движением частей тела тестируемого животного 21.

В результате этого электрический сигнал, сформированный приемником 4 оптического излучения, приобретает переменную составляющую, параметры которой определяются параметрами относительного движения частей тела тестируемого животного 21. Этот электрический сигнал с выхода приемника 4 оптического излучения через усилитель 5, осуществляющий усиление его по мощности,

поступает в аналого-цифровой преобразователь 6, который с заданной временной дискретностью преобразует мгновенные значения его напряжения в цифровые коды, поступающие в компьютер 1.

Каждый поступивший цифровой код, соответствующий мгновенному значению напряжения электрического сигнала, компьютер 1 заносит в свое запоминающее устройство вместе со значениями текущего времени, когда этот цифровой код поступил. Далее компьютер 1 в зависимости вида используемых в системе тестируемых животных 21 определяет тот или иной параметр электрического сигнала.

Так, например, при использовании в качестве тестируемых животных 21 двухстворчатых раковинных моллюсков, например, мидий или устриц, которые реагируют на загрязнение их среды обитания экстренным закрытием створок своих раковин, компьютер 1 в соответствии с известными алгоритмами путем, например, сравнения запомненных цифровых кодов определяет амплитуду переменной составляющей электрического сигнала, сформированного датчиком относительного движения частей тела животного, и на основании сравнения этой амплитуды с пороговым значением принимает решение о наличии загрязнения среды обитания.

При использовании в качестве тестируемых животных 21 рыб, у которых при загрязнении среды обитания движение жаберных крышек 16 перестает быть регулярным, компьютер 1 в соответствии с известными алгоритмами путем, например, сравнения запомненных цифровых кодов определяет два, например, максимальных цифровых кода, ближайших по времени их поступления в компьютер 1. В результате вычисления разности между значениями текущего времени поступления этих максимальных цифровых кодов компьютер 1 определяет период движения жаберных крышек 16 рыбы и заносит его значение в свое запоминающее устройство, а затем вычисляет, например, среднее арифметическое значение этого периода. Компьютер 1 вычисляет разность между каждым очередным вычисленным значением периода движения жаберных крышек 16 рыбы и средним арифметическим значением этого периода и на основании сравнения этой разности с пороговым значением принимает решение о наличии загрязнения среды обитания.

Для повышения достоверности контроля среды обитания целесообразно использование в системе нескольких тестируемых животных 21. В этом случае компьютер 1 принимает решение о наличии загрязнения среды обитания, если более, чем половина используемых в системе тестируемых животных 21 изменила характер относительного движения частей тела.

Информация о загрязнении среды обитания отображается оператору системы биологического мониторинга среды обитания животного на мониторе

компьютера 1. Кроме того, оповещение персонала о загрязнении может осуществляться сигнализатором экологической опасности, который подключен к компьютеру 1, но на фигурах не показан.

В случае формирования системой биологического мониторинга среды обитания животного сигнала экологической опасности осуществляют отбор пробы контролируемой воды для ее последующего химического анализа.

Авторами настоящей полезной модели был разработан опытный образец системы биологического мониторинга среды обитания животного с датчиком относительного движения частей тела животного и в августе 2007 года испытан в лабораторных и натурных условиях для целей контроля водной среды с использованием мидий в качестве тестируемых животных. Испытания показали достаточно высокую эффективность использования системы биологического мониторинга среды обитания животного с датчиком относительного движения частей тела животного для контроля качества водной среды.

Таким образом, датчик относительного движения частей тела животного и система биологического мониторинга среды обитания животного обеспечивают повышение достоверности контроля окружающей среды, упрощение и снижение стоимости эксплуатации системы контроля окружающей среды, а также уменьшение массы и габаритов датчика относительного движения частей тела животного, используемого в данной системе.

1. Датчик относительного движения частей тела животного, содержащий основание, установленный на основании чувствительный элемент, линию передачи сигнала и элемент воздействия на чувствительный элемент, выполненный и установленный с возможностью взаимодействия с чувствительным элементом, отличающийся тем, что он снабжен источником оптического излучения и приемником оптического излучения, линия передачи сигнала выполнена в виде оптического волокна, входной и выходной торцы которого установлены с возможностью оптического контакта соответственно с источником оптического излучения и приемником оптического излучения, чувствительный элемент выполнен в виде петли оптического волокна линии передачи сигнала, основание выполнено с возможностью установки на одной части тела животного, а элемент воздействия на чувствительный элемент выполнен с возможностью установки на другой части тела животного и установлен с возможностью механического взаимодействия с петлей оптического волокна линии передачи сигнала.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника оптического излучения использован полупроводниковый лазер.

3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника оптического излучения использован светодиод.

4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что в качестве приемника оптического излучения использован фотодиод.

5. Датчик по п.1, отличающийся тем, что основание выполнено из отвердевшего клея.

6. Датчик по п.1, отличающийся тем, что основание выполнено из полимерного материала и установлено на теле животного с помощью клея.

7. Система биологического мониторинга среды обитания животного, содержащая, по меньшей мере, один датчик относительного движения частей тела животного, включающий основание, установленный на основании чувствительный элемент, линию передачи сигнала и элемент воздействия на чувствительный элемент, выполненный и установленный с возможностью взаимодействия с чувствительным элементом, по меньшей мере, один усилитель, подключенный к выходу датчика относительного движения частей тела животного, по меньшей мере, один аналого-цифровой преобразователь, подключенный к выходу усилителя, и компьютер, подключенный к выходу аналого-цифрового преобразователя, отличающаяся тем, что ее датчик относительного движения частей тела животного снабжен источником оптического излучения и приемником оптического излучения, линия передачи сигнала датчика относительного движения частей тела животного выполнена в виде оптического волокна, входной и выходной торцы которого установлены с возможностью оптического контакта соответственно с источником оптического излучения и приемником оптического излучения, чувствительный элемент датчика относительного движения частей тела животного выполнен в виде петли оптического волокна линии передачи сигнала, основание датчика относительного движения частей тела животного выполнено с возможностью установки на одной части тела животного, элемент воздействия на чувствительный элемент датчика относительного движения частей тела животного выполнен с возможностью установки на другой части тела животного и установлен с возможностью механического взаимодействия с петлей оптического волокна линии передачи сигнала, а вход усилителя подключен к приемнику оптического излучения.

8. Система по п.1, отличающаяся тем, что в качестве источника оптического излучения ее датчика относительного движения частей тела животного использован полупроводниковый лазер.

9. Система по п.1, отличающаяся тем, что в качестве источника оптического излучения ее датчика относительного движения частей тела животного использован светодиод.

10. Система по п.1, отличающаяся тем, что в качестве приемника оптического излучения ее датчика относительного движения частей тела животного использован фотодиод.

11. Система по п.1, отличающаяся тем, что основание ее датчика относительного движения частей тела животного выполнено из отвердевшего клея.

12. Система по п.1, отличающаяся тем, что основание ее датчика относительного движения частей тела животного выполнено из полимерного материала и установлено на теле животного с помощью клея.



 

Похожие патенты:

Полезная модель относится к области электрохимической технологии обработки воды с обеззараживанием и может быть использована при разработке устройств для получения воды, обогащенной ионами серебра в медицинских целях
Наверх