Inleiding Meten en Modellen – 8C120

Prof.dr.ir. Bart ter Haar Romeny

Faculteit Biomedische Technologie Biomedische Beeld Analyse www.bmia.bmt.tue.nl

8C120

8C120

Sensors en Transducers Ec on om isc h Transductie tussen fysische domeinen sp ier zuiger, trommelvlies Hydraulisch, Pneumatisch, Acoustisch pomp, propellor, turbine sm ko oo elk rkle p, ver bra ndin exp gas los , ie gs mo tor: rem, wrijving ab zw so ar rp te tie st , ra le r hefboom, katrol-reductie translatie Mechanisch schroefspindel, lier kruk-as, wiel ele flow ktro m luidspreker / microfoon, lineaire motor /generator, piezo-element, trilhaarcel ma gne Elektrisch tisc p he rotatie motor / generator, draaispoelmeter transformator Stirling motor transmissie (versnellingsbak) Uitzetting, geheugen metaal Thermisch Ohmse weerstand Pe ltie r-e le m en t photo-diode: (zonnecel) staafjes, kegeltjes exotherme reaktie: verbranding Accu, Batterij, brandstofcel, zenuw endotherme reaktie Chemisch, nucleair Fotosynthese Straling, Licht LED, Laser, vlamboog

A. Veltman, 11-98

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 Klassificatie Op basis van operationeel principe: 1.

2.

3.

4.

5.

Resistive sensors en bridge circuits Capacitive sensors Inductive sensors Self-generating transducers Selectie criteria voor transducers 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

Resistive sensors 1. Rekstrookje (dit college) 2. RTD (resistive temperature device): weerstand platina neemt toe bij toename temperatuur 3. Thermistor (NTC, Reader 1): weerstand halfgeleider neemt toe bij toename temperatuur 4. Photoconductive cells (Reader 2): lichtabsorbtie leidt tot verandering in elektronenconfiguratie wat leidt tot afname weerstand 5. Potentiometer: positie van de knop bepaalt de weerstand (dit college) 8C120

Resistive sensors - Potentiometer Potentiometer V i + ▓ x i V 0 V i + Positie X i Kleine X i bepaalt de verhouding tussen R betekent grote R 1 en kleine R 2 1 en R De verhouding R 1 :R 2 bepaalt de uitgang V 0 Op deze manier kan de potentiometer positie X i 2 bepalen R 1 R 2 x i V 0 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, Used with permission of McGraw-Hill Book Co.) by E. O. Doebelin. Copyright © 1990 by McGraw-Hill, Inc. 8C120

Rekstrookje – strain gauge 4 mm 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) U bat A B R1 is de sensor. Verschil in weerstand wordt gemeten door spanningsverschil te meten tussen A en B 8C120

Capacitive sensors 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

C

  

r

0 (

n

 1)

A d

  0 r = permittivity vrije ruimte = 8.85 10 -11 = relatieve permittivity n = aantal platen A = oppervlak plaat [m 2 ] d = afstand tussen platen [m] F/m 8C120

Capacitive sensors Voorbeelden 1.

2.

3.

Capacitance microphone: ruimte tussen twee parallelle platen wordt beïnvloed door akoustische druk Capacitive level indicator: het niveau van een vloeistof tussen twee parallelle platen bepaalt de capaciteit Capacitive displacement indicator: verplaatsing van een van de platen leidt tot verandering in capaciteit motion level motion 8C120

8C120

8C120

Capacitieve sensors C X 0 V i =E R V u  Als platen niet bewegen: Spanning over condensator V C Spanning over weerstand V R dus ook V U = V C – E = E = 0, dus V u = 0 Als platen bewegen: Capaciteit C verandert, dus ook lading Q in condensator Er gaat een stroom lopen en spanning over weerstand wordt V C – E, 8C120

C X 0 Capacitive sensors V i =E R V u  Het teken van V U wordt bepaald door bewegingsrichting X 0 Snelle beweging  grote stromen  hoge spanning V U Langzame beweging  kleine stromen  lage spanning V U Exacte eigenschappen meetsysteem afhankelijk van R en weerstand spanningmeter 8C120

Figure 2.9 Capacitance sensor for measuring dynamic displacement changes.

Sensitivity: 8C120

Figure 2.12 (a) High-frequency circuit model for piezoelectric sensor. resistance and C s the capacitance. L m, C m, and Piezoelectric sensor frequency response. (From R R s is the sensor leakage m represent the mechanical system, (b) Transducers for Biomedical Measurements: Principles and Applications , by R. S. C. Cobbold. Copyright (c) 1974, John Wiley and Sons, Inc. Reprinted by permission of John Wiley and Sons, Inc.) 8C120