dossier SPO2 TPE 200 2007

La cellule photoélectrique
pour les capteurs de spo2
Forestier Marion
Franchomme Gwendoline
Valente Marie-Elisa
Introduction :
Lorsque l'on traite des patients, il est intéressant de pouvoir
évaluer de manière continue la quantité d'oxygène présente dans le
sang. Aux cours des dernières décennies, les ingénieurs médicaux ont
mis au point un appareil pouvant donner une lecture continue de la
saturation en oxygène de l'hémoglobine. Bien qu'il ne donne aucun
renseignement précis sur la pression partielle en oxygène du contenu
sanguin, il permet néanmoins la détection rapide d'une hypoxémie
(manque d’oxygène dans le sang par rapport au besoin cellulaire).
Problématique :
*Qu’est-ce qu’une cellule photoélectrique ?
*Quelle est l’utilité de la cellule photoélectrique dans les
capteurs de spo2 ?
Sommaire :
Partie 1 : l’effet photoélectrique
I Qu’est-ce qu’un capteur ?
II . La cellule photoélectrique
1.1 Qu’est-ce que les photons ?
1.2 L’effet photoélectrique
1.3 La cellule photoélectrique
2. Les usages de la cellule photoélectrique
Partie 2 : Utilité de cette cellule pour détecter le taux
d’oxygène dans le sang
I .Qu’est-ce que la spo2 ?
II.A quoi sert la cellule photoélectrique dans cette
application ?
Partie 3 : Expérience
I. Qu’estQu’est-ce qu’un capteur?
Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique
observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une
intensité, la déviation d'une aiguille…
Le capteur se distingue de l'instrument de mesure par le fait qu'il ne s'agit que
d'une simple interface entre un processus physique et une information
manipulable. Par opposition, l'instrument de mesure est un appareil autonome se
suffisant à lui-même. Il dispose donc d'un affichage ou d'un système de stockage
des données. Ce qui n'est pas forcément le cas du capteur.
Les capteurs sont les éléments de base des systèmes d'acquisition de données.
Il existe différents types de capteurs:
.de son : comme les microphones
.de température : comme les thermomètres
.de pression : comme le baromètre
.de lumière : comme la cellule photoélectrique qui sera l’objet de notre étude
.de débit, de niveau (par radar), de déplacement (capteur de proximité)…
Capteur de son
Capteur de lumière
Capteur de rayonnement
II. Qu’estQu’est-ce qu’une cellule photoélectrique ?
1.1 Qu’estQu’est-ce que les photons ?
En physique des particules, le photon est une particule élémentaire, médiateur de
l'interaction électromagnétique. Concrètement, la matière est constituée d'atomes, la lumière
de photons. Les photons sont des « paquets » d'énergie élémentaires qui sont échangés entre
deux particules. Ils sont une sorte de concentré de l'énergie et de la quantité de mouvement
(pression de radiation) des rayonnements électromagnétiques.
Les sources de rayonnement habituelles (antennes, lampes, laser, ...) produisent de très
grandes quantités de photons.
1.2 L’effet photoélectrique :
L'effet photoélectrique est l'émission d'électrons par un matériau,
généralement métallique lorsque celui-ci est exposé à la lumière ou un rayonnement
électromagnétique de fréquence suffisamment élevée, qui dépend du matériau. Il fut
découvert dès 1887, par Hertz.
L'effet photoélectrique est le suivant : quand un photon de fréquence n rencontre un métal,
il en éjecte un électron d'énergie hn. Si on établit une différence de potentiel entre ce métal (la
cathode) et une autre plaque métallique, l'anode, un flux de photons donnera naissance à un
courant d'électrons, donc à un courant électrique dans un circuit extérieur reliant l'anode à la
cathode. Pour augmenter la sensibilité, on utilise la propriété de certaines couches métalliques
de libérer plusieurs électrons quand un seul électron vient les frapper. On peut ainsi recueillir
un courant de 1000 000 électrons pour un seul électron émis par la cathode : on a là un
photomètre photoélectrique à photomultiplicateur.
L'effet
photoélectrique :
Les photons sont transformés en électrons par la cathode;
le nombre d'électrons est amplifié par les dynodes et transformé
en courant électrique par l'anode.
Mise en évidence de l’effet photoélectrique :
A : Galvanomètre
B : plaque de cuivre
C : plaque de plomb
D : acide nitrique
E : lampe
Le galvanomètre réagira et lorsque la
lumière sera éteinte, l'aiguille du
galvanomètre reviendra
à sa position initiale. Cela prouve que le courant
électrique est produit lorsque la lumière éclaire
la plaque de cuivre.
1.3 La cellule photoélectrique :
1.3.1 Définition :
Le capteur de proximité infrarouge (capteur
photoélectrique) se compose d'un émetteur de
lumière à diode infrarouge associé à un
récepteur photosensible. La détection d'un
objet se fait par coupure ou variation d'un
faisceau lumineux. Le signal est amplifié pour
être exploité par la partie de commande. Les
récepteurs ont comme élément de base des
dispositifs
sensibles
au
rayonnement
infrarouge.
1.3 .2 La cellule photoélectrique
photoélectrique :
Le bloc fonctionnel :
Construction d’une cellule photoélectrique :
La cellule photoélectrique est constituée
d’une ampoule de verre scellée,
cylindrique très allongée. La moitié de
l’ampoule est recouverte intérieurement
d’un métal alcalin (généralement du
potassium).
On place une plaque
métallique à l’intérieur de laquelle on
situe une tige métallique. On l’appelle
respectivement cathode (en mauve), car
la plaque métallique sera une source
d’électrons, et anode (en vert) car la
tige, de charge positive, attirera ces
électrons et les évacuera.
On voit dans le schéma ci-contre
une absence de liens physique
entre la cathode et l’anode. Les
électrons circuleront dans le vide,
projetés par le choc des photons
sur la cathode, et seront évacués
par l’anode.
1.3.3 Théorie sur la cellule photoélectrique :
La première cellule photoélectrique fut créée en 1889 et
l’effet photoélectrique en 1887 par Hertz : une étincelle éclate
plus facilement entre deux conducteurs lorsque le conducteur
chargé négativement est éclairé. Lénard, élève de Hertz établit
en 1902 que l’énergie cinétique des électrons ne dépend pas
de la puissance lumineuse reçue par la cathode. La principale
loi sur l’effet photoélectrique est celle de Millikan : cette loi dicte
une relation liant l’énergie cinétique Ecm des électrons à la
fréquence f de la lumière qui éclaire la cathode :
Ec ≤ Ecm = h(f-f0)
f0 est une constante qui dépend de la nature du métal. On note
l’existence d’un seuil pour le phénomène : pour f < f0 il n’y a pas
d’effet photoélectrique quelque soit l’intensité du rayon
lumineux. h est une constante universelle h=6,626×10 – 34
Joule.seconde.
Schématisation de l’effet photoélectrique
2. Quelques usages de cellule photoélectrique :
Les avertisseurs de fumée à cellule photoélectrique
Les avertisseurs à cellule photoélectrique
comportent une diode électroluminescente
(DEL) qui envoie un faisceau lumineux dans
une chambre. Lorsque la fumée pénètre dans la
chambre, les particules diffusent les photons.
Une photocellule placée en angle par rapport à
la diode détecte la lumière et déclenche
l'avertisseur.
Au cours des essais, les avertisseurs à cellule
photoélectrique se sont avérés plus efficaces en
présence de feux couvrants à combustion lente
qui peuvent brûler pendant des heures avant de
s'enflammer et d’émettre de grosses particules
de fumée. Ce type de feux comprend les feux
de cigarettes dans la literie et l'ameublement.
La cellule photoélectrique pour compter le nombre de
participants à une manifestation :
Chaque passage de personnes coupe un
faisceau lumineux qui éclaire une
cellule photoélectrique lorsque le signal
est coupé la cellule détecte la présence
d’une personne. Ainsi on peut
connaître le nombre de participants
durant un rassemblement.
Partie II:
L’utilité de la cellule photoélectrique dans les capteurs de
spo2
I.Qu’est--ce que la spo2 ?
I.Qu’est
Depuis une dizaine d'années, les services hospitaliers se sont
grandement modifiés. Dans la suite de ces modifications en ayant
comme but d'améliorer les soins aux malades, un nouvel outil dans la
prise des signes vitaux fut introduit : le saturomètre. . Ce paramètre,
nommé SpO2 (saturation pulsatile en O2) mesure la saturation en
oxygène du sang artériel, c’est-à-dire le pourcentage d’hémoglobine
oxygénée.
L’oxymétrie de pouls s’est imposée, d’abord en anesthésie puis en
réanimation. L’oxymétrie de pouls est un outil précieux chez les patients
permettant un monitorage de l’oxygénation sanguine et donc le
dépistage précoce et la correction plus rapide des hypoxémies (lorsque
la quantité d’oxygène délivrée aux tissus est insuffisante par rapport aux
besoins cellulaires).
Nous allons voir également la fonction globale de ce capteur :
Bloc fonctionnel :
II. A quoi sert la cellule photoélectrique dans cette
application ?
Le principe physique sur lequel a été développé l'oxymètre repose sur
le fait que la couleur du sang dépend de la quantité d'hémoglobine
saturée avec l'oxygène. Il existe donc deux types d'hémoglobines soit
l'hémoglobine saturée (oxyhémoglobine) de couleur rouge clair et
l'hémoglobine non saturée (désoxyhémoglobine) de couleur bleutée. Le
capteur que l'on met en contact avec la peau contient deux diodes qui
émettent deux longueurs d'onde différente soit 660 nm (dans le rouge) et
940 nm (dans le bleu). Étant donné que chaque couleur absorbe une
longueur d'onde différente, la différence entre les deux longueurs d’onde
est rapidement connue grâce à la cellule photoélectrique qui reçoit un
rayon d’une certaine intensité qui rejette alors une quantité d’électrons
qui grâce à la cellule photoélectrique sera transformée en courant
électrique et qui sera convertie en pourcentage de saturation par le
microprocesseur.
Traitement du signal
Le signal permet surtout de traiter les variations de la saturation en
oxygène. Pour cela le traitement du signal se déroule comme cidessous :
Cellule photoélectrique → Rapport des amplitudes → Moyenne → calculateur → SPO2
(rouge, infrarouge)
Sites et documents consultés pour la réalisation du projet :
http://www.techno-science.net
http://www.comm.uqam.ca/GRAM/C/MT/mul/mult45.html
http://users.skynet.be/chr_loockx_sciences/cellule_photo.htm
http://www.walter-fendt.de/ph11f/photoeffect_f.htm
http://www.pensifs.com/sciences
http://www-ipb.u-strasbg.fr/edu/pcem2/grucker3/sld005.htm
http://www.hearthandcoeur.com
Livre: Technologie de l’électricité
Encyclopédie Encarta et Universalis