Utilização de Ondas Ultra-sónicas na Medição da Estatura
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- Lúcia Balsemão Escobar
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1 Utilização de Ondas Ultra-sónicas na Medição da Estatura Prof. Doutor Ricardo Queirós e António Afonso Departamento de Electrónica e Electrotecnia Faculdade de Engenharia Universidade Agostinho Neto ISTM - 10/05/2013 Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 1 / 17
2 Conteúdo 1 Introdução Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 2 / 17
3 Conteúdo 1 Introdução 2 Sistemas Ultra-sónicos Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 2 / 17
4 Conteúdo 1 Introdução 2 Sistemas Ultra-sónicos Transdutores Ultra-sónicos Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 2 / 17
5 Conteúdo 1 Introdução 2 Sistemas Ultra-sónicos Transdutores Ultra-sónicos Sinal de Estímulo Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 2 / 17
6 Conteúdo 1 Introdução 2 Sistemas Ultra-sónicos Transdutores Ultra-sónicos Sinal de Estímulo Propagação de Ondas Ultra-sónicas Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 2 / 17
7 Conteúdo 1 Introdução 2 Sistemas Ultra-sónicos Transdutores Ultra-sónicos Sinal de Estímulo Propagação de Ondas Ultra-sónicas 3 Sistema Desenvolvido Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 2 / 17
8 Conteúdo 1 Introdução 2 Sistemas Ultra-sónicos Transdutores Ultra-sónicos Sinal de Estímulo Propagação de Ondas Ultra-sónicas 3 Sistema Desenvolvido 4 Resultados Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 2 / 17
9 Conteúdo 1 Introdução 2 Sistemas Ultra-sónicos Transdutores Ultra-sónicos Sinal de Estímulo Propagação de Ondas Ultra-sónicas 3 Sistema Desenvolvido 4 Resultados 5 Conclusões Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 2 / 17
10 Introdução Introdução (1) Na sua interacção com a natureza, o homem necessita de efectuar medições. Especificamente, o conhecimento da estatura, ou seja, da altura do corpo humano, é importante nas seguintes áreas: Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 3 / 17
11 Introdução Método Tradicional de Medição de Estatura Baseia-se num sistema constituído por uma escala graduada, em centímetros e/ou milímetros, na qual um objecto plano desliza sobre esta. Este sistema é tipicamente chamado de estadiómetro. Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 4 / 17
12 Introdução Método Tradicional de Medição de Estatura Baseia-se num sistema constituído por uma escala graduada, em centímetros e/ou milímetros, na qual um objecto plano desliza sobre esta. Este sistema é tipicamente chamado de estadiómetro. Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 4 / 17
13 Introdução Método Tradicional de Medição de Estatura Baseia-se num sistema constituído por uma escala graduada, em centímetros e/ou milímetros, na qual um objecto plano desliza sobre esta. Este sistema é tipicamente chamado de estadiómetro. Limitações Exactidão e precisão; Processo de medição; Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 4 / 17
14 Introdução Método Tradicional de Medição de Estatura Baseia-se num sistema constituído por uma escala graduada, em centímetros e/ou milímetros, na qual um objecto plano desliza sobre esta. Este sistema é tipicamente chamado de estadiómetro. Limitações Exactidão e precisão; Processo de medição; Tempo de medição; Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 4 / 17
15 Introdução Método Tradicional de Medição de Estatura Baseia-se num sistema constituído por uma escala graduada, em centímetros e/ou milímetros, na qual um objecto plano desliza sobre esta. Este sistema é tipicamente chamado de estadiómetro. Limitações Exactidão e precisão; Processo de medição; Tempo de medição; Registo manual do resultado. Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 4 / 17
16 Introdução Objectivos Objectivo Geral Desenvolver um sistema capaz de medir a estatura entre 1.2 m e 2.1 m, através de ondas geradas por transdutores ultra-sónicos, indicando o resultado no ecrã de um computador, num tempo inferior a 10 s, com exactidão e precisão inferiores a 1 cm. Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 5 / 17
17 Introdução Objectivos Objectivo Geral Desenvolver um sistema capaz de medir a estatura entre 1.2 m e 2.1 m, através de ondas geradas por transdutores ultra-sónicos, indicando o resultado no ecrã de um computador, num tempo inferior a 10 s, com exactidão e precisão inferiores a 1 cm. Objectivos Específicos Estudo sobre sistemas ultra-sónicos; Criar uma estrutura adequada ao suporte dos transdutores; Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 5 / 17
18 Introdução Objectivos Objectivo Geral Desenvolver um sistema capaz de medir a estatura entre 1.2 m e 2.1 m, através de ondas geradas por transdutores ultra-sónicos, indicando o resultado no ecrã de um computador, num tempo inferior a 10 s, com exactidão e precisão inferiores a 1 cm. Objectivos Específicos Estudo sobre sistemas ultra-sónicos; Criar uma estrutura adequada ao suporte dos transdutores; Encontrar um mecanismo para geração e aquisição dos sinais; Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 5 / 17
19 Introdução Objectivos Objectivo Geral Desenvolver um sistema capaz de medir a estatura entre 1.2 m e 2.1 m, através de ondas geradas por transdutores ultra-sónicos, indicando o resultado no ecrã de um computador, num tempo inferior a 10 s, com exactidão e precisão inferiores a 1 cm. Objectivos Específicos Estudo sobre sistemas ultra-sónicos; Criar uma estrutura adequada ao suporte dos transdutores; Encontrar um mecanismo para geração e aquisição dos sinais; Desenvolver algoritmos de processamento de sinais (Matlab), de forma a estimar o tempo de voo e consequentemente a estatura; Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 5 / 17
20 Introdução Objectivos Objectivo Geral Desenvolver um sistema capaz de medir a estatura entre 1.2 m e 2.1 m, através de ondas geradas por transdutores ultra-sónicos, indicando o resultado no ecrã de um computador, num tempo inferior a 10 s, com exactidão e precisão inferiores a 1 cm. Objectivos Específicos Estudo sobre sistemas ultra-sónicos; Criar uma estrutura adequada ao suporte dos transdutores; Encontrar um mecanismo para geração e aquisição dos sinais; Desenvolver algoritmos de processamento de sinais (Matlab), de forma a estimar o tempo de voo e consequentemente a estatura; Avaliar o desempenho do sistema. Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 5 / 17
21 Sistemas Ultra-sónicos Sistemas Ultra-Sónicos A medição da estatura pode ser feita através de sistemas que utilizam sensores. Um tipo de sistema possível é o ultra-sónico. Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 6 / 17
22 Sistemas Ultra-sónicos Sistemas Ultra-Sónicos A medição da estatura pode ser feita através de sistemas que utilizam sensores. Um tipo de sistema possível é o ultra-sónico. Um sistema típico é constituido por um ou mais transdutores ultra-sónicos, um circuito para geração do sinal de estímulo, um circuito para condicionamento e processamento de sinais e eventualmente um visor para apresentação do resultado; Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 6 / 17
23 Sistemas Ultra-sónicos Sistemas Ultra-Sónicos A medição da estatura pode ser feita através de sistemas que utilizam sensores. Um tipo de sistema possível é o ultra-sónico. Um sistema típico é constituido por um ou mais transdutores ultra-sónicos, um circuito para geração do sinal de estímulo, um circuito para condicionamento e processamento de sinais e eventualmente um visor para apresentação do resultado; A ideia principal é aplicar o sinal gerado ao transdutor ultra-sónico, fazendo com que este vibre à mesma frequência do sinal eléctrico, causando assim alteração do meio envolvente. É desta forma que se obtém a propagação de uma onda ultra-sónica. Posteriormente, caso seja necessário, é realizado o condicionamento/processamento dos sinais. Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 6 / 17
24 Sistemas Ultra-sónicos Transdutores Ultra-Sónicos Transdutores Ultra-sónicos Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 7 / 17
25 Sistemas Ultra-sónicos Transdutores Ultra-Sónicos Transdutores Ultra-sónicos Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 7 / 17
26 Sinal de Estímulo Sistemas Ultra-sónicos Sinal de Estímulo O sinal de estímulo aplicado ao transdutor é um sinal eléctrico gerado por um circuito electrónico dedicado ou por um gerador de funções; Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 8 / 17
27 Sistemas Ultra-sónicos Sinal de Estímulo Sinal de Estímulo O sinal de estímulo aplicado ao transdutor é um sinal eléctrico gerado por um circuito electrónico dedicado ou por um gerador de funções; Considerando que a largura de banda dos transdutores piezoeléctricos é bastante estreita (±2 khz), a largura de banda do sinal de estímulo deve ser tida em conta; Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 8 / 17
28 Sinal de Estímulo Sistemas Ultra-sónicos Sinal de Estímulo O sinal de estímulo aplicado ao transdutor é um sinal eléctrico gerado por um circuito electrónico dedicado ou por um gerador de funções; Considerando que a largura de banda dos transdutores piezoeléctricos é bastante estreita (±2 khz), a largura de banda do sinal de estímulo deve ser tida em conta; Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 8 / 17
29 Sistemas Ultra-sónicos Propagação da Onda: Velocidade Propagação de Ondas Ultra-sónicas A velocidade de propagação da onda ultra-sónica no ar varia em função dos valores de pressão, temperatura e humidade. Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 9 / 17
30 Sistemas Ultra-sónicos Propagação de Ondas Ultra-sónicas Propagação da Onda: Velocidade A velocidade de propagação da onda ultra-sónica no ar varia em função dos valores de pressão, temperatura e humidade. No entanto, a temperatura é o factor mais significativo (0.6 m/s por cada C), sendo a relação aproximadamente igual a: v T em que o valor da velocidade é dado em m/s e o da temperatura em C. Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 9 / 17
31 Atenuação Sistemas Ultra-sónicos Propagação de Ondas Ultra-sónicas A atenuação da onda ultra-sónica no ar é bastante elevada; Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 10 / 17
32 Atenuação Sistemas Ultra-sónicos Propagação de Ondas Ultra-sónicas A atenuação da onda ultra-sónica no ar é bastante elevada; Este facto limita o alcance máximo do sistema, uma vez que a relação sinal-ruído (SNR) diminui com o aumento da distância d 2 (diminuição da estatura); Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 10 / 17
33 Atenuação Sistemas Ultra-sónicos Propagação de Ondas Ultra-sónicas A atenuação da onda ultra-sónica no ar é bastante elevada; Este facto limita o alcance máximo do sistema, uma vez que a relação sinal-ruído (SNR) diminui com o aumento da distância d 2 (diminuição da estatura); Por exemplo, se a amplitude do sinal de estímulo for de 20 V, uma distância de 60 cm causa uma amplitude do sinal recebido de 12 mv! (0.06 %). Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 10 / 17
34 Sistemas Ultra-sónicos Propagação de Ondas Ultra-sónicas Propagação da Onda: Transmissão e Reflexão Uma onda ultra-sónica que se propaga num dado Meio 1, com impedância acústica Z 1, ao incidir num Meio 2 com impedância acústica Z 2, será mais reflectida quanto maior for a diferença entre as impedâncias. Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 11 / 17
35 Sistema Desenvolvido Sistema Desenvolvido (1) Estatura = d 1 d 2 d 2 = v (TOF /2) Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 12 / 17
36 Sistema Desenvolvido Sistema Desenvolvido (2) Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 13 / 17
37 Resultados Correlação Cruzada: TOF Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 14 / 17
38 Resultados Exactidão e Precisão Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 15 / 17
39 Conclusões Conclusões A estatura, altura do corpo humano é um factor de grande interesse em várias áreas; Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 16 / 17
40 Conclusões Conclusões A estatura, altura do corpo humano é um factor de grande interesse em várias áreas; O estadiómetro, embora simples, é principalmente um método de relativa baixa exactidão e precisão; Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 16 / 17
41 Conclusões Conclusões A estatura, altura do corpo humano é um factor de grande interesse em várias áreas; O estadiómetro, embora simples, é principalmente um método de relativa baixa exactidão e precisão; Os sistemas ultra-sónicos oferecem uma boa alternativa; Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 16 / 17
42 Conclusões Conclusões A estatura, altura do corpo humano é um factor de grande interesse em várias áreas; O estadiómetro, embora simples, é principalmente um método de relativa baixa exactidão e precisão; Os sistemas ultra-sónicos oferecem uma boa alternativa; O sinal de estímulo é condicionado pela estreita largura de banda dos transdutores piezoeléctricos; Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 16 / 17
43 Conclusões Conclusões A estatura, altura do corpo humano é um factor de grande interesse em várias áreas; O estadiómetro, embora simples, é principalmente um método de relativa baixa exactidão e precisão; Os sistemas ultra-sónicos oferecem uma boa alternativa; O sinal de estímulo é condicionado pela estreita largura de banda dos transdutores piezoeléctricos; A velocidade de propagação da onda ultra-sónica, dependente principalmente da temperatura, tem impacto significativo na estimação da estatura; Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 16 / 17
44 Conclusões Conclusões A estatura, altura do corpo humano é um factor de grande interesse em várias áreas; O estadiómetro, embora simples, é principalmente um método de relativa baixa exactidão e precisão; Os sistemas ultra-sónicos oferecem uma boa alternativa; O sinal de estímulo é condicionado pela estreita largura de banda dos transdutores piezoeléctricos; A velocidade de propagação da onda ultra-sónica, dependente principalmente da temperatura, tem impacto significativo na estimação da estatura; A onda ultra-sónica é severamente atenuada quando se propaga pelo ar; Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 16 / 17
45 Conclusões Conclusões A estatura, altura do corpo humano é um factor de grande interesse em várias áreas; O estadiómetro, embora simples, é principalmente um método de relativa baixa exactidão e precisão; Os sistemas ultra-sónicos oferecem uma boa alternativa; O sinal de estímulo é condicionado pela estreita largura de banda dos transdutores piezoeléctricos; A velocidade de propagação da onda ultra-sónica, dependente principalmente da temperatura, tem impacto significativo na estimação da estatura; A onda ultra-sónica é severamente atenuada quando se propaga pelo ar; A correlação cruzada é um método bastante robusto na estimativa do tempo-de-voo (TOF); Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 16 / 17
46 Conclusões Conclusões A estatura, altura do corpo humano é um factor de grande interesse em várias áreas; O estadiómetro, embora simples, é principalmente um método de relativa baixa exactidão e precisão; Os sistemas ultra-sónicos oferecem uma boa alternativa; O sinal de estímulo é condicionado pela estreita largura de banda dos transdutores piezoeléctricos; A velocidade de propagação da onda ultra-sónica, dependente principalmente da temperatura, tem impacto significativo na estimação da estatura; A onda ultra-sónica é severamente atenuada quando se propaga pelo ar; A correlação cruzada é um método bastante robusto na estimativa do tempo-de-voo (TOF); A exactidão e a precisão, abaixo de 1 cm, estão dentro das especificações iniciais. Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 16 / 17
47 Conclusões OBRIGADO PELA ATENÇÃO Prof. Ricardo Queirós (DEE-FE-UAN) U. de Ond. Ultra-sónicas na Med. da Estatura 17 / 17
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