Sensorer och Mätsystem

Kursen skall ge

• Grundläggande kunskaper om ellära.

• grundläggande kunskaper om passiva och aktiva komponenter i elektriska mätsystem.

• förståelse för några fysiologiska fenomen där elekticitet spelar en stor roll.

• kunskaper om viktiga sensorer med medicintekniska tillämpningar.

• en introduktion till signalbehandling.

Kursupplägg• Föreläsningar grundläggande ellära och

magnetism.• Föreläsningar i elektronik med

tillämpningar• Laborationer (obligatoriska)

Lab.uppföljningar • Räkneövningar

Examination

- Resultatrapport skall lämnas in från lab.

- Skriftlig tentamen som omfattar frågor från både teori + laborationer.

Web-platsen

• Meddelanden om schemaändringar mm

• Föreläsningsanteckningar

• Pärmen (web-baserad)

Kurslitteratur

• P.Davidovits:Physics in Biology and medicine 2nd ed. 2001

• Kurspärm på websidan

Bredvidläsning

• Giancoli: Physics 6th ed. 2005 s. 439 – 553

• Gymnasiebok i fysik B

Några exempel på hur el och elektronik påverkar oss

• Signalen i nervcellen transporteras med hjälp av elektriska laddingar.

• Avkodning av DNA sker med hjälp av elektrisk attraktion.

• Elektronisk pacemaker ersätter pacemakerceller i hjärtat.

• Med hjälp av en ”elektrisk kniv” kan man utföra kirurgiska ingrepp inne i hjärnan.

• Magnetfält alstrade av elektrisk apparatur kan slå ut viktig utrustning.

Elektronik i vården

23-04-21 8Lars Gösta Hellström & Karl Bodell

Sensorer

• Andra beteckningar – givare –tranducers – mätsond- ... –

• Överför t.ex. rörelse, värme, ljus till elektrisk signal

Mätsystem

Mätsystems uppbyggnad

Process som

mätsMätsystem

input output

mätvärdeobservation

Sant värde

Mätsystemets uppbyggnad

Sant värde

Sensor/

Givare

inputSignal -

anpassning

Signal

bearbetning

Presentations-

enhet

Transducer

output

mätvärde

fotocell

inputA/D-omvandling

Presentations-

enhet

outputförstärkare

ljus ström

Exempel

absorbans

Nu börjar avsnittet om ellära och elektronik

Vad är elektricitet?

Två typer:

• Statisk elektricitet = separation av laddningar

Elmängd = laddningbetecknas med Q

Vad är elektricitet?

Ström = laddningar i rörelsei en kretsStröm betecknas med I och mäts i A (Ampére)

Hur ser en ladding ut?

• Elektron (-)• Proton (+)• Joner

laddad atom/molekyl (+ eller -)

laddad atom (+ eller -)ex -2

laddningar

Materials elektriska egenskaper

• Ledare– Metaller

• Isolatorer– Glas, plast, gummi, …

• Halvledare– Kisel, Germanium (viktiga

elektroniktillämpningar)

Ledare

Lednings-band

Isolatorer

Halvledare

Elektrisk ledningsförm

åga

(S·m-1)

T(°C) KOMMENTARER

Silver 63.01 × 106 20 Bästa el. ledningsförmågan och bästa värmeledningsförmågan

Koppar 59.6 × 106 20

Guld 45.2 × 106 20 Guld används i många kontakter p.g.a att det inte oxiderar så lätt.

Aluminium 37.8 × 106 20

Havsvatten 4.788 20 3,5% havsvatten

Dricksvatten 0.0005 to 0.05

Halvledare ledningsförmågan σ = σo exp (-Eg/2kT)

Avjoniserat vatten

5.5 × 10-6

Polythene 3 × 10-16 isolator

Statisk elektricitet hos isolatorer

bärnsten ull

Före Efter

bärnsten ull

Lika många positiva som negativa laddingar

Negativa laddingar har förts över till bärnsten frånull

Statisk elektricitet

Den negativt laddade staven stöter bort negativa laddningar i bollen

Bollen blir positivt laddad och dras till staven

Neg. laddning

Kraften mellan elektriska laddningar

k = 8.988*109 Nm2/ C2

0 = 8.85 * 10 -12 C2/Nm2

k = dielektricitetskonstanten

Q1 Q2

r2

Coulombs lag

140

Q1 Q2

r

F

Q1 Q2

F

r

F = k

Elektriska fält

• E =

• F = q E

Fq

Kraften har samma riktning som det elektriska fältet.

Fältriktningen är från + till -

vektorer

Potentiell energin WP i punkten a kallas elektriska potentialen (V) i a

Elektrisk potentialen Va = WP/qeller

” det arbete (Wa) som det elektriska fältetuträttar om det för enpositiv laddning från a till jord”

q

d

a

Vär fältstyrkan

Elektriskt arbete

• Arbetet W som åtgår för att flytta en laddning sträckan d från a till b i ett elektriskt fält E.

W = F * d = q * E * d

a b

d

q

Energi och arbete mäts i Joule (J)

Spänning = skillnaden i potential

U = Vb – Va

eller

U = E*d

U mäts i volt (V)

(V=J/As =Nm/As)

Enhet för spänning

VaVb

d

Enhet för ström

• Varje elektron har laddningen q =1,6 * 10-19 As (amperesekund)

• Q är el-mängden och mäts i Coulomb C (=As). 1 Coulomb är alltså 1,6 * 10+19 laddningar.

• Ampére A anger strömmen i en ledare. d.v.s hur många laddningar som passerar ett tvärsnitt av ledaren på en sekund.

Beräkning av strömmen

I = n A qe

A

n = antalet laddningar per volymsenhet

är laddningarnas medelhastighet(~ 30µm/s)

I = Q/t

Samband mellan ström och spänning ges av OHM’s lag

U = R* I-12V 0V

I = U/RR egenskap hos ledaren

Laddning

StrömtäthetJ = I / A, enhet (A/m2)

www.lib.utah.edu/gould/2000/lecture00.html

Elektriska motstånd

potentiometer

effektmotstånd

trimport

kolfilmsmotstånd trådmotstånd

Enheter och storheter

• Resistans R ()

• Resistivitet (m)

• Konduktans G (S = • Konduktivitet S/m = (m)

Resistivitet och temperaturberoende

ResistivitetTemperaturkoefficient

(10-8Ωm) (10-3K-1)Silver 1,59 4,1Koppar 1,67 4,33Guld 2,35 3,98Aluminium 2,65 4,29Zink 5,92 4,2Nickel 6,84 6,75Järn 9,7 6,57Tenn 10,1 4,63Stål 16 3,3Bly 20,6 4,22Kvicksilver 98,4 0,99Kol (grafit) 1 300 -Vatten,destillerat 5*1011 -

Glas 5*1019 -

Gummi 5*1021 -

Svavel 2*1023 -Plexiglas 2*1024 -

Material

•Physics Handbook for Science and Engineering", C. Nordling & J Österman, 2002

Resistorer av metalltråd

Färgkod för resistorer

Resistorers temperatur beroende

R = R0(1 + *T)

Metaller c:a 0,4% av T

Potentiometer som sensor• Lägesförändring (displacement)

• Omvandlas till spänning

• Rörelsen proportionell mot spänningen

R V U ~ rörelsen

Töjningsgivare• Tension, kompression, skjuvning

• Kraft proportionell mot töjning

• G = (dR/R) / (dL/L), R = resistans, L = längd

• α = (dR/R) / dT, T = temperatur

• Små längdförändringar (μm)

• Passar bäst att mäta kraft