instrumentação biomédicaebm.ufabc.edu.br/wp-content/uploads/2014/05/a8_ib1q2014.pdf · célula...

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Profa. Léia Bernardi Bagesteiro (CECS) E-mail: [email protected]

Instrumentação Biomédica

•! Sensores e Transdutores •! Aceleração •! Célula de Carga

Exemplos de Medições

Classificação de Transdutores – Sensores (fonte de alimentação)

•! Ativos –! Sensores ativos geram diretamente um sinal elétrico em resposta a

um estímulo.

–! Retiram energia do processo

•! Passivos

–! Sensores passivos requerem ser excitados por uma fonte externa de energia para operarem. Esse sinal de excitação é modificado pelo sensor, em função do estímulo (mensurando), para produzir o sinal de saída.

–! Podem retirar ou inserir energia no processo

Transdutor estímulo resposta

Transdutor estímulo resposta

excitação

Ativos: Termopares Acelerômetros Piezoelétricos

Passivos:

Extensômetros

Termistores

RTDs

Transdutores – Sensores: Ativos e Passivos

www.picotech.com%2Fapplications%2Fthermocouple.htm

Classificação de Transdutores – Sensores (nº de estágios)

•! Simples

–! Um transdutor é dito simples quando possui apenas um estágio de transdução entre entrada e saída

•! Composto –! Um transdutor é dito composto quando possui mais

de um estágio de transdução entre entrada e a saída

Transdutor grandeza física de

entrada

grandeza física de

saída

Estágio A

grandeza física de

entrada

grandeza física de

saída

Estágio B

Estágio C

grandezas físicas intermediárias

Transdutor

Transdutores – Sensores: Simples e Compostos

•! Simples (sensor de proximidade indutivo)

•! Composto (célula de carga)

•! Estágio 1: –! Elemento Elástico - converte força ou

pressão em deformação mecânica

•! Estágio 2: –! Extensômetros de resistência elétrica

convertem deformação mecânica em variação de resistência elétrica

•! Estágio 3: –! Converte variação de resistência em

variação de tensão elétrica

–! Produz uma variação de tensão elétrica quando algum material ferromagnético se movimenta próximo ao sensor

http://www.hbm.com/en/menu/products/transducers-sensors/force/c9c/

Princípios Físicos dos Transdutores

2

Transdutores Piezelétricos

•! Princípio de Funcionamento

–! Quando um elemento piezoelétrico é submetido a uma deformação (tração,

compressão ou torção) por uma força externa, uma quantidade de cargas,

proporcional a esta força, é deslocada e acumula-se nas superfícies opostas

do elemento. Isto cria uma diferença de potencial entre as superfícies.

Transdutores Piezelétricos

•! Aplicações

–! Transdutores de Força, Pressão e Aceleração

Acelerômetros

Uniaxial Triaxial

Transdutores de Pressão

Transdutores de Força

Acelerômetro:

Mede aceleração (g) atráves do movimento causado pela vibração do sensor.

Acelerômetro piezoelétrico contendo microcristais que detectam forças de aceleração (vibração), causando diferença de voltagem.

Ex.: Medida de “1 g” = 0.01V

Acelerômetros - piezoelétricos

4321 Triaxial Piezoelectric Charge Accelerometer (0.1-12000Hz) – 10pC/g [sensitivity expressed as charge per unit acceleration (pC/g)]

4374 Miniature Piezoelectric Charge Accelerometer (1-26000Hz) – 1.5pC/g

Acelerômetros Acelerômetros

•! Produzidos pela Analog Devices: dispõe de diversos modelos.

–! ADXL202 – 2 eixos http://www.analog.com/en/prod/0,2877,ADXL202,00.html

–! ADXL330 – 3 eixos http://www.analog.com/en/prod/0,,764_800_ADXL330%2C00.html

3

•! Mais caros que circuitos eletrônicos típicos

•! Certa dificuldade para soldagem: •! Peça muito pequena •! Montagem em placa (SMD device) •! Deve ser fixado a uma placa de circuito impresso (PCI) antes de usar

•! Relativamente simples e fácil de interagir com o sistema de aquisição – direções X e Y são saídas analógicas em Volts

Acelerômetros

•! O ADXL202 usa massas móveis de polysilicone para detectar vários movimentos (on a micro level).

•! Qualquer movimento faz com que a massa fique for a de fase com as placas que a envolvem, –! surgimento de um capacitor diferencial formado entre estas produzindo

uma onda quadrada qe tem a amplitude proporcional à aceleração.

Acelerômetros

Giroscópio

•! Tipicamente é um sistema mecânico que trabalha com o princípio de inércia:

•! É um sensor para medir ou manter orientação baseado nos princípios de momento angular. É uma roda (ou disco) girante em que o eixo é livre para assumir qualquer orientação.

Sensor Giroscópico:

Mede velocidade angular (rapidez de giro) atráves do movimento causado pela vibração do sensor (!V).

Ex.: acelerômetros + giroscópios = sistema de posicionamento

•! Produzido pela Analog Devices –! ADXRS150 (razão de giro 1 eixo) http://www.analog.com/en/prod/0,2877,ADXRS150,00.html

•! Mais caros que os acelerômetros.

•! Soldagem bem difícil –! Tipo SMD (surface mounted device)!

–! Deve ser fixado em placa de circuito impresso para utilização

•! Relativamente simples para aquisição dos dados – “razão” de giro deve ser uma saída analógica em Volts

Giroscópio

•! Um giroscópio mede razão angular, ou seja, o quão rápido um objeto gira. A rotação é tipicamente medida em referência a um eixo dos 3 eixos (Yaw, Pitch, and Roll). O ADXRS150 é um sensor de 1 eixo que mede a razão de giro no eixo Z (yaw axis Gyro).

•! Giroscópios medem razão angular através da aceleração de Coriolis.

Giroscópio

4

Giroscópio

•! A série ADXRS de giroscópios é feita usando massas microusinadas em polysilicone, as quais são presas num quadro de maneira a mover-se somente em uma direção.

•! Barras de Silicone dentro do substrato da unidade formam o equivalente a dois capacitores. Assim quando o objeto no qual o sensor está montado gira, a massa do centro, montada em um grupo de molas, exerce uma força em uma direção ou outra.

VIBRAÇÕES NO CORPO HUMANO

O estudo, das vibrações no corpo humano - 2 grandes áreas de pesquisa:

1. Vibrações no corpo humano (WBV);

2. Vibrações segmentadas: por exemplo, no sistema mão-braço (HAV).

Ambientes e equipamentos possivelmente nocivos:

1. Transporte rodoviário: carros, caminhões, ônibus, etc..

2. Veículos fora de estrada: tratores, etc...

3. Transporte marítimo: barcos, botes, submarinos, etc...

4. Ferramentas manuais em geral, etc...

Aspectos clínicos

As causas fisiológicas são desconhecidas até o presente momento. S intomas normalmente associados à vibração:

1. Traumas vasculares: obstrução dos vasos " distúrbios circulares;

2. Artrite, etc;

3. Hipersensibilidade;

4. Lesões graves: necrose do tecido, etc...

5. Dores diversas: coluna, pernas, cabeça;

6. Alta taxa de stress e dificuldade de concentração, etc...

Alguns parâmetros estudados no contexto

da resposta humana à vibração •!Fisiológicos: esquelético, muscular, cardiovascular, respiratório, sistema nervoso central, etc...

•!Atividade: visão, audição, tato, função vestibular, vigilância, desempenho psicomotor;

•!Biodinâmicos: impedância do corpo, impedância de partes do corpo (mãos, etc...), transmissibilidade do corpo, movimentos da cabeça, movimentos das mãos, movimentos dos órgãos, energia absorvida, etc.

Efeitos gerais da vibração no corpo humano

As reações do corpo humano à vibração é dependente da: •! freqüência, •! amplitude, •! direção da vibração e •! duração da exposição à vibração.

Outro ponto a considerar é que a resposta humana à

vibração pode ser: •! mecânica, •! sensorial, •! psicológica e •! fisiológica.

Vibrações no corpo humano: freqüências

A faixa de freqüência associada a saúde, nas atividades e para o conforto é aproximadamente de 0,5Hz a 100Hz.

A vibração dominante transmitida pelos bancos dos

veículos normalmente está abaixo de 20Hz, mas no piso podem existir vibrações de alta freqüência.

O corpo humano é muitas vezes exposto à freqüências (em excesso) de 100Hz na utilização de ferramentas

manuais que vibram no espaço de trabalho.

5

Faixa de

freqüência

Sensibilidade Gerador da

vibração

0 – 2 Hz Sistema vestibular

2 – 30 Hz Biomecânica:

ressonância do corpo

Barcos,

guindastes,

veículos, etc...

> 20 Hz Tendões, pele e

repceptores musculares

Ferramentas e

máquinas

Efeitos biomecânicos na coluna vertebral

Risco acentuado de problemas nesta área em motoristas de tratores.

Estudos relacionados a helicópteros, caminhões e trens também indicam problemas relacionados à vibração.

Vibrações no corpo humano: freqüências

Sistema mecânico representando o corpo humano sujeito a vibração vertical. (Chaffin et al., 1999)

Vibrações no corpo humano: magnitudes e

duração As magnitudes de interesse no estudo da WBV estão na faixa de

0,01 a 10 m/s2 (de pico).

Alguns estudos apontam que magnitudes na ordem de 10 m/s2 (RMS) podem ser consideradas perigosas.

Dependendo da freqüência, direção e duração da

vibração, magnitudes de 1 m/s2 (RMS) podem estar associadas com algum perigo à saúde humana.

Vibrações no corpo humano:

Medições específicas

!! Vibrações em ônibus urbano

!! Transmissibilidade das Vibrações

•! Measured bus

!! Evaluate vibrations associated with the use of urban buses

!! Measure and verify vibration levels on the driver’s hand ( * vibrations coming through the

steering wheel )

!! Bus vertical vibration (z direction - ISO2631)

* driver/seat interface

* bus support seat

!! Driver’s HAV (x direction - ISO5349)

(3 uni-axial micro-accelerometers)

•! hand (third-metacarpal)

wrist (triquetrum carpal)

shoulder (acromion)

Measurement Procedure

6

•! Accelerometers set-up Measurement Procedure


•! Four different bus types (18km-route)

•! Continuous data acquisition

(10-seconds trial - 40/50 trials)

•! Specific software / HP-Vee (data acquisition) (data analysis - ISO2631-1)

•! Evaluation questionnaire (60 drivers)

(58% occupational related problems)


10

7

10

Measured Accelerations X Comfort Limits

(ISO2361-1)

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

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ISO_4h

ISO_8h

Relationship: Vehicle year vs. Measured

accelerations

13

0,4

0,8

1,2

1,6

2

2,4

2,8

3,2

3,6

1990 1992 1994 1996 1998

Vehicle yea r

Acc

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ra

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driver/seat

bus floor

hand

w rist

shoulder

•! Responses from questionnaire (Bus drivers):

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8%9%

17%

11%

11%36% C irculatory system

Finger cram p

Leg cram p

Foot cram p

S houlder tendons

K nee ligam ents

Low -back pain

•! Bus drivers are exposed to serious vibration magnitudes (5-10Hz)

•! Bus drivers should not be allowed to work 4.5h a day under the current vibration magnitude

•! New design for the steering box, axle and gear connecting rod (work-rest)

•! Occupational health complaints (36% upper back; 17% leg cramp)

8

!! Measure vibrations and calculate instantaneous transmissibility

(triple-axle bus)

!! Estimate transmission vertical vibration through driver’s body (relationship ground

surfaces)

Driver/Seat Interface-to-Driver’s Shoulder Transmissibility Materials and Methods

!! Bus vertical vibration (z direction - ISO2631)

* seat base

* driver/seat interface (seat pad * driver’s shoulder (acromion)

!! Vertical Instantaneous Transmissibility (3 segments)

* driver’s shoulder / seat pad

* driver’s shoulder / seat base

* seat pad / seat base

•! Accelerometers set-up

•! Triple-axle bus

•! Triple-axle bus (18km-commercial route)

•! Bus running speed (40 - 60km/h)

•! Vibration measurements

•! field computer system - HP-Vee •! continuous data acquisition

•! 10-second trial at 3000sample/s

up to 60 trials / experiment

Materials and Methods

•! Data analysis

* FFT raw data (10-second trial)

* average 60 trials

•! Vertical Instantaneous Transmissibility

(e.g. ac2/ac3 = seat pad-to-seat base)

•!(0-25Hz frequency range)

•! Polynomial Regression Analysis

(filter auto-regressive-moving-average)

Results

Driver/Seat Interface-to-Driver’s Shoulder Transmissibility

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20 25

Frequency (H z)

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y


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1

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2

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Frequency (H z)

Tra

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0 5 10 15 20 25

Frequency (H z)

Tra

ns

mis

sib

ilit

y


•! Driver’s shoulder transmissibility * 2-10Hz frequency range * upper body segments frequency (sitting discomfort, activity disturbance)

•! Driver/seat interface-to-seat base * seat design improvement

•! Ground surface (transmissibility level / frequency range)

•! Approximation experimental data


Referências Bibliográficas

* Chaffin, D.B. Static Biomechanical Modeling in Manual Lifting, in The Occupational Biomechanics Handbook (Karwowski and Marras eds.) CRC Press LLC, Ch., 52, pp. 933-944, 1999. * Griffin, M.J. Handbook of Human Vibration. Academic Press. 988pgs. 1996.

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E = módulo de Young (N/m2) (módulo de Elasticidade)

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Curva Tensão vs. Deformação '

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Considerações Mecânicas

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Compensação de Temperatura do Extensômetro e da Ponte de Wheatstone:

(!) Coeficiente térmico de expansão do material da célula

(") Coeficiente de temperatura da resistividade do extensômetro

(#) Coeficiente térmico de expansão da liga do

extensômetro

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Utilizado quando se conhece o Eixo Principal da Tensão Mecânica aplicada na célula.

* Fixação na direção do alongamento das linhas da grade do extensômetro.

* Espessura das linhas da grade e dos terminais de soldagem depende do

comprimento do sensor.

* Resistências típicas: 120! ou 350!

** Uso R > reduz aquecimento da grade e efeito devido as conexões e soldas.

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Utilizado quando Eixos Principais de Tensões superficiais são desconhecidos.

* Usar roseta com 3 elementos e determinar as direções preferenciais (Círculo de Mohr).

* Roseta: PLANAR (mais usada) ou EMPILHADA (dificuldade na dissipação de

calor das grades – pouco espaço; gradientes altos de tensão; medida pontual).

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Para estados de Tensões Biaxiais usa-se mais de um

elemento.

* Roseta mais de 1 grade sensora na mesma base.

* Escolha de acordo com a distribuição de tensão

(posicionando direções da

grade coincidindo com direções das componentes de

tensão.

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1)! Deve ser colado no objeto cujas deformações se pretende medir;

2)! Medir a resistência do extensômetro implica em deixar percorrer uma corrente elétrica (causando aquecimento);

3)! Corrente máxima ~25mA (sensores metálicos com base de material “bom

condutor” (aço, alumínio, cobre, etc.));

4)! Corrente máxima ~5mA (sensores com base de material “pobre

condutor” (plástico, madeira, quartzo, etc.));

5)! Ler o manual do fabricante – diversos tipos e tamanhos de extensômetros;

6)! Extensômetro do tipo folha é o mais popular na medição de força (tamanho,

alta linearidade, baixa impedância).

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As características do adesivo usado na colagem dos extensômetros e as técnicas de aplicação podem influenciar em fatores como:

!! Histerese;

!! Tensões mecânicas;

!! Resistência elétrica;

!! Deslocamento de zero;

!! Resistência de isolação.

* Preparação da superfície

* Aplicação do extensômetro

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Sistema Mecânico (elemento mola) converte força em

alongamento mecânico.

* Colando extensômetro sobre o corpo submetido à

tensão mecânica, ambos

estarão submetidos à mesma deformação.

* Variação de resistência na saída conectada a um

circuito de ponte.

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Referências:

-! Balbinot & Brusamarello. Instrumentação e Fundamentos de Medidas. 2º Ed. V.1 e V.2. LTC. 2006 e

2007. (Cap. 10 e 5)

-! Webster JG. The Measurement, Instrumentation and Sensors Handbook. CRC Press. 1999. (S2: 6.1, S4: 22 e 23)

-! Boyes W. (Ed.). Instrumentation Reference Book. 3rd ed. Butterworth-Heinemann. 2003. (Cap. 4 e 7)

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3. Você projetou um transdutor de força que consiste de um

simples extensômetro cimentado no topo de uma barra de

Alumínio (figura abaixo). O fator gage deste extensômetro é

G=2. A flexibilidade da barra é tal que a deformação no

topo da barra (onde o extensômetro está localizado) é 1

microstrain por grama (massa). O Alumínio tem um

coeficiente de expansão térmica de 23ppm/° C. Determinar:

(a) A Ponte de Wheatstone que você irá utilizar com

alimentação de 1V – para facilitar considerar todos os

resistores iguais;

(b) Determinar a equação da ponte para relacionando a

tensão de saída com !" "# ;

(c) Determinar a sensibilidade em $%

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(d) Qual é a saída da ponte para uma massa de 10kg

aplicada nesta barra.

(e) Com uma massa fixada na barra, como a saída da ponte é

alterada se ocorre uma alteração na temperatura de

10° C? Qual é a carga que isto corresponde?

(f) Como você pode utilizar um segundo extensômetro

idêntico para compensar os efeitos da temperatura?

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45#GM'A/2t.62'-.'@/,78-+62/'j2;'-;8C27;E;*;_,-2'&'.56.7893.6/28';-<7O128'123','8.0+;76.'/.*,\]2M';2G2'3'(?;,G,A^'27-.'(x#G'y8'.56.7893.6/28'S2/,3'1;3.76,-28'.3'*,-28'2C28628'-.'+3,'1)*+*,'-.'1,/0,'-2'OC2'B;0,'.70,86,-,'Q'1232'3286/,-2'7,'`0+/,',E,;52G''b8,7-2'.86,'3276,0.3'1232'+3'6/,78-+62/'-.'S2/\,^'7�8'6.328'?;,G,A'3'+<'3'+4)^'27-.'+')'+3,'12786,76.^'4')','3,88,^')')',',1.*./,\]2'-,'0/,B;-,-.'.';,G,')','-.S2/3,\]2'8+C2/6,-,'C.*2'62C2'-,'B;0,G'a.6./3;7,/M''=,>'k'A276.'-.'WK.,68627.'-.86,'1)*+*,'-.'1,/0,'-2'OC2'E,//,'2+'B;0,'.70,86,-,U'=E>'a.6./3;7,/','.[+,\]2'-,'C276.'C,/,'+3,'.51;6,\]2'%I^'.'-.6./3;7,/','6.78]2'-.'8,l-,'I$'.3'S+7\]2'-,'3,88,'=3>U''=1>'f.'I$'x'%3I'C,/,'%P0^'[+,*'2'B,*2/'-.'iz'=->'�+,*','8.78;E;*;-,-.'-.86.'6/,78-+62/'-.'S2/\,'.3'/.*,\]2'd'6.3C./,6+/,z'

!

!

Respostas: (b) !" #$% %&

'()*$% %& + Volts; (c) $, ,& # -./0 por grama, tal que

a sensibilidade é 0,51v por grama; (d) para -.2 gramas, $, ,& # .3.- e !" # .3.-456-3.-7 # 839:;! – em função da sensibilidade era esperado 5,00mV – que é 1% mais alto; (e) uma alteração de 10° C ocasiona

uma elongação de 230ppm da barra de Al. Como o strain-gage é

cimentado na barra é esperado uma deformação de $, ,& de 230x10-6,

e a saída da ponte 1151! - isto corresponde a uma massa de 230 gramas; (f) um segundo extensômetro pode ser cimentado na parte

inferior da barra (face inferior) e conectado na ponte – uma

ponte com 2 extensômetros agora (1/2 ponte).

4. Foi disponibilizado 4 extensômetros idênticos com a

seguinte relação: $< <& # =>$, ,& ?, onde G=2. Os extensômetros foram cimentados em lados opostos de uma célula de carga do

tipo viga engastada - como mostrado na figura abaixo.

Usando esta montagem como um transdutor de força, nós temos

$, ,& # @A # @;B, onde K é uma constante, m é a massa, g é a

aceleração da gravidade e $, ,& é a deformação suportada pelo topo da viga. Determinar:

45YGM'A/2t.62'-.'@/,78-+62/'b3'6/;*K2'+O*;_,-2'.3'S.//2B;,8'S2;'+8,-2'1232'+3,'1)*+*,'-.'1,/0,'-2'OC2'12*+7,G'�+,6/2'86/,;7Q0,0.8'S2/,3'1;3.76,-28'7.86,'.86/+6+/,'1232'3286/,','`0+/,G'

k'S2/\,')',C*;1,-,'1232';7-;1,-2'7,'`0+/,'=823.76.'S2/\,'-.'123C/.88]2>G'f+,'3.6,')'-.8.7B2*B./'+3'8;86.3,'123',8'8.0+;76.8'1,/,16./l8O1,8M'-2;8'-28'.56.7893.6/28',C/.8.76,3','8.0+;76.'/.*,\]2M';2G2'3'.HH?;,G,A'I'.HHHH?;,G,AJ'.'28'2+6/28'-2;8M';2G2'3'K.HH?;,G,A'I'.HHHH?;,G,AJ'G'k88+3;/'[+.'62-28'28'.56.7893.6/28',C/.8.76,3','3.83,'/.8;86<71;,';7;1;,*'=123','1)*+*,'-.'1,/0,'.3'/.C2+82^'2+'8.t,^'8.3'1,/0,>G''

a.6./3;7,/M'=,>'k'A276.'-.'WK.,68627.'C,/,'3.-;/','-.S2/3,\]2'.3'S+7\]2'-,'S2/\,'-.'123C/.88]2G'�7-;1,/','C28;\]2'-28'.56.7893.6/28'7.86,'C276.G'=E>'a.6./3;3,/','.5C/.88]2'[+.'/.*,1;27,','8,l-,'-.86,'C276.'C,/,'+3,'-.S2/3,\]2'.3'S+7\]2'-,'S2/\,'-.'123C/.88]2'7.86,'1)*+*,'-.'1,/0,'-2'OC2'12*+7,U'=1>'�+,*')','8.78;E;*;-,-.'-,'C276.'.3'6./328'-.'3I'C2/'3;1/286/,;7z'(278;-./,/'+3,',*;3.76,\]2'-.'%IG'=->'A,/,'+3,'-.S2/3,\]2'-.'?;,G,A'x'$^%�'=%$$$'3;1/286/,;7>^'[+,*'8./T'2'-.8B;2'7,'8,l-,'-,'C276.z'k88+3;/'[+.'2'S,62/'0,0.'C./3,7.1.'12786,76.G'

!

!

(a) A Ponte de Wheatstone desta célula de carga do tipo barra

ou viga engastada;

(b) Determinar a equação da ponte para uma excitação de 1V e

determinar a tensão de saída Vo em função da massa (m);

(c) Se Vo é igual a 1mV para 1kg, qual é o valor de K?

(d) Este transdutor de força é linear? Explicar.

(e) Qual a sensibilidade deste transdutor de força em relação

à temperatura?

(f) Qual é o efeito do termo ao quadrado: !" "# $ %&!' '# ( )

*&!' '# (+ - este novo termo não depende do sinal de !'.

Respostas: (b) ,- $ ,.%&!' '# ( - usando ,. $ /,, G=2 e !' '# $ 01 $ 023

temos ,- $ 4023 (Volts); (c) se ,- $ /2, quando a massa (m) é

igual a 1kg e usando g=10m/s2 temos: Kg=5x10-4 V/kg; K=5x10-5

Vs2kg-1m-1; todos os outros itens são dissertativos.

5. Um trilho utilizado em ferrovias foi utilizado como uma

célula de carga do tipo coluna. Quatro strain-gages foram

cimentados nesta estrutura como mostrado na figura abaixo.

instrumentação biomédicaebm.ufabc.edu.br/wp-content/uploads/2014/05/a8_ib1q2014.pdf · célula...

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