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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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