Prof.dr.ir. Bart ter Haar Romeny Neuroinformatics Inleiding Meten en Modellen – 8C120 Prof.dr.ir. Bart ter Haar Romeny Faculteit Biomedische Technologie Biomedische Beeld Analyse www.bmia.bmt.tue.nl Den Haag, 26 November 2004

Neuroinformatics Den Haag, 26 November 2004

Sensors en Transducers Neuroinformatics Sensors en Transducers Den Haag, 26 November 2004

Sensors en Transducers Neuroinformatics 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) Den Haag, 26 November 2004

Sensors en Transducers Neuroinformatics 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 Den Haag, 26 November 2004

Sensors en Transducers Neuroinformatics Sensors en Transducers Klassificatie Op basis van operationeel principe: Resistive sensors en bridge circuits Capacitive sensors Inductive sensors Self-generating transducers Selectie criteria voor transducers Den Haag, 26 November 2004

Sensors en transducers Neuroinformatics 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. Den Haag, 26 November 2004

Rekstrookje (dit college) Neuroinformatics Resistive sensors Rekstrookje (dit college) RTD (resistive temperature device): weerstand platina neemt toe bij toename temperatuur Thermistor (NTC, Reader 1): weerstand halfgeleider neemt toe bij toename temperatuur Photoconductive cells (Reader 2): lichtabsorbtie leidt tot verandering in elektronenconfiguratie wat leidt tot afname weerstand Potentiometer: positie van de knop bepaalt de weerstand (dit college) Den Haag, 26 November 2004

Resistive sensors - Potentiometer Neuroinformatics Resistive sensors - Potentiometer Potentiometer + - ▓ Vi V0 xi + - Vi V0 xi 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 Den Haag, 26 November 2004

fig_02_01 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.)

Rekstrookje – strain gauge Neuroinformatics Rekstrookje – strain gauge 4 mm Den Haag, 26 November 2004

Resistive sensors – Wheatstone bridge Neuroinformatics 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 R1 R4 R3 R2 A B R1 is de sensor. Verschil in weerstand wordt gemeten door spanningsverschil te meten tussen A en B Den Haag, 26 November 2004

Verandering in capaciteit wordt o.a gemeten m.b.v brugcircuit Neuroinformatics 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 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] Den Haag, 26 November 2004

Voorbeelden Capacitive sensors Neuroinformatics Capacitive sensors Voorbeelden 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 Den Haag, 26 November 2004

Neuroinformatics Den Haag, 26 November 2004

Neuroinformatics Den Haag, 26 November 2004

Als platen niet bewegen: Neuroinformatics Capacitieve sensors Vi=E C R  Vu X0 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 Den Haag, 26 November 2004

Neuroinformatics Capacitive sensors Vi=E C R  Vu X0 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 Den Haag, 26 November 2004

fig_02_09 Sensitivity: Figure 2.9 Capacitance sensor for measuring dynamic displacement changes.

fig_02_12 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 permission of John Wiley and Sons, Inc.)