Características intrínsecas dos sensores. Caract. Sensor (cont.)

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1 Características intrínsecas dos sensores Função de transferência (Relação entre a medida e o valor do sistema físico) Linear : S = a + bs Logarítmica: S = a + b ln s Função potência: S = a + bs k Função exponential: S = a e ks Gama dinâmica (dynamic range): Valores mín e máx do estímulo que podem ser medidos pelo sensor. em decibels: 1 db = 20 log s 2 /s 1 Caract. Sensor (cont.) Gama de saída (Full Scale Output) Diferença algébrica entre os sinais eléctricos de saída quando são aplicados os estímulos máx e mín. Erro de calibração Erro tolerado pelo fabricante durante o processo de calibração. Histerese (Hysteresis) Desvio na resposta do sensor ao sinal de entrada dependendo do sentido de variação. Saturação Limite de operação do sensor quando já não responde a variação do estímulo. Distorção do sinal Impedância de saída, Z out, de um sensor é importante para evitar distorção provocada pelo circuito de saída. Para sensores que geram tensão, baixa Z out é preferível com alta Z in no circuito de entrada. 1

2 Sensor signal Measurand Uma loop de histerese. A curva de saída obtida quando o mensurando varia num sentido é diferente da curva de saída obtida quando a variação é no sentido contrário (crescimento/decrescimento). Sensor signal Sensor signal Measurand Measurand Sensor de baixa sensibilidade/baixo ganho. Ganho elevado 2

3 Sinais analógicos podem ter qualquer valor de amplitude. Sinais digitais têm um número de amplitudes limitado. 5 mv Dynamic Range -5 mv 1 V -1 V Um sinal de entrada que excede a gama dinâmica. O sinal amplificado resultante aparece saturado a ±1 V. 3

4 Dc offset Sinal de entrada sem offset dc. Com offset dc. Sinal contínuo no tempo Sinal discreto no tempo (são amostrados periodicamente). 4

5 Output Output Input Input Sistema linear obedece à equação y = mx + b. Sistema não-linear. Sensor: (cont.) Características dinâmicas Erro dinâmico: Resposta temporal do sensor ao estímulo Tempo de arranque (Warm-up ): Os sensores precisam normalmente de um período inicial de aquecimento até atingirem as características estáveis especificadas Resposta em Frequência: Descrição da resposta do sensor a variações dinâmicas do estímulo Constante temporal (τ): Medida da inércia do sensor; tempo que demora a atingir 63% do valor estacionário final 2 τ =86.5%; 3 τ =95%. Frequência de corte (Cutoff Frequency - upper & lower): frequência do estímulo para a qual o sinal de saída cai para 0,707 do seu valor máximo (3 db). 5

6 Parâmetros médicos comuns (impôem restrições aos equipamentos). Measurement Blood flow Blood pressure Cardiac output Electrocardiography Range Signal Frequency, Hz Sensor Method 1 to 300 ml/s 0 to 20 Electromagnetic or ultrasonic 0 to 400 mmhg 0 to 50 strain gage 4 to 25 L/min 0 to 20 dye dilution 0.5 to 4 mv 0.05 to 150 Skin electrodes Electroencephalography 5 to 300 µ V 0.5 to 150 Scalp electrodes Electromyography 0.1 to 5 mv 0 to Needle electrodes Electroretinography 0 to 900 µ V 0 to 50 Contact lens electrodes ph pco 2 po 2 Pneumotachography Respiratory rate 3 to 13 ph units 0 to 1 ph electrode 40 to 100 mmhg 0 to 2 pco 2 electrode 30 to 100 mmhg 0 to 2 po 2 electrode 0 to 600 L/min 0 to 40 Pneumotachometer 2 to 50 breaths/min 0.1 to 10 Impedance Temperature 32 to 40 C 0 to 0.1 Thermistor ESpecificação Gama de pressões Sobrepressão sem danos Desequilíbrio máximo (??) Linearidade e Histerese Valor 30 a +300 mmhg 400 a mmhg ±75 mmhg Corrente de risco a 120 V 10 µa Convivência com Defibrilhador ± 2% da leitura ou ± 1 mmhg 360 J em 50 Ω Especificações para um sensor de pressão sanguínea são determinadas por uma comissão composta por indivíduos da academia, indústria, hospitais e governo. 6

7 Specification Input signal dynamic range Dc offset voltage Slew rate Frequency response Value ±5 5 mv ±300 mv 320 mv/s 0.05 to 150 Hz Input impedance at 10 Hz 2.5 MΩ Dc lead current 0.1 µα Return time after lead switch Overload voltage without damage 1 s 5000 V Risk current at 120 V 10 µα Valores de especificação para um electrocardiógrafo Hz 150 Hz Frequency Resposta em frequência 7

8 Sinal sem ruído. Interferência sobreposta no sinal é causa de erro. Filtros de frequência são dispositivos que são usados para diminuir o ruído ou interferência. Dados com baixa precisão e alta precisão. 8

9 Dados com baixo rigor (accuracy) e grande rigor. Um Sensor para cada aplicação Posição, nível e deslocamento Velocidade e aceleração Força Pressão Fluxo Electromagnético Acústico Humidade Luz Radiação Temperatura Químico 9

10 Deslocamentos e Goniometria Potenciómetro Sensor Resistivo Princípio básico: R = ρ*l / A (1) Figure 1.5 A linear potentiometer, an example of a zeroorder system. Linear static characteristic for this system. 10

11 Strain Gages (extensómetros) Princípio básico: R = ρ*l / A dr = ρ(dl)/a - ρl(da)/a 2 + L (dρ)/a R/R = L/L - A/A + ρ/ρ Coeficiente de Poisson (µ): D/D = -µ µ L/L (D=diâmetro; L=comprimento) R/R = (1 + 2µ) L/L (dimensional) (piezoresistivo) R/R Gage Factor (sensibilidade do extensómetro): G = ( R/R) / ( L/L) = (1 + 2µ) + ( ρ/ρ) / ( L/L) Ver tabela 2.1 do Webster para vários materiais (dimensional) + ρ/ρ Ponte de Wheatstone Ideal para a medida de pequenas alterações de resistência (i.e. strain gage) Em equilíbrio, v o = 0 quando R 1 /R 2 = R 4 /R 3 Se R 1 =R 2 =R 3 =R 4 =R 0, ponte em equilíbrio Se R 0 <<R i e R 1,R 3 aumentarem de R enquanto R 2,R 4 decrescem de R, então v o = ( R v i )/ R 0 Rx: carga do circuito ~ 10x R 0 Ry ~ 25x R 0 11

12 Sensores Inductivos Usados para medir deslocamento variando os parâmetros do enrolamento Ex. Transformador diferencial linear variável (LVDT)- mede deslocamenmto Outros sensores: Capacitivos Princípio: Capacidade de duas placas paralelas de A separadas por x é: C = ε o ε r A/x ε o = Constante dieléctrica do vazio ε r = Constante dieléctrica do isolador A = area x= distância que separa as duas placas 12

13 Outros sensores: Piezoeléctricos Materiais piezoeléctricos(bati, polyvinylidene fluoride (PVDF) ) geram potencial eléctrico quando sujeitos a stress mecânico (& vice versa) q (= charge) (= charge) = k f where k=piezoelectric const & f = force Voltage: V = q/c = kf / C 13