Slide 1 Viện Vật lý Y Sinh học CẢM BIẾN VÀ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG Y SINH (Bài mở đầu) Viện Vật lý Y Sinh học GIỚI THIỆU VỀ MÔN HỌC ⚫ Mục đích ⚫ Yêu cầu ⚫ Nội dung và phương pháp Viện Vật lý Y Sinh học B[.]
CẢM BIẾN VÀ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG Y SINH (Bài mở đầu) Viện Vật lý Y Sinh học GIỚI THIỆU VỀ MƠN HỌC Mục đích ⚫ u cầu ⚫ Nội dung phương pháp ⚫ Viện Vật lý Y Sinh học BÀI KHÁI NIỆM VỀ CẢM BIẾN SỬ DỤNG TRONG Y-SINH HỌC VÀ VIỆC HIỆU CHỈNH SAI SỐ TRONG PHÉP ĐO Viện Vật lý Y Sinh học Khái niệm về các cảm biến và các bộ biến đổi dùng Y-Sinh học ⚫ Định nghĩa cảm biến: Cảm biến (sensor) cơng cụ thu nhận tín hiệu, đại lượng cần nghiên cứu biến đổi chúng thành tín hiệu đo dùng để điều khiển thiết bị ⚫ Ví dụ cảm biến tự nhiên Tất sinh vật sống có chứa cảm biến sinh học với chức tương tự thiết bị khí Đa số tế bào đặc biệt nhạy cảm với: • Các tác nhân vật lý mơi trường bên ngồi ánh sáng, chuyển động, nhiệt độ, từ trường, trọng lực, độ ẩm, rung động, áp lực, điện trường, âm • Các tác nhân Vật lý môi trường bên sức căng, chuyển động quan, vị trí thành phần phụ (proprioception) • Mơi trường phân tử, bao gồm độc tố, chất dinh dưỡng, pheromones • Các tín hiệu bên phân tử kích thích tố, dẫn truyền thần kinh… • Sự khác protein sinh vật môi trường sinh vật khác Viện Vật lý Y Sinh học Khái niệm về các cảm biến và các bộ biến đổi dùng Y-Sinh học (Tiếp theo) ⚫ Ví dụ cảm biến thiết bị - Trong thiết bị đo lường - Trong thiết bị điều khiển Viện Vật lý Y Sinh học Khái niệm về các cảm biến và các bộ biến đổi dùng Y-Sinh học (Tiếp theo) ⚫ Các cảm biến sinh học: Cấu tạo cảm biến Sinh học thường có ba phần (Hình bên): - Phần tử nhạy Sinh học (receptor) cho phép nhận biết biến đổi sinh học đối tượng Các phần tử chế tạo từ vật liệu sinh học, có nguồn gốc từ sinh học hay vi sinh - Phần tử biến đổi (bộ chuyển đổi transducer) làm việc dựa hiệu ứng Vật lý, Hóa Lý (quang, áp điện, điện hóa ); phần tử thu nhận biến đổi tín hiệu từ phần tử nhạy sinh học thành tín hiệu dễ dàng đo đạc, định lượng - Phần giao tiếp với thiết bị đo hiển thị bên (Signal processing) Viện Vật lý Y Sinh học Phân loại các cảm biến dùng Kỹ thuật YSinh Phân loại phải dựa tiêu chí định Mơt số ví dụ cách phân loại ⚫ Phân loại theo nguyên tắc biến đổi đối tượng cần đo: ⚫ Dạng cảm biến Vật lý Cơ Nhiệt Điện Quang Hóa học Khí Điện hóa Trắc quang (Photometric) Các phương pháp Hóa Lý Phân tích sinh học Viện Vật lý Y Sinh học Phân loại các cảm biến dùng Kỹ thuật Y-Sinh Phân loại theo độ tiếp xúc cảm biến: Không tiếp xúc Noncontacting (noninvasive) Tiếp xúc da Skin surface (contacting) Đưa vào Indwelling (xâm lấn tối thiểu - minimally invasive) Đưa sâu vào Implantable (xâm lấn - invasive) ⚫ Phân loại dựa chất tín hiệu điện thu được: Chủ động Thụ động ⚫ Viện Vật lý Y Sinh học Phân loại các cảm biến dùng Kỹ thuật Y-Sinh ⚫ Các để chọn cách phân loại chương trình: - Phương pháp tiếp cận chung môn sở khác - Thuận tiện cho việc tìm hiểu nguyên lý hoạt động dạng cảm biến Phân loại sở vật lý - Cơ - Nhiệt - Điện - Quang - Các loại cảm biến khác Viện Vật lý Y Sinh học Các đặc tính cảm biến ⚫ ⚫ ⚫ ⚫ ⚫ ⚫ ⚫ ⚫ ⚫ ⚫ Chức chuyển đổi Độ nhạy Khoảng đo Đợ xác hay sai số Đợ trễ Phi tún (hay cịn gọi là đợ tún tính) Đợ nhiễu (tiếng ồn) Độ phân giải Băng thông Bảng số liệu cảm biến (Sensor Data Sheets) Viện Vật lý Y Sinh học Hiệu chỉnh và các chuẩn ⚫ ⚫ ⚫ Hiệu chỉnh đơn giản : Có hai phương pháp hiệu chỉnh đơn giản, là: = Hiệu chỉnh trực tiếp = Hiệu chỉnh so sánh Cân chỉnh nhiều bước Sự dao động nhiều tham số trình đo Một số tình cụ thể địi hỏi cân chỉnh nhiều bước là: - Nếu cảm biến có độ trễ hiển thị, cân chỉnh phải thực bước cụ thể trình đo; - Nếu tham số cảm biến biến số thay đổi, xác định kết hàm tần số; - Trong số trường hợp, đặc biệt nhiều cảm biến khí nhiệt, nhà sản xuất không cung cấp cho hướng dẫn sử dụng, cân chỉnh thường thực theo dẫn trang web sau cài đặt Liên kết với các hệ thống đo lường quốc tế Viện Vật lý Y Sinh học Phát và hiệu chỉnh các lỗi quá trình đo Sai số hệ thống - Bị trôi điểm cân chỉnh hay cảm biến bị lão hóa; - Khơng sử dụng cách: khơng ổn định vị trí đo, khơng ổn định nhiệt độ mơi trường, thân cảm biến làm ảnh hưởng đến chế độ đo; - Khơng đủ liệu cho q trình chuyển đổi: ví dụ sai số q trình tuyến tính hóa sai số phát sinh khuếch đại tín hiệu Các lỗi hệ thống xác định loại trừ phương pháp khác như: cân chỉnh, bù trừ ⚫ Viện Vật lý Y Sinh học Phát và hiệu chỉnh các lỗi quá trình đo Sai số ngẫu nhiên : một số ví dụ các trường hợp thường gặp nhất: - Dao động các nguồn điện cung cấp cho thiết bị đo lường cho thiết bị ổn định điều kiện đo (chẳng hạn biến đợng dịng điện cầu đo điện trở); - Tín hiệu điện từ xuất môi trường và khuếch đại cảm biến và thiết bị đo; - Biến động nhiệt, bao gồm cả nhiệt đối lưu thiết bị; - Biến động các tham số ảnh hưởng đến giá trị đo, v.v Sai số ngẫu nhiên xác định phương pháp thống kê ⚫ Viện Vật lý Y Sinh học ... Y Sinh học Khái niệm về các cảm biến và các bộ biến đổi dùng Y- Sinh học (Tiếp theo) ⚫ Các cảm biến sinh học: Cấu tạo cảm biến Sinh học thường có ba phần (Hình bên): - Phần tử nh? ?y. .. protein sinh vật môi trường sinh vật khác Viện Vật lý Y Sinh học Khái niệm về các cảm biến và các bộ biến đổi dùng Y- Sinh học (Tiếp theo) ⚫ Ví dụ cảm biến thiết bị - Trong thiết bị đo lường. .. đổi dùng Y- Sinh học ⚫ Định nghĩa cảm biến: Cảm biến (sensor) công cụ thu nhận tín hiệu, đại lượng cần nghiên cứu biến đổi chúng thành tín hiệu đo dùng để điều khiển thiết bị ⚫ Ví dụ cảm biến tự