Medição Sinais de Baixo Nível - Instituto Politécnico ... · Sensores opticos. Electrónica de...
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Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2009 #2
Bibliografia:
• Low Level Measurements Handbook, Precision DC Current, Voltage, and Resistance Measurements, Keithley.
• David A. Bell, Electronic Instrumentation and Measurements, Prentice Hall 1994.
• A. Gregory, An Introduction to Electrical Instrumentation and Measurement Systems, The Macmillan Press LTD, 1973.
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Different Instruments—Different Noise Levels
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Realistically, What Can Be Measured?
0.00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 000000 1A
100pA:Measure the tiny electrical signals associated with
nanoscale devices and materials
100fA: DC measurements
for SETs
10aA: Counting
electrons as they go by
µAmA fAnA pA aA
µA:High sensitivity and accuracy for
most measurements
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Pulsing Current Has Its Own Set of Unique Challenges
• Pulsing current is usually subject to slower rise times - down to a few hundred nanoseconds– Usually limited by inductance and capacitance
in experimental setup.
• Often looking for much greater voltage measuring sensitivity– Sometimes, a nanovoltmeter is required.
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Integrated Pulse Mode Resistance and I-V
To make pulse measurements effectively at low levels, pulse testing techniques must be used in combination with line frequency synchronization and low-level measurement techniques to eliminate power line noise and DC offsets.
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Low Current × Low Voltage = Low PowerCombine an AC/DC Current Source with a Nanovoltmeter
• Tight integration of an AC/DC current source with a high speed nanovoltmeter.
• Together, they operate as a single instrument.
• Low current sourced × low voltage measured = very low power.
AC current source with arbitrary waveform generator for low power applications requiring waveforms.
AC/DC current source satisfies applications that need pulsed testing to reduce power. Reduces joule heating.
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Measurement Challenges
Nanoscale electrical measurements can be overwhelmed by various sources of measurement
error.
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Sources of Generated Current Errors:Triboelectric Effects
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Sources of Generated Current Errors:Electrochemical Effects
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10–7 A
10–8
10–9
10–10
10–11
10–12
10–13
10–14
10–15
Standardcable
Low noisecable
Dirtysurface
Epoxyboard
Cleansurface
TriboelectricEffects
ElectrochemicalEffects
TypicalCurrentGenerated
Current-Generating Phenomena
CNTFET
Moletronic
SET
Typical Magnitudes of Generated Currents
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RShunt CShunt
Guarding
RShunt CShunt
No Guarding
Challenge: Cables and ConnectionsCable leakage issues require guarding to eliminate parasitic capacitances.
I
time
Time constant = RDUT * (C+CDUT)
Time constant = RDUT * (C+CDUT )I
time
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1000µµµµV/°°°°CCu-CuO
400µµµµV/°°°°CCU-Si
1-3µµµµV/°°°°CCu-Pb/Sn
0.3µµµµV/°°°°CCu-Au
<0.2µµµµV/°°°°CCu-Cu
Seebeck Coefficient, QAB
Paired Materials*
Measurement Instrument
T2
EAB
HI
LO
T1ABA
E AB = Q AB ( T 1 – T 2 )
The thermoelectric voltage developed bydissimilar metals A and B in a series circuit is:
Temperature of theA to B junction in °C
Temperature of theB to A junction in °CSeebeck coefficient ofmaterial A with respectto B, µV/°C
Challenge: Cables and ConnectionsThermoelectric EMFs from
connections
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Challenge: Speed and UnrealisticMeasurement Expectations
• You just can’t hook up an instrument and expect it to give you accurate results miraculously. First, you have to understand how the instrument and the DUT will react.
• Incorrect ranging.
• Rapid settling times.
• Trying to measure too fast.
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A deformação do extensómetro pode ser determinada através da variação da resistência eléctrica.
eGR
R.
0
=∆
l
le
∆=
G – factor de “Gauge”, constante característica do extensómetro.e – deformação (m/m).
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Configuração básica da ponte de Wheatstone
E – alimentação da ponte.
Rx – resistência eléctrica ou extensómetros.
E0 – saída da ponte, sinal de saída.
A ponte de Wheatstone é usada para medir a resistência com extrema precisão, mas pode ser usada na medida de qualquer outra grandeza física desde que, existao transdutor adequado á situação.
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Configuração básica da ponte de WheatstoneCom 1, 2 e 4 extensómetros
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Circuito com extensómetro de três fios
A resistência do extensómetro não é a única que esta a ser medida, as resistências dos fios contribuem para que o valor indicado no voltímetro não seja totalmente preciso.
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Um e de dois elementos
Dois elementos cruzados (90º)
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Quatro elementos (ponte completa)
Transdutores de forçaTransdutores de torque
Transdutores de pressão
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-Ponte de extensómetros, com switch´s para permitir a selecção de 2 ou 4 extensómetros
- Consoante a escolha o ganho tem de ser ajustado para que na saída esteja sempre o mesmo ganho.
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-Circuito que compensa o offset.
-Tensão de offset define-se como sendo a tensão diferencial de entrada, para que na saída se tenha uma tensão de saída nula.
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O que é um sensor óptico?
• Os sensores ópticos são de uma forma geral, dispositivos optoelectrónicos que detectam a energia de radiações, em comprimentos de onda específicos (quer sejam estes visíveis ou não).
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Funcionamento Físico
• Relativamente ao seu funcionamento físico, os sensores são classificados como sendo:
� Activos: Quando funcionam em emissão/recepção.
� Passivos: Quando se limitam a receber
informações provenientes do exterior.
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Noções básicas sobre a luzPara entendermos melhor os sensores ópticos, temos que lembrar algumas teorias sobre a luz:
• A luz é uma forma de radiação electromagnética oscilatória que se dispersa no meio em que se encontra.
• O factor que a melhor caracteriza é o seu comprimento de onda. A visão humana é sensível apenas às radiações luminosas na faixa de 380nm (violeta) até780nm (vermelho escuro), tendo sensibilidade máxima para o amarelo esverdeado ( 555nm).
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Noções básicas sobre a luz
• Os sensores ópticos são sempre compostos por duas partes:
� o emissor de luz (pode ser luz solar ou componentes electrónicos).
� o receptor de luz (componente electrónico que detecta a variação de luz).
Constituição de um sensor óptico
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Constituição de um sensor óptico
• Um sensor óptico é constituído por:
� LDR’s (Light Dependent Resistor)
� Fotodíodo (Transmissor)
� Fototransístor (Receptor)
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LDR (Resistência dependente de Luz)• Um LDR é um componente de entrada que
converte a (luz) em valores de resistência.
• A sua resistência diminui quando a luz é muito alta, e quando a luz é baixa, a resistência no LDR aumenta.
• Vantagem:
� Não é polarizado, podendo ser usado em corrente alternada.
• Desvantagem:
� Tempo de resposta muito grande, o que limita a sua faixa de funcionamento a algumas centenas de Hertz.
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Fotodíodo (Transmissor)
• O transmissor envia o feixe de luz através de um fotodíodo, que pode ser em flashes, com alta potência e curta duração, para evitar que o receptor (fototransístor) confunda a luz emitida pelo transmissor com a iluminação ambiente.
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Fototransístor (Receptor)
• O receptor é composto por um fototransístor sensível àluz, que em conjunto com um filtro sintonizado na mesma frequência de pulsação dos flashes do transmissor, faz com que o receptor compreenda somente a luz emitida pelo transmissor.
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Princípio de funcionamento de um Oxímetro de Pulso
���� Na figura (a) mostra-se a representação esquemática dos componentes de um sensor do oxímetro de pulso e do acoplamento do sensor na ponta de um dedo.
���� Na figura (b) mostra-se o gráfico ilustrativo da amplitude constante do infravermelho (805nm) e a variação da amplitude do vermelho (660nm) com a saturação de oxigénio (SapO2).
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Cálculo do SapO2
Onde:Iac650 é a intensidade luminosa alternada em 650 nm.Idc650 é a intensidade luminosa contínua em 650 nm.Iac805 é a intensidade luminosa alternada em 805 nm.Iac805 é a intensidade luminosa contínua em 805 nm.A e B são constantes de calibração determinadas empiricamente.
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Funcionamento
• A absorção da luz depende:
� da absorção tecidual (pele, gordura, osso, etc),
� da absorção relativa ao sangue venoso,
� da absorção pelo sangue arterial,
� do volume arterial adicionado a cada batimento cardíaco.
• A componente alternada depende do enchimento sanguíneo na extremidade medida e do coeficiente de absorção do meio.
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Sensor de Frequência Cardíaca• A monitorização do fluxo de sangue nos vasos sanguíneos é feita aplicando o sensor em
partes específicas do nosso corpo como lóbulo da orelha ou na extremidade dos dedos, pois quando o coração força o fluxo do sangue através dos vasos sanguíneos, a quantidade de sangue varia em função do tempo, sendo esta variação mais facilmente captada pelo sensor nestas áreas.
• A figura representa a forma de funcionamento do sensor de frequência cardíaca que monitoriza o fluxo sanguíneo baseado na variação da quantidade de sangue que circula pelos vasos e que interfere na intensidade luminosa no detector.
– A emissão de luz gerada pelo LED infravermelho (transmissor) é constante. – O componente capaz de receber a luz (detector de luminosidade) vai ter uma
intensidade variável, pois quanto maior a quantidade de sangue no vaso menor será a quantidade de luz recebida por este componente, conhecido como fototransístor (receptor), já que o sangue funciona como um obstáculo à passagem da mesma.
– O fototransístor gera uma pequena corrente eléctrica quando ligado a uma fonte de tensão, que constitui o sinal de saída do sensor.
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Sensor de Frequência Cardíaca• Recomenda-se que o sensor seja aplicado na
extremidade de um dos dedos das mãos (preferencialmente na mão direita), pois desta forma a tensão imposta pela mola não permite a interferência da luz ambiente, sem com isto gerar incómodos ao utilizador, conforme a figura:
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Introdução
1901 - Einthoven constrói o primeiro ECG.
A monitorização do ritmo cardíaco no desporto permite apefeiçoar o controlo o esforço físico.
Tecnologia permite utilização em situações extremas.
Pretende-se desenvolver um aparelho autónomo e fiável.
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Coração - Batimento Cardíaco
Região sinoauricular (SA) e aurículo-ventricular (AV) formam o sistema de condução eléctrico do coração.
A região sinoauricular (SA) é a que apresenta uma autoexcitação mais intensa.
O potencial da acção iniciada neste local estende-se a todo o coração.
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Coração - Batimento Cardíaco
Cinco acidentes:
P precede a sístole auricular
Os extremos Q, R e S estão ligados à actividade ventricular,
T está associado à despolarização cardíaca
O período seguinte é de repouso para o coração.
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Coração - Batimento Cardíaco
O complexo QRS é produzido pela propagação da actividade eléctrica através do miocárdio ventricular.
Características do sinal:- Amplitude: 0.5mV a 5mV
com componente DC de +/-300mV;
- Frequência: 0.5Hz a 3Hz.
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Electrocardiograma ECG
Registo da actividade eléctrica do coração a partir de elementos condutores (eléctrodos) aplicados àsuperfície da pele.
São conhecidas 12 combinações. As mais utilizadas denominam-se derivações bipolares I, II e III.
Derivação Bipolar I
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Sensor – Captação do sinal
Sensor : converte um parâmetro físico num sinal eléctrico.
Vantagens :
- não é afectado por vibrações exteriores;
- não é afectado por som exterior (pode ser utilizado em ambientes ruidosos);
- imune ao efeito da luz exterior.
Desvantagens :- captação de ruído electromagnético da rede e
equipamentos próximos.
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Sensor – Captação do sinal
Amplificador de InstrumentaçãoConstituído por dois estágios:
- Buffer - responsável por amplificar a diferença dos dois sinais de entrada. - Amplificador de diferença - traduz a diferença entre os sinais e faz a rejeição da componente de modo comum (CMR).