پاورپوینت اصول و مبانی حسگرهای پایه

اصول و مبانی حسگرهای پایه
Basic Sensors and Principles

رئوس مطالب
1- اندازه گیری جابجایی (Displacement Measurements)
– حسگرهای مقاومتی، القایی، خازنی
– حسگرهای پیزوالکتریک
2- اندازه گیری حرارت
– حسگرهای ترموکوپل، ترمیستور، و فیبرنوری
– حرارت سنجی تشعشعی
3- اندازه گیری نوری
– منابع نور، هندسه و فیبرنوری
– فیلترهای نوری، حسگرهای تشعشعی

اندازه گیری جابجایی

مبدل یا ترانسدیوسر: تبدیل انرژی از نوعی به نوعی دیگر
حسگر: مبدل کمیات فیزیکی به الکتریکی
محرک (Actuator): مبدل سیگنال الکتریکی به خروجی فیزیکی
اندازه گیری جابجایی
اندازه گیری اندازه، شکل، و موقعیت اندام های داخلی و بافت ها
پارامترهای فوق تعیین کننده عملکرد نرمال و غیرنرمال اندام
بکارگیری حسگرها در دو حالت مستقیم و غیرمستقیم
– مستقیم: قطرسنجی رگهای خونی، تغییرات حجم و شکل حفره های قلبی
– غیرمستقیم: حرکت سنجی مایعات در دریچه های قلب (میکروفون عبوری از دیافراگم برای آشکارسازی حرکت قلب و سوفل قلبی)

انواع حسگرهای جابجایی: مقاومتی، القایی، خازنی، و پیزوالکتریک
حسگرهای مقاومتی
1- پتانسیومترها
سه نوع پرکاربردتر:

نوع تحریک: DC یا AC
خروجی: تا 0.01% خطی

کرنش سنج ها (Strain Gages)
کشیده شدن سیم: تغییر قطر، طول، و مقاومت ویژه (تغییر در ساختار پنجره ای ماده)
اندازه گیری جابجایی های بی نهایت کوچک (در حد نانومتر) با کرنش سنج ها
برای یک سیم مقاومتی:

برقراری ارتباط بین تغییر طول و قطر با نسبت پواسن μ

– تغییر طول اثر بعد و تغییر مقاومت ویژه اثر پیزومقاومتی

عامل Gage بصورت زیر تعریف می شود:

G برای نیمه هادی ها بیشتر از فلزات، بعلت غالب بودن اثر پیزو مقاومتی
طبقه بندی بدو گروه محدودشده و محدود نشده
تبدیل فشارخون به سیگنال الکتریکی
پل کرنش سنج دارای جبران حرارتی و سیگنال بزرگتر بخاطر SG های بیشتر
در SG های مدارمجتمع، نیمه هادی بستر بعنوان دیافراگم
SG های مدارمجتمع دارای حساسیت بالا و جبران حرارتی بسیارخوب
کاربرد کرنش سنج ها:
1- فشارسنج 2- حجم سنج (سیستم گردش خون و تنفس)

مدارهای پل:
پل وتستون، ایده آل برای اندازه گیری تغییرات کوچک مقاومتی، در حال تعادل اگر

بافرض 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 بارگذاری
حسگرهای القایی
اندوکتانس جهت اندازه گیری جابجایی
– μ ضریب نفوذپذیری مغناطیسی، G ضریب هندسی شکل، n تعداد دور سیم پیچ

انواع حسگرهای القایی:
خودالقا با هسته متحرک: غیرخطی با جابجایی، تغییر زیاد با توان کم، دورسنجی رادیویی
القای 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 میلی متر) با نرخ mm/v 0.01 (بیشتر از SG)، عیب نیاز به ابزار پردازشی پیچیده
مثال: نیاز به دمدولاتور حساس به فاز

حسگرهای خازنی:
ظرفیت خازنی بین دو صفحه موازی بفاصله x

امکان تشخیص جابجایی با تغییر A، x، و εr
با جابجایی صفحات باندازه Δx، حساسیت k برابر است با

مثال: میکروفون خازنی
در حالت ایستا یا ماندگار برای x = x0 آنگاه v1 = E
برای جابجایی Δx:

کاربردها:
1- بالیستوگرافی: سنجش حرکت ششها در تنفس، و عملکرد قلب
2- سنجش فشار بین پا و کفش
3- سنجش میزان زخم بستر
حسگرهای پیزوالکتریک:
اندازه گیری صداهای قلبی
مواد پیزوالکتریک؛ تولید پتانسیل الکتریکی تحت فشارمکانیکی و تغییر شکل مکانیکی با اعمال پتانسیل الکتریکی
اگر مقاومت نشتی کریستال پیزو بینهایت فرض شود:
f نیروی مکانیکی و k ثابت پیزوالکتریک برحسب کولن بر نیوتن

اگر کریستال پیزو یک خازن صفحه ای 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 تیتان
با توجه به شکل:

کاربردها:
1- کاردیولوژی: تشخیص صداهای
قلبی با میکروفون سینه ای، یا بطور
تهاجمی با فرستادن حسگر بدرون
حفره قلب از طریق رگ های خونی
2- تشخیص صداهای Korotkoff
در اندازه گیری فشارخون

اندازه گیری حرارت
حرارت بدن حاوی اطلاعات مهم فیزیولوژیک
افت حرارت شصت پا نشانه ایجاد شوک
افزایش حرارت نشانه ایجاد عفونت
کاهش حرارت در بیهوشی (بدلیل کاهش فعالیت متابولیک و گردش خون)
انکیباتور جهت پایداری حرارتی بدن نوزادان (Infants)
حرارت مفاصل نشانه ورم و آرتروز
انواع روشهای اندازه گیری حرارت:
ترموکوپل و ترمیستور
تشعشع (Radiation Thermometry)
فیبر نوری و پیوند PN (mv/◦C 2)

1- ترموکوپل
اختلاف حرارت محل اتصال دو فلز غیر همجنس منشاء تولید نیرومحرکه
معادله ولتاژ محل اتصال (معادله Seebeck):

– T دمای اتصال برحسب سانتیگراد، و حرارت مرجع در صفر درجه سانتیگراد

توان یا حساسیت الکتروحرارتی؛ ضریب Seebeck

ازدیاد α با حرارت، بین 6/5 تا μv/◦C 80 برای ترموکوپل های مختلف
اتصال سری ترموکوپل ها بنام ترموپیل جهت افزایش دقت
مزیت ترموکوپل ها:
1- پاسخ زمانی سریع (ms 1 << τ)
2- اندازه کوچک (μm 12 < d)
3- سادگی ساخت و پایداری طولانی
معایب:
1- ولتاژ خروجی کوچک
2- حساسیت پایین
3- نیاز به حرارت مرجع
کاربرد: 1- سوند (کاتتر) 2- سوزنهای زیرپوستی

2- ترمیستور
نیمه هادی ساخته شده از مواد سرامیکی، مقاومتی با ضریب حرارتی منفی
با ازدیاد حرارت مقاومت کم و با کاهش آن مقاومت زیاد
مقاومت ویژه آنها بین 0/1 تا Ω.m 100

ویژگیهای ترمیستور:
1- اندازه کوچک (mm 0/5 < d)
2- حساسیت حرارتی بالا (/◦C 5-% تا 3-%)
3- طول عمر بالا (0/2± مقدار نامی در یک سال)
رابطه مقاومت ترمیستور با درجه حرارت به کلوین:

T حرارت به کلوین، β ثابت ماده ترمیستور به کلوین، T0 حرارت استاندارد مرجع به کلوین
– تغییر جزیی β با حرارت، در کاربردهای پزشکی با حرارت بین ◦C 20-10 مجاز

ضریب حرارتی

α غیرخطی، استفاده از مدار پل جهت خطی سازی
انواع مهره ای، چیپ، میله ای، واشر؛ نوع مهره ای با حفاظ شیشه بیشترین کاربرد در نوک سوند

حرارت سنجی تشعشعی
ارتباط بین حرارت سطحی و توان تشعشعی شئی؛ امکان سنجش دما بدون تماس فیزیکی
تکنیک اندازه گیری حرارت سطحی پوست با حساسیت خوب (Thermography)
استفاده از حرارت نگاری در تشخیص بهنگام سرطان پستان
استفاده از حرارت نگاری در تعیین محل و گستردگی آرتروز
استفاده از حرارت نگاری در سنجش عمق تخریب بافت ناشی از یخ زدگی یا سوختگی
آشکارسازی آسیب های جانبی گردش خون (لختگی وریدی، انسداد شریان کاروتیدی)
ساطع شدن توان الکترومغناطیسی از بدن بالای صفرمطلق، شدت تشعشع وابسته به حرارت و خواص فیزیکی
در دمای اطاق، طیف تشعشع در نواحی دور و خیلی دور مادون قرمز

شار تشعشعی طبق قانون پلانک:

– T حرارت جسم سیاه به کلوین، ε ضریب انتشار (واحد برای جسم سیاه)
قانون وین برای طول موج بیشینه کننده شار تشعشعی:

مقدار توان تشعشع کل، Wt، از سطح زیر منحنی، Wλ، بدست می آید. این سطح به قانون استفان-بولتزمن معروف است.

ثابت استفان-بولتزمن

برای K 300 T= و μm 3 λ=، 5% تغییر ضریب انتشار ε معادل با ◦C 1 تغییر دما
در طراحی آشکارساز (مادون قرمز) و سیستم اندازه گیری، نیاز به حساسیت بالای ابزار
آشکارساز حرارتی؛ حساسیت پایین-پاسخ به تمام طول موجها، آشکارساز کوانتومی پهنای باند طول موج محدود
کاربردها:
1- تعیین حرارت درونی و هسته بدن از طریق حرارت سنجی تشعشعی با اندازه گیری دامنه تشعشع مادون قرمز ساطع شده از پرده صماخ و مجرای گوش
2- تنظیم حرارت هسته بدن با هیپوتالاموس بعنوان ترموستات بدن، ارتباط بین پرده صماخ و هیپوتالاموس از طریق عروق خونی
3- اندازه گیری دقیق انرژی ساطع شده از بدن با دماسنجی مادون قرمز
4- عدم تماس حسگر با بدن بمدت طولانی جهت یکسان شدن حرارت بدن و حسگر، موجب تلف انرژی و بروز خطا

فواید دماسنجی مادون قرمز درون گوشی نسبت به زیرزبانی و رِکتال (Rectal):
1- پاسخ زمانی سریع (حدود 0/1 ثانیه)
2- اندازه گیری مستقل از شرایط کاربر
3- اندازه گیری مستقل از شرایط بیمار
حسگرهای فیبرنوری:
– جزییات یک پراب حرارتی نیمه هادی

کاربرد: اندازه گیری دمای بافت در حضور میدانهای مغناطیسی شدید جهت درمان سرطان
اندازه گیری نوری:
کاربرد وسیع در حوزه تشخیص طبی و آزمایشگاههای پاتولوژی
اندازه گیری اشباع اکسیژن هموگلوبین و خروجی قلب با کاتتر در جراحی قلب

منابع تشعشع:
لامپ های تنگستن
– فیلامان سیم پیچ شده جهت افزایش راندمان و ضریب انتشار لامپ

تخلیه الکتریکی
لامپهای فلوئورسنت پرشده با آرگون-جیوه در فشار پایین
کاربرد در ابزارهای بینایی سنجی
لامپهای گازی فشار بالا با رنگهای مختلف، توان تشعشعی بالاتر و کاربرد در ابزار نوری
دیودهای نوری (LED)

لیزر Light Amplification by Stimulated Emission Radiation
صیقل دادن یک طرف پیوند PN از جنس GaAs بعنوان آینه
تشکیل حفره های تشدید نوری با این آینه های جزیی
کاربرد:
1- لیزر آرگون با طول موج nm 515 جهت انعقاد مویرگهای خونی چشم دیابتی ها
2- جهت درمان عارضه های پوستی
3- برداشت پلاک های رسوب شده در رگهای خونی
هندسه نور و فیبرنوری:
هندسه نور
عوامل موثر در بهبود انتقال توان بین منبع نور و آشکارساز (لنزهای نوری)
وظیفه موازی سازی پرتوهای نور (Collimating) بعهده اولین لنز

پایان