Características intrínsecas dos sensores Caract. Sensor (cont.)

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
k
Função potência: S = a + bs
ks
Função exponential: S = a e
Gama dinâmica (dynamic range):
Valores mín e máx do estímulo que podem ser medidos pelo
sensor.
em decibels: 1 dB = 20 log s2/s1
Caract. Sensor (cont.)
Gama de saída (Full Scale Output)
Erro de calibração
Desvio na resposta do sensor ao sinal de entrada dependendo do sentido
de variação.
Saturação
Erro tolerado pelo fabricante durante o processo de calibração.
Histerese (Hysteresis)
Diferença algébrica entre os sinais eléctricos de saída quando são
aplicados os estímulos máx e mín.
Limite de operação do sensor quando já não responde a variação do
estímulo.
Distorção do sinal
Impedância de saída, Zout, de um sensor é importante para evitar distorção
provocada pelo circuito de saída.
Para sensores que geram tensão, baixa Zout é preferível com alta Zin no
circuito de entrada.
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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
(a)
(b)
(a) Sensor de baixa sensibilidade/baixo ganho. (b) Ganho elevado
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Amplitude
Amplitude
Time
Time
(a)
(b)
(a) Sinais analógicos podem ter qualquer valor de amplitude. (b) Sinais digitais têm
um número de amplitudes limitado.
Amplitude
5 mV
(a)
Time
Dynamic
Range
-5 mV
Amplitude
1V
(b)
Time
-1 V
(a) Um sinal de entrada que excede a gama dinâmica. (b) O sinal amplificado
resultante aparece saturado a ±1 V.
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Amplitude
(a)
Time
Amplitude
(b)
Dc offset
Time
Amplitude
Amplitude
(a) Sinal de entrada sem offset dc. (b) Com offset dc.
Time
(a)
Time
(b)
(a) Sinal contínuo no tempo (b) Sinal discreto no tempo (são amostrados
periodicamente).
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Output
Output
Input
(a)
Input
(b)
(a) Sistema linear obedece à equação y = mx + b. (b) Sistema não-linear.
Sensor: (cont.)
Características dinâmicas
Erro dinâmico:
dinâmico: Resposta temporal do sensor ao estímulo
Tempo de arranque (Warm
(Warm--up Time): Os sensores
precisam normalmente de um período inicial de
“aquecimento” até atingirem as características estáveis
especificadas
Resposta em Frequência:
Frequência: Descrição da resposta do sensor
a variações dinâmicas do estímulo
Constante temporal (τ
(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).
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Parâmetros médicos comuns (impôem restrições aos equipamentos).
Measurement
Range
Signal
Frequency, Hz
Sensor Method
Blood flow
1 to 300 mL/s
0 to 20
Electromagnetic or ultrasonic
Blood pressure
0 to 400 mmHg
0 to 50
strain gage
Cardiac output
4 to 25 L/min
0 to 20
dye dilution
Electrocardiography
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 10000
Needle electrodes
Electroretinography
0 to 900 µ V
0 to 50
Contact lens electrodes
pH
3 to 13 pH units
0 to 1
pH electrode
pCO2
40 to 100 mmHg
0 to 2
pCO2 electrode
pO2
30 to 100 mmHg
0 to 2
pO2 electrode
Pneumotachography
0 to 600 L/min
0 to 40
Pneumotachometer
Respiratory rate
2 to 50
breaths/min
0.1 to 10
Impedance
Temperature
32 to 40 °C
0 to 0.1
Thermistor
ESpecificação
Valor
Gama de pressões
–30 a +300 mmHg
Sobrepressão sem danos
–400 a +4000 mmHg
Desequilíbrio máximo (??)
±75 mmHg
Linearidade e Histerese
± 2% da leitura ou ± 1 mmHg
Corrente de risco a 120 V
10 µA
“Convivência” com
Defibrilhador
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.
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Specification
Value
Input signal dynamic range
±5 mV
Dc offset voltage
±300 mV
Slew rate
320 mV/s
Frequency response
0.05 to 150 Hz
Input impedance at 10 Hz
2.5 MΩ
MΩ
Dc lead current
0.1 µΑ
Return time after lead switch
1s
Overload voltage without damage
5000 V
Risk current at 120 V
10 µΑ
Valores de especificação para um electrocardiógrafo
1.0
Amplitude
0.1
0.05 Hz
150 Hz
Frequency
Resposta em frequência
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(a)
(b)
(a) Sinal sem ruído. (b) Interferência sobreposta no sinal é causa de erro. Filtros de
frequência são dispositivos que são usados para diminuir o ruído ou interferência.
(a)
(b)
Dados com (a) baixa precisão e (b) alta precisão.
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(a)
(b)
Dados com (a) baixo rigor (accuracy) e (b) grande rigor.
Um Sensor para cada aplicação
Posição, nível e
deslocamento
Velocidade e aceleração
Força
Pressão
Fluxo
Electromagnético
Acústico
Humidade
Luz
Radiação
Temperatura
Químico
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Deslocamentos e Goniometria
Potenciómetro – Sensor Resistivo
Princípio básico: R = ρ*L / A
(1)
Figure 1.5 (a) A
linear potentiometer,
an example of a zeroorder system. (b)
Linear static
characteristic for this
system.
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Strain Gages (extensómetros)
Princípio básico: R = ρ*L / A
• dR = ρ(dL)/A - ρL(dA)/A2 + L (dρ
(dρ)/A
• ∆R/R = ∆L/L - ∆A/A + ∆ ρ/ρ
• Coeficiente de Poisson (µ
(µ): ∆D/D = -µ ∆
∆L/L
L/L
(D=diâmetro; L=comprimento)
•
∆R/R = (1 + 2µ
2µ) ∆L/L (dimensional) + ∆ ρ/ρ
(piezoresistivo)
•
Gage Factor (sensibilidade do extensómetro):
G = (∆
∆R/R) / (∆
∆L/L)
= (1 + 2µ
µ) + (∆
∆ ρ/ρ) / (∆L/L)
(∆
•
Ver tabela 2.1 do Webster para vários
materiais
Ponte de Wheatstone
Ideal para a medida de pequenas alterações de
resistência (i.e. strain gage)
• Em equilíbrio, ∆vo = 0 quando
R1/R2 = R4/R3
• Se R1=R2=R3=R4=R0 , ponte em
equilíbrio
• Se R0<<Ri e R1 ,R3 aumentarem de
∆R enquanto R2,R4 decrescem de
∆R, então
∆vo = (∆R vi)/ R0
• Rx: ↓ carga do circuito ~ 10x R0
• Ry ~ 25x R0
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Sensores Inductivos
Usados para medir deslocamento variando os
parâmetros do enrolamento
Ex. Transformador diferencial linear variável (LVDT)(LVDT)mede deslocamenmto
Outros sensores: Capacitivos
Princípio: Capacidade de duas placas paralelas de
A separadas por x é:
εo = Constante dieléctrica do vazio
C = εoεr A/x εr = Constante dieléctrica do isolador
A = area
x= distância que separa as duas placas
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Outros sensores: Piezoeléctricos
Materiais piezoeléctricos(BaTi, polyvinylidene fluoride (PVDF) )
geram potencial eléctrico quando sujeitos a stress
mecânico (& vice versa)
q (= charge) = k f where k=piezoelectric const & f =
force
Voltage: V = q/C = kf / C
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