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.

Lars Gösta Hellström & Karl Bodell Elektronik i vården 2017-04-08 Lars Gösta Hellström & Karl Bodell

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

Mätsystem

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

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

Nu börjar avsnittet om ellära och elektronik

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

Vad är elektricitet? Ström = laddningar i rörelse i en krets Ström 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 3 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 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

Statisk elektricitet hos isolatorer Före Efter bärnsten ull 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 - - - - - - - + + + Neg. laddning - - - - - - - - - - Bollen blir positivt laddad och dras till staven - - - - - - - + + + - - -

Kraften mellan elektriska laddningar Q2 Q1 F - + k = 8.988*109 Nm2/ C2 e0 = 8.85 * 10 -12 C2/Nm2 k = dielektricitetskonstanten Q1 Q2 r2 Coulombs lag 1 4pe0 r F = k Q2 Q1 F + + r

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

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

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

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

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

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

Strömtäthet J = I / A, enhet (A/m2) www.lib.utah.edu/gould/2000/lecture00.html

Elektriska motstånd effektmotstånd potentiometer trimport kolfilmsmotstånd effektmotstånd trådmotstånd potentiometer trimport

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

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

Resistorer av metalltråd

Färgkod för resistorer

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

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

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