caracteristica sensores doc

Prévia do material em texto

04-11-2009
1
Princípios básicos dos sensores Princípios básicos dos sensores 
Transdutor e SensorTransdutor e Sensor
Converte energia de 
uma forma noutra 
forma
Detecta ou mede uma 
quantidade física
Pode-se medir bem sem haver grande eficiência na conversão de energia (5% 
ou 0,1% pode ser bom, dependendo da aplicação).
Já a linearidade, a resolução, a reprodutibilidade, etc… são importantes para 
uma boa medição.
Só nos interessam, por razões óbvias, os sensores cuja 
saída é eléctrica (electrical output)
ActuadorActuador: converte sinal eléctrico numa saída física: converte sinal eléctrico numa saída física
Um sensor baseia-se normalmente num transdutor ou é ele 
próprio um transdutor 
04-11-2009
2
Um Sensor para cada aplicação
�� PosiçãoPosição, , nívelnível, , 
deslocamentodeslocamento
�� VelocidadeVelocidade , , aceleraçãoaceleração
�� ForçaForça
�� PressãoPressão
�� FluxoFluxo
� Electromagnético
� Acústico
� Humidade
� Luz
� Radiação
� Temperatura
� Químico
deslocamento
Luz
temperatura
(Nobel 2009)
04-11-2009
3
�� Um Um SINALSINAL é uma representação unívoca de é uma representação unívoca de 
informação em função de uma variável informação em função de uma variável 
independente (ex. tempo)independente (ex. tempo)
�� Em processos físicos a informação é geralmente a Em processos físicos a informação é geralmente a 
medida de uma certa forma de energiamedida de uma certa forma de energia
I aVR V1 V4
Componentes de um sistema de instrumentação generalizado. O sensor converte
energia (informação) do mensurando para outra forma (eléctrica). O sinal é então
processado e apresentado/registado de uma forma perceptível de modo a fornecer a 
informação. Ligações a tracejado são opcionais em certas aplicações. 
Perceptible
outputOutput
display
Control
And
feedback
Signal
processing
Data
transmission
Data
storage
Variable
Conversion
element
Sensor
Primary
Sensing
element
Measurand
Calibration
signal
Radiation,
electric current,
or other applied
energy
Power
source
04-11-2009
4
Esquema simplificado de um sistema registador de ECG
Electrodes
60-Hz
ac magnetic
field
Displacement
currents
Differential
amplifier
+
−
+Vcc
�Vcc
Z1
Zbody
Z2
vo
vecg
Sistema de Instrumentação Médica
�� MensurandoMensurando:: DesignaçãoDesignação latalata queque podepode significarsignificar quantidadequantidade físicafísica, , 
propriedadepropriedade ouou condiçãocondição a ser a ser medidamedida pelopelo instrumentoinstrumento..
�� Sensor:Sensor: dispositivodispositivo queque converteconverte essaessa quantidadequantidade//energiaenergia num num sinalsinal
eléctricoeléctrico
�� AcondicionamentoAcondicionamento do do sinalsinal:: TodoTodo o o processamentoprocessamento analógicoanalógico do do sinalsinal
((amplificaçãoamplificação, , filtragemfiltragem, , subtracçãosubtracção de de offsetoffset, etc …antes da , etc …antes da colocaçãocolocação
directadirecta num display num display ouou da eventual da eventual digitalizaçãodigitalização. . 
�� ConversãoConversão A/DA/D: : DigitalizaçãoDigitalização do do sinalsinal parapara posterior posterior processamentoprocessamento porpor
técnicastécnicas numéricasnuméricas e/ e/ armazenamentoarmazenamento da da informaçãoinformação..
�� ProcessamentoProcessamento//VisualizaçãoVisualização//transmissãotransmissão: : TratamentoTratamento da da InformaçãoInformação
emem computadorcomputador..
04-11-2009
5
Características da medida (ou do instrumento)
�� Rigor/Rigor/exactidãoexactidão (Accuracy)(Accuracy):: diferençadiferença entre o valor entre o valor 
medidomedido e um valor de e um valor de referênciareferência (valor “(valor “verdadeiroverdadeiro”), %”), %
�� ResoluçãoResolução:: menormenor quantidadequantidade incremental incremental queque podepode ser ser 
inequivocamenteinequivocamente medidamedida
�� RepetibilidadeRepetibilidade ((reproductibilidadereproductibilidade)):: capacidadecapacidade do do 
instrumentoinstrumento ouou sistemasistema de de produzirproduzir a a mesmamesma saídasaída parapara as as 
mesmasmesmas condiçõescondições aplicadasaplicadas ((nãonão implicaimplica rigor)rigor)
�� SensibilidadeSensibilidade:: medemede o o graugrau de de variaçãovariação da da saídasaída a a 
variaçõesvariações da da entradaentrada
�� PrecisãoPrecisão (precision):(precision): relaçãorelação entre o entre o intervalointervalo de de valoresvalores
emem queque o valor o valor medidomedido estáestá contidocontido com com umauma determinadadeterminada
confiançaconfiança e o valor de e o valor de escalaescala máximamáxima ((full scalefull scale))
Caract. da medida (cont)
�� DerivaDeriva do Zero do Zero -- ZeroZero--drift (or offset or baseline drift):drift (or offset or baseline drift):
alteraçãoalteração com o tempo da com o tempo da medidamedida do "zero" do "zero" ouou valor da valor da 
linhalinha de base de base devidodevido a a condiçõescondições váriasvárias
�� DerivaDeriva de de SensibilidadeSensibilidade -- Sensitivity driftSensitivity drift:: variaçãovariação da da 
sensibilidadesensibilidade com o tempocom o tempo
�� LinearidadeLinearidade: : 
�� ifif x1 is input, y1 is response and if x2 is input, y2 is x1 is input, y1 is response and if x2 is input, y2 is 
response response thenthen if x1 + x2 is input, then y1 + y2 is if x1 + x2 is input, then y1 + y2 is 
response. response. 
�� if k*x1 is input then k*y1 is response.if k*x1 is input then k*y1 is response.
�� Gama de Gama de entradaentrada : : máximomáximo e e mínimomínimo valor valor permitidopermitido da da 
grandezagrandeza a a medirmedir parapara umauma respostaresposta linearlinear
04-11-2009
6
Características intrínsecas dos sensores
�� FunçãoFunção de de transferênciatransferência ((RelaçãoRelação entre a entre a medidamedida e o valor da e o valor da 
grandezagrandeza físicafísica))
�� Linear : S = a + Linear : S = a + bsbs
�� LogarítmicaLogarítmica: S = a + b : S = a + b lnln ss
�� FunçãoFunção potênciapotência: S = a + : S = a + bsbskk
�� FunçãoFunção exponential: S = a exponential: S = a eeksks
�� Gama Gama dinâmicadinâmica
�� RazãoRazão entre entre osos valoresvalores máxmáx e e mínmín do do estímuloestímulo queque podempodem ser ser 
medidosmedidos pelopelo sensor.sensor.
�� emem decibels: dB = 20 log sdecibels: dB = 20 log s22/s/s11
Há obviamente conceitos que tanto fazem sentido referidos ao sistema de 
medida ou especificamente aos sensores (Linearidade /Não-Linearidade, 
Reproductibilidade, sensibilidade…)
Características do Sensor (cont.)
�� Gama de Gama de saídasaída -- ((Full Scale OutputFull Scale Output) ) DiferençaDiferença algébricaalgébrica
entre entre osos sinaissinais eléctricoseléctricos de de saídasaída quandoquando sãosão aplicadosaplicados osos
estímulosestímulos máxmáx e e mínmín. . 
�� HistereseHisterese -- DesvioDesvio nana respostaresposta do sensor do sensor aoao sinalsinal de de 
entradaentrada dependendodependendo do do sentidosentido de de variaçãovariação..
�� SaturaçãoSaturação -- LimiteLimite de de operaçãooperação do sensor do sensor quandoquando jájá nãonão
responderesponde a a variaçãovariação do do estímuloestímulo..
�� DistorçãoDistorção do do sinalsinal --ImpedânciaImpedância de de saídasaída, , ZZoutout, de um sensor , de um sensor 
é é importanteimportante parapara evitarevitar distorçãodistorção provocadaprovocada pelopelo circuitocircuito
de de saídasaída. Para . Para sensoressensores queque geramgeram tensãotensão, , baixabaixa ZZoutout é é 
preferívelpreferível com com altaalta ZZinin no no circuitocircuito de de entradaentrada..
04-11-2009
7
�� CaracterísticasCaracterísticas dinâmicasdinâmicas
�� Tempo de Tempo de arranquearranque (Warm(Warm--up Time): Os up Time): Os sensoressensores
precisamprecisamnormalmentenormalmente de um de um períodoperíodo inicialinicial de de 
““aquecimentoaquecimento” ” atéaté atingirematingirem as as característicascaracterísticas estáveisestáveis
especificadasespecificadas
�� RespostaResposta emem FrequênciaFrequência: : DescriçãoDescrição da da respostaresposta do sensor do sensor 
a a variaçõesvariações dinâmicasdinâmicas do do estímuloestímulo
�� ConstanteConstante temporal temporal ((ττ)): : MedidaMedida da “da “inérciainércia” do sensor; ” do sensor; 
tempo tempo queque demorademora a a atingiratingir 63% do valor 63% do valor estacionárioestacionário
final 2 final 2 ττ =86.5%; 3 =86.5%; 3 ττ =95%.=95%.
�� FrequênciaFrequência de de cortecorte (Cutoff Frequency (Cutoff Frequency -- upper & lower): upper & lower): 
frequênciafrequência do do estímuloestímulo parapara a a qualqual o o sinalsinal de de saídasaída caicai
parapara 0,707 do 0,707 do seuseu valor valor máximomáximo (3 dB).(3 dB).
Caract. Sensor (cont.)
Algumas Ilustrações
04-11-2009
8
Sensor
signal
Measurand
Sensor
signal
Measurand
(a) Sensor de baixa sensibilidade/baixo ganho. (b) Ganho elevado
(a) (b)
Figure 1.3 (Webster) (a) Curva da Sensibilidade que relaciona o valor da entrada que
se quer determinar com a saída. Pode ser constante apenas numa determinada gama de 
valores da entrada (b) Desvio do Zero e desvio da Sensibilidade. 
Intercept b ∆xd
∆y
∆ x'd
∆ y'
y (Output)
y = mxd + b
xd (Input)
(a)
Slope m = ∆y
∆xd
Total error due to drift
Characteristic with zero and sensitivity drift
+ Zero
drift
+ Sensitivity
drift
− Sensitivity drift
− Zero drift
(b)
y (Output)
xd (Input)
04-11-2009
9
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).
(a) (b)
Medida com (a) baixa precisão e (b) alta precisão.
04-11-2009
10
Medida com (a) baixo rigor (accuracy) e (b) grande rigor.
(a) (b)
Output
Input
Output
Input
(a) (b)
(a) Sistema linear obedece à equação y = mx + b. (b) Sistema não-linear.
04-11-2009
11
0.05 Hz 150 Hz
Frequency
Amplitude
1.0
0.1
Resposta em frequência
Time
Am
pl
itu
de
Time
Am
pl
itu
de
(a) (b)
(a) Sinais analógicos podem ter qualquer valor de amplitude. (b) Sinais digitais têm
um número de amplitudes limitado.
Sinais
04-11-2009
12
Time
Am
pl
itu
de
Time
Am
pl
itu
de
(a) (b)
(a) Sinal contínuo no tempo (b) Sinal discreto no tempo (amostrado
periodicamente).
(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.
Interferência electromiográfica num sinal de ECG
04-11-2009
13
Representação de sinais no domínio do 
tempo e no domínio da frequência
0 1 2 3 4 5 6
–1
–0.5
0
0.5
1
t (s)
v 
(V
)
)2sin( ty ω=′)sin( ty ω=
Qualquer sinal períódico pode ser representado por uma série de senos 
ou de cosenos (Série de Fourier). Os sinais não periódicos têm uma 
representação no domínio da frequência dada pela Transformada de 
Fourier
Sinais sinusoidais de diferentes frequências. 
04-11-2009
14
1 harmónica
4 harmónicas
Exemplo simples: Função 
em dente de serra
Análise de Fourier
Representação no domínio das 
frequências 
Resumo da análise de Fourier para diferentes tipos de sinais 
04-11-2009
15
Dois temas incontornáveis quando se fala de sinais 
eléctricos:
-Circuitos Eléctricos
-Conversão Analogico-Digital
MeasurementMeasurement RangeRange Signal Signal Frequency, HzFrequency, Hz Sensor MethodSensor Method
Blood flowBlood flow 1 to 300 mL/s1 to 300 mL/s 0 to 200 to 20 Electromagnetic or ultrasonicElectromagnetic or ultrasonic
Blood pressureBlood pressure 0 to 400 mmHg0 to 400 mmHg 0 to 500 to 50 strain gagestrain gage
Cardiac outputCardiac output 4 to 25 L/min4 to 25 L/min 0 to 200 to 20 dye dilutiondye dilution
ElectrocardiographyElectrocardiography 0.5 to 4 mV0.5 to 4 mV 0.05 to 1500.05 to 150 Skin electrodesSkin electrodes
ElectroencephalographyElectroencephalography 5 to 300 5 to 300 µµ VV 0.5 to 150 0.5 to 150 Scalp electrodesScalp electrodes
ElectromyographyElectromyography 0.1 to 5 mV0.1 to 5 mV 0 to 100000 to 10000 Needle electrodesNeedle electrodes
ElectroretinographyElectroretinography 0 to 900 0 to 900 µµ VV 0 to 500 to 50 Contact lens electrodesContact lens electrodes
pHpH 3 to 13 pH units3 to 13 pH units 0 to 10 to 1 pH electrodepH electrode
ppCOCO22 40 to 100 mmHg40 to 100 mmHg 0 to 20 to 2 ppCOCO22 electrodeelectrode
ppOO22 30 to 100 mmHg30 to 100 mmHg 0 to 20 to 2 ppOO22 electrodeelectrode
PneumotachographyPneumotachography 0 to 600 L/min0 to 600 L/min 0 to 400 to 40 PneumotachometerPneumotachometer
Respiratory rateRespiratory rate 2 to 50 2 to 50 breaths/minbreaths/min 0.1 to 100.1 to 10 ImpedanceImpedance
TemperatureTemperature 32 to 40 32 to 40 °°CC 0 to 0.10 to 0.1 ThermistorThermistor
Parâmetros médicos comuns (condicionam as características dos equipamentos). 
04-11-2009
16
ESpecificaçãoESpecificação ValorValor
Gama de pressõesGama de pressões ––30 a +300 mmHg30 a +300 mmHg
Sobrepressão sem danosSobrepressão sem danos ––400 a +4000 mmHg400 a +4000 mmHg
DesequilíbrioDesequilíbrio máximomáximo (??)(??) ±±75 mmHg75 mmHg
Linearidade e HistereseLinearidade e Histerese ±± 2% da leitura ou 2% da leitura ou ±± 1 mmHg1 mmHg
Corrente de risco a 120 VCorrente de risco a 120 V 10 10 µµAA
“Convivência” com “Convivência” com 
Defibrilhador Defibrilhador 360 J 360 J emem 50 50 ΩΩ
Especificações para um sensor de pressão sanguínea são determinadas por uma
comissão composta por indivíduos da academia, indústria, hospitais e governo.
SpecificationSpecification ValueValue
Input signal dynamic rangeInput signal dynamic range ±±5 mV5 mV
Dc offset voltageDc offset voltage ±±300 mV300 mV
Slew rateSlew rate 320 mV/s320 mV/s
Frequency responseFrequency response 0.05 to 150 Hz0.05 to 150 Hz
Input impedance at 10 HzInput impedance at 10 Hz 2.5 M2.5 MΩΩ
Dc lead currentDc lead current 0.1 0.1 µµΑΑ
Return time after lead switchReturn time after lead switch 1 s1 s
Overload voltage without damageOverload voltage without damage 5000 V5000 V
Risk current at 120 VRisk current at 120 V 10 10 µµΑΑ
Valores de especificação para um electrocardiógrafo