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Electrónica de Instrumentação

© Jorge Guilherme 2009 #1

Medição Sinais de Baixo Nível



Bibliografia:

• Low Level Measurements Handbook, Precision DC Current, Voltage, and Resistance Measurements, Keithley.

• David A. Bell, Electronic Instrumentation and Measurements, Prentice Hall 1994.

• A. Gregory, An Introduction to Electrical Instrumentation and Measurement Systems, The Macmillan Press LTD, 1973.



Different Instruments—Different Noise Levels



Realistically, What Can Be Measured?

0.00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 000000 1A

100pA:Measure the tiny electrical signals associated with

nanoscale devices and materials

100fA: DC measurements

for SETs

10aA: Counting

electrons as they go by

µAmA fAnA pA aA

µA:High sensitivity and accuracy for

most measurements



Pulsing Current Has Its Own Set of Unique Challenges

• Pulsing current is usually subject to slower rise times - down to a few hundred nanoseconds– Usually limited by inductance and capacitance

in experimental setup.

• Often looking for much greater voltage measuring sensitivity– Sometimes, a nanovoltmeter is required.



Integrated Pulse Mode Resistance and I-V

To make pulse measurements effectively at low levels, pulse testing techniques must be used in combination with line frequency synchronization and low-level measurement techniques to eliminate power line noise and DC offsets.



Low Current × Low Voltage = Low PowerCombine an AC/DC Current Source with a Nanovoltmeter

• Tight integration of an AC/DC current source with a high speed nanovoltmeter.

• Together, they operate as a single instrument.

• Low current sourced × low voltage measured = very low power.

AC current source with arbitrary waveform generator for low power applications requiring waveforms.

AC/DC current source satisfies applications that need pulsed testing to reduce power. Reduces joule heating.



Measurement Challenges

Nanoscale electrical measurements can be overwhelmed by various sources of measurement

error.



Sources of Generated Current Errors:Triboelectric Effects



Sources of Generated Current Errors:Electrochemical Effects



10–7 A

10–8

10–9

10–10

10–11

10–12

10–13

10–14

10–15

Standardcable

Low noisecable

Dirtysurface

Epoxyboard

Cleansurface

TriboelectricEffects

ElectrochemicalEffects

TypicalCurrentGenerated

Current-Generating Phenomena

CNTFET

Moletronic

SET

Typical Magnitudes of Generated Currents



RShunt CShunt

Guarding

RShunt CShunt

No Guarding

Challenge: Cables and ConnectionsCable leakage issues require guarding to eliminate parasitic capacitances.

I

time

Time constant = RDUT * (C+CDUT)

Time constant = RDUT * (C+CDUT )I

time



1000µµµµV/°°°°CCu-CuO

400µµµµV/°°°°CCU-Si

1-3µµµµV/°°°°CCu-Pb/Sn

0.3µµµµV/°°°°CCu-Au

<0.2µµµµV/°°°°CCu-Cu

Seebeck Coefficient, QAB

Paired Materials*

Measurement Instrument

T2

EAB

HI

LO

T1ABA

E AB = Q AB ( T 1 – T 2 )

The thermoelectric voltage developed bydissimilar metals A and B in a series circuit is:

Temperature of theA to B junction in °C

Temperature of theB to A junction in °CSeebeck coefficient ofmaterial A with respectto B, µV/°C

Challenge: Cables and ConnectionsThermoelectric EMFs from

connections



Challenge: Speed and UnrealisticMeasurement Expectations

• You just can’t hook up an instrument and expect it to give you accurate results miraculously. First, you have to understand how the instrument and the DUT will react.

• Incorrect ranging.

• Rapid settling times.

• Trying to measure too fast.



Extensometros





A deformação do extensómetro pode ser determinada através da variação da resistência eléctrica.

eGR

R.

0

=∆

l

le

∆=

G – factor de “Gauge”, constante característica do extensómetro.e – deformação (m/m).



Configuração básica da ponte de Wheatstone

E – alimentação da ponte.

Rx – resistência eléctrica ou extensómetros.

E0 – saída da ponte, sinal de saída.

A ponte de Wheatstone é usada para medir a resistência com extrema precisão, mas pode ser usada na medida de qualquer outra grandeza física desde que, existao transdutor adequado á situação.



Configuração básica da ponte de WheatstoneCom 1, 2 e 4 extensómetros



Circuito com extensómetro de três fios

A resistência do extensómetro não é a única que esta a ser medida, as resistências dos fios contribuem para que o valor indicado no voltímetro não seja totalmente preciso.



Um e de dois elementos

Dois elementos cruzados (90º)



Quatro elementos (ponte completa)

Transdutores de forçaTransdutores de torque

Transdutores de pressão



-Ponte de extensómetros, com switch´s para permitir a selecção de 2 ou 4 extensómetros

- Consoante a escolha o ganho tem de ser ajustado para que na saída esteja sempre o mesmo ganho.



-Circuito que compensa o offset.

-Tensão de offset define-se como sendo a tensão diferencial de entrada, para que na saída se tenha uma tensão de saída nula.



Sensores opticos



O que é um sensor óptico?

• Os sensores ópticos são de uma forma geral, dispositivos optoelectrónicos que detectam a energia de radiações, em comprimentos de onda específicos (quer sejam estes visíveis ou não).



Funcionamento Físico

• Relativamente ao seu funcionamento físico, os sensores são classificados como sendo:

� Activos: Quando funcionam em emissão/recepção.

� Passivos: Quando se limitam a receber

informações provenientes do exterior.



Noções básicas sobre a luzPara entendermos melhor os sensores ópticos, temos que lembrar algumas teorias sobre a luz:

• A luz é uma forma de radiação electromagnética oscilatória que se dispersa no meio em que se encontra.

• O factor que a melhor caracteriza é o seu comprimento de onda. A visão humana é sensível apenas às radiações luminosas na faixa de 380nm (violeta) até780nm (vermelho escuro), tendo sensibilidade máxima para o amarelo esverdeado ( 555nm).



Noções básicas sobre a luz

• Os sensores ópticos são sempre compostos por duas partes:

� o emissor de luz (pode ser luz solar ou componentes electrónicos).

� o receptor de luz (componente electrónico que detecta a variação de luz).

Constituição de um sensor óptico



Constituição de um sensor óptico

• Um sensor óptico é constituído por:

� LDR’s (Light Dependent Resistor)

� Fotodíodo (Transmissor)

� Fototransístor (Receptor)



LDR (Resistência dependente de Luz)• Um LDR é um componente de entrada que

converte a (luz) em valores de resistência.

• A sua resistência diminui quando a luz é muito alta, e quando a luz é baixa, a resistência no LDR aumenta.

• Vantagem:

� Não é polarizado, podendo ser usado em corrente alternada.

• Desvantagem:

� Tempo de resposta muito grande, o que limita a sua faixa de funcionamento a algumas centenas de Hertz.



Fotodíodo (Transmissor)

• O transmissor envia o feixe de luz através de um fotodíodo, que pode ser em flashes, com alta potência e curta duração, para evitar que o receptor (fototransístor) confunda a luz emitida pelo transmissor com a iluminação ambiente.



Fototransístor (Receptor)

• O receptor é composto por um fototransístor sensível àluz, que em conjunto com um filtro sintonizado na mesma frequência de pulsação dos flashes do transmissor, faz com que o receptor compreenda somente a luz emitida pelo transmissor.



Princípio de funcionamento de um Oxímetro de Pulso

�� Na figura (a) mostra-se a representação esquemática dos componentes de um sensor do oxímetro de pulso e do acoplamento do sensor na ponta de um dedo.

�� Na figura (b) mostra-se o gráfico ilustrativo da amplitude constante do infravermelho (805nm) e a variação da amplitude do vermelho (660nm) com a saturação de oxigénio (SapO2).



Cálculo do SapO2

Onde:Iac650 é a intensidade luminosa alternada em 650 nm.Idc650 é a intensidade luminosa contínua em 650 nm.Iac805 é a intensidade luminosa alternada em 805 nm.Iac805 é a intensidade luminosa contínua em 805 nm.A e B são constantes de calibração determinadas empiricamente.



Funcionamento

• A absorção da luz depende:

� da absorção tecidual (pele, gordura, osso, etc),

� da absorção relativa ao sangue venoso,

� da absorção pelo sangue arterial,

� do volume arterial adicionado a cada batimento cardíaco.

• A componente alternada depende do enchimento sanguíneo na extremidade medida e do coeficiente de absorção do meio.



Sensor de Frequência Cardíaca• A monitorização do fluxo de sangue nos vasos sanguíneos é feita aplicando o sensor em

partes específicas do nosso corpo como lóbulo da orelha ou na extremidade dos dedos, pois quando o coração força o fluxo do sangue através dos vasos sanguíneos, a quantidade de sangue varia em função do tempo, sendo esta variação mais facilmente captada pelo sensor nestas áreas.

• A figura representa a forma de funcionamento do sensor de frequência cardíaca que monitoriza o fluxo sanguíneo baseado na variação da quantidade de sangue que circula pelos vasos e que interfere na intensidade luminosa no detector.

– A emissão de luz gerada pelo LED infravermelho (transmissor) é constante. – O componente capaz de receber a luz (detector de luminosidade) vai ter uma

intensidade variável, pois quanto maior a quantidade de sangue no vaso menor será a quantidade de luz recebida por este componente, conhecido como fototransístor (receptor), já que o sangue funciona como um obstáculo à passagem da mesma.

– O fototransístor gera uma pequena corrente eléctrica quando ligado a uma fonte de tensão, que constitui o sinal de saída do sensor.



Sensor de Frequência Cardíaca• Recomenda-se que o sensor seja aplicado na

extremidade de um dos dedos das mãos (preferencialmente na mão direita), pois desta forma a tensão imposta pela mola não permite a interferência da luz ambiente, sem com isto gerar incómodos ao utilizador, conforme a figura:



ECG



Introdução

1901 - Einthoven constrói o primeiro ECG.

A monitorização do ritmo cardíaco no desporto permite apefeiçoar o controlo o esforço físico.

Tecnologia permite utilização em situações extremas.

Pretende-se desenvolver um aparelho autónomo e fiável.



Coração - Batimento Cardíaco

Região sinoauricular (SA) e aurículo-ventricular (AV) formam o sistema de condução eléctrico do coração.

A região sinoauricular (SA) é a que apresenta uma autoexcitação mais intensa.

O potencial da acção iniciada neste local estende-se a todo o coração.




Cinco acidentes:

P precede a sístole auricular

Os extremos Q, R e S estão ligados à actividade ventricular,

T está associado à despolarização cardíaca

O período seguinte é de repouso para o coração.




O complexo QRS é produzido pela propagação da actividade eléctrica através do miocárdio ventricular.

Características do sinal:- Amplitude: 0.5mV a 5mV

com componente DC de +/-300mV;

- Frequência: 0.5Hz a 3Hz.



Electrocardiograma ECG

Registo da actividade eléctrica do coração a partir de elementos condutores (eléctrodos) aplicados àsuperfície da pele.

São conhecidas 12 combinações. As mais utilizadas denominam-se derivações bipolares I, II e III.

Derivação Bipolar I



Sensor – Captação do sinal

Sensor : converte um parâmetro físico num sinal eléctrico.

Vantagens :

- não é afectado por vibrações exteriores;

- não é afectado por som exterior (pode ser utilizado em ambientes ruidosos);

- imune ao efeito da luz exterior.

Desvantagens :- captação de ruído electromagnético da rede e

equipamentos próximos.



Sensor – Captação do sinal

Amplificador de InstrumentaçãoConstituído por dois estágios:

- Buffer - responsável por amplificar a diferença dos dois sinais de entrada. - Amplificador de diferença - traduz a diferença entre os sinais e faz a rejeição da componente de modo comum (CMR).



Diagrama de funcionamento



Resultados Experimentais

Implementação do amplificador de instrumentação:

- Ampops (TL 074);

- Filtro RC na saída;

- Ganho de 100.

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