Instrumentação Biomédica

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1 Instrumentação Biomédica Sensores e Transdutores Posição, Deslocamento, Temperatura Exemplos Exemplos: Principais Transdutores Resistivos LabVIEW Profa. Léia Bernardi Bagesteiro (CECS) leia.bagesteiro@ufabc.edu.br Fornecem uma resistência em resposta ao estímulo Extensômetros: Deformação linear Extensômetros: Circuitos em ponte Compensação para efeitos de temperatura Conveniente para pequenas variações de temperatura Fotoresistores: Intensidade luminosa 1

2 Transdutor Potenciométrico Fornecem uma resistência em resposta a posição do cursor Transdutor Potenciométrico Função de Transferência Teórica Potenciômetros rotativos: Respondem a posição angular do cursor Potenciômetros lineares: Respondem a posição linear do cursor Tipos de Potenciômetros: Exemplos aplicações: Goniômetro para medição de posição articular 2

3 TRANSDUTORES Termopares - Princípio Transdutores de Temperatura Termopares Resistance-Temperature Detectors (RTD) Termistores Conexão (ou soldagem) de 2 fios Operação normal, junção fria colocada em banho frio Termopares Type K : Chromel-Alumel Type J : Iron-Constantan Type E : Chromel-Constantan Type N : Nicros-Nisil Type T : Copper-Constantan É importante notar que termopares medem a diferença de temperatura entre dois pontos, e não a temperatura absoluta. Termopares Termopares 3

4 Termopares aplicações Para medições de temperatura em intervalos grandes, até 1800 K. Exemplo: Type K : Chromel-Alumel (-190"%1260") Type J : Iron-Constantan (-190"%760") Type E : Chromel-Constantan (-100"%1260") Para medições em intervalos de temperatura entre 0-100ºC com alta precisão (0.1ºC), mais indicado RTD e termitores. Magnitude da E térmica 2 E = c( T1 T2 ) + k( T1 T 2 2 Onde: c e k = constantes dos materiais do termopar T 1 = temperatura da junção quente T 2 = temperatura da junção fria ou junção de referência ) Exemplo Termopar (E2): Exemplo Termopar (E2): UTI Neonatal T incubadora = 35 C T UTINeo = 23 C Termopar tipo K Exemplo Termopar (E2): Exemplo Termopar (E2): 4

5 Termoresistivos: RTD (Resistance Temperature Detectors) RTD (Resistance Temperature Detectors) Considerações importantes: Termistores (PTC e NTC) RTD (Resistance Temperature Detectors) PT100 (Platina 100 a 0ºC) RTD (Resistance Temperature Detectors) Função de Transferência Simplificada Resistance temperature detector (RTD) Resistance temperature detector (RTD) Resistance temperature detectors (RTDs), também chamados termômetros de resistência, são sensores de temperatura que apresentam mudança de resistência elétrica conhecida de acordo com a temperatura. Temperatura Resistência Metal Uma reta aproxima os pontos da curva que representa as temperaturas, T 1 e T 2, e T 0 representa o ponto médio de temperatura. Idealmente a resistência varia linearmente com a temperatura. 5

6 Resistance temperature detector (RTD) Equação da reta: Sensor de temperatura (thin-film gold) Sensor micro-fabricado R(T) = R(T o )[1+ " o T] T 1 < T < T 2 R(T) = aproximação da resistência na temperatura T R(T 0 ) = resistência em T 0 o = fração de mudança na resistência por grau de temperatura em T 0 T = T - T 0 RTD - Exemplos de " Resistance temperature detector (RTD) Equação da reta 1 R " o = ( R( T ) T 2 R1 ) 0 2 T1 R 2 = resistência em T 2 R 1 = resistência em T 1 RTD aproximação quadrática Maior precisão na representação da curva R-T em alguns intervalos de temperatura. Nickel Tungsten Copper R( T) = R( To )[1 + " " T < T < T R(T) = aproximação quadrática da resistência em T R(T 0 ) = resistência na temperatura T 0 1 = fração linear de mudança de resistência com temperatura 2 = fração quadrática de mudança de resistência com temperatura T = T - T T + 2( T) ] 1 2 Platinum Platinum: >> repetitividade, sensibilidade, alto custo Nickel: << repetitividade, sensibilidade, menor custo 6

7 RTD sensibilidade Sensibilidade é dada pelo valor de o Platinum 0.004/ C Nickel 0.005/ C Então, para 100 platinum RTD, uma variação de 0.4 ocorreria caso a temperatura tivesse variação de 1 C RTD tempo de resposta Geralmente entre 0.5 to 5 segundos O tempo de resposta é devido principalmente a condutividade térmica para trazer o sistema para o equilibrio térmico com o ambiente. Termistor Sensor de resistência Semicondutora Diferente dos metais, termistores respondem negativamente a temperatura e seu coeficiente de resistência é da ordem de 10 vezes mais que a platina ou o cobre. Termistor Sensor de resistência Semicondutora Temperatura resistência semicondutora Símbolo Termistor: resistência vs temperatura Termistor: resistência vs temperatura Coeficiente ~ 5%/ C na temperatura corporal (37 C) 7

8 Termistor: resistência vs temperatura COMPARATIVO Exemplo Termistor (E5): Fig.6.6a Termistores (Thermally Sensitive Resistor) PTC e NTC Termistores (Thermally Sensitive Resistor) PTC e NTC Considerações importantes: Termistores (Thermally Sensitive Resistor) PTC e NTC Termistores (Thermally Sensitive Resistor) PTC e NTC Não são lineares; Sensibilidade elevada (típica 3% a 5% por ºC) com faixa de operação típica de -100ºC a +300ºC; Disponibilidade variada de tamanhos (0,005 a 0,05 de diâmetro) e formas; Faixa de tolerância de fabricação também varia (tipicamente de 5 a 20%) 8

9 Termistores (Thermally Sensitive Resistor) PTC e NTC Termistores (Thermally Sensitive Resistor) PTC e NTC Função de Transferência para o NTC Modelo de 2 ou 3 parâmetros Termistores (Thermally Sensitive Resistor) PTC e NTC Linearidade ganho custo faixa de operação Temperatura por Efeitos Mecânicos (não resistivo) Efeitos Mecânicos: Termômetros de expansão de líquidos em bulbo de vidro Termômetros Expansão de líquidos em bulbo de vidro Termômetros Bimetálicos Princípio: duas tiras de metal com coeficiente de dilatação térmica diferentes. 9

10 TRANSDUTORES Resistivo de posição Deslocamento Resistivo sensível a força Transdutor Resistivo - posição Distância Sinal Elétrico Transdutor Resistivo posição Transdutor Resistivo - posição R 1 R 2 V = R 2 o V T R1 + R2 Exemplo Transdutor Resistivo (E6A): Exemplo Transdutor Resistivo (E6): Encontrar a resolução de um transdutor de resistência variável em que: R T = 1000 Nº voltas = 100 Fig.6.8b 10

11 Transdutor Resistivo circuito em ponte TRANSDUTORES Resistivo de posição Deslocamento Resistivo sensível a força LVDT Linear Variable Displacement Transducer LVDT Linear Variable Displacement Transducer Princípio: modulação do sinal de excitação. Consiste na variação de sinal entre primário e secundário dependendo do posicionamento no tubo (núcleo). LVDT Linear Variable Displacement Transducer LVDT Linear Variable Displacement Transducer Eixo no centro V 1 = V 2 Vo = 0 11

12 LVDT Linear Variable Displacement Transducer LVDT Linear Variable Displacement Transducer Eixo movendo em direção a S 1 V 1 > V 2 Vo aumenta Eixo movendo em direção a S 2 V 2 > V 1 Vo diminui LVDT Linear Variable Displacement Transducer LVDT LVDT Linear Variable Differential Transformer An LVDT is used as a sensitive displacement sensor: for example, in a cardiac assist device or a basic research project to study displacement produced by a contracting muscle. TRANSDUTORES Resistivo de posição Deslocamento Resistivo sensível a força FRS Resistor Sensor de Força (Force Sensitive Resistors ) 12

13 FSRs o que são? Force Sensitive Resistors ou Pressure Sensors Tipo de resistor no qual a resistência muda quando uma força ou pressão é aplicada A resistência é inversamente proporcional a força aplicada FSRs como funcionam: Partícula do tamanho na escala de microns Formulado para reduzir dependência a temperatura, e melhorar propriedades mecânicas Força na superfície causa o contato das partículas no eletrodo de condução modificando a resistência O limiar, ou ponto limite de força", que modifica R encontra-se entre 1M e K [ 1. Resistance (Ohms) vs. Force (g) for an Interlink FSR ] FSRs como funcionam: FSRs consistem de polímero condutivo piezoresistivo, que modifica a resistência de maneira conhecida de acordo com a aplicação de força na sua superfície Usualmente disponível entre filmes sensitivos Filme: 1) condutor elétrico e 2) não-condutor de partículas suspensas na matriz. FSRs Características Fabricado em camada simples, arrays 2D e outras diversas formas Detecta pequenas forças. Reconhece a magnitude da força e também diferenças na maneira de tocar 3 componentes principais da montagem do FSR: Substrato para conexão FSR Microcontrolador Não é sensivel a vibração ou calor FSRs Características Resposta na ordem de 0-2kg, com aplicações comuns na interface humana. force vs. conductance (1/resistance) 13

14 FSRs Características Simple FSRs and Arrays FSRs Características Force Resolution Better than 0.5% full scale Parameter Value Conditions Break Force 30 to 100g (1 to 3.5 oz) typical Dependent on probe size/shape Size Range Max = 20" x 30" (51 x 76 cm) Min = 0.2" x 0.2" (0.5 x 0.5 cm) Device Thickness 0.008" to 0.050" (0.20 to 1.25 mm) Any shape Stand-Off Resistance Switch Characteristic Device Rise Time > 1M Essentially zero travel 1-2msec (mechanical) Force Sensitivity Range 30g to 10kg Lifetime >10 million actuations Pressure Sensitivity Range 0.45psi to 150psi (0.03 kg/cm 2 to 10 kg kg/ cm 2 ) 30g to 10kg 1 cm 2 actuator Use Temperature -30ºC to 170ºC High temperature adhesives Maximum Current 1 ma/cm 2 of applied force Part to Part Force Repeatability ± 15% full scale For typical part with consistent actuation Sensitivity to Noise/Vibration Not significantly affected Single Part Force Repeatability ± 2% full scale EMI/ESD Passive device -- not damaged by EMI or ESD Lead Attachment Standard flex circuit techniques See TechNote FSRs Tipos: Sensor Básico ponto simples (circular) Array Simples Dois ou mais PS 3 s em um substrato com uma linha de condução comum, e linhas separadas para cada sensor Matriz linhas ou colunas Tira Contínua até 15m. FSR - Fornecedores Fabricantes: Referências Bibliográficas * Instrumentação e Fundamentos de Medidas. V.1 (e V.2). Balbinot e Brusamarello. LTC e Interlink electronics, IEE (UK), Tekscan, * Instrumentation Reference Book. 3 rd Ed. W. Boyes (Ed.) Butterworth and Heinemann * Measurement, Instrumentation and Sensors Handbook. J.G.Webster (Ed.) - CRC Press

15 "%'()*+,%-.'-% "%'()(*+,-(./0+( "%'()(*+,-(./0+( Estruturas e Funções do Lab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18 Exercícios: Explicar o funcionamento das rotinas abaixo. " " " A % % B "%'( "%'( "%%'()('(*+)',%-'('(* Estrutura que agrupa dados "%%'()('(*+)',%-'('(*. ('(* -*()/ )% () 0-* (01)%)2). ('(* -*()/ )% () 0-* (01)%)2) 3(01)%)2)()""4+)5-*()/)%()/ 3(01)%)2)()""4+)5-*()/)%()/ 6207*0-*8 6207*0-*8 92:;*,*'/'%"'%2*<*/"(')"*2* 92:;*,*'/'%"'%2*<*/"(')"*2* ='7'; ='7';.);)/)2*)/())%*(*57*2%*;).);)/)2*)/())%*(*57*2%*;) *502(07'(*%) *502(07'(*%) >'0*/)2*7*/*?:%0*10*@2*)/ >'0*/)2*7*/*?:%0*10*@2*)/ /7'A* /7'A* "%'()(*+%'*"((,+-./0-*'( "%'()(*+%'*"((,+-./0-*'( ( 1"/.*+(2( /"%'("%'(-0( "%'()(*+%'*"((,+-./0-*'( 30"%0(('')*+,+ ( 1"/.*+(2( "%'( /"%'("%'(-0( ( 1"/.*+(2( 30"%0(('')*+,+ /"%'("%'(-0( "%'( 30"%0(('')*+,+ "%'( *"*4(*(*56%*( -+%'*(-*(/"%'( *"*4(*(*56%*( -+%'*(-*(/"%'( *"*4(*(*56%*( -+%'*(-*(/"%'( "%'()(*+%,+%( -.((/"01*+(,(2+34*( "%'()*%+*%" +,(5,"%,("%'( ( 6.((*"*7(*(%15*()(),)*()+%'*( )*("%'(8,91*(0'1,)*( ((((:'',;(8,91*()( 0*+%,+%(0'1,)*(( ((((:'',;(0*+%,+%( "%'()*+,-"./*0/*0--/*(()-**1,234-* -.*5,-"./-*0/* -.*5,-"./-*0/* 0--/*67/)-*(()-* 0--/*67/)-*(()-* 0)/*0.'-*,8*"./8'* 0)/*0.'-*,8*"./8'* * * 9.-)6.*)*0/)2.8*()* 9.-)6.*)*0/)2.8*()* 8".*(.*:;*"./8'-* 8".*(.*:;*"./8'-* * * * * 180<5=*.*8,")=*-* 180<5=*.*8,")=*-* >?@.-A** >?@.-A** "%'()(*+,-.(/+0"( "%'()(*+,-.(/+0+1"( "%'%()*)%+,-."% "%'%()*)%+,-."%,-./.0*'"+'0%"123',-./.0*'"+'0%"123' 4.122' 4.122' "%'(2'341.(+.(543+"(*'.+%4"( "%'' "%'' (')*+' (')*+' "%' "%' 1234(05(67%7'(8(9"%'( 1234(05(67%7'(8(9"%'( 7+797:"(;:':(:'(%:(<+,-.3( 7+797:"(;:':(:'(%:(<+,-.3( 1234(05(67%7'(8(9"%'( 7+797:"(;:':(:'(%:(<+,-.3( ""%'( ""%'( ""%'()*(+,-'( ""%'()*(+,-'( 18

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