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Trasduttore: dispositivo che converte una forma di energia in unaltra Sensore: converte un parametro fisico in una grandezza elettrica Attuatore: converte.

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Presentazione sul tema: "Trasduttore: dispositivo che converte una forma di energia in unaltra Sensore: converte un parametro fisico in una grandezza elettrica Attuatore: converte."— Transcript della presentazione:

1 Trasduttore: dispositivo che converte una forma di energia in unaltra Sensore: converte un parametro fisico in una grandezza elettrica Attuatore: converte un segnale elettrico in una grandezza fisica Sensori e loro principio di funzionamento

2 Sensori di spostamento Misurano le variazioni delle dimensioni, forma e posizione degli organi e dei tessuti del corpo. Misure dirette: –Variazioni nel diametro dei vasi sanguigni, del volume e forma delle camere cardiache, del volume dei muscoli o della casssa toracica Misure indirette: –Misurano il movimento dei liquidi attraverso le valvole del cuore (movimento del diaframma di un microfono che rivela indirettamente il movimento del cuore e i rumorii del cuore) Tipi di sensori: –Resistivo –Capacitivo –Piezoelettrico

3 Sensori resistivi Basati sulla variazione di resistenza di un filo dovuta a variazioni nel diametro, lunghezza e resistività. La resistenza di un filo può essere espressa in funzione della lunghezza L (m), della resistività ( m), area A (m 2 ) secondo la legge: Strain gauge Sensori di spostamento

4 Strain gauge Le variazioni di L ed A sono legate dal rapporto di Poisson secondo la relazione : D diametro Effetto dimensionale Effetto piezoresistivo Fattore di Gauge, G: Sensori di spostamento

5 METALLI SEMICONDUTTORI Predomina effetto geometrico Predomina effetto piezoresistivo Altri parametri di interesse: coefficiente di temperatura della resistenza: coefficiente di temperatura di G: Sensori di spostamento Strain gauge G ~ 2G ~ 100 Semiconduttori : variazione resistività con la temperatura compensazione

6 a)Resistance-wire type. (b) Foil type. Strain gauge metallici semplici Compensazione in temperatura: dummy gauge non sottoposto a strain o struttura particolare! Sensori di spostamento

7 Circuiti a ponte di Wheatstone Se R 1 /R 2 =R4/R3 ponte bilanciato v 0 =0 c b d a R4R4 o i R3R3 R2R2 RyRy RiRi RxRx R1R1 Sensori di spostamento La resistenza R y and il potenziometro R x sono usati per bilanciare inizialmente il ponte. v i è la tensione applicata e v 0 è la tensione duscita su un voltmetro con resistenza interna R i. Coefficiente di espansione termico substrato-strain gauge!

8 Strain gauge a semiconduttore Uniformemente drogato Semiconduttore di tipo p diffuso Sensori di spostamento

9 Gel Clear plastic 4 cm SalineFlush valve IV tubing Electrical cable Silicon chip To patient Sensore integrato di pressione Sensori di spostamento

10 Strain gauge a semiconduttore Sensori di spostamento M momento =Fb y=h/2 I momento di inerzia=Wh 3 /12

11 Sensore integrato di forza per la misura della pressione oculare Sensori di spostamento

12 Strain gauge elastici Utilizzati nelle misure delle dimensioni cardiovascolari, pletismografiche Consistono di un tubo di gomma (0.5-2 mm diametro, 3-25 cm di lunghezza) riempito con mercurio o con pasta conduttiva Bridge output for venous- occlusion plethysmography. Bridge output for arterial- pulse plethysmography. Sensori di spostamento

13 Sensori capacitivi Capacitore a facce piane e parallele K, guadagno Sensori di spostamento

14 Sensore capacitivo per determinare variazioni di spostamento dinamico In condizioni stazionarie: In corrispondenza di una variazione x: Filtro passa-alto: Molte variabili fisiologiche hanno componenti a bassa frequenza Movimento respiratorio di un paziente su un lettino Pressione tra piede e scarpa Sensori di spostamento

15 Sensori piezoelettrici Misurano gli spostamenti fisiologici (respiro) e registrano i battiti cardiaci Sensori di spostamento q = k f k costante piezoelettrica, (C/N) variazione di tensione indotta k = 2.3 pC/N quarzo k = 140 pC/N titanato di bario

16 R s = sensor leakage resistance C s = sensor capacitance C c = cable capacitance C a = amplifier input capacitance R a = amplifier input resistance q = charge generator. R = R a R s /(R a + R s ) C = C s + C c + C a Charge generator i s = dq/dt=Kdx/dt isis C R iCiC iRiR + i a = 0 o Amplifier Charge generator q = Kx RsRs CsCs CcCc CaCa + i Amplifier = 0 o Amplifier Cable e Crystal x Circuito elettrico equivalente di un sensore piezoelettrico Modified equivalent circuit with current generator replacing charge generator. Sensori di spostamento - -

17 K S =K/C sensibilità, V/m =RC costante di tempo CKSKS Sensori di spostamento

18 R + FET Sensore piezoelettrico C isis isRisR isCisC dq s / dt = i s = K dx/dt Lamplificatore trasferisce la carica generata dal sensore piezoelettrico alla capacità di controreazione C Sensori di spostamento

19 Cardiologia:- fonocardiografia alla superficie del corpo e intracardiaca - suoni di Korotkoff (generati dal flusso di sangue e dalle vibrazioni dei vasi sanguigni) nelle misure di pressione del sangue - accelerazioni fisiologiche dovute al movimento umano Il primo suono di Korotkoff rivela la pressione sistolica, mentre la transizione dal muffling al silenzio indica la pressione diastolica. Sensori di spostamento

20 TABLE 47.6 Examples of Biomedical Applications of Physical Sensors SensorApplicationSignal RangeReference Liquid metal strain gauge Breathing movement0–0.05 Limb plethysmography0–0.023 Magnetic displacement sensor Breathing movement0–10 mm10 LVDTMuscle contraction0–20 mm Uterine contraction sensor0–5 mm11 Load cellElectronic scale 0–440 lbs (0–200 kg) 12 AccelerometerSubject activity0–20 m/s213 Miniature silicon pressure sensor Intra-arterial blood pressure 0–50 Pa (0–350 mm Hg) Urinary bladder pressure0–10 Pa (0–70 mm Hg) Intrauterine pressure0–15 Pa (0–100 mm Hg) 14


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