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

• Trasduttore: dispositivo che converte una forma di energia in un’altra

• Sensore: converte un parametro fisico in una grandezza elettrica

• Attuatore: converte un segnale elettrico in una grandezza fisica

Sensori e loro principio di funzionamento

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

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 (m2) secondo la legge:

A

LR

Strain gauge

A

dLLdAA

A

dLdR

2

A

A

L

L

R

R


Strain gauge

Le variazioni di L ed A sono legate dal rapporto di Poisson secondo la relazione:

L

L

D

D

L

L

R

R)21(

LLLL

RRG

/

/)21(

/

/

D diametro

Effettodimensionale

Effettopiezoresistivo

Fattore di Gauge, G:


METALLI SEMICONDUTTORI

• Predomina effetto geometrico • Predomina effetto piezoresistivo

•Altri parametri di interesse:

coefficiente di temperatura della resistenza:

coefficiente di temperatura di G:

T

RRTCR


Strain gauge

G ~ 2 G ~ 100

Semiconduttori: variazione resistività con la temperatura

compensazione

a) Resistance-wire type. (b) Foil type.

Strain gauge metallici semplici

Compensazione in temperatura: dummy gauge non sottoposto a strain o struttura particolare!


Circuiti a ponte di Wheatstone

Se R1/R2=R4/R3 ponte bilanciato v0=0

c

b

d

a

R4

o

i

R3

R2

Ry

Ri

Rx

R1


La resistenza Ry and il potenziometro Rx sono usati per bilanciare inizialmente il ponte. vi è la tensione applicata e v0 è la tensione d’uscita su un voltmetro con resistenza interna Ri.

Coefficiente di espansione termico substrato-strain gauge!

Strain gauge a semiconduttore

Uniformemente drogato

Semiconduttore di tipo p diffuso


Gel

Clear plastic

4 cm

Saline Flush valve

IV tubing

Electrical cableSilicon chip

To patient

Sensore integrato di pressione


Strain gauge a semiconduttoreSensori di spostamento

M momento =Fby=h/2I momento di inerzia=Wh3/12

Sensore integrato di forza per la misura della pressione oculare


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 capacitivi

x

AC r 0

20 x

A

x

CK r

x

C

dx

dC

x

dx

C

dC

Capacitore a facce piane e parallele

K, guadagno


Sensore capacitivoper determinare variazioni di spostamento dinamico

Ev 1

01 xxx

In condizioni stazionarie:

In corrispondenza di una variazione x:

Filtro passa-alto:

Evv 10

1

)/(

)(

)( 0

1

0

j

jxE

jX

jV00 / xARRC r

• Molte variabili fisiologiche hanno componenti a bassa frequenza• Movimento respiratorio di un paziente su un lettino• Pressione tra piede e scarpa


Sensori piezoelettrici

Misurano gli spostamenti fisiologici (respiro) e registrano i battiti cardiaci


q = k f k costante piezoelettrica, (C/N)

A

kfx

C

kfv

r 0

variazione di tensione indotta

k = 2.3 pC/N quarzo

k = 140 pC/N titanato di bario

Rs = sensor leakage resistanceCs = sensor capacitanceCc = cable capacitanceCa = amplifier input capacitance

Ra = amplifier input resistanceq = charge generator.

R = Ra Rs /(Ra+ Rs )C = Cs + Cc + Ca

Charge

generatoris = dq/dt=Kdx/dt

is

C RiC

iR

+ia= 0

o

Amplifier

Chargegeneratorq = Kx

Rs Cs Cc Ca

+iAmplifier = 0 o

AmplifierCable e

Crystal

x

Circuito elettrico equivalente di un sensore piezoelettrico

Modified equivalent circuitwith current generator replacingcharge generator.


-

-

1)(

)(

1

0

00

0

j

jK

jX

jV

R

v

dt

dxK

dt

dvCii

dtiC

vv

iii

S

RS

CC

RCS

KS=K/C sensibilità, V/m=RC costante di tempo

C KS


R

+ FET

Sensore piezoelettrico

C

is

isRisC

dqs/ dt = is = K dx/dt

L’amplificatore trasferisce la carica generata dal sensore piezoelettrico alla capacità di controreazione C

C

KXdt

dt

dxK

Cv

t

1

00

1


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.


TABLE 47.6 Examples of Biomedical Applications of Physical Sensors

Sensor Application Signal Range Reference

Liquid metal strain gauge

Breathing movement 0–0.05

Limb plethysmography 0–0.02 3

Magnetic displacement sensor

Breathing movement 0–10 mm 10

LVDT Muscle contraction 0–20 mm

Uterine contraction sensor 0–5 mm 11

Load cell Electronic scale 0–440 lbs (0–200 kg)

12

Accelerometer Subject activity 0–20 m/s2 13

Miniature silicon pressure sensor

Intra-arterial blood pressure

0–50 Pa (0–350 mm Hg)

Urinary bladder pressure 0–10 Pa (0–70 mm Hg)

Intrauterine pressure 0–15 Pa (0–100 mm Hg)

14

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