Universidade Tecnológica Federal do Paraná BRASIL Sistema para Leitura de Sensores Passivos...

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Universidade Tecnológica Federal do ParanáBRASIL

Sistema para Leitura deSensores Passivos aplicados

à Biotelemetria

Sérgio Francisco Pichorim, D.Sc.DAELN - CPGEI

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BIOTELEMETRIA

Medições a distância Ausência de Cabos Liberdade de movimento Segurança: Alta isolação elétrica Segurança: A barreira natural da

pele é preservada

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SENSOR PASSIVO

Sensor sem Alimentação (bateria) Menor dimensão Tempo de operação ilimitado Circuito Ressonante RLC Simples com 2 componentes

(Indutor + Capacitor) Freqüência de Ressonância (fo) é

modulada

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APLICAÇÕES DO SENSOR

VÁRIOS PARÂMETROS: Elasticidade Força Pressão Umidade entre outras

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PRESSÃO – Collins, 1970

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DESLOCAMENTO ou ELASTICIDADE – Pichorim, 2006

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FORÇA – Roveri, 2007

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UMIDADE – Ong, 2009

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MÉTODO DE LEITURA - 1

“Grid-dip” O clássico sistema de varredura em freqüência

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MÉTODO DE LEITURA - 2 Medição da Impedância

refletida

ONG et al, 2001

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MÉTODO DE LEITURA - 3 Excitação Simultânea de 3 senóides

Aplica-se f1, f2 e f3

Leitura da resposta Separação, via filtros, de VR1, VR2 e VR3

A curva sensor RLC é determinada

Pichorim, S. F.; P. J. Abatti, “A Novel Method to Read Remotely Resonant Passive Sensors in Biotelemetry Systems”. IEEE

Sensors Journal. v.8, n.1, p.6-11, 2008.

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Excitação com 3 freqüências

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

200000 250000 300000 350000 400000 450000 500000

Freqüência (Hz)

Ten

são

de S

aída

Nor

mal

izad

a

f1 f2 f3

Vr3Vr2

Vr1

fo

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Excitação com 3 freqüências

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Sistema com 3 freqüências

f1 f2 f3

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OBJETIVO DO TRABALHO

Avaliar a possibilidade de uma Excitação Não Senoidal na medição de Sensores Passivos RLC

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IDÉIA

Excitação Pulsos retangulares Componentes em várias

freqüências Análise das componentes de

maior amplitude via Transformada de Fourier (F.F.T.)

Determinação da freqüência de ressonância (fo) aplicando-se as equações da técnica das três freqüências

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EXCITAÇÃO NÃO SENOIDAL

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VANTAGENS

Apenar um oscilador Forma de onda configurável Ausência de filtros analógicos Maior flexibilidade ao sistema de

leitura Maior faixa de freqüência para o

sensor passivo Tudo pode ser configurado por

software

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DESVANTAGENS

Digitalização dos sinais (ADC) Execução de FFTs Tempo de resposta tempos de

conversão e processamentos Espectro do sinal de transmissão

com maior “espalhamento” Menor relação Sinal-Ruído

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EXPERIMENTO Circuito ressonante passivo

R=10 k, L=320 mH e C=100 nF Freqüência de ressonância fo=27,7

kHz

Instrumentos de referência Agilent Precision Impedance Analyzer

4294A Osciloscópio Tektronix TDS2002B Osciloscópio Agilent DSO 5034A Gerador de Funções Tektronix CFG253

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EXPERIEMENTO

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PULSO NÃO SENOIDAL Excitação x(t)

Retangular com duty cycle de 7% Freqüência de 3610 Hz Amplitude de 22 V pico-a-pico

Resposta do Sensor y(t) Onda sub-amortecida

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PROCEDIMENTO

Aquisição das ondas (x(t) e y(t)) Execução das F.F.T. (X(f) e Y(f)) Determinação das três raias de

maior amplitude Estas passam a ser as f1, f2 e f3

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FFTs

X(f)

Y(f)

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PROCEDIMENTO

Neste caso: as 7ª, 8ª e 9ª componentes

Determina-se as amplitudes das componentes Y(f) e X(f) em dB relativo

Calculam-se os H(f) = Y(f) / X(f)

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PROCEDIMENTO Os valores de H(f) são as respostas

VO1, VO2 e VO3 na equação.

A freqüência de ressonância (29,7 kHz) do circuito passivo foi determinada

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Outro Exemplo

3,86 kHz

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DADOS DO PROCESSAMENTO

Aquisição dos sinais a 100.000 samples/s (2,5 ms/div ou 5 kHz/div)

FFTs com 2048 pontos Para reduzir o espalhamento no

espectro FFT Janelas Hanning, Flattop e Retangular foram aplicadas

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Teste das Janelas Excitação de 4370 Hz (duty cycle

de 3%)

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COMENTÁRIOS Janela Retangular é mais indicada

para pulsos e transientes. Basta uma freqüência de excitação

não senoidal Erros em fo foram de 5 a 7% Ajustes nos sinais, para melhorar a

relação sinal-ruído

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COMENTÁRIOS Não é necessário qualquer tipo de

varredura em freqüência Tempo de leitura do sensor

depende do processamento dos sinais

Aqui foram 40 leituras por segundo Pode ser implementada com

outras tecnologias: Processador e/ou DSP (Digital Signal Processor)

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Agradecemos ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq pelo apoio financeiro

Obrigado!

¡Gracias!

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