Transcript Sensors & Transducers - BioMedical Image Analysis

Inleiding Meten
en Modellen – 8C120
Prof.dr.ir. Bart ter Haar Romeny
Faculteit Biomedische Technologie
Biomedische Beeld Analyse
www.bmia.bmt.tue.nl
8C120
Sensor & Transducers
Inleiding Meten
en Modellen – 8C120
8C120
De Meetcyclus: sensors en transducers
Control
en/of
Feedback
Object
Signaal
Meting
Analyse
Informatie
8C120
Sensors en transducers
Transducer ontvangt energie van het te meten object.
Transducer zet deze energie om in een vorm die bruikbaar is
voor het meetsysteem.
Voorbeeld: een kwikthermometer zet temperatuur om in
hoogte van de kwikkolom.
In dit college: transducers die energie omzetten naar het
elektrische domein.
Transducers kunnen zowel aan de ingang (sensor) als aan de
uitgang (actuator) van een meetsysteem voorkomen.
Meestal een wiskundig verband tussen ingang en uitgang van
een transducer.
8C120
Sensors en Transducers
Twee typen transducers: actief en passief
1. Actief (sensor)
•
Externe energiebron nodig
•
Verandering in fysische grootheid leidt tot een verandering in
eigenschappen van de sensor
•
Voorbeeld rekstrookje: verandering in lengte leidt tot een
verandering in weerstand. Deze verandering in weerstand kan alleen
worden waargenomen in een extern elektrisch circuit (externe
energiebron nodig)
8C120
Sensors en Transducers
Twee typen transducers: actief en passief
2. Passief of self-generating (transducer)
•
Geen externe energiebron nodig
•
Converteert fysische grootheid rechtstreeks naar elektrisch signaal
•
Voorbeeld: thermokoppel  temperatuurverschil tussen twee
draden leidt tot elektrische stroom
8C120
Sensors en Transducers
on
c
E
om
Transductie tussen fysische domeinen
h
isc
ele
flo ktro
m
w
m ag
luidspreker / microfoon, eter neti
/ p sch
lineaire motor /generator,
om e
p
piezo-element,
hefboom,
katrol-reductie
e
spi
r
zuiger,
trommelvlies
Hydraulisch,
Pneumatisch,
Acoustisch
trilhaarcel
translatie
Mechanisch
sm
ko oork
elk le
as p,
t
Elektrisch
motor / generator,
draaispoelmeter
Stirlingmotor
transmissie
(versnellingsbak)
Uitzetting,
geheugen metaal
ve
rbr
ex andi
pa ng
nd s-m
e
ex gas, ren oto
r:
plo
d
sie
Ohmse
weerstand
Thermisch
,
tie er
rp tral
o
s
s
ab arte
w
z
transformator
rotatie
pomp,
propellor,
turbine
rem,
wrijving
schroefspindel,
lier
kruk-as,
wiel
Pe
exotherme reaktie:
verbranding
endotherme
reaktie
Chemisch,
nucleair
lem
-e
r
ltie
t
en
Accu, Batterij,
brandstofcel,
zenuw
photo-diode:
(zonnecel)
staafjes,
kegeltjes
LED,
Laser,
vlamboog
Straling,
Licht
Fotosynthese
A. Veltman, 11-98
8C120
Sensors en Transducers
Klassificatie
Op basis van operationeel principe:
1.
Resistive sensors en bridge circuits
2.
Capacitive sensors
3.
Inductive sensors
4.
Self-generating transducers
5.
Selectie criteria voor transducers
8C120
8C120
Resistive sensors - Potentiometer
Potentiometer
Vi +
-
▓
V0
xi
+
Vi -
R1
R2
Positie Xi bepaalt de verhouding tussen R1 en R2
Kleine Xi betekent grote R1 en kleine R2
De verhouding R1:R2 bepaalt de uitgang V0
Op deze manier kan de potentiometer positie Xi bepalen
V0
xi
8C120
Figure 2.1 Three types of potentiometric devices for measuring displacements
(a) Translational. (b) Single-turn, (c) Multiturn.
(From Measurement Systems: Application and Design, by E. O. Doebelin. Copyright © 1990 by McGraw-Hill, Inc.
Used with permission of McGraw-Hill Book Co.)
8C120
Resistive sensors
Rekstrookje (dit college)
RTD
(resistive temperature device):
weerstand platina neemt toe
bij toename temperatuur
8C120
Resistive sensors
Photoconductive cells:
lichtabsorbtie leidt tot verandering in
elektronenconfiguratie wat leidt tot
afname weerstand
Thermistor (NTC, Reader 1):
weerstand halfgeleider neemt toe
bij toename temperatuur
8C120
Rekstrookje – strain gauge
4 mm
8C120
Motor unit
research with
intramuscular
wires (25μ).
PhD Utrecht,
1979-1983
8C120
• B. M. ter Haar Romeny: "Organization and control of
motor units in human upper arm muscles", PhD Thesis,
University of Utrecht. Promotor : prof. dr. ir. J. J. Denier
van der Gon, Copromotor: prof. dr. D. Kernell (Univ.
van Amsterdam), 6 June 1984.
• B. M. ter Haar Romeny, J. J. Denier van der Gon and
C. C. A. M. Gielen: "Changes in recruitment order of
motor units in the human biceps muscle", Exp. Neurol.,
vol. 78, pp. 360-368, 1982.
•B. M. ter Haar Romeny, J. J. Denier van der Gon and
C. C. A. M. Gielen: "Relation between location of a
motor unit in the human biceps brachii and its critical
firing levels for different tasks", Exp. Neurol., vol. 85,
pp. 631-650, 1984.
• B. M. ter Haar Romeny, W. C. Nuijen, A. D. L.
Magielse: "Single Fibre Electromyography with a
personal computer", Med. Biol. Eng. Comp., vol. 22,
no. 3, pp. 240-244, 1984.
8C120
8C120
Resistive sensors – strain gauge
Rekstrookje (strain gauge)
Rwire = ρ·L/A
ρ = soortelijke weerstand [Ωm]
L = lengte van de draad [m]
A = doorsnede [m2]
ρ varieert per metaalsoort
Dunne draden (25 μm) worden gebruikt om kleine
lengte veranderingen te meten (~nm)
8C120
R
R
L
L
8C120
Resistive sensors – Wheatstone bridge
Resistive sensors produceren vaak kleine veranderingen in weerstand
Om deze kleine veranderingen te detecteren gebruikt men vaak
de zgn. brug van Wheatstone (zie BZ2 opg 7)
Ubat
A
B
R1, R2, R3 en R4 zijn de sensoren.
Verschil in weerstand wordt gemeten
door spanningsverschil te meten tussen
A en B.
8C120
From: http://www.eng.cam.ac.uk/DesignOffice/mdp/electric_web/DC/DC_9.html
8C120
8C120
8C120
8C120
8C120
Klinische bloeddruk transducer
Figure 2.2 (a) Unbonded strain-gage pressure sensor. The diaphragm is directly coupled by
an armature to an unbonded strain-gage system. With increasing pressure, the strain on
gage pair B and C is increased, while that on gage pair A and D is decreased, (b) Wheatstone
bridge with four active elements. R1 = B, R2 = A, R3 = D, and R4 = C when the unbonded
strain gage is connected for translational motion. Resistor Ry and potentiometer Rx are used
to initially balance the bridge, vi is the applied voltage and Dvo is the output voltage on a
8C120
voltmeter or similar device with an internal resistance of Ri.
Figure 2.5 Isolation in a disposable blood-pressure sensor. Disposable blood pressure sensors are
made of clear plastic so air bubbles are easily seen. Saline flows from an intravenous (IV) bag through
the clear IV tubing and the sensor to the patient. This flushes blood out of the tip of the indwelling
catheter to prevent clotting. A lever can open or close the flush valve. The silicon chip has a silicon
diaphragm with a four-resistor Wheatstone bridge diffused into it. Its electrical connections are
protected from the saline by a compliant silicone elastomer gel, which also provides electrical isolation.
This prevents electric shock from the sensor to the patient and prevents destructive currents during
defibrillation from the patient to the silicon chip.
8C120
Disposable and wearable
blood pressure sensors
8C120
Capacitive sensors:
Het object dat gemeten wordt kan de
capaciteit van een plaatcondensator veranderen
Verandering in capaciteit wordt o.a gemeten m.b.v brugcircuit
(n  1) A
C   r 0
d
0 = permittivity vrije ruimte = 8.85 10-11 F/m
r = relatieve permittivity
n = aantal platen
A = oppervlak plaat [m2]
d = afstand tussen platen [m]
8C120
Capacitive sensors
Voorbeelden
1.
Capacitance microphone: ruimte tussen twee
parallelle platen wordt beïnvloed door akoustische
motion
level
druk
2.
Capacitive level indicator: het niveau van een vloeistof
tussen twee parallelle platen bepaalt de capaciteit
3.
Capacitive displacement indicator: verplaatsing van
een van de platen leidt tot verandering in capaciteit
motion
8C120
Capacitive sensors
C
X0
Vi=E
R
Vu

Als platen niet bewegen:
Spanning over condensator VC = E
Spanning over weerstand VR = 0, dus Vu = 0
Als platen bewegen:
Capaciteit C verandert, dus ook lading Q in condensator
Er gaat een stroom lopen en spanning over weerstand wordt VC – E,
dus ook VU = VC – E
8C120
Capacitive sensors
C
X0
Vi=E
R
Vu

Het teken van VU wordt bepaald door bewegingsrichting X0
Snelle beweging  grote stromen  hoge spanning VU
Langzame beweging  kleine stromen  lage spanning VU
Exacte eigenschappen meetsysteem afhankelijk van R en weerstand
spanningmeter
8C120
Sensitivity:
Figure 2.9 Capacitance sensor for
measuring dynamic displacement changes.
MMA
8C120
Figure 2.12 (a) High-frequency circuit model for piezoelectric sensor. Rs is the sensor leakage
resistance and Cs the capacitance. Lm, Cm, and Rm represent the mechanical system, (b)
Piezoelectric sensor frequency response. (From Transducers for Biomedical Measurements: Principles
and Applications, by R. S. C. Cobbold. Copyright (c) 1974, John Wiley and Sons, Inc. Reprinted by
8C120
permission of John Wiley and Sons, Inc.)
8C120
From: http://www.zaoqiche.com/qczz/qcyy/ywlw/110946.asp
8C120
8C120
8C120
Inductive sensors
Het te meten object verandert de self-inductance of mutual inductance
van een spoel
L = n2·G·μ [H] [Henry = Vs/A]
n = aantal windingen in de spoel
G = factor voor geometrische vorm
μ = effective permeability van medium
2 spoelen  transformator
8C120
Inductive sensors
Voorbeeld: verplaatsing van magneetkern in de spoel verandert G en dus de
self-inductance (fig a) of de mutual inductance (fig b)
Meer ferric (ijzer-achtig) materiaal in de spoel verhoogt L
Toepassing: LVDT – Linear Variable Differential Transformer (fig c)
Voordeel van dit type sensor: geen mechanische slijtage
8C120
Transducers - thermocouple
Self generating transducers
Voorbeeld 1: thermokoppel
Een klein spanningsverschil (thermionic) ontstaat wanneer twee draden van
verschillend metaal aan een uiteinde met elkaar worden verbonden
Spanningsverschil is proportioneel gerelateerd aan temperatuur (Seebeck
effect)
Als beide uiteinden verschillende temperatuur hebben zijn
spanningsverschillen aan beide uiteinden verschillend
Als beide uiteinden verbonden zijn via een circuit ontstaat stroom; grootte
van deze stroom is afhankelijk van temperatuurverschil tussen de twee
uiteinden
Sensor uiteinde wordt “hot” genoemd
Referentie uiteinde wordt “cold” genoemd
Temperatuur referentie blijft constant (bijv. smeltend ijs)
8C120
Transducers - thermocouple
Metal A
Thermokoppel:
J1
T1
J2
T2
Metal B
Gebruik thermokoppels om temperatuur te meten
Metal A
J2
J1
T1
Vo
Metal B
J3
Het temperatuurverschil tussen J1 en J2/J3 wordt gemeten. J2 en J3
worden op een konstante temperatuur gehouden.
8C120
Transducers - thermocouple
V0 ≈ α (T1 – T2)
De metalen worden bepaald door het temperatuurbereik:
ijzer versus koper-nikkel:
0 oC tot 750 oC
kopers versus koper-nikkel: -200 oC tot 300 oC
Thermokoppels hebben een lineaire gevoeligheid (sensitivity),
bijv. 58.5 μV/oC (Seebeck coëfficient)
Als de sensitivity bekend is, dan is het spanningsverschil een
maat voor de temperatuur (onder voorwaarde dat de
referentietemperatuur bekend is)
8C120
8C120
8C120
From: http://www.eng.cam.ac.uk/DesignOffice/mdp/electric_web/DC/DC_9.html
8C120
8C120
Thermo-dilution:
Measuring blood flow by
thermal dilution
www.introtoccnursing.com/thermodilution.php
8C120
Transducers – piezoelectric crystal
De kristalstructuur wordt verstoord bij
mechanische rek
Dit leidt tot relatieve verplaatsing van
positieve en negatieve ladingen (in speciale
piezo kristallen)
Dit leidt tot elektrische lading aan de
tegenoverliggende zijden van het kristal
8C120
Transducers – piezoelectric crystal
Lading is gerelateerd aan kracht F:
Q = k·F
k [C/N] = piezo-electrische constante voor het kristal
De tegenoverliggende zijden van het kristal fungeren als een
condensator met een spanningsverschil erover
V = Q/C = (k·F·x)/(ε0·εr·A)
x = afstand tussen tegenoverliggende zijden
A = oppervlakte van het kristal
εr = relatieve di-elektrische konstante van het kristal
8C120
8C120
Transducers – piezoelectric crystal
Eigenschappen:
Spanningsverschillen in mV bereik, afhankelijk van konstante k
Alleen toepasbaar wanneer mechanische spanning snel
verandert: langzame verandering in mechanische spanning
leidt niet tot lading in het kristal
Wordt vaak gebruikt voor meting van harttoon (heart sound)
en fysiologische verplaatsingen
8C120
Transducers – piezoelectric crystal
Toepassing: ultrageluid (ultrasound, echo/Doppler)
Spanningsverschil over kristal leidt tot verplaatsing
Met de juiste materialen kan een ultrageluidgolf met bepaalde
frequentie worden gegenereerd
Geluidgolf wordt gereflecteerd door bewegende bloedcellen
Frequentie van gereflecteerde geluidgolf is gerelateerd aan
beweging vanwege Doppler effect
Gereflecteerde golf veroorzaakt spanningsverschil over het kristal
Spanningsverschil waargenomen en de frequentie is gerelateerd
aan de stroomsnelheid van het bloed
8C120
Transducers – piezoelectric crystal
Ultrasound voor het meten van weefsel:
Vanwege de eindige snelheid van het geluid, worden
ultrageluidgolven door verschillende gebieden op verschillende
tijden teruggekaatst
Diepte (afstand tot probe) is gerelateerd aan het tijdverschil
tussen zenden en ontvangen
Amplitude van de ontvangen golf is gerelateerd aan de
weefselsamenstelling
8C120
2D
3D
8C120
With ‘phased array’ technology the beam
can be steered in any direction.
8C120
Sensors en Transducers
Beschrijving van de domeinen niet volledig:
Chemisch domein niet behandeld
Electromagnetisch domein niet behandeld
Er bestaan ook sensoren in deze domeinen:
Ion sensor (pH, PCO2 of PO2): zet ion concentratie om naar
elektrisch signaal
Photomultipliers: zet licht om naar elektrisch signaal
(photoemissive sensors, zie reader 2)
8C120
8C120
Sensors en Transducers - selection
Selectie van sensoren/transducers op basis van
onderstaande eigenschappen:
Range: meetbereik
Input threshold: laagst detecteerbare ingang
Dynamic behavior: reactie van het systeem op een
verandering in het ingangsignaal
Accuracy: nauwkeurigheid
Resolution: kleinst detecteerbare toename in
ingangsignaal
Repeatability: is de meting reproduceerbaar?
Hysteris: geheugeneffect, invloed van meethistorie op het
resultaat
8C120
Sensors en Transducers - selectie
Selectie van sensoren/transducers op basis van operationele
omstandigheden, zoals:
• Natural hazards
• Human-caused hazards
• Power requirements
• Signal amplification requirements
• Physical requirements
• Loading effects: impedance matching
• Calibration range and interval
8C120
Sensors en Transducers - overview
Type
Rekstrook (sensor)
Potentiometer (sensor)
NTC, RTD (sensor)
Afhankelijkheid
Verplaating  weerstand
Verplaatsing  weerstand
Temperatuur  weerstand
NTC: Negative Temperature Coefficient.
RTD: Resistance Temperature Detector
Capacitive microphone (sensor) Verplaatsing  capaciteit
LVDT (sensor)
Verplaatsing inductie
LVDT: Linear Variable Differential Transformer
ISFET (sensor)
Stof lading  geleiding
ISFET: Ion Sensitive Field Effect Transistor
Ion sensor (sensor)
Photo multiplier (sensor)
Liquid crystal (sensor)
Thermokoppel (transducent)
Piezo (transducent)
Ion conc potentiaalverschil
Fotonen elektrische stroom
Elektr. spanning licht polarisatie
Thermisch elektrisch
Translatie elektrisch
8C120
Biosensors
Response
Analyte
Analysis Detection Sample
handling/preparation
Signal
8C120
What do you want to detect?
Molecule
Protein, toxin, peptide, vitamin, sugar, metal ion
Cholera toxin
Glucose
8C120
Detection/Recognition
Fab
How do you specifically recognize the analyte?
Active site
Membrane receptors
Competitive binding
Fc
Antibody
Enzyme
Cell
Polymer/Hydrogel
8C120
How do you know there was a detection?
Specific recognition?
Common signaling principles
Optical (SPR, ELM, IR)
Electrical (Voltammetry,
Potentiometry, Conductivity)
Electromechanical (QCM)
Thermal
Magnetic
Pressure
Often the detector is immobilized on a solid support/sensor
8C120
Examples of biosensors
Pregnancy test
Detects the hCG protein in
urine. Interpretation and data
analysis performed by the user
Glucose monitoring device
(for diabetes patients)
Monitors the glucose level in
the blood. Interpretation and
data analysis performed by a
microprocessor.
8C120
Examples of biosensors
Infectous disease biosensor from RBS
Data analysis and
interpretatoin performed by a
microprocessor
Old time coal miners’ biosensor
Data analysis and interpretation
performed by the coal miner.
8C120