Instrumentação Biomédica

Profa. Léia Bernardi Bagesteiro (CECS) E-mail: leia.bagesteiro@ufabc.edu.br

Instrumentação Biomédica

•! Sensores e Transdutores

•! Posição, Deslocamento, Temperatura

•! Exemplos

LabVIEW

Principais Transdutores Resistivos Exemplos:

Fornecem uma resistência em resposta ao estímulo Extensômetros:

•! Deformação linear

Extensômetros:

•! Circuitos em ponte

•! Compensação para efeitos de temperatura

•! Conveniente para pequenas variações de temperatura

Fotoresistores:

•! Intensidade luminosa

Transdutor Potenciométrico

•! Fornecem uma resistência em resposta a posição do cursor

Transdutor Potenciométrico

•! Função de Transferência Teórica

Potenciômetros rotativos:

•! Respondem a posição angular do cursor

Potenciômetros lineares:

•! Respondem a posição linear do cursor

Tipos de Potenciômetros: Exemplos aplicações:

•! Goniômetro para medição de posição articular

TRANSDUTORES

•! Transdutores de Temperatura –! Termopares

–!

Resistance-Temperature Detectors (RTD)

–! Termistores

Termopares - Princípio

Conexão (ou soldagem) de 2 fios

Operação normal, junção fria colocada em “banho frio”

Termopares

•! Type K : Chromel-Alumel

•! Type J : Iron-Constantan

•! Type E : Chromel-Constantan

•! Type N : Nicros-Nisil

•! Type T : Copper-Constantan

•! É importante notar que termopares medem a diferença de temperatura entre dois pontos, e não a temperatura absoluta.

Termopares Termopares

Termopares – aplicações

•! Para medições de temperatura em intervalos grandes, até 1800 K.

Exemplo:

Type K : Chromel-Alumel (-190!"#$%#1260!") Type J : Iron-Constantan (-190!"#$%#760!") Type E : Chromel-Constantan (-100!"#$%#1260!")

•! Para medições em intervalos de temperatura entre 0-100ºC com alta precisão (0.1ºC), mais indicado RTD e termitores.

Magnitude da E térmica

Onde:

c e k = constantes dos materiais do termopar T1 = temperatura da junção “quente”

T2 = temperatura da junção “fria” ou junção de “referência”

) (

)

( T

₁

T

₂

k T

₁²

T

₂²

c

E = ! + !

Exemplo Termopar (E2):

UTI Neonatal

T_incubadora = 35°C T _UTINeo = 23°C Termopar tipo K

Exemplo Termopar (E2):

Exemplo Termopar (E2): Exemplo Termopar (E2):

Termoresistivos:

RTD (Resistance Temperature Detectors) Termistores (PTC e NTC)

RTD (Resistance Temperature Detectors)

Considerações importantes:

RTD (Resistance Temperature Detectors)

PT100 (Platina 100! a 0ºC) •! Função de Transferência Simplificada

RTD (Resistance Temperature Detectors)

Resistance temperature detector (RTD)

Resistance temperature detectors (RTDs), também chamados termômetros de resistência, são sensores de temperatura que apresentam mudança de resistência elétrica conhecida de acordo com a temperatura.

Temperatura Resistência Metal Idealmente a resistência varia linearmente com a temperatura.

Resistance temperature detector (RTD)

Uma reta aproxima os pontos da curva que representa as temperaturas, T₁ e T₂, e T₀ representa o ponto médio de temperatura.

Equação da reta:

R(T) = aproximação da resistência na temperatura T

R(T₀) = resistência em T₀

!_o ⁼fração de mudança na resistência por grau de temperatura em T₀

!T = T - T₀

!

R(T) = R(T

_o

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₁

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₂

Resistance temperature detector (RTD) Sensor de temperatura (thin-film gold)

Sensor micro-fabricado

RTD - Exemplos de "

Equação da reta

R

2

= resistência em T

₂

R

₁

= resistência em T

₁

) ) (

( 1

1 2

1 2

0

T T

R R T

o

R

!

= !

"

Resistance temperature detector (RTD)

RTD – aproximação quadrática

•! Maior precisão na representação da curva R-T em alguns intervalos de temperatura.

R(T) = aproximação quadrática da resistência em T R(T0) = resistência na temperatura T0

!₁ = fração linear de mudança de resistência com temperatura !₂ =fração quadrática de mudança de resistência com temperatura

!T = T - T₀

2 1

2 2

1

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( )

( T R T T T T T T

R =

_o

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Platinum Copper Tungsten Nickel

Platinum: >> repetitividade, sensibilidade, alto custo Nickel: << repetitividade, sensibilidade, menor custo

RTD – sensibilidade

•! Sensibilidade é dada pelo valor de !

_o

–!Platinum – 0.004/ °C –!Nickel – 0.005/ °C

•! Então, para 100! platinum RTD, uma variação de 0.4 ! ocorreria caso a temperatura tivesse variação de 1°C

RTD – tempo de resposta

•! Geralmente entre 0.5 to 5 segundos

•! O tempo de resposta é devido principalmente a condutividade térmica para trazer o sistema para o equilibrio térmico com o ambiente.

Termistor

•! Sensor de resistência Semicondutora

•! Diferente dos metais, termistores respondem negativamente a temperatura e seu coeficiente de resistência é da ordem de 10 vezes mais que a platina ou o cobre.

•! Temperatura resistência semicondutora

•! Símbolo

Termistor

•! Sensor de resistência Semicondutora

Termistor: resistência vs temperatura Termistor: resistência vs temperatura

Coeficiente ~ 5%/°C na temperatura corporal (37°C)

Termistor: resistência vs temperatura

COMPARATIVO

Exemplo

Termistor (E5):

Fig.6.6a

Termistores (Thermally Sensitive Resistor) – PTC e NTC Considerações importantes:

Termistores (Thermally Sensitive Resistor) – PTC e NTC

•! Não são lineares;

•! Sensibilidade elevada (típica 3% a 5% por ºC) com faixa de operação típica de -100ºC a +300ºC;

•! Disponibilidade variada de tamanhos (0,005’’ a 0,05’’ de diâmetro) e formas;

•! Faixa de tolerância de fabricação também varia (tipicamente de 5 a 20%)

Termistores (Thermally Sensitive Resistor) – PTC e NTC Termistores (Thermally Sensitive Resistor) – PTC e NTC

Termistores (Thermally Sensitive Resistor) – PTC e NTC

•! Função de Transferência para o NTC

Modelo de 2 ou 3 parâmetros

Termistores (Thermally Sensitive Resistor) – PTC e NTC

•! Linearidade – ganho – custo – faixa de operação

Termistores (Thermally Sensitive Resistor) – PTC e NTC Temperatura por Efeitos Mecânicos (não resistivo)

•! Efeitos Mecânicos:

Termômetros de expansão de líquidos em bulbo de vidro

Termômetros

Expansão de líquidos em bulbo de vidro

Termômetros Bimetálicos

Princípio: duas tiras de metal com coeficiente de dilatação térmica diferentes.

TRANSDUTORES

•! Resistivo de posição

•! Deslocamento

•! Resistivo sensível a força

Transdutor Resistivo - posição

Distância

Sinal Elétrico

Transdutor Resistivo posição

T

o

V

R R V R

2 1

2

= +

R

2

R

1

Transdutor Resistivo - posição

Exemplo Transdutor Resistivo (E6A):

Encontrar a resolução de um transdutor de resistência variável em que:

R_T = 1000!

Nº voltas = 100

Exemplo Transdutor Resistivo (E6):

Fig.6.8b

Transdutor Resistivo – circuito em ponte TRANSDUTORES

•! Resistivo de posição

•! Deslocamento

•! Resistivo sensível a força

LVDT – Linear Variable Displacement Transducer

•! Princípio: modulação do sinal de excitação.

•! Consiste na variação de sinal entre primário e secundário dependendo do posicionamento no tubo (núcleo).

LVDT – Linear Variable Displacement Transducer

LVDT – Linear Variable Displacement Transducer

Eixo no centro V

₁

= V

₂

Vo = 0

LVDT – Linear Variable Displacement Transducer

Eixo movendo em direção a S

₁

V

₁

> V

₂

Vo aumenta

LVDT – Linear Variable Displacement Transducer

Eixo movendo em direção a S

₂

V

₂

> V

₁

Vo diminui

LVDT – Linear Variable Displacement Transducer

LVDT – Linear Variable Displacement Transducer

LVDT

LVDT

Linear Variable Differential Transformer

http://www.pages.drexel.edu/~pyo22/mem351-2004/lecture04/pp062-073lvdt.pdf

An LVDT is used as a sensitive displacement sensor: for example, in a cardiac assist device or a basic research project to study displacement produced by a contracting muscle.

TRANSDUTORES

•! Resistivo de posição

•! Deslocamento

•! Resistivo sensível a força

FRS – Resistor Sensor de Força

(Force Sensitive Resistors )

FSRs – o que são?

•! Force Sensitive Resistors ou Pressure Sensors

•! Tipo de resistor no qual a resistência muda quando uma força ou pressão é aplicada

•! A resistência é inversamente proporcional a força aplicada

[ 1. Resistance (Ohms) vs. Force (g) for an Interlink FSR ]

O limiar, ou ”ponto limite de força", que modifica R encontra-se entre 1M e 50-100 K

FSRs – como funcionam:

•! Partícula do tamanho na escala de microns

•! Formulado para reduzir dependência a temperatura, e melhorar propriedades mecânicas

•! Força na superfície causa o contato das partículas no eletrodo de condução modificando a resistência

•! FSRs consistem de polímero condutivo

piezoresistivo, que modifica a resistência de maneira conhecida de acordo com a aplicação de força na sua superfície

•! Usualmente disponível entre filmes sensitivos

•! Filme: 1) condutor elétrico e 2) não-condutor de partículas suspensas na matriz.

FSRs – como funcionam:

FSRs Características

•! Fabricado em camada simples, arrays 2D e outras diversas formas

•! Detecta pequenas forças. Reconhece a magnitude da força e também diferenças na maneira de tocar

•! 3 componentes principais da montagem do FSR:

–!Substrato para conexão –!FSR

–!Microcontrolador

•! Não é sensivel a vibração ou calor

FSRs Características

•! Resposta na ordem de 0-2kg, com aplicações comuns na interface humana.

force vs. conductance (1/resistance)

FSRs Características

Simple FSRs and Arrays

Parameter Value Conditions

Size Range Max = 20" x 30" (51 x 76 cm)

Min = 0.2" x 0.2" (0.5 x 0.5 cm)

Any shape

Device Thickness 0.008" to 0.050"

(0.20 to 1.25 mm) Force Sensitivity Range 30g to 10kg

Pressure Sensitivity Range 0.45psi to 150psi (0.03 kg/cm² to 10 kg kg/

cm²)

30g to 10kg 1 cm² actuator Part to Part Force

Repeatability ± 15% full scale For typical part with consistent actuation

Single Part Force

Repeatability ± 2% full scale

FSRs Características

Force Resolution Better than 0.5% full scale Break Force 30 to 100g (1 to 3.5 oz)

typical Dependent on probe

size/shape Stand-Off

Resistance > 1M

Switch

Characteristic Essentially zero travel Device Rise Time 1-2msec (mechanical) Lifetime >10 million actuations Use Temperature -30ºC to 170ºC High temperature

adhesives Maximum Current 1 mA/cm² of applied force Sensitivity to

Noise/Vibration Not significantly affected EMI/ESD Passive device -- not

damaged by EMI or ESD Lead Attachment Standard flex circuit

techniques See TechNote

!

FSRs Tipos:

•! Sensor Básico – ponto simples (circular)

•! Array Simples – Dois ou mais PS³s em um substrato com uma linha de condução comum, e linhas separadas para cada sensor

•! Matriz – linhas ou colunas

•! Tira Contínua – até 15m.

FSR - Fornecedores – Fabricantes:

•! Interlink electronics, http://www.interlinkelec.com/

•! IEE (UK), http://www.steadlands.com/

•! Tekscan, http://www.tekscan.com/index.html

Referências Bibliográficas

* Instrumentação e Fundamentos de Medidas. V.1 (e V.2). Balbinot e Brusamarello. LTC. 2006 e 2007.

* Instrumentation Reference Book. 3^rd Ed. – W. Boyes (Ed.) Butterworth and Heinemann. 2003.

* Measurement, Instrumentation and Sensors Handbook. J.G.Webster (Ed.) - CRC Press. 1999.

Estruturas e Funções do LabVIEW

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