ch 4. medical instrument transducers -...
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Ch 4. Medical Instrument Transducers
physiologicalvariables transducers
signalprocessing
display
fig. Measurement system
1. Transducer: 생리학적 변수(미소한 전위, 압력, 유속, 온도, 농도, 조직의 변위)들을 전자기기에
서 다룰 수 있는 크기의 전압으로 변환해 주는 장치나 소자
- 전극(electrode: 4.1),
- 열변환기(Thermal transducer) (4.2),
- R: strain gauge(4.4),
- C: differential capacitive transducer(4.5)
- L: Inductive transducer(4.6)
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2. signal processing: Transducer에 연결되는 신호의 증폭, 필터링 등의 조작
Wheatstone bridge (Ch4.3),
differential amp.(차동증폭기, Ch 5)
주) Transducer에서 계측되는 전압이 매우 작은 경우가 많아서, noise와 간섭의 영향을 받기가 쉽
다. --> accuracy와 calibration이 중요
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4.1 ELECTRODE TRANCEDUCERS
A. The Surcface Electrode (표면 전극)
- 종류: suction cup electrode --> fig.4.1(a)
metal-plate surface electrode --> fig.4.1(b)
adhesive electrode --> fig.4.2
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- 등가회로
chage distribution (전하분포) --> fig. 4.3
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--> similar to the charge distribution of a capacitor
--> cause ,
등가회로 --> fig. 4.4
: electrode (metal-dielectric-skin) capacitance
: leakage resistance across the capacitance
: skin resistance
합성 impedance --> eq. (4.1)
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B. Half-Cell Potential and Equivalent Circuit Elements
- 반전지 전위는 수소전극(hydrogen electrode)을 기준으로 측정된다. --> table 4.1
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ex4.1) 서로 다른 전극 2개가 electrolyte solution(전해질 용액)속에 있을 때, 전극사이의 전위
차
- 합성 impedance는 전극을 피부에 붙이고 전압과 전류관계를 측정하여 Z= V/ I
의 관계로부터 계산한다. --> fig. 4.7
이 때의 모든 값은 phasor 혹은 복소수인것에 주의.
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ex4.2) |Z|의 실험값으로부터 R d, R s, C d의 대략적인 값을 추정하기
주파수가 낮으면 C d가 거의 open상태 --> |Z| ≈R d+ R s (eq.4.3)
주파수가 높으면 C d가 거의 short상태 --> |Z| ≈R s (eq.4.4)
또한 critical frequency, f c의 개념을 이용--> C d를 구함 (eq.4.5)
≈
ex4.3) 등가회로의 소자값으로부터 |Z|를 계산 --> phasor 연습삼아 해보자.
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4.2 THERMAL TRANSDUCERS (열-전압 변환 소자)
- conductor/thermistor: positive /negative temp. coefficient --> see fig. 4.13
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- figure 4.9 여러 가지 종류의 thermistor
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- 반도체 저항(thermistor)의 온도 의존성
eq. (4.6)
- 온도가 증가하면 보다 많은 자유전자가 발생하여 저항이 감소
- β 는 온도에 대한 저항변화의 감도를 나타내는 계수
각 반도체 물질의 성질에 따라 고유한 값
같은 반도체라고 하더라도, doping level에 따라 조절이 가능
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- 비선형 함수의 선형화
① 대역제한
eq. (4.6)은 온도에 대한 비선형 함수이지만, 체온계측의 경우와 같이 온도의 변화가 많지 않
은 경우에서는 선형적으로 간주할 수 있다.
ex.4.4) 체온(36.7deg ≈310K)의 근변에서의 저항의 식 계산 -> fig. 4.10
이 때, 온도에 관해서는 다음의 관계를 기억할 것
K =C+273, F =5/9×C+32
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② 병렬저항 삽입
(eq.4.7)과 같은 병렬 저항 R p를 thermistor에 병렬로 삽입 --> 선형성이 좋아짐
(eq.4.7)
이유 --> 첨부자료 참조
Ex4.5) 식(4.7)을 이용해서 여러가지 β 값에 대한 R p를 계산 -> 과제
Ex4.5) R p를 추가했을 때의 합성저항의 선형성을 확인 -> fig.4.12
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③ digital 신호 처리
- Rt-T relationship을 메모리에 저장, --> Rt의 값으로부터 T를 역산해냄
Homework: Solve example 4.5, Exercises 3, 4, 6
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) Determination of RpRp를 삽입함으로 인해 합성저항Rtp는 변곡점(breakpoint: 기울기의 peak점)을 가지게 된다. 이 변곡점이 기준온도 T0에서 존재하도록 즉Rtp의 2차미분이T0에서 0이 되도록 결정하면, 그림과 같이T0부근에서 가장 선형적인 특성을 가지게 된다.
RtpRt
Rp
Rtp Rt
tem
p. d
eriv
ativ
e of
resi
stan
ce [O
hm/K
]
T [K]
T [K]
resi
stanc
e [O
hm]
T0
T0
Rp의 결정
Rp의 결정
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T0부근에서의 선형성
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