Ponte de Wheatstone - Strain Gage

Ponte de Wheatstone - Strain Gage

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Sensores Básicos e Princípios de Funcionamento

Webster, “Medical Instrumentation”, Cap. 2

José A. Soares Augusto Departamento de Fisica

∆εpiαρταµεντο δε Φισιχα

•Transdutor: dispositivo que converte uma forma de energia noutra forma de energia

•Sensor: converte um parâmetro físico num sinal eléctrico

•Actuador: converte um sinal eléctrico numa ‘saída’ física

Medidas de deslocamento: o médico e o biomédico medem o tamanho, a forma e a posição de órgãos e tecidos no corpo. Sensores de deslocamento podem ser usados em medições directas (e.g. alteração num diâmetro de um vaso) ou indirectas (e.g. diafragma do estetoscópio)

Sensores Básicos Sensores Resistivos

Três tipos de potenciómetros para medir deslocamentos (a) de translação (b) 1 volta (c) Multi-volta.

Materiais: fio condutor enrolado; filme de carbono; filme metálico; plástico condutor; material cerâmico

(1) A resistência R de um fio com resistividade ρ

(em Ω.m), comprimento L e secção A é ρρρ dA LdALAA

(2) Diferencial de R

R (3) Variação percentual em R

Coeficiente de Poisson, µρ

(4) Variação percentual em R

Efeito dimensional

Efeito

A sensibilidade dos semicondutores (p: 100 a 170; n: -100 a -140) é 50 a 100 vezes maior que a dos metais ou ligas metálicas, mas é muito dependente da temperatura. Nos metais, G depende essencialmente de efeitos dimensionais; nos semicondutores depende do efeito piezo-resistivo. Note que µ = 0,3 na maioria dos metais

•Usadas em pesquisas dentárias (força de dentadas); medidas de pressão sanguínea (podem ser colocadas na ponta de catéteres e inseridas directamente nos vasos sanguíneos); sensores de pressão na medida de ritmos cardíacos;

•As SGs semicondutoras são mais sensíveis mas menos lineares que as metálicas, e mais dependentes de T. O sensor integrado da figura c) dois slides adiante apresenta elevada sensibilidade e boa compensação de temperatura se os 8 sensores forem ligados em ponte da forma indicada.

•SGs elástico-resistivas são usadas em biomedicona (cardio, pulmonar…); tubo de borracha silicónica preenchido com electrólito, pasta condutiva ou mercúrio e selado com eléctrodos nas pontas. 0.02-2 W/cm; lineares até 1%, com 10% de extensão (4% com 30%); f - dezenas Hz, é a resposta dinâmica.

Strain Gages

'Strain-gages' (aferidores/medidores de esforço) ligados (depositados/colados sobre o material esforçado) (a) Fio resistivo. (b) ziguezague. (c) Fio helicoidal. As setas indicam a direcção do esforço correspondente a uma máxima sensibilidade.

Sensores Resistivos

'strain gages' semicondutores (a) solto, dopagem uniforme. (b) Medidor difundido, tipo p. (c)

Sensor de pressão integrado. (d) Sensor de força integrado do tipo cantilever.

Circuito de condicionamento de sinal para um sensor de pressão piezoresistivo de silício. Os quatro elementos do sensor estão ligados em ponte e a deformação altera simetricamente pares de resistências. Assim, a sensibilidade é máxima.

(a) Sensor de pressão ('strain-gage') livre. O diafragma está directamente acoplado à SG por uma armadura. Com pressão crescente, o esforço no par B e C é aumentado, enquanto que no par A e D diminui. (b) Ponte de

Wheatstone com 4 elementos activos R1 = A, R2 = B, R3 = D, e R4 = C quando o dispositivo está ligado para movimento de translacção. A resistência Ry e o potenciómetro Rx são usados para equilibrar a ponte no início. Vi é a tensão aplicada e ∆V0 é a tensão lida num voltímetro de resistência interna Ri.

Armadura Fios da 'strain-gage'

B Diafragma

(b)

∆ υo υi R3

R2 Ry

Rx R1

Pontes de medida (e.g. Wheatstone - PW)

•A PW é ideal para medir pequenas variações de resistência

(Vi aplicada, Vo lida). A ponte está equilibrada se

•São calibradas para a condição neutra, ou de equilíbrio (resistência de calibração no braço oposto ao do sensor)

•Se inicialmente R1=R2=R4=R3=R0 então ∆V0=0. Um aumento ∆R em todas as resistências mantém o equilíbrio;

•Se R1 e R3 aumentam de ∆R e R2 e R4 decrescem de ∆R, então

iVR RV 0 pois , supondo a massa em d 2 se então i a b

i i i ab

ab i

∆ υo υi R3

R1 + Vab -

Ponte com resistências iguais em equilíbrio e variação ∆R apenas no sensor (R1)

Pletismografia (medição de variações de volume) com SG de Mercúrio-emborracha (a) SG de quatro contactos aplicada à manga (braço) humana. (b) Tensão de saída da ponte quando usada em pletismografia de oclusão venosa. (c) Tensão de saída da ponte quando usada em pletismografia de pressão arterial no pulso.

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