SENSORES Y PRINCIPIOS BÁSICOS

SENSORES Y PRINCIPIOS BÁSICOS

1. MECANISMOS Y PRINCIPIOS BÁSICOS DE LOS SENSORES UTILIZADOS EN VARIOS INSTRUMENTOS MÉDICOS.

   • MEDIDAS DE DESPLAZAMIENTO
     • Se mide el tamaño, la forma y la posición de los órganos y tejidos del cuerpo. Estos parámetros se utilizan para diferenciar la función normal de la anormal.
       • SENSORES DE DESPLAZAMIENTO
         • Medición directa
           • Determinan el cambio cambio de diámetro delos vasos sanguíneos y los cambios de volumen y forma de las cámaras cardíacas.
         • Medición indirecta
           • Cuantifican los movimientos de los líquidos a través de válvulas cardíacas.
   • SENSORES RESISTIVOS
     • POTENCIOMETRO
       • tiene 3 tipos de potenciómetro para medir desplazamiento
         • translational
           • miden los desplazamientos de traslacion de 2 a 500 mm
         • single-turn, multiturn
           • desplazamientos rotacionales que van desde 10° a mas de 50°
             • compuestos de: alambre enrollado, película de carbono, película de metal, plástico conductor o material cerámico
               • La variación de la resistencia no es continua, sino escalonada,porque el limpiaparabrisas se mueve de una vuelta de alambres a la siguiente. La limitación fundamental de la resolución es una función del espacio entre cables, que pueden ser tan pequeños como 20 μm.
       • calibradores de tensión
         • Un alambre fino se tensa dentro de su limite elástico, la resistencia del alambre cambia debido a cambios en la longitud del diámetro y la resistividad. Las galgas extensiométricas resultantes se pueden usar para medir desplazamientos pequeños del orden de nanómetros
           • Ecuación básica: resistencia= resistividad *longitud/area
             • El cambio diferencial en resistencia se encuentra tomando el diferencial
               • • modificando la expresión a cambios finitos en los parámetros y sea una función de los coeficientes mecánicos estándar
                   • • Razón de poisson μ. relaciona el diámetro ∆D con el cambio de longitud
                       • • El factor de banda G. es útil para comprar varios materiales de bandas extensométricas.
                           • • propiedades de materiales de galgas
                               • • Factor de calibre para materiales semiconductores es aproximadamente de 50 a 70 veces el de los metales y el factor de calibre de metales la mayoría es de μ=0.3 es al menos 1.6 en semiconductores el efecto piezorresistivo es dominante
                                 • Los diseños de instrumentos que utilizan materiales semiconductores deben incorporar compensación de temperatura.
                                   • La ventaja es un factor de banda elevado. Sin embargo, es mas sensible a la temperatura e inherentemente mas no lineal que las galgas extensométricas de metal porque el efecto piezorresistivo varia con la deformación y se pueden utilizar como unidas, no adheridas o integradas
                                     • 3 tipos de semiconductores:
                                       • no adheridas, dopadas uniformemente
                                       • medidor de tipo p difuso
                                       • sensor de presión integrado y sensor de fuerza de viga en voladizo integrado.
                                         • sensor de presión con sustrato de silicio proporciona alta sensibilidad y buena Compensación de temperatura
                                 • las galgas extensométricas pueden clasificarse como:
                                   • no adheridas
                                     • • Los 4 juegos de cables sensibles a la deformación están conectados para formar un puente de wheatstone).este tipo de sensor se puede utilizar para convertir la presión arterial en movimiento de diafragma.
                                   • adheridas
                                     • • Un método de compensación de temperatura para la sensibilidad natural a la temperatura de las bandas extensométricas adheridas implica el uso de una segunda banda extensométrica como elemento ficticio que también este expuesto a la variación de temperatura, pero no a la deformación. Se utiliza el puente de wheatstone porque no solo proporciona compensación de temperatura sino que también produce una salida de 4 veces mayor si los 4 brazos contienen medidores activos.
                                 • Las galgas extensiometricas de resistencia elásticas utilizan ampliamente en aplicaciones biomedicas, especialmente en determinaciones cardiovasculares y respiratorias dimensionales y pletismográficas (medición de volumen)
                                   • Dimensiones diámetro interno 0.5mm, 2 mm de diámetro exterior y de 3 a 5 cm de largo lleno de mercurio o electrolito o pasta conductora diámetro de tubo disminuye y la longitud aumenta, aumentando la resistencia. La resistencia por unidad de longitud de los calibres típicos es aproximadamente de 0.02a 2 ohms/cm
                                     • La amplitud y fase se mantiene a 10Hz se produce una distorsión significante para frecuencias superiores a 30Hz pero con un diseño de Hokanson, el problema se elimino colocando eficazmente las galgas extensométrica en las esquinas del punte de medición
   • CIRCUITO DE PUENTES
     • • ∆v es cero el puente esta en equilibrio cuando R1/R2=R4/R3 supongamos que las resistencia del puente son igual a R0 y R0<<R1 si aumenta las resistencias de ∆R encuentra en equilibrio, pero si R1 y R3 aumentan y R2 Y R4 disminuye en ∆R entonces ∆V= (∆R/R0)*Vi
       • pero si R1 y R3 disminuye y R2 Y R4 aumenta en ∆R entonces ∆V0 esta relacionado linealmente ∆R existe una no linealidad en ∆R/R0 cuando R0/R1=0
         • Resistencia Ry y el potenciómetro Rx se utilizan para cambiar la resistencia inicial de uno o mas brazos. Rx aproximadamente 10 veces la resistencias de la pierna del puente y Ry limita el ajuste máximo. Las galgas utilizan Ry=25 veces la resistencia del brazo.
   • SENSORES INDUCTIVOS
     • La inductancia se puede utilizar para medir el desplazamiento
       • L=n^2Gμ, n=numero de vueltas de bobina, G=factor de forma geométrica y μ=permeabilidad efectiva del medio
       • 3 tipo de inductores de desplazamiento
         • Self-inductance
           • Un sensor inductivo tiene la ventaja de no verse afectado por las propiedades dieléctricas de su entorno. Sin embargo, puede verse afectado por los campos magnéticos externos debido a la proximidad de materiales magnéticos.
             • Miden las dimensiones cardíacas, monitorear la respiración intacta y determinar el diámetr
           • Un sensor inductivo tiene la ventaja de no verse afectado por las propiedades dieléctricas de su entorno. Sin embargo, puede verse afectado por los campos magnéticos externos debido a la proximidad de materiales magnéticos.
         • Mutual inductance
           • Emplea dos bobinas separadas y usa la variación de su acoplamiento magnético mutuo para medir el desplazamiento
         • Differential transformer
           • Se usa en la investigación fisiológica y la medicina clínica para medir la presión, la fuerza y el desplazamiento
           • bobina primara frecuencia de 60 Hz a 20 kHz y Vcd=Vcc-Vdc, sensibilidad de 0,5 a 2 mV ara desplazamiento de 0,01 mm/V voltaje primario, desplazamiento de escala completa de 0,01 a 250 mm y linealidad de +-0.25%
   • SENSORES CAPACITIVOS
     • C=E0*Er*(A/x), donde E0 es la constante dielectrica del espacio libre, Er es la constante dielectrica relativa del aislante, A el Área y x distancia entre dos placas.El método mas fácil de implementar es cambiar la separación entre placas y la sensibilidad k de un sensor capacitivo cambios en separación ∆x.
       • k= (∆c/ ∆x)=-E0*Er*(A/x^2)
         • la sensibilidad aumenta a medida que disminuye la separacion de las placas, dC/dx=-C/x o dC/C=dx/x
           • ejemplo microfono de capacitancia
             • el circuito no fluye corriente con elcondesador esta estacionarioy vi=E si cambia de posicion ∆x=xi-x0 produce voltaje v0=vi-E y v0 esta relaciona con x1 por: V0(jw)/X1(jw)=((E/x0)*jwƮ)/(jwƮ +1)
   • SENSORES PIEZOELECTRICOS
     • Se utilizan para medir desplazamientos fisiológicos y registrar sonidos cardíacos. El funcionamiento es la deformación física del material es cuando una red cristalina asimétrica se distorsiona, produciendo una reorientación de la carga provocando un desplazamiento de las cargas positivos y negativos.
       • q=k*f, q carga inducida , f fuerza y k constante piezoelectrica
         • sustituyendo queda V=(k*f)/c=(k*f*x)/(E0*Er*A)
           • tienen una alta pero limitada resistencia k para el cuarzo es 2,3pC/N y el titanio 140 pC/N ara 1cm de área y 1mm de espesor con fuerza aplicada debido al peso de 10g salida de voltaje es de 0,23 mV y 14mV
             • circuito con generador de carga q delimitado por: q=k*x donde k es constante de proporcionalidad y x deflexion
               • generador de carga a generador de corriente is=dq/dt=k(dx/dt)
                 • respuesta del sensor a un desplazamiento escalonado
                   • Respuesta de salida de voltaje de un sensor piezoelectrico a un paso de desplazamiento x. la salida de cae exponencialmente debido a la resistencia interna finita del material piezoelectrico. En T, se libera la fuerza y se obtiene una restauración de desplazamiento que es igual y opuesta al desplazamiento original provocando una disminución repentina de voltaje de magnitud kx/c
   • MEDIDAS DE TEMPERATURA
     • La temperatura corporal del paciente proporciona al medico información importante sobre el estado fisiológico del individuo
       • Un descenso en la temperatura del dedo gordo del pie es buena advertencia clínica temprana de shock, las infecciones reflejan un aumento de temperatura corporal, la fiebre alta destruye enzimas y proteínas sensibles a la temperatura, anestesia disminuye la temperatura corporal
       • En pediatría se utiliza incubadoras para estabilizar temperatura corporal de los bebes
       • El aumento de flujo sanguíneo debido a la artritis y la inflamación crónica puede detectarse mediante mediciones térmicas y debe ser bien ubicado para que refleje la temperatura del paciente
         • tipos de medición térmica
           • TERMOPARES
             • La termométrica termoeléctrica se observo que existe una fuerza electromotriz (emf) a través de la unión de dos metales diferentes y se debe a la suma de dos efectos independientes
               • primer efecto Es un emf por contacto de dos metales diferentes y la temperatura de unión y la emf neta es proporcional a la diferencia ente las temperaturas de las dos uniones
               • Un emf debido a los gradientes de temperatura a lo largo de cada conductor y el efm neto es proporcional a la diferencia de cuadrados de las temperaturas absolutas de la unión (T1y T2)
                 • E=aT+(1/2)bT^2+ ...
                   • Sensibilidad termoeléctrica o potencia termoeléctrica o coeficiente de seebeck α, α =dE/dT=a+bT+...
                     • α no es una constante sino que aumenta con la temperatura. Las sensibilidades de los termopares comunes varia de 6,5 a 80μV/°C a 20°C con precisión de 1/4% a 1% se puede mejorar la sensibilidad conectando termopares en serie midiendo la misma temperatura y utilizando la misma unión de referencia
                       • Ventaja tiempo de respuesta rápida de 1ms, tamaño de 12μm de diámetro, facilidad de fabricación y estabilidad a largo plazo
                       • Desventaja voltaje de salida pequeño, baja sensibilidad y temperatura de referencia
                       • Acondicionadores de señal de termopar modernos contienen una unión fría electrónica
           • TERMISTORES
             • Semiconductores fabricados con material cerámico con coeficiente de temperatura negativa alta, reaccionan opuesto a los metales a cambio de temperatura y la resistencia disminuyes a mayor temperatura y viceversa
               • resistencia versus temperatura
                 • La relación empírica entre la resistencia del termistor R y la temperatura absoluta T en kelvin (k)
               • voltaje versus corriente
                 • Es lineal hasta un punto en donde hay un gran calentamiento el voltaje del termistor disminuye debido a el incremento de corriente. En la parte lineal se aplica la ley de ohm y el voltaje es directamente proporcional a la corriente. el aumento de corriente eleva la temperatura del termistor por encima del ambiente.
                   • Los termistores actuales requiere análisis dinámico del sistema. Al aplicar voltaje escalonado en un circuito en serie con resistencias termistores. El tiempo de retardo de corriente llegue a su valor máximo depende del voltaje aplicado, la masa del termistor y el valor de la resistencia en los cuales el tiempo es en milisegundos a varios minutos y lo mismo ocurre con la temperatura que rodea el termistor. Los instrumentos modernos utilizan microcomputadoras para corregir las no linealidades.
                     • Los circuitos amplificadores operacionales pueden usarse para medir la corriente en un termistor en función de la temperatura. Hay varias formas de de termistores disponibles: cuentas, chups,varillas y arandelas y comúnmente en aplicaciones biomedicas se usa el termistor de perlas encapsulado de vidrio el cual protege al sensor del entorno hostil sin afectar el tiempo de respuesta térmica del sistema su pequeño tamaño hace fácil ubicarlo en la punta del catéter o agujas hipodérmicas
           • TERMOMETRÍA DE RADIACIÓN
             • Relación entre temperatura de la superficie de un objeto y su poder radiante, se mapea la distribución de temperatura del cuerpo con una sensibilidad de unas pocas décimas de kelvin, basándose en reconocer la temperatura emitida por procesos celulares o circulatorios
               • Todo cuerpo que se encuentra por encima del cero absoluto irradia energía electromagnética, cuya cantidad depende de la temperatura corporal y de las propiedades físicas.
                 • Los lentes utilizados en los instrumentos infrarrojos deben seleccionarse cuidadosamente por sus propiedades espectrales infrarrojas y los materiales deben ser especiales porque el vidrio estándar utilizado para el espectro visible no pasa longitudes de ondas superiores a 2μm
                   • estos dispositivos deben tener un tiempo de respuesta corto y requisitos de ancho de banda de longitud de onda adecuados que coincidan con la fuente de radiación. La mayoría de los radiometros utilizan un sistema de corte de haz para interrumpir la radiación a una velocidad fija (varios de cientos hertz).
                 • • Tiene ventaja sobre el uso de termómetros, termopares o termistores de mercurio. El sistema de monitoreo de temperatura timpánica por infrarrojos tiene un tiempo de respuesta del orden de 0.1s y precisión de aproximadamente 0,1 °C
             • Se usa en detección temprana de cáncer de mama, en ubicación y extensión de las alteraciones artríticas, medir la profundidad de la destrucción del tejido por congelación y quemaduras,y para detectar diversos trastornos circulatorios periféricos ( trombosis venosa, oclusión de arteria carótida).
           • SENSORES DE TEMPERATURA DE FIBRA ÓPTICA
             • • Una fibra trasmite luz desde un diodo emisor de luz al sensor pasando por el GaAs y la otra fibra lo recibe la otra fibra para el instrumento de lectura, es adecuada para medir la temperatura en los campos de calentamiento electromagnético intensos que se utilizan para calentar tejidos para la terapia de cáncer o en el recalentamiento de pacientes
             • MEDIDAS ÓPTICAS
               • Utilizan en diagnostico medico como en: laboratorio clínico-químico, análisis de sangre y otros tejidos extraídos del cuerpo, cateterismo cardíaco para medir saturación de oxigeno para medir la saturación de oxigeno de la hemoglobina y para medir el gasto cardíaco
               • GEOMETRÍA Y FIBRA ÓPTICA
                 • ÓPTICA GEOMETRÍCA
                   • Hay una serie de factores geométricos que modifican la potencia transmitida entre la fuente y el detector los elementos ópticos mas obvios son los lentes. las lamparas emiten radiacion en todas direcciones.
                 • FIBRA ÓPTICA
                   • Es una forma de trasmitir radiación de un punto a otro. La ley de snell n2 senθ2= n1 senθ1
                 • CRISTALES LIQUIDOS
                   • Cambian su estado modificando la dispersión pasiva o la absorción de luz. Cuando se derrite el orden se vuelve tridimensional, en bidimensional o unidimensional. A un paciente se pinta de un barniz negro soluble en agua en el cual se pinta cristales encima del barniz y si hay inflamación aumenta la temperatura que se indica por medio de patrones de color. También se utiliza en termómetros desechables.
                 • FILTROS ÓPTICOS
                   • Se utilizan para controlar la distribución de potencia radiante o la longitud de onda. Se usan filtros de densidad neutra, filtros de polaroid para atenuar la luz, los filtros de color que transmiten ciertas longitudes de onda y rechazan otras, los filtros gelatina son de absorción,filtros de vidrio proporcionan bandas de paso bastante amplio, filtros de interferencia producen filtros de paso banda alta, bajo y de corte nítido con anchos de banda de 0.5 a200 nm.
                   • Existe un método óptico para medir el porcentaje de grasa en el cuerpo descubriendo que la grasa tiene una banda de absorción a 930 nm y el agua tiene una banda de absorción a 970 nm eso se realizo con un espectrofotómetro de barrido rápido de un solo haz.
               • COMBINACIONES ÓPTICAS
                 • Para especificar las combinaciones de fuentes, filtros y sensores, los diseñadores de instrumentos requieren unidades radiométricas que deben ponderarse de acuerdo a la curva de respuesta de cada elemento.
   • FUENTES DE RADIACIÓN
     • LAMPARAS DE TUNGSTENO
       • Para λ<1μm, el tungsteno tiene una emisividad de aproximadamente 0,4 y, por lo tanto, emite aproximadamente 40% de lo que emitiría si la emisividad fuera 1,0
     • DESCARGAS DE ARCO
       • Los electrones se aceleran y chocan con los átomos de gas, que se elevan a un nivel excitado. Cuando un electrón de un átomo determinado experimenta una transición de un nivel superior a un inferior, emite energía E=hv=hc/λ, donde h es la constante de planck, v = frecuencia, c = velocidad de luz y λ = longitud de onda.
       • La lampara de arco ha sido reemplazado por en gran medida por lampara de mercurio, la lampara de sodio y la lampara de xenón
     • DIODOS EMISORES DE LUZ (LED)
     • LASER
       • La salida del láser es altamente monocromática, paralela y coherente en fase. Los láser unión p-n no se utilizan ampliamente porque operan en infrarrojo y necesitan de densidades de corriente de 10A/cm o mas, requiriendo una operación pulsada (10-100 ns)
         • El láser mas común He-Ne que opera a 633 nm en la región roja, es operado por un arco de baja presión y proporciona hasta 100 mW, los láseres de argón proporcionan niveles de potencia continua mas altos (1-15 W), los de CO2 proporcionan 50-500 W de potencia de salida CW.
           • El uso medico mas importante del láser ha sido reparar los desgarros de la retina. Un fotocoagulador utiliza el láser de rubí para desgarro en la rutina.
   • SENSOR DE RADIACIÓN
     • SENSORES CUÁNTICOS
       • Absorben energía de fotones individuales y la utilizan para liberar electrones del material del sensor. Los sensores típicos son el ojo, el fototubo, el fotodiodo y la emulsión fotográfica. Son sensibles solo en una banda restringida de longitud de onda; la mayoría responde rápidamente. Los cambios en la temperatura ambiente provocan solo un cambio de segundo orden en la sensibilidad de los sensores.
         • SENSOR FOTOEMISIVO
           • un fototubo
     • CÉLULAS FOTOCONDUCTIVAS
       • La fotoresistencia son sensores fotoeléctricos de estado solido. Se utiliza materiales cristalinos CdS o PbS. Reacción a la radiación entrante haciendo que electrón salte la banda de valencia a la conducción entre mas electrones salten la banda de valencia aumenta la conductividad del material cristalino de modo que la resistencia disminuyes con la radiación de entrada. La corriente es lineal a niveles bajos de radiación y aumenta o decae con una constante de tiempo de 10 a 0,01 s . Es independiente de la polaridad.
         • RESPUESTA ESPECTRAL
           • Todos sensores de silicio tienen una respuesta espectral en la cual no hay respuesta por encima de 1100 nm porque la energía de los fotones es demasiado baja para permitirles saltar la banda. Para las longitudes de ondas inferiores a 900 nm, la respuesta disminuyes porque hay menos fotones con mas energía por vatio.
   • SENSORES DE FOTOUNIÓN
   • SENSORES FOTOVOLTAICOS
     • Unión p-n de silicio. El voltaje aumenta logarítmicamente de 100 a 500 mV a medida que la radiación de entrada aumenta en un factor de 104

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