Sensori di spostamento
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Transcript Sensori di spostamento
Sensori e loro principio di funzionamento
• Trasduttore: dispositivo che converte una forma di energia in
un’altra
• Sensore: converte un parametro fisico in una grandezza elettrica
• Attuatore: converte un segnale elettrico in una grandezza fisica
Sensori di spostamento
Misurano le variazioni delle dimensioni, forma e posizione degli organi e dei
tessuti del corpo.
•Misure dirette:
– Variazioni nel diametro dei vasi sanguigni, del volume e forma delle camere
cardiache, del volume dei muscoli o della casssa toracica
•Misure indirette:
– Misurano il movimento dei liquidi attraverso le valvole del cuore (movimento del
diaframma di un microfono che rivela indirettamente il movimento del cuore e i
rumorii del cuore)
•Tipi di sensori:
– Resistivo
– Capacitivo
– Piezoelettrico
Sensori di spostamento
Sensori resistivi
Strain gauge
•
Basati sulla variazione di resistenza di un filo dovuta a variazioni nel diametro,
lunghezza e resistività.
•
La resistenza di un filo può essere espressa in funzione della lunghezza L (m),
della resistività r (Wm), area A (m2) secondo la legge:
R
dR
rdL
A
rL
A
rA2 LdA L
R L A r
R
L
A
r
dr
A
Sensori di spostamento
Strain gauge
Le variazioni di L ed A sono legate dal rapporto di Poisson m secondo la relazione:
D
L
m
D
L
D diametro
R
L r
(1 2m )
R
L
r
Effetto
dimensionale
Fattore di Gauge, G:
Effetto
piezoresistivo
R / R
r / r
G
(1 2m )
L / L
L / L
Sensori di spostamento
Strain gauge
METALLI
SEMICONDUTTORI
• Predomina effetto geometrico
• Predomina effetto piezoresistivo
G~2
G ~ 100
•Altri parametri di interesse:
coefficiente di temperatura della resistenza:
coefficiente di temperatura di G:
Semiconduttori: variazione resistività con la temperatura
TCR
R R
T
DG G
TCG =
DT
compensazione
Sensori di spostamento
Strain gauge metallici semplici
a) Resistance-wire type.
(b) Foil type.
Compensazione in temperatura: dummy gauge non sottoposto a strain o struttura particolare!
Sensori di spostamento
Circuiti a ponte di Wheatstone
c
R2
R1
Rx
ui
b
a
Ry
R4
R3
d
uo
Ri
Se R1/R2=R4/R3 ponte bilanciato v0=0
La resistenza Ry and il potenziometro Rx sono usati per bilanciare inizialmente il ponte. vi è la
tensione applicata e v0 è la tensione d’uscita su un voltmetro con resistenza interna Ri.
Coefficiente di espansione termico substrato-strain gauge!
Sensori di spostamento
Strain gauge a semiconduttore
Uniformemente drogato
Semiconduttore di tipo p diffuso
v0 Gk
=
p
vi Ea
Sensori di spostamento
Sensore integrato di pressione
4 cm
Clear plastic
Saline
To patient
Gel
Silicon chip
Flush valve
IV tubing
Electrical cable
Sensori di spostamento
Strain gauge a semiconduttore
v0
= Ge
vi
My
s = Ee =
I
Fbh Fbh ×12 6Fb
s=
=
=
= Ee
3
2
2I
2Wh
Wh
v0
6b
=G
F
2
vi
Wh E
e=
DL
L
M momento =Fb
y=h/2
I momento di inerzia=Wh3/12
6Fb
e=
Wh 2 E
Sensori di spostamento
Sensore integrato di forza per la misura della pressione oculare
Sensori di spostamento
Strain gauge elastici
Utilizzati nelle misure delle dimensioni cardiovascolari, pletismografiche
Consistono di un tubo di gomma (0.5-2 mm diametro, 3-25 cm di lunghezza) riempito con
mercurio o con pasta conduttiva
Bridge output for venousocclusion plethysmography.
Bridge output for arterialpulse plethysmography.
Sensori di spostamento
Sensori capacitivi
A
C 0 r
x
K
C
A
0 r 2
x
x
dC
C
dx
x
dC
dx
C
x
Capacitore a facce piane e parallele
K, guadagno
Sensori di spostamento
Sensore capacitivo
per determinare variazioni di spostamento dinamico
In condizioni stazionarie:
v1 E
In corrispondenza di una variazione x:
Filtro passa-alto:
x x1 x0
V0 ( j ) ( E / x0 ) j
X 1 ( j )
j 1
v0 v1 E
RC R 0 r A / x0
• Molte variabili fisiologiche hanno componenti a bassa frequenza
• Movimento respiratorio di un paziente su un lettino
• Pressione tra piede e scarpa
Sensori di spostamento
Sensori piezoelettrici
Misurano gli spostamenti fisiologici (respiro) e registrano i battiti cardiaci
q=kf
kf
kfx
v
C 0 r A
k costante piezoelettrica, (C/N)
n variazione di tensione indotta
k = 2.3 pC/N quarzo
k = 140 pC/N titanato di bario
Sensori di spostamento
Circuito elettrico equivalente di un sensore piezoelettrico
x
Cable
e Amplifier
Crystal
Charge
generator
q = Kx
Rs
Cs
Cc
Amplifier
+
iAmplifier = 0
uo
Ca
-
ia= 0
is
Charge
generator
is = dq/dt=Kdx/dt
Rs = sensor leakage resistance
Cs = sensor capacitance
Cc = cable capacitance
Ca = amplifier input capacitance
Ra = amplifier input resistance
q = charge generator.
iC
C
iR
R
+
uo
R = Ra Rs /(Ra+ Rs )
C = Cs + Cc + Ca
Modified equivalent circuit
with current generator replacing
charge generator.
Sensori di spostamento
iS iC iR
1
v0 vC iC dt
C
dx v0
dv
iS i R C 0 K
dt R
dt
V0 ( j ) K S j
X ( j ) j 1
KS=K/C sensibilità, V/m
=RC costante di tempo
C
KS
Sensori di spostamento
R
is
C
dqs/ dt = is = K dx/dt
uo
isC
isR
+
FET
Sensore piezoelettrico
L’amplificatore trasferisce la carica generata dal sensore piezoelettrico alla capacità di controreazione C
1 t1 dx
KX
v0 K dt
C 0 dt
C
Sensori di spostamento
Cardiologia: - fonocardiografia alla superficie del corpo e intracardiaca
- suoni di Korotkoff (generati dal flusso di sangue e dalle vibrazioni
dei vasi sanguigni) nelle misure di pressione del sangue
- accelerazioni fisiologiche dovute al movimento umano
Il primo suono di Korotkoff rivela la pressione sistolica, mentre la
transizione dal muffling al silenzio indica la pressione diastolica.
TABLE 47.6
Sensor
Liquid metal strain
gauge
Examples of Biomedical Applications of Physical
Sensors
Application
Signal Range
Reference
Breathing movement
0–0.05
Limb plethysmography
0–0.02
3
Magnetic
displacement sensor
Breathing movement
0–10 mm
10
LVDT
Muscle contraction
0–20 mm
Uterine contraction sensor
0–5 mm
11
Load cell
Electronic scale
0–440 lbs (0–200
kg)
12
Accelerometer
Subject activity
0–20 m/s2
13
Miniature silicon
pressure sensor
Intra-arterial blood
pressure
0–50 Pa (0–350
mm Hg)
Urinary bladder pressure
0–10 Pa (0–70 mm
Hg)
Intrauterine pressure
0–15 Pa (0–100
mm Hg)
14