O documento discute princípios básicos de sensores, incluindo a diferença entre transdutores e sensores e como os sensores convertem energia em sinais elétricos. Também descreve características importantes de sensores como linearidade, resolução e faixa dinâmica.

1. 04-11-2009
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Princípios básicos dos sensoresPrincípios básicos dos sensores
Transdutor e SensorTransdutor e Sensor
Converte energia de
uma forma noutra
forma
Detecta ou mede uma
quantidade física
Pode-se medir bem sem haver grande eficiência na conversão de energia (5%
ou 0,1% pode ser bom, dependendo da aplicação).
Já a linearidade, a resolução, a reprodutibilidade, etc… são importantes para
uma boa medição.
Só nos interessam, por razões óbvias, os sensores cuja
saída é eléctrica (electrical output)
ActuadorActuador: converte sinal eléctrico numa saída física: converte sinal eléctrico numa saída física
Um sensor baseia-se normalmente num transdutor ou é ele
próprio um transdutor

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Um Sensor para cada aplicação
PosiçãoPosição,, nívelnível,,
deslocamentodeslocamento
VelocidadeVelocidade ,, aceleraçãoaceleração
ForçaForça
PressãoPressão
FluxoFluxo
Electromagnético
Acústico
Humidade
Luz
Radiação
Temperatura
Químico
deslocamento
Luz
temperatura
(Nobel 2009)

3. 04-11-2009
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UmUm SINALSINAL é uma representação unívoca deé uma representação unívoca de
informação em função de uma variávelinformação em função de uma variável
independente (ex. tempo)independente (ex. tempo)
Em processos físicos a informação é geralmente aEm processos físicos a informação é geralmente a
medida de uma certa forma de energiamedida de uma certa forma de energia
I aVR V1 V4
Componentes de um sistema de instrumentação generalizado. O sensor converte
energia (informação) do mensurando para outra forma (eléctrica). O sinal é então
processado e apresentado/registado de uma forma perceptível de modo a fornecer a
informação. Ligações a tracejado são opcionais em certas aplicações.
Perceptible
outputOutput
display
Control
And
feedback
Signal
processing
Data
transmission
Data
storage
Variable
Conversion
element
Sensor
Primary
Sensing
element
Measurand
Calibration
signal
Radiation,
electric current,
or other applied
energy
Power
source

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Esquema simplificado de um sistema registador de ECG
Electrodes
60-Hz
ac magnetic
field
Displacement
currents
Differential
amplifier
+
−
+Vcc
Vcc
Z1
Zbody
Z2
vo
vecg
Sistema de Instrumentação Médica
MensurandoMensurando:: DesignaçãoDesignação latalata queque podepode significarsignificar quantidadequantidade físicafísica,,
propriedadepropriedade ouou condiçãocondição a sera ser medidamedida pelopelo instrumentoinstrumento..
Sensor:Sensor: dispositivodispositivo queque converteconverte essaessa quantidadequantidade//energiaenergia numnum sinalsinal
eléctricoeléctrico
AcondicionamentoAcondicionamento dodo sinalsinal:: TodoTodo oo processamentoprocessamento analógicoanalógico dodo sinalsinal
((amplificaçãoamplificação,, filtragemfiltragem,, subtracçãosubtracção dede offsetoffset, etc …antes da, etc …antes da colocaçãocolocação
directadirecta num displaynum display ouou da eventualda eventual digitalizaçãodigitalização..
ConversãoConversão A/DA/D:: DigitalizaçãoDigitalização dodo sinalsinal parapara posteriorposterior processamentoprocessamento porpor
técnicastécnicas numéricasnuméricas e/e/ armazenamentoarmazenamento dada informaçãoinformação..
ProcessamentoProcessamento//VisualizaçãoVisualização//transmissãotransmissão:: TratamentoTratamento dada InformaçãoInformação
emem computadorcomputador..

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Características da medida (ou do instrumento)
Rigor/Rigor/exactidãoexactidão (Accuracy)(Accuracy):: diferençadiferença entre o valorentre o valor
medidomedido e um valor dee um valor de referênciareferência (valor “(valor “verdadeiroverdadeiro”), %”), %
ResoluçãoResolução:: menormenor quantidadequantidade incrementalincremental queque podepode serser
inequivocamenteinequivocamente medidamedida
RepetibilidadeRepetibilidade ((reproductibilidadereproductibilidade)):: capacidadecapacidade dodo
instrumentoinstrumento ouou sistemasistema dede produzirproduzir aa mesmamesma saídasaída parapara asas
mesmasmesmas condiçõescondições aplicadasaplicadas ((nãonão implicaimplica rigor)rigor)
SensibilidadeSensibilidade:: medemede oo graugrau dede variaçãovariação dada saídasaída aa
variaçõesvariações dada entradaentrada
PrecisãoPrecisão (precision):(precision): relaçãorelação entre oentre o intervalointervalo dede valoresvalores
emem queque o valoro valor medidomedido estáestá contidocontido comcom umauma determinadadeterminada
confiançaconfiança e o valor dee o valor de escalaescala máximamáxima ((full scalefull scale))
Caract. da medida (cont)
DerivaDeriva do Zerodo Zero -- ZeroZero--drift (or offset or baseline drift):drift (or offset or baseline drift):
alteraçãoalteração com o tempo dacom o tempo da medidamedida do "zero"do "zero" ouou valor davalor da
linhalinha de basede base devidodevido aa condiçõescondições váriasvárias
DerivaDeriva dede SensibilidadeSensibilidade -- Sensitivity driftSensitivity drift:: variaçãovariação dada
sensibilidadesensibilidade com o tempocom o tempo
LinearidadeLinearidade::
ifif x1 is input, y1 is response and if x2 is input, y2 isx1 is input, y1 is response and if x2 is input, y2 is
responseresponse thenthen if x1 + x2 is input, then y1 + y2 isif x1 + x2 is input, then y1 + y2 is
response.response.
if k*x1 is input then k*y1 is response.if k*x1 is input then k*y1 is response.
Gama deGama de entradaentrada :: máximomáximo ee mínimomínimo valorvalor permitidopermitido dada
grandezagrandeza aa medirmedir parapara umauma respostaresposta linearlinear

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Características intrínsecas dos sensores
FunçãoFunção dede transferênciatransferência ((RelaçãoRelação entre aentre a medidamedida e o valor dae o valor da
grandezagrandeza físicafísica))
Linear : S = a +Linear : S = a + bsbs
LogarítmicaLogarítmica: S = a + b: S = a + b lnln ss
FunçãoFunção potênciapotência: S = a +: S = a + bsbskk
FunçãoFunção exponential: S = aexponential: S = a eeksks
GamaGama dinâmicadinâmica
RazãoRazão entreentre osos valoresvalores máxmáx ee mínmín dodo estímuloestímulo queque podempodem serser
medidosmedidos pelopelo sensor.sensor.
emem decibels: dB = 20 log sdecibels: dB = 20 log s22/s/s11
Há obviamente conceitos que tanto fazem sentido referidos ao sistema de
medida ou especificamente aos sensores (Linearidade /Não-Linearidade,
Reproductibilidade, sensibilidade…)
Características do Sensor (cont.)
Gama deGama de saídasaída -- ((Full Scale OutputFull Scale Output)) DiferençaDiferença algébricaalgébrica
entreentre osos sinaissinais eléctricoseléctricos dede saídasaída quandoquando sãosão aplicadosaplicados osos
estímulosestímulos máxmáx ee mínmín..
HistereseHisterese -- DesvioDesvio nana respostaresposta do sensordo sensor aoao sinalsinal dede
entradaentrada dependendodependendo dodo sentidosentido dede variaçãovariação..
SaturaçãoSaturação -- LimiteLimite dede operaçãooperação do sensordo sensor quandoquando jájá nãonão
responderesponde aa variaçãovariação dodo estímuloestímulo..
DistorçãoDistorção dodo sinalsinal --ImpedânciaImpedância dede saídasaída,, ZZoutout, de um sensor, de um sensor
éé importanteimportante parapara evitarevitar distorçãodistorção provocadaprovocada pelopelo circuitocircuito
dede saídasaída. Para. Para sensoressensores queque geramgeram tensãotensão,, baixabaixa ZZoutout éé
preferívelpreferível comcom altaalta ZZinin nono circuitocircuito dede entradaentrada..

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CaracterísticasCaracterísticas dinâmicasdinâmicas
Tempo deTempo de arranquearranque (Warm(Warm--up Time): Osup Time): Os sensoressensores
precisamprecisam normalmentenormalmente de umde um períodoperíodo inicialinicial dede
““aquecimentoaquecimento”” atéaté atingirematingirem asas característicascaracterísticas estáveisestáveis
especificadasespecificadas
RespostaResposta emem FrequênciaFrequência:: DescriçãoDescrição dada respostaresposta do sensordo sensor
aa variaçõesvariações dinâmicasdinâmicas dodo estímuloestímulo
ConstanteConstante temporaltemporal ((ττ)):: MedidaMedida da “da “inérciainércia” do sensor;” do sensor;
tempotempo queque demorademora aa atingiratingir 63% do valor63% do valor estacionárioestacionário
final 2final 2 ττ =86.5%; 3=86.5%; 3 ττ =95%.=95%.
FrequênciaFrequência dede cortecorte (Cutoff Frequency(Cutoff Frequency -- upper & lower):upper & lower):
frequênciafrequência dodo estímuloestímulo parapara aa qualqual oo sinalsinal dede saídasaída caicai
parapara 0,707 do0,707 do seuseu valorvalor máximomáximo (3 dB).(3 dB).
Caract. Sensor (cont.)
Algumas Ilustrações

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Sensor
signal
Measurand
Sensor
signal
Measurand
(a) Sensor de baixa sensibilidade/baixo ganho. (b) Ganho elevado
(a) (b)
Figure 1.3 (Webster) (a) Curva da Sensibilidade que relaciona o valor da entrada que
se quer determinar com a saída. Pode ser constante apenas numa determinada gama de
valores da entrada (b) Desvio do Zero e desvio da Sensibilidade.
Intercept b
∆xd
∆y
∆ x'd
∆ y'
y (Output)
y = mxd + b
xd (Input)
(a)
Slope m =
∆y
∆xd
Total error due to drift
Characteristic with zero and sensitivity drift
+ Zero
drift
+ Sensitivity
drift
− Sensitivity drift
− Zero drift
(b)
y (Output)
xd (Input)

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Sensor
signal
Measurand
Uma loop de histerese. A curva de saída obtida quando o mensurando varia num
sentido é diferente da curva de saída obtida quando a variação é no sentido contrário
(crescimento/decrescimento).
(a) (b)
Medida com (a) baixa precisão e (b) alta precisão.

10. 04-11-2009
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Medida com (a) baixo rigor (accuracy) e (b) grande rigor.
(a) (b)
Output
Input
Output
Input
(a) (b)
(a) Sistema linear obedece à equação y = mx + b. (b) Sistema não-linear.

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0.05 Hz 150 Hz
Frequency
Amplitude
1.0
0.1
Resposta em frequência
Time
Amplitude
Time
Amplitude
(a) (b)
(a) Sinais analógicos podem ter qualquer valor de amplitude. (b) Sinais digitais têm
um número de amplitudes limitado.
Sinais

12. 04-11-2009
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Time
Amplitude
Time
Amplitude
(a) (b)
(a) Sinal contínuo no tempo (b) Sinal discreto no tempo (amostrado
periodicamente).
(a) (b)
(a) Sinal sem ruído. (b) Interferência sobreposta no sinal é causa de erro. Filtros de
frequência são dispositivos que são usados para diminuir o ruído ou interferência.
Interferência electromiográfica num sinal de ECG

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Representação de sinais no domínio do
tempo e no domínio da frequência
0 1 2 3 4 5 6
–1
–0.5
0
0.5
1
t (s)
v(V)
)2sin( ty ω=′)sin( ty ω=
Qualquer sinal períódico pode ser representado por uma série de senos
ou de cosenos (Série de Fourier). Os sinais não periódicos têm uma
representação no domínio da frequência dada pela Transformada de
Fourier
Sinais sinusoidais de diferentes frequências.

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1 harmónica
4 harmónicas
Exemplo simples: Função
em dente de serra
Análise de Fourier
Representação no domínio das
frequências
Resumo da análise de Fourier para diferentes tipos de sinais

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Dois temas incontornáveis quando se fala de sinais
eléctricos:
-Circuitos Eléctricos
-Conversão Analogico-Digital
MeasurementMeasurement RangeRange
SignalSignal
Frequency, HzFrequency, Hz
Sensor MethodSensor Method
Blood flowBlood flow 1 to 300 mL/s1 to 300 mL/s 0 to 200 to 20 Electromagnetic or ultrasonicElectromagnetic or ultrasonic
Blood pressureBlood pressure 0 to 400 mmHg0 to 400 mmHg 0 to 500 to 50 strain gagestrain gage
Cardiac outputCardiac output 4 to 25 L/min4 to 25 L/min 0 to 200 to 20 dye dilutiondye dilution
ElectrocardiographyElectrocardiography 0.5 to 4 mV0.5 to 4 mV 0.05 to 1500.05 to 150 Skin electrodesSkin electrodes
ElectroencephalographyElectroencephalography 5 to 3005 to 300 µµ VV 0.5 to 1500.5 to 150 Scalp electrodesScalp electrodes
ElectromyographyElectromyography 0.1 to 5 mV0.1 to 5 mV 0 to 100000 to 10000 Needle electrodesNeedle electrodes
ElectroretinographyElectroretinography 0 to 9000 to 900 µµ VV 0 to 500 to 50 Contact lens electrodesContact lens electrodes
pHpH 3 to 13 pH units3 to 13 pH units 0 to 10 to 1 pH electrodepH electrode
ppCOCO22 40 to 100 mmHg40 to 100 mmHg 0 to 20 to 2 ppCOCO22 electrodeelectrode
ppOO22 30 to 100 mmHg30 to 100 mmHg 0 to 20 to 2 ppOO22 electrodeelectrode
PneumotachographyPneumotachography 0 to 600 L/min0 to 600 L/min 0 to 400 to 40 PneumotachometerPneumotachometer
Respiratory rateRespiratory rate
2 to 502 to 50
breaths/minbreaths/min
0.1 to 100.1 to 10 ImpedanceImpedance
TemperatureTemperature 32 to 4032 to 40 °°CC 0 to 0.10 to 0.1 ThermistorThermistor
Parâmetros médicos comuns (condicionam as características dos equipamentos).

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ESpecificaçãoESpecificação ValorValor
Gama de pressõesGama de pressões ––30 a +300 mmHg30 a +300 mmHg
Sobrepressão sem danosSobrepressão sem danos ––400 a +4000 mmHg400 a +4000 mmHg
DesequilíbrioDesequilíbrio máximomáximo (??)(??) ±±75 mmHg75 mmHg
Linearidade e HistereseLinearidade e Histerese ±± 2% da leitura ou2% da leitura ou ±± 1 mmHg1 mmHg
Corrente de risco a 120 VCorrente de risco a 120 V 1010 µµAA
“Convivência” com“Convivência” com
DefibrilhadorDefibrilhador
360 J360 J emem 5050 ΩΩ
Especificações para um sensor de pressão sanguínea são determinadas por uma
comissão composta por indivíduos da academia, indústria, hospitais e governo.
SpecificationSpecification ValueValue
Input signal dynamic rangeInput signal dynamic range ±±5 mV5 mV
Dc offset voltageDc offset voltage ±±300 mV300 mV
Slew rateSlew rate 320 mV/s320 mV/s
Frequency responseFrequency response 0.05 to 150 Hz0.05 to 150 Hz
Input impedance at 10 HzInput impedance at 10 Hz 2.5 M2.5 MΩΩ
Dc lead currentDc lead current 0.10.1 µµΑΑ
Return time after lead switchReturn time after lead switch 1 s1 s
Overload voltage without damageOverload voltage without damage 5000 V5000 V
Risk current at 120 VRisk current at 120 V 1010 µµΑΑ
Valores de especificação para um electrocardiógrafo