Sensorer och Mätsystem

En presentation över ämnet: "Sensorer och Mätsystem"— Presentationens avskrift:

1 Sensorer och Mätsystem

2 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.

3 Kursupplägg Föreläsningar grundläggande ellära och magnetism.
Föreläsningar i elektronik med tillämpningar Laborationer (obligatoriska) Lab.uppföljningar Räkneövningar

4 Examination - Resultatrapport skall lämnas in från lab. - Skriftlig tentamen som omfattar frågor från både teori + laborationer.

5 Web-platsen Meddelanden om schemaändringar mm Föreläsningsanteckningar
Pärmen (web-baserad)

6 Kurslitteratur P.Davidovits:Physics in Biology and medicine 2nd ed. 2001 Kurspärm på websidan Bredvidläsning Giancoli: Physics 6th ed s. 439 – 553 Gymnasiebok i fysik B

7 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.

8 Lars Gösta Hellström & Karl Bodell
Elektronik i vården Lars Gösta Hellström & Karl Bodell

9 Sensorer Andra beteckningar – givare –tranducers – mätsond- ... –
Överför t.ex. rörelse, värme, ljus till elektrisk signal

10 Mätsystem

11 Mätsystems uppbyggnad
input output Process som mäts Mätsystem Sant värde mätvärde observation

12 Mätsystemets uppbyggnad
input Signal - anpassning Signal bearbetning Presentations- enhet output Sensor/ Givare Sant värde mätvärde Transducer Exempel input A/D-omvandling Presentations- enhet output fotocell förstärkare ström ljus absorbans

13 Nu börjar avsnittet om ellära och elektronik

14 Vad är elektricitet? Två typer:
Statisk elektricitet = separation av laddningar Elmängd = laddning betecknas med Q

15 Vad är elektricitet? Ström = laddningar i rörelse i en krets Ström betecknas med I och mäts i A (Ampére)

16 Hur ser en ladding ut? Elektron (-) Proton (+)
Joner laddad atom/molekyl (+ eller -) laddad atom (+ eller -) ex -2 3 laddningar

17 Materials elektriska egenskaper
Ledare Metaller Isolatorer Glas, plast, gummi, … Halvledare Kisel, Germanium (viktiga elektroniktillämpningar)

18 Ledare Lednings- band

19 Isolatorer

20 Halvledare

21 Elektrisk ledningsförm åga
(S·m-1) T(°C) KOMMENTARER Silver 63.01 × 106 20 Bästa el. ledningsförmågan och bästa värmeledningsförmågan Koppar 59.6 × 106 Guld 45.2 × 106 Guld används i många kontakter p.g.a att det inte oxiderar så lätt. Aluminium 37.8 × 106 Havsvatten 4.788 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

22 Statisk elektricitet hos isolatorer
Före Efter bärnsten ull bärnsten ull Lika många positiva som negativa laddingar Negativa laddingar har förts över till bärnsten frånull

23 Statisk elektricitet - - - - - - -
Den negativt laddade staven stöter bort negativa laddningar i bollen + + + Neg. laddning - - - Bollen blir positivt laddad och dras till staven + + +

24 Kraften mellan elektriska laddningar
Q2 Q1 F - + k = 8.988*109 Nm2/ C e0 = 8.85 * C2/Nm2 k = dielektricitetskonstanten Q1 Q2 r2 Coulombs lag 1 4pe0 r F = k Q2 Q1 F + + r

25 Elektriska fält E = F = q E vektorer
Kraften har samma riktning som det elektriska fältet. Fältriktningen är från + till - F q

26 Elektrisk potentialen Va = WP/q eller
Potentiell energin WP i punkten a kallas elektriska potentialen (V) i a Elektrisk potentialen Va = WP/q eller ” det arbete (Wa) som det elektriska fältet uträttar om det för en positiv laddning från a till jord” d ----- +++++ q + a E E är fältstyrkan 0V

27 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 E ----- ++++ a b - q Energi och arbete mäts i Joule (J) d

28 Enhet för spänning Spänning = skillnaden i potential U = Vb – Va eller
U = E*d U mäts i volt (V) (V=J/As =Nm/As) Va Vb ------ E ++++++ d

29 Enhet för ström Varje elektron har laddningen q =1,6 * As (amperesekund) Q är el-mängden och mäts i Coulomb C (=As). 1 Coulomb är alltså 1,6 * laddningar. Ampére A anger strömmen i en ledare. d.v.s hur många laddningar som passerar ett tvärsnitt av ledaren på en sekund.

30 Beräkning av strömmen I = Q/t I = n A n qe A
n är laddningarnas medelhastighet (~ 30µm/s) n = antalet laddningar per volymsenhet

31 Samband mellan ström och spänning ges av OHM’s lag
Laddning U = R* I -12V 0V I = U/R R egenskap hos ledaren

32 Strömtäthet J = I / A, enhet (A/m2)

33 Elektriska motstånd effektmotstånd potentiometer trimport
kolfilmsmotstånd effektmotstånd trådmotstånd potentiometer trimport

34 Enheter och storheter Resistans R () Resistivitet r (m)
Konduktans G (S = -1) Konduktivitet g (S/m = (m)-1)

35 Resistivitet och temperaturberoende
Physics Handbook for Science and Engineering", C. Nordling & J Österman, 2002

36 Resistorer av metalltråd

37 Färgkod för resistorer

38 Resistorers temperatur beroende
R = R0(1 + a*DT) Metaller a c:a 0,4% av DT

39 Potentiometer som sensor
Lägesförändring (displacement) Omvandlas till spänning Rörelsen proportionell mot spänningen V U ~ rörelsen R

40 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