Appunti Sensoristica per strumentazione biomedicale

Caratteristiche del trasduttore

Il trasduttore ha diverse caratteristiche che possono essere valutate in condizioni statiche e dinamiche. Inoltre, ci sono anche caratteristiche ambientali e di affidabilità che possono influire sul suo funzionamento.

Caratteristiche statiche

Queste caratteristiche descrivono il comportamento del trasduttore per variazioni lente del misurando, come ad esempio la temperatura.

Caratteristiche dinamiche

Queste caratteristiche descrivono il comportamento del trasduttore quando il segnale in ingresso varia nel tempo in modo rapido. Ad esempio, i trasduttori piezoelettrici devono avere buone risposte dinamiche.

Caratteristiche ambientali

Queste caratteristiche indicano come il trasduttore funziona in determinate condizioni ambientali, come ad esempio la temperatura.

Affidabilità

Questa caratteristica indica per quanto tempo o per quante misure il trasduttore funziona correttamente. Spesso è necessario eseguire una ritaratura periodica.

Le caratteristiche del trasduttore sono fondamentali per valutarne le prestazioni in diverse situazioni.

assenza di sollecitazioni esterne

• Dinamico: descrive il comportamento del sensore rispetto a input variabili nel tempo
• Ambientale: si riferisce alle prestazioni del sensore dopo o durante l'esposizione a specifici stress esterni
• Affidabilità: sono legati alla vita utile del sensore e alle possibili cause di malfunzionamento

Caratteristiche statiche range di misura

Ci sono caratteristiche che ci dicono la variabilità dell'ingresso e dell'uscita. Abbiamo un safety range che ci dice che tipo di quantità e che ampiezza riusciamo a misurare. Se le misure stanno nel non succede nulla anche se non le misuro correttamente, però non si distrugge il trasduttore ma ha bisogno di un certo recovery time per ricominciare a funzionare correttamente. Se andiamo fuori dal range di sicurezza c'è il rischio di danneggiare il trasduttore. Stesso ragionamento in uscita con lo stesso range, se la misura sta in un certo range

sto nel range di sicurezza. L'uscita non andrà mai al di fuori di questo range, in teoria, se vado oltre il safety range questa cosa non è più assicurata, quindi posso avere segnali diversi rischiando di danneggiare il trasduttore è tutto ciò che c'è in cascata. Variabilità dell'input: - Intervallo/intervallo di misurazione: l'intervallo totale della quantità dell'oggetto all'interno del quale opera il sistema di misurazione in modo da soddisfare le prestazioni nominali del sistema di misurazione. - Range/span di sicurezza: il range entro il quale deve rimanere il misurando per non causare danni permanenti al trasduttore. - Tempo di recupero: tempo necessario per recuperare da un danno temporaneo. Può accadere quando il misurando, rimanendo nel campo di sicurezza, esce dal campo di misura. Variabilità dell'output (Intervallo di funzionamento normale): intervallo dei valori di

uscita quando la grandezza di ingresso è nel campo di misura. Valori estremi dell'uscita: valori estremi dell'uscita quando la grandezza in ingresso è nel range di sicurezza. l'accuratezza la precisione.

Poi c'è l'accuratezza ci dice che se vado a fare tante misure e faccio la media, riesco a tirare fuori il valore corretto. La ripetibilità dice che se faccio 100 volte la stessa misura ottengo quasi sempre lo stesso valore, non necessariamente accurato.

In un amplificatore operazionale posso avere un offset che va a modificare la misura, tutte le volte le misure avranno un'aggiunta data dall'offset. Si ottengono comunque misure ripetibili.

Accuratezza: è l'errore di misura, cioè la differenza tra il valore rilevato e il valore reale del misurando.

Ripetibilità o riproducibilità o precisione: descrive quanto vicini sono gli output ripetuti quando la stessa quantità viene misurata.

ripetutamente.

NOTA: La precisione non deve essere confusa con l'accuratezza. Ad esempio: una tensione di offset non compensata in un amplificatore operazionale può fornire risultati molto riproducibili (alta precisione), ma potrebbero non essere accurati.

Mi aspetto di avere una risposta del trasduttore con pendenza 1 e che parte da 0. Ma nella realtà non è mai così. Quello che viene dato dai trasduttori è la curva di calibrazione che mi rappresenta come varia l'uscita in funzione dell'ingresso. L'incertezza di calibrazione mi indica quanto i valori variano in uscita mandando sempre lo stesso misurando.

La caratteristica ideale o teorica di un sensore è una linea retta con pendenza unitaria (espressa come percentuale dell'uscita a fondo scala [%FSO] per percentuale della portata [%FS]).

Per valutare la curva si fa processo chiamato calibrazione. Cioè qualcosa che va ripetuto ogni tot di tempo a seconda delle

Caratteristiche che si vogliono dare al trasduttore. Si prende una retta di riferimento, che non ha pendenza 1 e non passa per 0. Questa retta ci permette di descrivere la linearità del nostro sistema, quindi ci dice quanto l'ingresso è uscita si avvicina a una retta e ci permette di definire anche la sensibilità che è la pendenza di quella curva che mi dice quanti milli ampere il mio trasduttore fa per esempio con un grado di temperatura. Quindi mi dice quanto è pendente rispetto all'Unità di misura in ingresso. Il sensore reale ha un comportamento non ideale che fa deviare l'uscita dal valore "vero".

Curva di calibrazione o curva standard o curva caratteristica:

• Indica la dipendenza del segnale di uscita dal segnale di ingresso.

Incertezza di calibrazione (errore):

• È l'ampiezza dell'intervallo/banda di valori. Le caratteristiche dell'errore possono essere determinate dalla calibrazione.

Linearità: descrive quanto la relazione input-output del sensore è vicina a una linea retta "appropriata". La linearità viene anche definita come differenza massima dei valori reali rispetto alla retta stessa.

Sensibilità: (in alcuni campi) è definita come il rapporto tra l'output e l'input. Le sensibilità per diverse quantità di oggetti sono rappresentate in diverse unità come mV/kPa, μA/K, mV/pH, ecc.

Offset o Drift: indica un cambiamento della linea di base (output quando l'input è zero) o della sensibilità con il tempo, la temperatura, ecc. quindi è un parametro che mi dice quanto è l'uscita che mi da il trasduttore quando in ingresso non ho niente.

Ci sono diversi modi per descrivere la retta di riferimento. L'importante è che sia un metodo che ci permetta di descrivere una retta rispetto a una curva. Le rette sono: retta riferita allo zero,

quindi si vincola rispetto allo zero. La linea di riferimento passa per l'estremità inferiore della curva di calibrazione ed è tracciata in modo tale da minimizzare il massimo degli scostamenti. La retta riferita agli estremi • in cui si prendono gli estremi della curva di taratura e si traccia la retta. Quindi la retta di riferimento congiunge i due estremi della curva di taratura corrispondenti ai due estremi del campo di misura. La retta ai minimi quadrati, • cioè retta che minimizza i minimi quadrati tra retta e curva di taratura. O infine si minimizza la differenza massima tra la retta e la curva. Quindi la retta di riferimento è quella che corrisponde al valore minimo della somma dei quadrati degli scarti. La linearità indipendente, • la linea di riferimento è quella che minimizza la maggiore delle deviazioni. Isteresi l'uscita del sensore può dipendere dall'uscita precedente. Il sensore ha in ingresso un valore da misurare.in modo lineare con l'aumento del misurando. Tuttavia, quando il misurando raggiunge un valore massimo, l'uscita del trasduttore raggiunge un plateau, raggiungendo la saturazione. Questo significa che anche se il misurando continua ad aumentare, l'uscita del trasduttore rimarrà costante al valore massimo. Per risolvere il problema dell'isteresi, è necessario prendere in considerazione la storia precedente del misurando. Ad esempio, se il misurando sta diminuendo, l'uscita del trasduttore potrebbe non diminuire immediatamente, ma potrebbe richiedere un certo tempo per adattarsi al cambiamento. Allo stesso modo, se il misurando sta aumentando, l'uscita potrebbe non aumentare immediatamente, ma potrebbe richiedere un certo tempo per raggiungere il nuovo valore. È importante considerare questi fattori quando si utilizzano trasduttori per misurare e monitorare i valori. La corretta taratura e la comprensione delle caratteristiche di soglia e saturazione possono aiutare a ottenere misurazioni accurate e affidabili.fino a raggiungere il valore saturazione. Quindi il sensore non è in grado di convertire segnali al di sopra di quel valore di saturazione. Soglia: • è il più piccolo cambiamento nel misurando che porta a un cambiamento nell'uscita del trasduttore. Saturazione: • in un trasduttore l'uscita è generalmente proporzionale all'ingresso. A volte, se l'ingresso continua ad aumentare positivamente o negativamente, si raggiunge un punto in cui il trasduttore non aumenterà più la sua uscita per un aumento dell'ingresso, dando origine a una relazione non lineare. Rumore: • è un segnale indesiderato che si verifica all'uscita del trasduttore a causa di fonti interne o interferenze. Caratteristiche dinamiche Sono caratteristiche che variano nel tempo. Sono quindi quelle caratteristiche che descrivono come si comporta il trasduttore quando il segnale di ingresso varia in maniera rapida. Descrivono il comportamento del trasduttore nel tempo.sensore per rapide variazioni temporali dell'ingresso, in condizioni normali e in assenza di sollecitazioni. Le caratteristiche dinamiche di un sistema di misura descrivono la relazione ingresso-uscita in un transitorio. Solo pochi segnali di interesse nel campo della strumentazione medica, come la temperatura corporea, sono di tipo costante o lentamente variabile. La maggior parte dei segnali è funzione del tempo e, pertanto, è la proprietà variabile nel tempo dei segnali biomedici che è necessaria per considerare le caratteristiche dinamiche del sistema di misurazione. Un sistema lineare è quel sistema che se abbiamo più ingressi al sistema l'uscita può essere vista come somma di questi ingressi moltiplicati per dei coefficienti. Tutto ciò che non rispetta si chiama non lineare. Quindi il termine sistema lineare, o l'espressione che un sistema è lineare, si riferisce sempre a un sistema in.