Sensorer och Mätsystem
description
Transcript of Sensorer och Mätsystem
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