medical electronics part 10 physiological transducers 10- physiological...– active transducers –...
TRANSCRIPT
Politechnika Łódzka, ul. Żeromskiego 116, 90-924 Łódź, tel. (042) 631 28 83
www.kapitalludzki.p.lodz.pl
„Innowacyjna dydaktyka bez ograniczeń - zintegrowany
rozwój Politechniki Łódzkiej - zarządzanie Uczelnią,
nowoczesna oferta edukacyjna i wzmacniania zdolności
do zatrudniania osób niepełnosprawnych”
Prezentacja multimedialna współfinansowana przez
Unię Europejską w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego w projekcie pt.
Medical electronics – part 10
Physiological transducers
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Physiological transducers 2
Introduction to transducers
Transducers are devices which convert one form of energy into another.
In designing of elctronic devices it is usual practice to convert all non-
electric phenomenon associated with the physiological events into electric
quantities:
• Voltage
• Current
• Resistance
• Capacitance
• Inductance
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Physiological transducers 3
Classification of transducers
There are three main ways of transducers classification:
• By the process used to convert the signal energy into an electrical
signal:
– Active transducers
– Passive transducers
• By the kind of principle used:
– Physical
– Chemical
• By application for measuring a specific physiological variable, e.g.:
– Flow transducers
– Pressure transducers
– Temperature transducers
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Physiological transducers 4
Performance characteristics of transducers
Static chracteristics and parameters
Accuracy – algebraic difference between the indicated value and the true
or theoretical value of the measurand
Precision – degree of repeatability of a measurement
Resolution – the smallest measureable input increment
Sensitivity – transfer ratio of output to input
Drift – change of baseline or sensitivity with time, temperature etc.
Linearity – closeness of a transducer’s calibration curve to a specified
straight line
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Physiological transducers 5
Performance characteristics of transducers
Static chracteristics and parameters
Treshold – the smallest change in the measurand that will result in a
measurable change in the transducer output
Noise – unwanted signal at the output due either to internal source or to
interference
Hysteresis – describes change of output with the same value of input but
with different history of input variation
Span – total operating range of the transducer
Saturation – input value above which output value remains unchanged
Conformance - closeness of a transducer’s calibration curve to a specified
curve fon an inhently non-linear transducer
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Physiological transducers 6
Performance characteristics of transducers
Dynamic chracteristics and parameters
For linear transducers all dynamic characteristics and parameters may be
calculated from transducer’s transmitance
Examples: magnitude and phase characteristics, frequency range,
response time, phase shift, group delay etc.
For non-linear transducers all dynamic characteristics and parameters
have to be determined independently
)(
)()(
sX
sYsH
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Physiological transducers 7
Example performance characteristics
Pressure sensor
Source: http://www.sensortechnics.com
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Physiological transducers 8
Example performance characteristics
Pressure sensor
Source: http://www.sensortechnics.com
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Physiological transducers 9
Position, displacement and movement transducers
Displacement measurements are of great interest because they form the
basis of many transducers for measuring pressure, force, acceleration,
temperature, etc.
The following types of transducers are generally used for position,
displacement and motion measurements:
• Potentiometric transducers
• Variable capacitance transducers
• Variable inductance transducers
• Encoders
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Physiological transducers 10
Position, displacement and movement transducers
Potentiometric transducers
A B
C
Length (L)
Position (X)
VA=0 VB=Vsup
RAC = RAB* X / L
VAC = Vsup* RAC / RAB = X * Vsup / L
Output [V] Intput [mm] Sensitivity [V/mm]
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Physiological transducers 11
Position, displacement and movement transducers
Variable cpacitance transducers
Position (X)
C = ε * ε0 * S / X
Position (X)
H
d
C = (1 + ε * X / H) * ε0 * S / d
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Physiological transducers 12
Position, displacement and movement transducers
Variable inductance transducers
Position (X)
H
L = (1 + μ * X / H) * μ0 * G * n 2
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Physiological transducers 13
Position, displacement and movement transducers
Encoders
Position (X)
A = a0*20 + a1*2
1 + a2*22 + a3*2
3 = round(X / d)
a0…a3 = {0,1}
a3 a2 a1 a0
d
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Physiological transducers 14
Transducers based on displacement
Force transducer
Force (F)
x = k * F
Displacement (x)
Example: hand dynamometer
Source:
http://www.rehmed.com.pl/index.php/product/image/
1006/baseline.png
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Physiological transducers 15
Transducers based on displacement
Pressure transducer
Pressure (p)
x = k * F = k * p * S
Displacement (x)
Example: compression tester
Source:
http://www.narzedziaok.pl/files/81710[1].jpg
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Physiological transducers 16
Strain gauge pressure transducers
The resistance of conductors and semiconductors depends on their
deformation. Relation of these two quantities for stretched wire
describes a gauge factor:
LL
RRg
/
/
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Physiological transducers 17
Strain gauge pressure transducer
V
R
R R
R
R
R
V+
V- Source: http://www.sensortechnics.com
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Physiological transducers 18
Piezo-electric transducers
Force (F)
Charge (Q)
Q = d * F
V = Q / C = d * F / C
Voltage (V)
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Physiological transducers 19
Acoustic pressure transducers (microphones)
Magnet
Electro-dynamic
microphone
Electret microphone Piezo-electric
microphone
Crystal
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Physiological transducers 20
Temperature transducers
• Thermocouple – two wires of different materials joined at either end
Vjunct ~T
• Electrical resistance transducer
R(t) = R0 * (1 + a * T)
• Thermistor
R(T) = a * eb * T
• Silicon diode
Vf ~T
• Infrared detectors
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Physiological transducers 21
Flow transducers
Flow resistance (R)
p1 p2
Pressure
Flow (U)
U = R * (p1 – p2)
Rotaing speed (N)
Flow (U)
U = k * N
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Physiological transducers 22
Summary
• Classification of transducers
• Performance characteristics of transducers
• Position, displacement and movement transducers
• Transducers based on displacement
• Strain gauge pressure transducers
• Piezo-electric transducers
• Acoustic pressure transducers (microphones)
• Temperature transducers
• Flow transducers
Politechnika Łódzka, ul. Żeromskiego 116, 90-924 Łódź, tel. (042) 631 28 83
www.kapitalludzki.p.lodz.pl
„Innowacyjna dydaktyka bez ograniczeń - zintegrowany
rozwój Politechniki Łódzkiej - zarządzanie Uczelnią,
nowoczesna oferta edukacyjna i wzmacniania zdolności
do zatrudniania osób niepełnosprawnych”
Prezentacja multimedialna współfinansowana przez
Unię Europejską w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego w projekcie pt.
Medical electronics – part 10
Physiological transducers