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
2017-07-14
Lars Gösta Hellström & Karl Bodell
8
Sensorer
• Andra beteckningar – givare –tranducers –
mätsond- ... –
• Överför t.ex. rörelse, värme, ljus till
elektrisk signal
Mätsystem
Mätsystems uppbyggnad
Process som
mäts
input
output
Mätsystem
Sant värde
mätvärde
observation
Mätsystemets uppbyggnad
input
Sensor/
Sant värde
Givare
Signal -
Signal
Presentations-
anpassning
bearbetning
enhet
output
mätvärde
Transducer
Exempel
input
förstärkare
fotocell
ljus
ström
A/Domvandling
Presentations-
output
enhet
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 -)
3 laddningar
laddad atom (+ eller -)
ex -2
+
Materials elektriska egenskaper
• Ledare
– Metaller
• Isolatorer
– Glas, plast, gummi, …
• Halvledare
– Kisel, Germanium (viktiga
elektroniktillämpningar)
Ledare
Ledningsband
Isolatorer
Halvledare
Elektrisk
ledningsförm
T(°C)
åga
KOMMENTARER
(S·m-1)
Silver
63.01 × 106
20
Koppar
59.6 × 106
20
Guld
45.2 × 106
20
Aluminium
37.8 × 106
20
Havsvatten
4.788
20
Bästa el. ledningsförmågan och bästa värmeledningsförmågan
Guld används i många kontakter p.g.a att det inte oxiderar så lätt.
3,5% havsvatten
Dricksvatten 0.0005 to 0.05
ledningsförmågan
Halvledare
Avjoniserat
vatten
5.5 × 10-6
Polythene
3 × 10-16
isolator
σ = σo exp (-Eg/2kT)
Statisk elektricitet hos isolatorer
Före
bärnsten
Efter
ull
Lika många positiva
som negativa
laddingar
bärnsten
ull
Negativa laddingar har
förts över till bärnsten
frånull
Statisk elektricitet
------------++
+
--
Neg.
laddning
Bollen blir
positivt
laddad och
dras till
staven
------------++
+
- - -
Den negativt
laddade staven
stöter bort
negativa
laddningar i
bollen
Kraften mellan elektriska
laddningar Q
1
F=k
Q1 Q2
F
-
Q2
+
r
Coulombs lag
r2
F
k=
8.988*109 Nm2/
k= 1
4pe0
Q1
Q2
+
+
C2
r
e0 = 8.85 * 10 -12 C2/Nm2
dielektricitetskonstanten
vektorer
Elektriska fält
F
q
• E=
• F=qE
Kraften har samma riktning
som det elektriska fältet.
Fältriktningen är från + till -
Potentiell energin WP i punkten a kallas
elektriska potentialen (V) i a
d
Elektrisk potentialen Va = WP/q + q +
+
a
eller
+
” det arbete (Wa) som det
E
+
elektriska fältet
+
uträttar om det för en
positiv laddning från a till jord”
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
Energi och arbete
mäts i Joule (J)
+
+
+
+
E
b
a
q
d
-
Enhet för spänning
Spänning = skillnaden i potential
Vb
Va
U = Vb – Va
eller
U = E*d
U mäts i volt (V)
(V=J/As =Nm/As)
-
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
A
I = n A n qe
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
R
egenskap
hos ledaren
0V
I = U/R
Strömtäthet
J = I / A, enhet (A/m2)
www.lib.utah.edu/gould/2000/lecture00.html
Elektriska motstånd
kolfilmsmotstånd
potentiometer
effektmotstånd
trimport
trådmotstånd
Enheter och storheter
•
•
•
•
Resistans R ()
Resistivitet r (m)
Konduktans G (S = -1)
Konduktivitet g (S/m = (m)-1)
Resistivitet och temperaturberoende
Material
Silver
Koppar
Guld
Aluminium
Zink
Nickel
Järn
Tenn
Stål
Bly
Kvicksilver
Kol (grafit)
Vatten,dest
illerat
Glas
Gummi
Svavel
Plexiglas
Resistivitet
(10-8Ωm)
1,59
1,67
2,35
2,65
5,92
6,84
9,7
10,1
16
20,6
98,4
1 300
5*1011
5*1019
5*1021
2*1023
2*1024
Temperatur
koefficient
(10-3K-1)
4,1
4,33
3,98
4,29
4,2
6,75
6,57
4,63
3,3
4,22
0,99
-
•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
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
