8C Inleiding Meten en Modellen – 8C120 Prof.dr.ir. Bart ter Haar Romeny Dr. Andrea Fuster Faculteit Biomedische Technologie Biomedische Beeld Analyse

8C Inleiding Meten en Modellen – 8C120 Sensor & Transducers

8C De Meetcyclus: sensors en transducers ObjectSignaalMetingAnalyseInformatie Control en/of Feedback

8C 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.

8C 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)

8C 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

8C Sensors en Transducers

8C 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

8C

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)

8C 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.)

8C Rekstrookje – strain gauge

8C

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 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 , 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 , 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 , 1984.

8C

Resistive sensors – strain gauge Rekstrookje (strain gauge) R wire = ρ·L/A ρ = soortelijke weerstand [Ωm] L = lengte van de draad [m] A = doorsnede [m 2 ] ρ varieert per metaalsoort Dunne draden (25 μm) worden gebruikt om kleine lengte veranderingen te meten (~nm)

8C table_02_01

8C 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) R1 is de sensor. Verschil in weerstand wordt gemeten door spanningsverschil te meten tussen A en B U bat R1 R4 R3 R2 A B

8C Resistive sensors - Potentiometer Potentiometer + - ▓ ViVi V0V0 xixi + - ViVi V0V0 xixi R1R1 R2R2 Positie X i bepaalt de verhouding tussen R 1 en R 2 Kleine X i betekent grote R 1 en kleine R 2 De verhouding R 1 :R 2 bepaalt de uitgang V 0 Op deze manier kan de potentiometer positie X i bepalen

8C From:

8C

fig_02_02 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 voltmeter or similar device with an internal resistance of Ri.

8C 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.

8C Disposable and wearable blood pressure sensors

8C 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 = F/m  r = relatieve permittivity n = aantal platen A = oppervlak plaat [m 2 ] d = afstand tussen platen [m]

8C Capacitive sensors Voorbeelden 1.Capacitance microphone: ruimte tussen twee parallelle platen wordt beïnvloed door akoustische 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 level motion

8C Capacitive sensors Als platen niet bewegen: Spanning over condensator V C = E Spanning over weerstand V R = 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, dus ook V U = V C – E V i =E C R  VuVu X0X0

8C Capacitive sensors 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 V i =E C R  VuVu X0X0

8C Figure 2.9 Capacitance sensor for measuring dynamic displacement changes. Sensitivity: MMA

8C 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.)

8C

From:

8C

Inductive sensors Het te meten object verandert de self-inductance of mutual inductance van een spoel L = n 2 ·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

8C 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

8C 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)

8C Transducers - thermocouple Thermokoppel: Gebruik thermokoppels om temperatuur te meten Het temperatuurverschil tussen J 1 en J 2 /J 3 wordt gemeten. J 2 en J 3 worden op een konstante temperatuur gehouden. Metal A Metal B J1T1J1T1 J2T2J2T2 J1T1J1T1 Metal A Metal B VoVo J2J2 J3J3

8C Transducers - thermocouple V0 ≈ α (T1 – T2) De metalen worden bepaald door het temperatuurbereik: ijzer versus koper-nikkel: 0 o C tot 750 o C kopers versus koper-nikkel: -200 o C tot 300 o C Men neemt aan dat thermokoppels een lineaire gevoeligheid (sensitivity) hebben, bijv V/ o C (Seebeck coëfficient) Als sensitivity bekend is, dan is spanningsverschil een maat voor de temperatuur (onder voorwaarde dat referentietemperatuur bekend is)

8C

From:

8C

Thermo-dilution: Measuring blood flow by thermal dilution

8C Transducers – piezoelectric crystal Voorbeeld 2: piezoelectric crystal 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

8C Transducers – piezoelectric crystal Lading is gerelateerd aan kracht F Q = k·F k [C/N] = piezoelectric constant voor kristal De tegenoverliggende zijden fungeren als capacitance met een spanningsverschil V = Q/C = (k·F·x)/(ε 0 ·ε r ·A) x = afstand tussen tegenoverliggende zijden A = oppervlak van het kristal ε r = relative di-electrische konstante van het kristal

8C 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

8C Transducers – piezoelectric crystal Toepassing: ultrageluid (ultra sound, 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

8C

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

8C 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, PCO 2 of PO 2 ): zet ion concentratie om naar elektrisch signaal Photomultipliers: zet licht om naar elektrisch signaal (photoemissive sensors, zie reader 2)

8C 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 verandering in ingangsignaal Accuracy: nauwkeurigheid Resolution: kleinst detecteerbare toename in ingangsignaal Repeatability: is meting reproduceerbaar? Hysteris: geheugeneffect, invloed van meethistorie op het resultaat

8C Sensors en Transducers - selection 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

8C Sensors en Transducers - overview Type Afhankelijkheid Rekstrook (sensor)Verplaating  weerstand Potentiometer (sensor)Verplaatsing  weerstand NTC, RTD (sensor)Temperatuur  weerstand Cap. Microphone (sensor)Verplaatsing  capaciteit LVDT (sensor)Verplaatsing  inductie ISFET (sensor) Stof  lading  geleiding Ion sensor (sensor)Ion conc  potentiaalverschil Photo multiplier (sensor)Fotonen  elektrische stroom Liquid Crystal (sensor) Elektr. spanning  licht polarisatie Thermokoppel (transducent)Thermisch  elektrisch Piezo (transducent)Translatie  elektrisch