KPP039 Eskilstuna HT10 2011 01 17 med avseende på projektarbetet på kursen KPP039 i samarbete med Herbert Lewin 1
Innehållsförteckning Vad är en sensor?... 3 Induktiva givare... 3 Magnetgivare... 3 Kapacitiva givare... 3 Temperatursensorer... 3 Ljussensorer... 3 Belastningssensorer... 4 Rörelsesensorer... 4 Inledning och bakgrund på projektarbetet... 4 Dagens användningsområde av sensorer... 4 Sensorn som komponent... 5 En sensor flera möjligheter... 5 Sängsensorns L 4060SL fysiska möjligheter... 5 Insignalerna... 5 Hantering av insignalerna... 6 Vidareutveckling av projektet med andra typer av sensorer... 6 Temperatur... 7 Sensorns möjligheter... 7 Sensorns egenskaper... 7 Fuktighet... 8 Sensorns möjligheter... 8 Sensorns egenskaper... 8 Slutsatser... 8 Övriga reflektioner... 8 Referenser... 8 2
Vad är en sensor? En sensor är namnet på en apparat eller anläggning som samlar in, konverterar och i vissa fall distribuerar någon form av signaler från omgivningen. De mekaniska sensorerna kan jämföras med människans fem sinnen. Sensorernas syfte är att ge en maskin samma sinnen som människan, fast skarpare och mer noggranna. Elektriska sensorer kan delas in i: induktiva givare, magnetgivare, kapacitiva givare, temperatursensorer, ljussensorer (fotoceller), belastningssensorer och rörelsesensorer. Induktiva givare Induktiva givare detekterar nästan alla metaller. Den typen av sensorer är idag mest använd inom industrin. De garanterar hög noggrannhet, hög kopplingsfrekvens och är dessutom beröringsfri och har en slitagefri arbetsprincip. Deras funktion påverkas inte av vibrationer, smuts och fukt. Magnetgivare Magnetgivare används inom automatiseringsteknologin där induktiva givare inte gör sin roll. De kan utan beröring och slitage detektera magneters positioner. Magnetfältet går igenom alla icke magnetiserbara material och tack vare detta kan magnetgivare detektera magneter genom väggar av rostfritt stål, aluminium, plast eller trä. Kapacitiva givare Kapacitiva givare kan beröringsfritt detektera alla typer av material, inte bara metaller. Den typen av sensorer används mycket inom trä, pappers, glas, livsmedels och kemiindustrin. Temperatursensorer Det finns olika typer av temperatursensorer, några exempel presenteras nedan: Resistiv termometer består av elektrisk ledare som ändrar sin resistans när temperaturen ändras Temperaturmätande chips kan kommunicera med dator och meddela den lokala temperaturen Termistorer ändrar sin resistans på samma sätt som resistiva givare men bygger istället på halvledarteknik PN korsningar spänningen går över en diod och ändras tillsammans med temperaturen; den ger enkla och linjära beräkningar IR sensorer mäter värmestrålning som en kropp sänder ut och utifrån denna bestämmer den objektets yttemperatur Ljussensorer Det finns olika typer av ljussensorer: Direktavkännande fotoceller känner objekten som rör på sig utan att använda någon reflektor; sändare och mottagare i ett Reflektor fotocell lyser mot en reflektor, aktiveras när ljusstrålen bryts; sändare och mottagare i ett Sändare/Mottagare fotocell fungerar som reflektor fotocell fast sändare och mottagare är separata; lämplig för långa sträckor 3
Belastningssensorer Belastningssensorn är ett namn på en grupp av sensorer som kan mäta kraft, belastning och tryck. De vanligaste är uppbyggda av en tunn slinga av ledande material. Kraften deformerar slingan så att dess längd ökar vilket i sin tur gör att resistansen ökar. Sådana sensorer kan kopplas till annan utrustning för att mäta tryck. Rörelsesensorer I de vanligaste sensorerna som kan känna av läge används resistiva potentiometrar. Ett objekt som har ett visst elektriskt motstånd placeras på en släde som även den har ett visst motstånd. När slädens läge ändras, ändras även det totala motståndet i kretsen och då även spänningen över sensorn. Det finns även sensorer som kan användas för att mäta rörelse och acceleration. Inledning och bakgrund på projektarbetet I kursen KPP039 utfördes ett projekt i samarbete med Herbert Lewin. Projektets huvudsyfte var att optimera uppdragsgivarens koncept som var en specialanpassad säng för personer med sömnsvårigheter. Sängen har inbyggda högtalare och ljudkanaler. Ljudet som går igenom kanalerna skapar vibrationer som transporteras genom madrassen till kroppen. Vibrationer kombinerade med speciell musik som omvandlar hjärnans α till låga γ vågor skulle underlätta insomning och bibehålla sömn tills det blir dags att vakna. En stor del av projektet handlar om automatisering av sängens insomningsfunktion och ökad nivå av säkerhet. Målet var att nattsömnprogrammet skulle starta automatiskt när användaren lägger sig på sängen och när det är dags att vakna. Sängen skulle också beakta användarens rörelser för att anpassa musiken enligt sömnfaserna samt larma vid rörelsebrist som skulle motverka liggsår. Det är här som sensorerna skulle spela sin roll. Dagens användningsområde av sensorer I dagens värld finns sensorerna runt omkring oss utan att vi märker det: hemma, på gatan, på jobbet, överallt från produktionsfabriker, arméer till komplexa laboratorier. När vi sitter i våra hem på en kall kväll, har vi det varmt och mysigt med en jämn temperatur tack vare radiatorer (temperatursensorer) som sitter i elementet. Optiska sensorer utlöser brandlarm när de ser rökpartiklar i luften. Rörelsesensorer finns i varje bevakningssystem som skyddar våra hem från inbrott. Tryckkänsliga sensorerna finns ingjutna i gatan, det är de som aktiverar trafikljus när man närmar sig korsningen. Massor av förbrukningsprodukter som finns i varje hem skulle inte kunna vara producerade utan sensorer. Trycksensorer kontrollerar om en gasflaska håller rätt tryck som den blir utsatt för när den blir fylld med gas. Kemiska sensorer kontrollerar proportioner på alla komponenter i bland annat tandkräm. Visuella sensorer kontrollerar ytjämnhet och letar efter skador i t.ex. rells. Det går att skriva en oändligt långt om olika sensorer och deras användningsområden. Det viktigaste är att vara medveten om att sensorerna finns i nästan alla delar av våra liv. Sensorerna skapar möjligheterna. Ögonen behöver bara öppnas för att hitta nya användningsområden för dem. 4
Sensorn som komponent En sensor är bara en hårdvara. De gör ingenting av sig själv. Deras fysiska egenskaper möjliggör intagning av särskilda signaler från omgivningen men det är upp till mjukvaran att hantera insignalerna och handla enligt dem. Sensorerna gör ingenting av sig själva. Det är upp till mjukvaran att utnyttja deras fysiska möjligheter så mycket som möjligt. En sensor flera möjligheter Sensorns fysiska egenskaper möjliggör insamling av insignaler från omgivningen men det är upp till mjukvaran att utnyttja dem så mycket som möjligt. Låt oss som exempel ta sensorn använd i projektarbetet: sängsensor L 4060SL. Sensorn själv utan någon mjukvara är bara en tunn, blå polyestermatta formade i bågar som kan hängas på väggen som en tavla om man känner för det. Det första som ska göras är att fundera över vilka fysiska möjligheter sensorn har. Sängsensorns L 4060SL fysiska möjligheter Tryckkänslig Stor känslighet, känner till och med mikrorörelser Insignalerna Nästa steg är att fundera vilka insignaler sensorn kan samla med hjälp av de fysiska egenskaperna som den har: Tryckkänslig Stor känslighet, känner till och med mikrorörelser Kan känna om någon lägger sig på sängen Kan upptäcka om användaren vrider och vänder på sig Kan se när personer stiger upp ur sängen Kan känna om användaren andas korrekt Kan känna användarens hjärtslag 5
Hantering av insignalerna När möjliga insignalerna är listade kan man fundera över hur kan de bli hanterade av en programvara: Tryckkänslig Stor känslighet, känner till och med mikrorörelser Kan känna till om någon lägger sig/ligger på sängen Kan upptäcka om användaren vrider och vänder på sig Kan se när personer stiger upp ur sängen Kan känna om användaren andas korrekt Kan känna användarens hjärtslag För över sängen från viloläge till påläge, sparande av energi när ingen använder sängen Startar nattsömnprogram vid inställd tidpunkt Läser av rörelsernas frekvens i vilken sömnfas användaren befinner sig och anpassar musiken enligt detta Startar larm vid för låg frekvens av vändningar och risk för ligsår Startar larm vid för hög frekvens av vändningar vilket kan betyda t.ex. epilepsiattacker Sparar information om användarens rörelser Under dagen för över sängen från påläge till viloläge Startar larm om användaren stiger upp ur sängen under natten och inte kommer tillbaka under en viss tid Tänder svagt ljus om användaren stiger upp under natten Startar larm vid för låg andningsfrekvens Sparar information kring andning Startar larm vid för låg puls Sparar information kring hjärtslag Nu ser vi att en sensor med bara två särskilda fysiska egenskaperna ger minst 13 möjligheter som förbättrar energiförbrukningen, är användarvänliga, sparar viktig information och garanterar störst möjlig säkerhet och bevakning. Vidareutveckling av projektet med andra typer av sensorer I föregående kapitel presenterades hur många möjligheter bara en sensor kan skapa. Vad skulle hända om det i projektet användes flera olika sensorer? Första frågan är vilka aspekter som skulle behöva beaktas hos användaren med sömnsvårigheter och kanske andra sjukdomar? Temperatur Fuktighet Nästa steg är att fundera över vad sängen skulle kunna göra och därefter, vilka fysiska egenskaper sensorn måste ha för att kunna göra vad den ska. Till sist behöver lämpliga sensorer finnas på marknaden med avseende på de krav som ställdes. Hela tankeprocessen går baklänges till skillnad från förra kapitlet. 6
Temperatur Det kanske är bra att sängen skulle kunna beakta användarens temperatur både för att justera sängens värme och för att se om t.ex. användaren inte har feber. Sensorns möjligheter En temperaturkänslig sensor möjliggör skapande av en större komfort. Många tycker om att ha det varmt i sängen. Användaren skulle kunna sätta på värme i sängen och sensorn ska beakta att temperaturen är precis det som önskades. Uppvärmning skulle kunna stängas av och startas för att bibehålla jämn värme. Förutom aktiv uppvärmning skulle sängen kunna ha en funktion som skapar en optimal temperatur för varje särskild person. Sensorn beaktar användarens kroppstemperatur och anpassar uppvärmning eller kylning enligt detta. Sängen skulle kunna larma personalen vid risk för att patienten är sjuk om sängen registrerar stora amplituder i kroppstemperatur, feber eller för låg temp. Ytterligare en till sak som temperatursensorn skulle kunna göra är att beakta sängens alla delar som producerar värme. Sensorn skulle stänga av sängens funktioner vid risk för överhettning och starta om dem när sängen svalnar. Sensorns egenskaper Beakta temperaturen i sängen justera uppvärmningen Justera sängens uppvärmning efter användarens kroppstemperatur för att garantera optimal miljö för sömn, motverka svett eller kyla Larma vid för hög eller för låg kroppstemperatur Stänga av sängens funktioner vid risk för överhettning Känner av temperaturer mellan 0 till 50 C med en känslighet på minst 0,1 C Känner av temperatur mellan 0 till 100 C med en känslighet på minst 1 C Förmodligen kommer det att behövas två typer av sensorer, en för bevakning av användaren och en för själva sängen. Användarens bevakning kräver större känslighet från sensorn. En frisk människas kroppstemperatur varierar från 35,5 37,0 C. Vid temperaturer 1 2 C lägre än vanligt finns det risk för hypotermi och vid kroppstemperaturer på 40 C eller högre uppkommer värmeslag. Både hypotermi och värmeslag är farliga för människan och det är alltid bättre att agera innan de uppkommer. Målet är att sensorn ska aktivera larm vid ±1 C avvikelse från användarens typiska temperatur och därefter meddela om varje ändring tills temperaturen blir som vanligt igen. Det är därför sensorn behöver vara känslig och inte avrunda till hela grader som i andra fallet. Vid bevakning av sängens komponenter spelar inte känsligheten så stor roll. Komponenterna tål högre temperaturer än människan och en grad hit eller dit gör ingen större skillnad. 7
Fuktighet När människan som ligger i sängen svettas, går fuktigheten upp. Ju högre fuktighet desto mer är användaren påverkad av temperaturen, risk för liggsår och infektioner går upp och komforten sänks drastiskt. För liggande patienter eller sådana som har problem med nervsystemet skulle det vara bra att beakta madrassens fuktighet. Det kan hända att användaren blöter madrassen på grund av urininkontinens utan att ens veta om det. Sensorns möjligheter Sensorns funktion är att larma vid för hög fuktighet så att personalen kan byta sängkläder omedelbart och ta hand om patienten. Användaren tjänar på en högre komfort och bättre hygien. Förutom detta, förlänger rätt fuktighet sängens livslängd. Sensorns egenskaper Larma vid blöt madrass Larma vid för hög fuktighet Fuktkänslig sensor som själv vattentät Det behövs kanske flera sensorer som blir placerade på olika strategiska ställen i madrassen för att ge största möjliga effektivitet. Sensorn behöver känna både om madrassen är blöt eller bara lite fuktig. Sensorn ska vid behov aktivera lämpligt larmsystem. Slutsatser Det finns stora möjligheter att utveckla produkter med hjälp av sensorer. Då det idag finns många olika typer av sensorer och varje sensor går att använda på olika sätt så skapas ännu möjligheter att utöka en produkts nuvarande funktion. Övriga reflektioner I båda fallen måste också andra aspekter än tekniska egenskaper beaktas. Sensorerna måste vara säkra och anpassade för användning i nära kontakt med människa; de måste också vara kompatibla med andra komponenterna i sängen. Det är mycket att tänka på och det är aldrig så att det bara finns en lösning på problemet. Referenser 1. http://sv.wikipedia.org/wiki/sensorer 2010 12 15 (13:30) 8