اصول و مبانی حسگرهای پایه

اصول و مبانی حسگرهای پایه

اسلاید 1: اصول و مبانی حسگرهای پایهBasic Sensors and Principlesحسین منتظری کردیدانشکده مهندسی برق و کامپیوتر دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابلپاييز 91

اسلاید 2: رئوس مطالب1- اندازه‌گیری جابجایی (Displacement Measurements) - حسگرهای مقاومتی، القایی، خازنی - حسگرهای پیزوالکتریک2- اندازه‌گیری حرارت - حسگرهای ترموکوپل، ترمیستور، و فیبرنوری - حرارت سنجی تشعشعی3- اندازه‌گیری نوری - منابع نور، هندسه و فیبرنوری - فیلترهای نوری، حسگرهای تشعشعی

اسلاید 3: اندازه‌گیری جابجاییمبدل یا ترانسدیوسر: تبدیل انرژی از نوعی به نوعی دیگرحسگر: مبدل کمیات فیزیکی به الکتریکیمحرک (Actuator): مبدل سیگنال الکتریکی به خروجی فیزیکیاندازه‌گیری جابجاییاندازه‌گیری اندازه، شکل، و موقعیت اندام‌های داخلی و بافت‌هاپارامترهای فوق تعیین کننده عملکرد نرمال و غیرنرمال اندامبکارگیری حسگرها در دو حالت مستقیم و غیرمستقیم - مستقیم: قطرسنجی رگهای خونی، تغییرات حجم و شکل حفره‌های قلبی - غیرمستقیم: حرکت‌سنجی مایعات در دریچه‌های قلب (میکروفون عبوری از دیافراگم برای آشکارسازی حرکت قلب و سوفل قلبی)

اسلاید 4: انواع حسگرهای جابجایی: مقاومتی، القایی، خازنی، و پیزوالکتریکحسگرهای مقاومتی1- پتانسیومترهاسه نوع پرکاربردتر: نوع تحریک: DC یا AC خروجی: تا 0.01% خطیتناسبی: اندازه‌گیری جابجایی از 2 تا 500 میلی‌مترگردان: اندازه‌گیری جابجایی دورانی از 10 تا 50 درجهگردان چند دور

اسلاید 5: کرنش سنج‌ها (Strain Gages)کشیده‌شدن سیم: تغییر قطر، طول، و مقاومت‌ویژه (تغییر در ساختار پنجره‌ای ماده)اندازه‌گیری جابجایی‌های بی‌نهایت کوچک (در حد نانومتر) با کرنش سنج‌هابرای یک سیم مقاومتی: برقراری ارتباط بین تغییر طول و قطر با نسبت پواسن μ- تغییر طول اثر بعد و تغییر مقاومت ویژه اثر پیزومقاومتی

اسلاید 6: عامل Gage بصورت زیر تعریف می‌شود: G برای نیمه‌هادی‌ها بیشتر از فلزات، بعلت غالب بودن اثر پیزو مقاومتیطبقه‌بندی بدو گروه محدودشده و محدود نشدهتبدیل فشارخون به سیگنال الکتریکیپل کرنش سنج دارای جبران حرارتی و سیگنال بزرگتر بخاطر SG های بیشتردر SG های مدارمجتمع، نیمه‌هادی بستر بعنوان دیافراگمSG های مدارمجتمع دارای حساسیت بالا و جبران حرارتی بسیارخوبکاربرد کرنش سنج‌ها:1- فشارسنج 2- حجم سنج (سیستم گردش خون و تنفس)

اسلاید 7:

اسلاید 8:

اسلاید 9: مدارهای پل:پل وتستون، ایده‌آل برای اندازه‌گیری تغییرات کوچک مقاومتی، در حال تعادل اگربافرض برابری تمام مقاومتهای پل باندازه R0، و R0 << R1؛ با ازدیاد R1 و R3 باندازه ΔR و کاهش R2 و R3 بهمین اندازه، آنگاه مقاومت Ry و Rx جهت تغییر مقاومت اولیه بازوها؛ مقدار Rx 10 برابر بزرگتر از مقاومت پل جهت کاهش اثر بارگذاریحسگرهای القاییاندوکتانس جهت اندازه‌گیری جابجایی- μ ضریب نفوذپذیری مغناطیسی، G ضریب هندسی شکل، n تعداد دور سیم‌پیچ

اسلاید 10: انواع حسگرهای القایی:خودالقا با هسته متحرک: غیرخطی با جابجایی، تغییر زیاد با توان کم، دورسنجی رادیوییالقای متقابل با هسته متحرک: سنجش ابعاد قلب، مانیتورینگ تنفس کودکان، تعیین قطر شریان، تغییر ابعاد اعضای داخلی بدن (کلیه، رگهای خونی، بطن چپ)ترانس تفاضلی متغیر خطی (LVDT): سنجش فشار، جابجایی و نیرو، حساسیت بالا (0.5 تا 2 میلی‌متر) با نرخ mm/v 0.01 (بیشتر از SG)، عیب نیاز به ابزار پردازشی پیچیدهمثال: نیاز به دمدولاتور حساس به فاز

اسلاید 11: حسگرهای خازنی:ظرفیت خازنی بین دو صفحه موازی بفاصله x

اسلاید 12: امکان تشخیص جابجایی با تغییر A، x، و εr با جابجایی صفحات باندازه Δx، حساسیت k برابر است با مثال: میکروفون خازنیدر حالت ایستا یا ماندگار برای x = x0 آنگاه v1 = E برای جابجایی Δx:

اسلاید 13: کاربردها: 1- بالیستوگرافی: سنجش حرکت ششها در تنفس، و عملکرد قلب2- سنجش فشار بین پا و کفش3- سنجش میزان زخم بسترحسگرهای پیزوالکتریک: اندازه‌گیری صداهای قلبیمواد پیزوالکتریک؛ تولید پتانسیل الکتریکی تحت فشارمکانیکی و تغییر شکل مکانیکی با اعمال پتانسیل الکتریکیاگر مقاومت نشتی کریستال پیزو بینهایت فرض شود: f نیروی مکانیکی و k ثابت پیزوالکتریک برحسب کولن بر نیوتن

اسلاید 14: اگر کریستال پیزو یک خازن صفحه‌ای فرض شود: مقدار k وابسته به جنس کریستال ( 2.3 پیکوکولن بر نیوتن برای کوارتز تا 140 برای باریم تیتان)حسگر پیزو با سطح cm2 1، و ضخامت mm 1، با نیروی 10 گرمی؛ ولتاژ mv 2.3 تا mv 14 برای کوارتز و باریم تیتانبا توجه به شکل:

اسلاید 15: کاربردها: 1- کاردیولوژی: تشخیص صداهایقلبی با میکروفون سینه‌ای، یا بطورتهاجمی با فرستادن حسگر بدرونحفره قلب از طریق رگ‌های خونی2- تشخیص صداهای Korotkoff در اندازه‌گیری فشارخون

اسلاید 16: اندازه‌گيري حرارتحرارت بدن حاوي اطلاعات مهم فيزيولوژيكافت حرارت شصت پا نشانه ايجاد شوكافزايش حرارت نشانه ايجاد عفونتكاهش حرارت در بيهوشي (بدليل كاهش فعاليت متابوليك و گردش خون)انكيباتور جهت پايداري حرارتي بدن نوزادان (Infants) حرارت مفاصل نشانه ورم و آرتروزانواع روشهاي اندازه‌گيري حرارت:ترموكوپل و ترميستورتشعشع (Radiation Thermometry)فيبر نوري و پيوند PN (mv/◦C 2)

اسلاید 17: 1- ترموكوپلاختلاف حرارت محل اتصال دو فلز غير همجنس منشاء توليد نيرومحركهمعادله ولتاژ محل اتصال (معادله Seebeck): - T دماي اتصال برحسب سانتيگراد، و حرارت مرجع در صفر درجه سانتيگراد

اسلاید 18: توان يا حساسيت الكتروحرارتي؛ ضريب Seebeck ازدياد α با حرارت، بين 6/5 تا μv/◦C 80 براي ترموكوپل‌هاي مختلفاتصال سري ترموكوپل‌ها بنام ترموپيل جهت افزايش دقتمزيت ترموكوپل‌ها:1- پاسخ زماني سريع (ms 1 << τ)2- اندازه كوچك (μm 12 < d)3- سادگي ساخت و پايداري طولانيمعايب: 1- ولتاژ خروجي كوچك2- حساسيت پايين3- نياز به حرارت مرجعكاربرد: 1- سوند (كاتتر) 2- سوزنهاي زيرپوستي

اسلاید 19: 2- ترميستورنيمه‌هادي ساخته‌شده از مواد سراميكي، مقاومتي با ضريب حرارتي منفيبا ازدياد حرارت مقاومت كم و با كاهش آن مقاومت زيادمقاومت ويژه آنها بين 0/1 تا Ω.m 100

اسلاید 20: ويژگيهاي ترميستور:1- اندازه كوچك (mm 0/5 < d)2- حساسيت حرارتي بالا (/◦C 5-% تا 3-%) 3- طول عمر بالا (0/2± مقدار نامي در يك سال)رابطه مقاومت ترميستور با درجه حرارت به كلوين: T حرارت به كلوين، β ثابت ماده ترميستور به كلوين، T0 حرارت استاندارد مرجع به كلوين- تغيير جزيي β با حرارت، در كاربردهاي پزشكي با حرارت بين ◦C 20-10 مجازضريب حرارتيα غيرخطي، استفاده از مدار پل جهت خطي‌سازيانواع مهره‌اي، چيپ، ميله‌اي، واشر؛ نوع مهره‌اي با حفاظ شيشه بيشترين كاربرد در نوك سوند

اسلاید 21:

اسلاید 22: حرارت‌سنجي تشعشعيارتباط بين حرارت سطحي و توان تشعشعي شئي؛ امكان سنجش دما بدون تماس فيزيكيتكنيك اندازه‌گيري حرارت سطحي پوست با حساسيت خوب (Thermography)استفاده از حرارت‌نگاري در تشخيص بهنگام سرطان پستاناستفاده از حرارت‌نگاري در تعيين محل و گستردگي آرتروزاستفاده از حرارت‌نگاري در سنجش عمق تخريب بافت ناشي از يخ‌زدگي يا سوختگيآشكارسازي آسيب‌هاي جانبي گردش خون (لختگي وريدي، انسداد شريان كاروتيدي)ساطع‌شدن توان الكترومغناطيسي از بدن بالاي صفرمطلق، شدت تشعشع وابسته به حرارت و خواص فيزيكيدر دماي اطاق، طيف تشعشع در نواحي دور و خيلي دور مادون‌قرمز

اسلاید 23: شار تشعشعي طبق قانون پلانك:- T حرارت جسم سياه به كلوين، ε ضريب انتشار (واحد براي جسم سياه)قانون وين براي طول موج بيشينه‌كننده شار تشعشعي:مقدار توان تشعشع كل، Wt، از سطح زير منحني، Wλ، بدست مي‌آيد. اين سطح به قانون استفان-بولتزمن معروف است.ثابت استفان-بولتزمن

اسلاید 24:

اسلاید 25: براي K 300 T= و μm 3 λ=، 5% تغيير ضريب انتشار ε معادل با ◦C 1 تغيير دمادر طراحي آشكارساز (مادون‌قرمز) و سيستم اندازه‌گيري، نياز به حساسيت بالاي ابزارآشكارساز حرارتي؛ حساسيت‌پايين-پاسخ به تمام طول‌موجها، آشكارساز كوانتومي پهناي باند طول‌موج محدودكاربردها:1- تعيين حرارت دروني و هسته بدن از طريق حرارت‌سنجي تشعشعي با اندازه‌گيري دامنه تشعشع مادون‌قرمز ساطع‌شده از پرده صماخ و مجراي گوش2- تنظيم حرارت هسته بدن با هيپوتالاموس بعنوان ترموستات بدن، ارتباط بين پرده صماخ و هيپوتالاموس از طريق عروق خوني3- اندازه‌گيري دقيق انرژي ساطع‌شده از بدن با دماسنجي مادون‌قرمز4- عدم تماس حسگر با بدن بمدت طولاني جهت يكسان‌شدن حرارت بدن و حسگر، موجب تلف انرژي و بروز خطا

اسلاید 26:

اسلاید 27: فوايد دماسنجي مادون‌قرمز درون گوشي نسبت به زيرزباني و رِكتال (Rectal):1- پاسخ زماني سريع (حدود 0/1 ثانيه)2- اندازه‌گيري مستقل از شرايط كاربر3- اندازه‌گيري مستقل از شرايط بيمارحسگرهاي فيبرنوري:- جزييات يك پراب حرارتي نيمه‌هادي

اسلاید 28: كاربرد: اندازه‌گيري دماي بافت در حضور ميدانهاي مغناطيسي‌شديد جهت درمان سرطاناندازه‌گيري نوري:كاربرد وسيع در حوزه تشخيص طبي و آزمايشگاههاي پاتولوژياندازه‌گيري اشباع اكسيژن هموگلوبين و خروجي قلب با كاتتر در جراحي قلب

اسلاید 29: منابع تشعشع:لامپ‌هاي تنگستن- فيلامان سيم‌پيچ‌شده جهت افزايش راندمان و ضريب انتشار لامپ

اسلاید 30: تخليه الكتريكيلامپهاي فلوئورسنت پرشده با آرگون-جيوه در فشار پايينكاربرد در ابزارهاي بينايي‌سنجيلامپهاي گازي فشار بالا با رنگهاي مختلف، توان تشعشعي بالاتر و كاربرد در ابزار نوريديودهاي نوري (LED)

اسلاید 31: ليزر Light Amplification by Stimulated Emission Radiationصيقل دادن يك طرف پيوند PN از جنس GaAs بعنوان آينهتشكيل حفره‌هاي تشديد نوري با اين آينه‌هاي جزييكاربرد:1- ليزر آرگون با طول موج nm 515 جهت انعقاد مويرگهاي خوني چشم ديابتي‌ها2- جهت درمان عارضه‌هاي پوستي3- برداشت پلاك‌هاي رسوب‌شده در رگهاي خونيهندسه نور و فيبرنوري:هندسه نورعوامل موثر در بهبود انتقال توان بين منبع نور و آشكارساز (لنزهاي نوري)وظيفه موازي‌سازي پرتوهاي نور (Collimating) بعهده اولين لنز