Mở đầu cảm biến và đo lường

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 phương pháp Viện Vật lý Y Sinh học BÀI KHÁI NIÊÊM VỀ CẢM BIẾN SỬ DỤNG TRONG YSINH HỌC VÀ VIÊÊC HIÊÊU CHỈNH SAI SỐ TRONG PHÉP ĐO Viện Vật lý Y Sinh học Khái niêÊm về cảm biến bôÊ biến 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 về cảm biến tự nhiên Tất cả 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 môi trường bên 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) • Môi 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 niêÊm về cảm biến bôÊ biến đổi dùng Y-Sinh học (Tiếp theo)  Ví dụ về cảm biến thiết bị - Trong thiết bị đo lường - Trong thiết bị điều khiển Viện Vật lý Y Sinh học Khái niêÊm về cảm biến bôÊ biến đổi dùng Y-Sinh học (Tiếp theo) Viện Vật lý Y Sinh học Khái niêÊm về cảm biến bôÊ biến đổi dùng Y-Sinh học (Tiếp theo) Đối tượng đo: + Bên thể + Trên bề mặt + Phát từ thể + Mẫu mô lấy khỏi thể - Viện Vật lý Y Sinh học Khái niêÊm về cảm biến bôÊ biến đổi dùng Y-Sinh học (Tiếp theo) Cảm biến: biến đổi dạng lượng sang tín hiệu điện + Đặc điểm: cảm ứng với dạng lượng hữu đối tượng đo, tác dụng với tất cả dạng khác - Viện Vật lý Y Sinh học Khái niêÊm về cảm biến bôÊ biến đổi dùng Y-Sinh học (Tiếp theo) Xử lý tín hiệu: + Khuếch đại, lọc tín hiệu + Đưa tín hiệu hiển thị - Viện Vật lý Y Sinh học Khái niêÊm về cảm biến bôÊ biến đổi dùng Y-Sinh học (Tiếp theo) Hiển thị: + Ở dạng số hay hình ảnh để người nhận biết - Viện Vật lý Y Sinh học Phân loại cảm biến dùng Kỹ thuật YSinh Phân loại phải dựa tiêu chí định Môt số ví dụ về cách phân loại  Phân loại theo nguyên tắc biến đổi đối tượng cần đo:  Dạng cảm biến Vâât ly Cơ Nhiêât Điêân Quang Hóa học Khi Điêân hóa Sinh học Viện Vật lý Y Sinh học Phân loại 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 bản chất tín hiệu điện thu được: Chủ động Thụ động  Viện Vật lý Y Sinh học Phân loại cảm biến dùng Kỹ thuật Y-Sinh  Các để chọn cách phân loại chương trình: - Phương pháp tiếp cận chung cùng 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 chế độ hoạt động cảm biến - Chế độ trực tiếp – gián tiếp Đo ngắt quãng liên tục Chế độ tương tự số hóa Chế độ thời gian thực thời gian trễ Viện Vật lý Y Sinh học Các đặc tính cảm biến • • - - Chức chuyển đổi : Biểu thị mối quan hệ tín hiệu vật lý đầu vào tín hiệu điện đầu Được biểu qua đồ thị tín hiệu Độ nhạy Xác định tỷ lệ độ lớn tín hiệu điện đầu độ lớn tín hiệu vật lý đầu vào Độ nhạy cao nếu thay đổi nhỏ tín hiệu vào đưa thay đổi lớn tín hiệu Viện Vật lý Y Sinh học Các đặc tính cảm biến • - - Khoảng đo: Phạm vi tín hiệu vật lý đầu vào mà cảm biến nhận biết chuyển thành tín hiệu điện Tín hiệu bên phạm vi cho sai số lớn Thường xác định nhà cung cấp bảng số liệu Viện Vật lý Y Sinh học Các đặc tính cảm biến • - - Độ xác (sai số): Độ lệch lớn có số đo thực tế số đo lý tưởng cho tín hiệu cảm biến Độ xác chất lượng cảm biến, sai số số định lượng Viện Vật lý Y Sinh học Các đặc tính cảm biến • • - Độ trễ: Biên độ lỗi giá trị đầu không quay trở lại cùng giá trị theo giá trị đầu vào Tính đắn: Thể số biểu diễn khác kết quả đo Viện Vật lý Y Sinh học Các đặc tính cảm biến • Độ tuyến tính: Viện Vật lý Y Sinh học Các đặc tính cảm biến Độ nhiễu: - Các cảm biến đều có nhiễu kèm theo tín hiệu đầu - Một số trường hợp, giới hạn hiệu quả hoạt động cảm biến -> phải có phương pháp làm giảm nhiễu + sử dụng thành phần nhạy với tín hiệu cần đo + hồi tiếp âm + lọc tín hiệu + đưa thêm tín hiệu bù để triệt tiêu nhiễu • Viện Vật lý Y Sinh học Các đặc tính cảm biến • • • Độ phân giải: Khoảng thay đổi nhỏ tín hiệu mà cảm biến ghi nhận Đặc trưng cho độ ổn định phép đo Băng thông Tần số cắt cắt xác định thời gian phân rã cảm biến Bảng số liệu cảm biến (datasheet) Viện Vật lý Y Sinh học HiêÊu chỉnh 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 đòi hỏi cân chỉnh nhiều bước là: - Nếu tham số cảm biến biến số thay đổi, xác định kết quả 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 Viện Vật lý Y Sinh học Phát hiêÊn hiêÊu chỉnh lỗi trình đo Sai số hệ thống - Bị trôi điểm cân chỉnh hay cảm biến bị lão hóa; - Không sử dụng cách: không ổn định vị trí đo, không ổn định nhiệt độ môi trường, bản thân cảm biến làm ảnh hưởng đến chế độ đo; - Không đủ liệu cho trình chuyển đổi: ví dụ sai số trình tuyến tính hóa sai số phát sinh khuếch đại tín hiệu Các lỗi hệ thống nếu xác định loại trừ phương pháp khác như: cân chỉnh, bù trừ  Viện Vật lý Y Sinh học Phát hiêÊn hiêÊu chỉnh lỗi trình đo Sai số ngẫu nhiên : số ví dụ trường hợp thường gặp nhất: - Dao động nguồn điện cung cấp cho thiết bị đo lường cho thiết bị ổn định điều kiện đo (chẳng hạn biến động dòng điện cầu đo điện trở); - Tín hiệu điện từ xuất môi trường khuếch đại cảm biến thiết bị đo; - Biến động nhiệt, bao gồm cả nhiệt đối lưu thiết bị; - Biến động 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 [...]... tiếp Đo ngắt quãng hoặc liên tục Chế độ tương tự và số hóa Chế độ thời gian thực và thời gian trễ Viện Vật lý Y Sinh học Các đặc tính của cảm biến • • - - Chức năng chuyển đổi : Biểu thị mối quan hệ giữa tín hiệu vật lý đầu vào và tín hiệu điện đầu ra Được biểu hiện qua đồ thị giữa các tín hiệu Độ nhạy Xác định bằng tỷ lệ giữa độ lớn của tín hiệu điện đầu ra trên độ lớn của tín hiệu vật lý đầu vào... các nguồn điện cung cấp cho thiết bị đo lường hoặc cho thiết bị ổn định điều kiện đo (chẳng hạn như biến động của dòng điện trong cầu đo điện trở); - Tín hiệu điện từ xuất hiện trong môi trường và được khuếch đại bởi cảm biến và thiết bị đo; - Biến động nhiệt, bao gồm cả nhiệt đối lưu trong thiết bị; - Biến động của các tham số ảnh hưởng đến giá trị đo, v.v Sai số ngẫu nhiên được xác định... lớn nhất có thể có giữa số đo thực tế và số đo lý tưởng cho tín hiệu ra của cảm biến Độ chính xác chỉ chất lượng cảm biến, sai số là chỉ số định lượng Viện Vật lý Y Sinh học Các đặc tính của cảm biến • • - Độ trễ: Biên độ lỗi khi giá trị đầu ra không quay trở lại cùng một giá trị theo giá trị đầu vào Tính đúng đắn: Thể hiện ở con số biểu diễn khác nhau kết quả đo Viện Vật lý Y Sinh học Các... của tín hiệu điện đầu ra trên độ lớn của tín hiệu vật lý đầu vào Độ nhạy cao nếu thay đổi nhỏ của tín hiệu vào đưa ra thay đổi lớn của tín hiệu ra Viện Vật lý Y Sinh học Các đặc tính của cảm biến • - - Khoảng đo: Phạm vi của các tín hiệu vật lý đầu vào mà cảm biến có thể nhận biết và chuyển thành tín hiệu điện Tín hiệu bên ngoài phạm vi này cho sai số lớn Thường được xác định bởi nhà cung... với nhiều cảm biến cơ khí và nhiệt, khi các nhà sản xuất không cung cấp cho hướng dẫn sử dụng, cân chỉnh thường được thực hiện theo chỉ dẫn trên trang web sau khi cài đặt Viện Vật lý Y Sinh học Phát hiêÊn và hiêÊu chỉnh các lỗi trong quá trình đo Sai số hệ thống - Bị trôi điểm 0 do cân chỉnh hay do cảm biến bị lão hóa; - Không sử dụng đúng cách: không ổn định vị trí đo, không ổn định nhiệt độ... độ ổn định của phép đo Băng thông Tần số cắt trên và cắt dưới xác định thời gian phân rã của cảm biến Bảng số liệu cảm biến (datasheet) Viện Vật lý Y Sinh học HiêÊu chỉnh và các chuẩn   Hiệu chỉnh đơn giản : Có hai phương pháp hiệu chỉnh đơn giản, đó là: = Hiệu chỉnh trực tiếp = Hiệu chỉnh so sánh Cân chỉnh nhiều bước Sự dao động của nhiều tham số trong quá trình đo Một số các tình huống... cảm biến làm ảnh hưởng đến chế độ đo; - Không đủ dữ liệu cho quá trình chuyển đổi: ví dụ sai số trong quá trình tuyến tính hóa hoặc sai số phát sinh trong khi khuếch đại tín hiệu Các lỗi hệ thống nếu được xác định có thể loại trừ bằng các phương pháp khác nhau như: cân chỉnh, bù trừ  Viện Vật lý Y Sinh học Phát hiêÊn và hiêÊu chỉnh các lỗi trong quá trình đo Sai số ngẫu nhiên : một số ví dụ... đổi đối tượng cần đo:  Dạng cảm biến Vâât ly Cơ Nhiêât Điêân Quang Hóa học Khi Điêân hóa Sinh học Viện Vật lý Y Sinh học Phân loại các cảm biến dùng trong Kỹ thuật Y-Sinh Phân loại theo độ tiếp xúc của cảm biến: Không tiếp xúc Noncontacting (noninvasive) Tiếp xúc trên da Skin surface (contacting) Đưa vào trong Indwelling (xâm lấn tối thiểu - minimally invasive) Đưa sâu vào trong Implantable... tuyến tính: Viện Vật lý Y Sinh học Các đặc tính của cảm biến Độ nhiễu: - Các cảm biến đều có nhiễu kèm theo tín hiệu đầu ra - Một số trường hợp, giới hạn hiệu quả hoạt động của cảm biến -> phải có phương pháp làm giảm nhiễu + sử dụng thành phần chỉ nhạy với tín hiệu cần đo + hồi tiếp âm + lọc tín hiệu + đưa thêm tín hiệu bù để triệt tiêu nhiễu • Viện Vật lý Y Sinh học Các đặc tính của cảm