Electromedicina e Instrumentación Biomédica

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1 Electromedicina e Instrumentación Biomédica
Unidad 2. Sensores y Principios básicos

2 Contenido Transductores. Principios de Operación.
Mediciones de Temperatura, Presión, Nivel, Flujo, etc.

3 Transductores Transductores: concepto, tipos y modos de operación
Transductores: tipos de operación. Galgas extensiométricas, termopares. Características generales y aplicaciones

4 Corriente Eléctrica dentro de un conductor
Un átomo contiene un núcleo rodeado por electrones. Los electrones se mueven en órbitas alrededor del núcleo de manera similar a como los planetas lo hacen alrededor del sol. La mayoría de los electrones están fuertemente acoplados a los límites del átomo, aunque algunos de ellos situados en las órbitas externas están débilmente acoplados y pueden desplazarse de un átomo a otro. En los materiales conductores hay muchos electrones libres. Este proceso de transferencia de electrones ocurre en direcciones aleatorias en los diferentes materiales. Suppose there is an imaginary plane in a conductor (Figure 2.1(a)). The loosely bound outer orbital electrons continuously cross this plane. Due to the random direction of the electron movement, the number of electrons that cross the plane from left to right equals the number that cross from right to left. Thus, the net flow of electrons is zero. El Movimiento Aleatorio de los electrones no genera corriente. Un flujo neto de electrones generado por una fuerza externa.

5 Leyes fundamentales Modelo de un alambre conductor recto de longitud l y área de sección transversal A. Se mantiene una diferencia de potencial Vb – Va a través del conductor, estableciendo un campo eléctrico E. Este campo eléctrico produce una corriente proporcional a la diferencia de potencial.

6 Resistencia y Ley de Ohm
(b) (a) El salto de voltaje creado por un elemento tiene la polaridad de positivo (+) a negativo (–) en la dirección del flujo de corriente. (b) Ley del voltaje de Kirchhoff.

7 Ley de la corriente - 1 La Ley de la Corriente de Kirchhoff establece que la suma de las corrientes que llegan a un nodo es 0. Dos corrientes positivas llegan a un nodo junto con otra negativa. Esta última sale de dicho nodo.

8 Ejemplo de la ley de la corriente de Kirchhoff

9 Medición de Corriente y Voltaje
(a) Si se coloca una resistencia Rp, en paralelo con un galvanómetro, el dispositivo puede usarse como amperímetro. (b) Si se coloca una resistencia, Rs, en serie con un galvanómetro, el dispositivo puede usarse como un voltímetro.

10 Voltaje y Potencial Circuito básico para la medición de tensión, V, y corriente, I, a través de una resistencia, R.

11 Puente de Wheatstone Este circuito se utiliza para medir una resistencia desconocida Rx, cuando se conocen los valores de las otras tres resistencias. Si el puente está balanceado no pasa corriente del nodo a al nodo b.

12 Teorema de Thévenin En general, una fuente de tensión está formada por circuitos eléctricos o electrónicos complejos, sin embargo para todos los fines prácticos es posible suponer que la fuente de tensión real está formada por una fuente ideal de tensión eth y una resistencia en serie con la misma Rth, también llamada la Resistencia Interna de la fuente.

13 Circuito para determinar resistencia interna de la fuente Rth y su valor en circuito abierto
Según el teorema de Thévenin, para el circuito de la Figura, llamando VR al voltaje medido por el voltímetro conectado a la resistencia R e i a la corriente medida por el amperímetro, tenemos:

14 Capacitancia y Condensadores
Relación entre voltaje y corriente para un condensador ( capacitor). Símbolo del capacitor.

15 Diagrama de un capacitor de placas paralelas
La componente consiste de dos placas paralelas de área A separadas por una distancia d. Al cargarse, las placas llevan cargas iguales de signos opuestos.

16 Circuitos con Capacitores
(b) (a) Combinación de dos capacitores en serie. (b) Combinación de dos capacitores en paralelo.

17 Inducción (b) (a) Relación entre voltaje y corriente para un inductor (bobina). Símbolo del inductor.

18 Circuito simple RC paralelo
(b) (a) Circuito RC simple con v (0) en el capacitor en el tiempo t = 0. (b) Voltaje normalizado (mayor valor 1) a lo largo del capacitor para t  0.

19 Circuito simple RC Serie
(b) (a) (a) Circuito RC serie con paso en voltaje de entrada en el instante de tiempo 0. (b) Voltaje normalizado al interior del capacitor.

20 Etapas de una Medición Transductora: Se detecta la variable física y se efectúa una transformación mecánica o eléctrica para convertir la señal a una forma más manejable. Intermedia: modifica la señal que proviene del transductor, sea por amplificación, filtrado u otros medios, para tener una salida deseable. Final: se indica, graba o controla la variable que se mide.

21 Transductor y Sensor Transductor: Dispositivo que transforma un efecto físico en otro. Está compuesto por un sensor, del cual se toma una señal -generalmente dinámica - que se aprovecha con los diferentes principios de transducción para determinar una salida por variación del medio físico. En la gran mayoría de los casos, la variable física se transforma en una señal eléctrica debido a que ésta es la forma de señal más fácilmente medible. Un sensor es un dispositivo diseñado específicamente para las magnitudes de la variable a evaluar de acuerdo a las compatibilidades físicas de lo que se desea medir.

22 Sistemas de Transductores
Características estáticas y dinámicas de transductores. Transductores de temperatura: termopares, termistores, RTD's, sensores integrados y pirómetros. Transductores de movimiento: potenciometros, transformadores diferenciales (LVDT y RVDT), Sincros, Resolvers, galgas extensométricas, y codificadores ópticos. Transductores de fluidos: de presión, de nivel y de flujo. Sistema de placa-orificio, tubo venturi, tobera, encapsulados, tubo de bourdon, de turbina, ultrasonico,capacitivo, resistivo, inductivo, electromagnètico, de flotador, rotámetro, de placa y otros más. Otros sistemas de transducción: PH, humedad relativa, sensores de presión integrados

23 Sensores y Transductores
1. Efectos físicos utilizados para la realización de sensores 2. Tipos de sensores y criterios de selección 2.1. Características de las magnitudes a medir 2.2. Precisión 2.3. Rango 2.4. Resolución 2.5. Sensibilidad 2.6. Velocidad

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25 Algunos efectos físicos utilizados
Resistencia variable Transformador diferencial (LVDT) Capacitivos  Piezoeléctricos Fotoeléctricos Fotoconductivos Efecto Hall

26 Transductor de resistencia variable
Convierte un desplazamiento lineal o angular en una señal eléctrica; sin embargo, por medio del uso de métodos mecánicos, es posible convertir una fuerza o presión en un desplazamiento, convirtiéndolo así en un dispositivo que también sirve para la medición de fuerza y presión.  Es muy común. Puede construirse en forma de un contacto que se mueve sobre un alambre; sobre una bobina de alambre, ya sea con un movimiento lineal o angular, o que se mueve angularmente sobre un conductor sólido, como una pieza de grafito. También se le denomina potenciómetro ó reóstato.

27 (a) Lineal (Translacional). (b) Vuelta simple. (c) Multivueltas.
Tipos de potenciómetros para medir desplazamientos (a) Lineal (Translacional). (b) Vuelta simple. (c) Multivueltas.

28 Galgas extensiométricas resistivas - 1
Si a un hilo conductor se le somete a un esfuerzo de tracción, se alarga, aumentando su longitud en ∂ L (por ejemplo), y no se rebasa el límite elástico del material, el cambio de longitud es proporcional a la carga, y el hilo recupera su longitud original cuando se le retira la carga aplicada. Simultáneamente, con este aumento de longitud hay una ligera reducción de la sección transversal del hilo (la longitud ganada debe salir de algún sitio), y dado que la resistencia de un conductor = ρL / A (donde ρ = resistividad del material , L = longitud y A = área de la sección transversal), tanto el material de longitud como la reducción del área contribuyen a un aumento de la resistencia del hilo tensado. Además de cambiar las dimensiones, también cambia la resistividad del material, siendo este efecto (denominado piezorresistividad) pequeño para los metales, pero también contribuye al cambio de resistencia.

29 Galgas extensiométricas resistivas - 2
Obviamente es incómodo tener grandes longitudes de hilo resistivo pegadas al objeto de estudio, y por eso la disposición general de una galga extensiométrica consiste en un hilo resistivo (normalmente con un diámetro de 0,025 mm) doblado en forma de rejilla y montado sobre un soporte de papel o de Baquelita. Las galgas impresas son una evolución de las galgas del tipo anterior, y se fabrican mediante técnicas similares empleadas para la producción de circuitos impresos. Este proceso se presta fácilmente a la producción de galgas con formas estudiadas para aplicaciones especiales. El tamaño de una galga extensiométrica depende de la aplicación pretendida, pero hay galgas resistivas de varias longitudes, desde unos 3 mm hasta 150 mm, y existe toda una gama de valores nominales de la resistencia siendo los tipos preferidos los de 120 Ω y 600 Ω .

30 Puente de Wheatstone con cuatro elementos activos:
Diaphragm R2 R1 Rx A ui b a B Ry R3 R4 Armdtura d C D Sensor tipo galga no encapsulada para presión. El diafragma está directamente acoplado por la armadura a la galga. Con el incremento de la presión, la deformación den el par B y C de la galga se incrementa, mientras que la del par A y D disminuye. D uo Ri (a) Alambres de la galga (b) Puente de Wheatstone con cuatro elementos activos: R1 = A, R2 = B, R3 = D, y R4 = C Cuando la galga no encapsulada está conectada para movimiento de traslación. La resistencia Ry y el potenciómetro Rx se usan para balancear inicialmente el puente. vi es el voltaje aplicado y Dv0 es el voltaje de salida registrado en un dispositivo con una resistencia interna Ri.

31 Encapsulamientos típicos de las galgas
(a) Tipo resistencia mediante alambre (b) Tipo aluminio. (c) Tipo alambre helicoidal. Las flechas encima de cada unidad muestran la dirección de mayor sensibilidad al esfuerzo.

32 Galgas típicas a semiconductores
(a) No encapsulada. Uniformemente dopada. (b) Difusa tipo p. (c) Sensor de presión integrado. (d) Sensor de haz de fuerza integrado.

33 Galga con bolsa de mercurio para pletismografía
(a) Galga con cuatro bandas aplicada al muslo humano. (b) Salida puente para oclusión venosa. (c) Salida puente para pulso arterial.

34 Sensores inductivos para desplazamiento
b a b c c d b d d d d e (a) (b) (c) Auto inductancia. Inductancia Mutua. Transformador Diferencial.

35 Transformador diferencial (LVDT)
Formado por tres bobinas en una disposición lineal, con un núcleo magnético que se puede mover libremente dentro de ellas. A la bobina central se le aplica un voltaje alterno, de manera que el voltaje de salida de las otras dos bobinas depende del acoplamiento magnético entre el núcleo y las bobinas. Este acoplamiento, a su vez, depende de la posición del núcleo. Por lo tanto, el voltaje de salida del dispositivo es una indicación del desplazamiento del núcleo. Siempre que el núcleo permanezca cerca del centro de las tres bobinas, la salida será aproximadamente lineal.

36 (a) A medida que x se mueve a través de la posición nula, la fase cambia 180 , mientras la magnitud de vo es proporcional a la magnitud de x. (b) Un rectificador – demodulador común no puede distinguir entre (a) y (b), así que se requiere un demodulador sensible a la fase.

37 Transductores capacitivos - 1
Se basan en la variación de capacidad que se produce en un condensador al desplazarse una de sus placas por la aplicación de presión. La placa móvil tiene forma de diafragma y se encuentra situada entre dos placas fijas. De este modo se tienen dos condensadores, uno de capacidad fija o de referencia y el otro de capacidad variable, que pueden compararse en circuitos oscilantes o bien en circuitos de Puente de Wheatstone alimentados por corriente alterna.

38 Transductores capacitivos - 2
Se caracterizan por su pequeño tamaño y su construcción robusta, tienen un pequeño desplazamiento volumétrico y son adecuados para medidas estáticas y dinámicas. Su señal de salida es débil por lo que precisan de amplificadores con el riesgo de introducir errores en la medición. Son sensibles a las variaciones de temperatura y a las aceleraciones transversales y precisan un ajuste de los circuitos oscilantes y de los puente de corriente alterna (c.a.) a los que están acoplados.

39 Sensores capacitivos para medir cambios de desplazamiento dinámicos

40 Piezoeléctricos -1 Son materiales cristalinos que, al deformarse físicamente por la acción de una presión, generan una señal eléctrica. Dos materiales  típicos son el cuarzo y el titanio de bario, capaces de  soportar  temperaturas del orden de150º C en servicio continuo y de 230º C en servicio intermitente. Son elementos ligeros, de pequeño tamaño y de construcción robusta. Su señal de respuesta a una variación de presión es lineal y son adecuados para medidas dinámicas, al ser capaces de respuestas frecuenciales de hasta un millón de ciclos por segundo.

41 Piezoeléctricos - 2 Tienen la desventaja de ser sensibles a los cambios de temperatura y de experimentar deriva en el cero y precisar ajuste de impedancias en caso de fuerte choque. Asimismo, su señal de salida es relativamente débil por lo que precisan de amplificadores y acondicionadores de señal que pueden introducir errores en la medición.

42 (a) Circuito equivalente de un sensor piezoeléctrico, donde: Rs = resistencia de pérdida del sensor, Cs = capacitancia del sensor, Cc = capacitancia del cable, Ca = capacitancia a la entrada del amplificador, Ra = resistencia de entrada del amplificador, y q = generador de carga. (b) Circuito modificado equivalente con generador de corriente reemplazando al generador de carga. Amplificador x Cable e Cristal Amplificador + iAmplifier = 0 Generador de carga q = Kx Rs Cs Cc Ca uo - (a) is ia= 0 + iR Generador de carga is = Kdx/dt iC C R uo - R = Ra Rs /(Ra+ Rs ) » Ra C = Cs + Cc + Ca (b)

43 Respuesta del sensor a un paso de desplazamiento

44 Resonancia Mecánica Voltaje de salida Fuerza de entrada Lm Cm Cs Rt Rm Rango de uso f c Frecuencia (a) (b) Modelo de circuito de alta frecuencia para sensor piezoeléctrico: Rs es la resistencia de pérdida del sensor y Cs la capacitancia Lm, Cm, y Rm representan el sistema mecánico. (b) Respuesta en frecuencia del sensor piezoeléctrico.

45 Fotoeléctricos Convierten un haz de luz en una señal eléctrica. Para representar ésta teoría, consideremos un circuito: La luz incide en el cátodo fotoemisivo y libera electrones, los cuáles son atraídos hacia el ánodo, con lo cuál se produce una corriente eléctrica en el circuito externo. El cátodo y el ánodo están encerrados en un receptáculo de vidrio o de cuarzo, el cuál puede estar evacuado o lleno de un gas inerte.

46 Transductores fotoeléctricos
La sensibilidad fotoeléctrica está definida por: I = S I - corriente fotoeléctrica S - sensibilidad  - iluminación del cátodo y se expresa en unidades de amperes por watt o amperes por lumen.

47 Transductores fotoconductivos
El principio consiste en que se aplica un voltaje sobre un material semiconductor; cuando incide la luz sobre el material semiconductor  se presenta un decremento en la resistencia, por lo que se produce un incremento en la corriente, el cuál se indica en el medidor. Tienen un amplio rango de aplicaciones y  se utilizan para la medición de radiación a todas las longitudes onda. Sin embargo, es pertinente hacer notar que se pueden encontrar graves dificultades experimentales cuando se opera con radiaciones de gran longitud de onda.

48 Circuitos termopares Fuerza electromotriz (Peltier emf).
Ley de los circuitos homogéneos. Ley de los metales intermedios. Ley de las Law temperaturas intermedias.

49 Transductores por efecto Hall
El principio del efecto Hall consiste en una placa de un conductor o semiconductor de espesor t y luego se conecta de tal manera que una corriente I pasa a través del material. Cuando se aplica un campo magnético sobre la placa en una dirección perpendicular a la superficie de la misma, Se genera un potencial EH , el cuál se le denomina voltaje Hall y está dado por: donde I está en amperes, B está en gauss y t en centímetros. A la constante de proporcionalidad se le llama coeficiente Hall y tiene las unidades de volt-cm/amp-gauss.

50 CODIFICACIÓN ÓPTICA DE POSICIÓN
La idea de un disco giratorio para pasar y bloquear alternativamente un haz de luz para medir la cantidad de vueltas que gira un eje, su velocidad y su posición. Generalmente reciben el nombre de ENCODERS, algunos trabajan con la reflexión del haz de luz.

51 Termómetro por haz de radiación estacionario

52 Detalle de la organización fibra / sensor para la sonda de temperatura construida con GaAs semiconductor.

53 (a) Diagrama en bloques de un instrumento óptico
(a) Diagrama en bloques de un instrumento óptico. (b) La mayor eficiencia se alcanza utilizando una lámpara intensa, lentes para enfocar y dirigir la luz sobre la cubeta y un detector fotosensible. (c) Las lámparas de estado sólido y los detectores pueden simplificar el sistema.