Sensorer och Mätsystem

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. 2005 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. 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 = laddningbetecknas med Q

15. Vad är elektricitet? Ström = laddningar i rörelsei en kretsStröm 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

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. Q1Q2 Coulombs lag r2 1 4pe0 Kraften mellan elektriska laddningar Q2 Q1 F k = 8.988*109 Nm2/ C2e0= 8.85 * 10 -12 C2/Nm2k = dielektricitetskonstanten - + r F = k Q2 Q1 F + + r

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

26. 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 Eär 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 * 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.

30. Beräkning av strömmen I = Q/t A I = n A n qe 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) www.lib.utah.edu/gould/2000/lecture00.html

33. Elektriska motstånd 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