Sensorteknik 2017 Laborationshandledning Sensorer Institutionen för biomedicinsk teknik LTH
Laboration 3 - Sensorlaboration Litteratur I Modern Industriell Mätteknik av Grahm, Jubrink och Lauber: Läs igenom kapitel 7-7.8 om tryckmätning i boken. Läs på om pyrometrar i kapitel 12.7 Läs om ultraljudsmätningar och pulsekosystem i kapitel 10.3.2 Läs om piezoelektriska accelerometrar i kapitel 9.2.3 och 9.2.8-9.2.10.2 Läs om användandet av laddningsförstärkare i kapitel 3.5 Var även medvetna om Murphys lag på sista sidan. Följande frågor skall du kunna besvara kortfattat Vad är det som bestämmer en piezoelektrisk accelerometers undre gränsfrekvens? Vad är det som bestämmer en piezoelektrisk accelerometers övre gränsfrekvens? För en given acceleration, vilken accelerometer mäter signalen noggrannast, en med stor seismisk massa eller en med liten seismisk massa? Fördelar/nackdelar med stor respektive liten massa? Vilka är fördelarna med en piezoelektrisk accelerometer? Rita en ungefärlig skiss på hur en piezoelektrisk accelerometer reagerar på olika frekvenser. Skriv upp Stefan-Boltzmanns lag. Vad beskriver emissiviteten för något? Vilka faktorer påverkar ett ämnes emissivitet? Skissa ett enkelt pulsekosystem. Fundera kring hur ett pulsekosystems upplösning påverkas av givarens frekvens och aktiva yta? Vilka är fördelarna med en miniatyriserad tryckgivare? Beskriv kortfattat hur en piezoresistiv tryckgivare fungerar. Biomedicinsk teknik vid LTH 2
Tryckmätning En Motorola MPX10DP tryckgivare Ett spänningsaggregat En INA101 differentialförstärkare Ett digitalt oscilloskop Tryckluft En testplatta En handpump med tryckmätare mm-papper och linjal Huvuduppgiften är att mäta trycket i en ballong under uppblåsning och explosion. För att göra detta har ni tillgång till en tryckgivare och all övrig utrustning som behövs. Innan ni gör mätningen så ska ni fundera på hur ni tror att trycket i ballongen kommer variera med tiden, samt ungefär hur högt tryck ni kommer ha i ballongen. Gör en skiss på tryckförloppet under uppblåsning och explosion. För att kunna använda er av förstärkaren måste ni kontrollera att den är korrekt inställd. Detta görs enklast genom att jorda ingångarna på förstärkaren, dra ner förstärkningen till noll, och balansera offseten tills signalen från förstärkaren verkligen ligger kring noll. Sedan ökar man succesivt förstärkningen och ser till att korrigera eventuell avvikelse från nollan med offseten. Då tryckgivaren har en liten offset måste ni vara noga med att inte ha för hög förstärkning. Blir förstärkningen för hög kommer offseten från givarna att leda till att förstärkaren bottnar och ni får inte några mätresultat alls. Gör en tryckmätning när ni blåser upp en ballong, och se till att få med hela uppblåsningsfasen från start till explosion. För att få information om vilket tryck det är ni mäter måste man kalibrera givaren. Genom att mäta spänningen från givaren vid några olika tryck kan ni få en omvandlingsfaktor mellan signal och tryck. Givaren kan antas vara helt linjär. Använd handpumpen för att få ett par punkter att kalibrera mot. Kontrollera databladen på tryckgivaren så att ni inte överskrider givarens maxtryck! Testa även om det går att använda ballongen som mikrofon! Frågeställningar Gör en skiss på hur ni tror att tryckförloppet kommer se ut. Hur blev resultatet? Hur förklarar ni resultatet ni fick? Biomedicinsk teknik vid LTH 3
Pulsekosystem Två plexiglasblock Två ultraljudsgivare med olika frekvens Ett oscilloskop En ultraljudssändare och -mottagare Linjal Ett okänt ämne Koppla upp ett pulsekosystem och undersök de två blocken. Börja med det där du kan se strukturerna, och undersök hur de avbildas på oscilloskopet. Försök därefter lista ut hur det ogenomskinliga blocket ser ut, och rita en skiss över det. Prova att använda de olika givarna, och se vad det är för skillnad på dem. Passa även på att mäta ljudhastigheten i plexiglas samt i det okända materialet. Vilket material tror ni att blocket är gjort av? Tänk på att sändaren/mottagaren kan användas för att driva två olika typer av ultraljudssystem. Ett där givare endast agerar som mottagare, och en där givare både är sändare och mottagare. Oscilloskopet synkas lämpligen med synk-signalen från sändaren. När ni har undersökt och bestämt för hur ni tror att plexiglasblocket ser ut, kan ni öppna det och undersöka om det stämde. Fundera lite på varför ni inte såg vissa saker, och hur ni kunnat göra för att se dem. Frågeställningar Hur påverkar frekvensen givarens upplösning? Hur påverkar styrkan på ekon från samma punkt då man byter givare? Varför? I vissa fall får man ett flertal ekon från samma artefakt. Vad kan detta bero på? Hur påverkas ekot när man ändrar inställningarna på sändare/mottagaren? Biomedicinsk teknik vid LTH 4
Värmestrålning En Raytek pyrometer En multimeter med termoelement En kokplatta En bit aluminiumplåt Sätt på kokplattan (läge 2 eller 3) och gör en mätning på den med pyrometern. Jämför resultatet med det värde du får genom att använda dig av termoelementet. Om värdena är olika, vad kan det bero på? Tänk på att minsta sträcka pyrometern mäter över, 33 mm, är då man mäter på ett avstånd av 1 m (gäller Raytekpyrometern, se separat datablad för Fluke-pyrometern). Mäter man på större avstånd så mäter man över en större yta. Gör en mätning tvärsöver kokplattan för att se hur temperaturfördelning på plattan är. Titta särskilt noga på kokplattans kanter. Jämför med termoelementet igen och förklara eventuella skillnader. Lägg en aluminiumplåt på kokplattan. Mät temperaturen från den och förklara resultatet. Prova att sätta aluminiumskivan i 45 graders vinkel mot kokplattan och mät med pyrometer på den sidan som är ner mot kokplattan. Räkna ut hur stor effekt kokplattan strålar ut genom att mäta temperaturen, arean och använda er av Stefan- Boltzmanns lag. Jämför er uträknade effekt med värdet ni får från energimätare i vägguttaget. Förklara skillnaden. Tänk på att grundformeln gäller för en svartkropp och att vi har en viss bakgrundsstrålning i lokalen. Frågeställningar Vilka är nackdelarna med pyrometrar? Vilka är fördelarna med pyrometrar? Biomedicinsk teknik vid LTH 5
Accelerometer En funktionsgenerator Ett digitalt oscilloskop En laddningsförstärkare Dubbelhäftande tejp En vibrator Två st accelerometrar med olika massor Titta på känslighet och frekvensområde för de båda accelerometrarna med hjälp av vibratorn och funktionsgenerator genom att mäta upp resonansfrekvensen respektive undre gränsfrekvensen för de båda accelerometrarna. Prova även hur en laddningsförstärkare påverkar mätningen av lågfrekventa signaler på den accelerometern som är bäst lämpad för att mäta låga frekvenser. Accelerometrarna skruvas fast i vibratorn. När man mäter lågfrekventa signaler med en accelerometer kan man behöva använda en laddningsförstärkare. På grund av mätinstrument och kablar får man ofta en väldigt snabb urladdningstid av den uppbyggda laddningen hos givaren. För att komma förbi detta kopplar man sin givare till oscilloskopet via en laddningsförstärkare, och man kan då få betydligt längre urladdningstider vilket gör det möjligt att mäta även långsamma förlopp. Mer om detta kan ni hitta i kapitel 3 i kurslitteraturen. När ni undersökt accelerometrarna ska ni mäta upp resonansfrekvensen för betonggolvet i laborationssalen. Fäst den, enligt er, för ändamålet mest lämpade accelerometern så nära mitten av golvet ni kan komma. Hoppa jämfota för att sätta igång en svängning av golvet, och mät frekvensen ni detekterar med accelerometern. Frågeställningar Hur påverkas accelerometerns känslighet av en större respektive mindre seismisk massa? Hur påverkas accelerometerns resonansfrekvens av en större massa? Märker ni någon skillnad när ni mäter lågfrekventa signaler med, respektive utan laddningsförstärkare? Biomedicinsk teknik vid LTH 6
Trådtöjningsgivare Uppställning med trådtöjningsgivare på balk Dekadresistansbox 2000Ω och 100Ω resistorer på plint Bänkmultimeter HP/Agilent 34401A Nätaggregat En mycket vanlig mätning är att mäta de krafter som verkar på ett konstruktionselement. För att mäta töjning torde trådtöjningsgivaren vara den enklaste givartypen. Principen är att en tunn tråd töjs vilket leder till en resistansförändring då den blir tunnare av töjningen (lite som ett gummiband). Eftersom längdförändringen är mätbar på ytan möjliggörs också bestämning av belastningen. Givaren måste dock fästas på mätobjektet på ett sådant sätt att alla förändringar hos godset fortplantas till givaren. Det är alltså viktigt att givaren appliceras på ett riktigt sätt, vilket oftast innebär att den limmas på ytan med ett speciallim. Trådtöjningsgivare Uppställningen här består av en plåt som är infäst i ena änden. När den fria änden belastas kommer den alltså att avböjas proportionellt mot belastningen. På plåten finns trådtöjningsgivare monterade på både under- och ovansida. Dessa har egenskapen att de ändrar sin resistans beroende på töjningen eller kompressionen. Då den fria änden rör sig nedåt kommer plåtens ovansida att töjas medan undersidan komprimeras. Du ska undersöka hur resistansen ändras då vikter hängs på. Varje vikt väger exakt 1 viktenhet (v.e.). Börja med att mäta hur stor resistansen för en givare i obelastat tillstånd, och undersök hur stor resistansförändring som det blir vid belastning av balken. Koppla upp givaren i en Wheatstone-brygga och mät med hjälp av dekadresistansboxen upp resistans per viktenhet. Är sambandet linjärt? Är sambandet beroende av drivspänningen? Koppla upp de båda givarna som ena sidan i en Wheatstone-brygga och mät med hjälp av utslagsmetoden upp spänningsförändring per viktenhet. Är sambandet linjärt? Är sambandet beroende av drivspänningen? Biomedicinsk teknik vid LTH 7
Mätning av blodtryck Teori Blodtrycket mäts vanligen som lateraltryck, vilket representerar den potentiella energi blodmassan utövar på kärlväggen. Detta tryck är ett resultat av en viss "överfyllnad" av de tänjbara kärlen. Eftersom fyllnaden av artärerna sker i takt med hjärtats arbete kommer blodtrycket att variera mellan ett maximum, det systoliska trycket, och ett minimum, det diastoliska trycket. Differensen mellan dessa två tryck benämns pulstryck. Artärblodtrycket kan mätas antingen med direkt, "blodig", eller indirekt, "oblodig", metod. Under laborationen gör vi endast den senare typen av mätning. Auskultatoriska metoden Med den s.k. auskultatoriska metoden (auskultera, lyssnande med örat el. med stetoskop mot kroppsytan), kan såväl systoliskt som diastoliskt tryck mätas vid indirekt blodtrycksmätning. Denna metod utnyttjar de turbulensfenomen, som uppträder i blodströmmen när artären komprimeras av blodtrycksmanschetten. De uppkomna vibrationerna i kärlvägg och vävnad avlyssnas med ett stetoskop placerat över armvecket. Normalt är flödet laminärt i artärsystemet och därmed finns inga betingelser för sådana virvelljud. Självfallet hörs heller inga ljud när manschettrycket överstiger det systoliska trycket eftersom detta förhindrar blodpassage. När manschettrycket gradvis sänks och just understiger det systoliska trycket, kommer blod att passera pulserande, och då uppstår detta turbulensfenomen. De först hörbara ljuden har svagt "smällande" karaktär och det manometertryck som avläses samtidigt motsvarar det systoliska (högre) trycket. Ljuden blir sedan kraftigare för att vid ett manschettryck kring den diastoliska (lägre) trycknivån plötsligt avta och få en dovare karaktär för att sedan helt avta. Automatisk indirekt mätning Det finns också indirekta metoder som mäter blodtrycket automatiskt. Ena metoden är den oscillometriska mätmetoden som mäter pulstrycket som fortplantar sig från manschetten för olika övertryck. Det övertryck som gav störst pulstryck motsvarar medelblodtrycket. Därefter görs en skattning av det diastoliska och systoliska trycket. Den andra metoden är automatiska mätare som använder den auskultatoriska mätmetoden av tryck genom bedömning av virvelljudet. Mätaren på laborationen bygger på oscillometrisk mätning. 1. Mät blodtrycket med hjälp av den manuella manschetten i tre olika fall (pumpa upp trycket till ca 180 mmhg). a. Sittande med manschetten i höjd med hjärtat b. Sittande med armen hängande ner c. Sittande med armen sträckt uppåt 2. Gör samma mätningar med den automatiska blodtrycksmätaren. 3. Fundera över a) varför resultaten av mätningarna skiljer sig åt och b) vilka felkällor som kan finnas. Biomedicinsk teknik vid LTH 8
Handledning senast uppdaterad: 2017-10-06 JG Biomedicinsk teknik vid LTH 9