• Author / Uploaded
• Marcial Carrasco

Citation preview

CLASE 8 -- INGENIERÍA BIOMÉDICA

TRANSDUCTORES RESISTIVOS

* Termómetros de resistencia. Se usan extensivamente en la medición de temperatura y desplazamiento. La resistividad de muchos materiales exhibe un grado de dependencia muy alto a la temperatura. La variación en la resistencia en muchos metales es aproximadamente lineal a través de un rango moderado de temperatura, y es descrita por la siguiente relación matemática.

Rt = Ro [ 1 + αo (Tt – To)] Donde:

Rt = Resistencia a la Temperatura Tf (°C) Ro = Resistencia a la Temperatura To(°C) αo = Coeficiente de resistividad a la temperatura To

El platino ha sido muy utilizado debido a que su relación de resistencia a temperatura es muy amplia linealmente.

INGENIERÍA BIOMÉDICA

ING. HUMBERTO GONZÁLEZ

CLASE 8 -- INGENIERÍA BIOMÉDICA

Generalmente el transductor es puesto en un Puente de Wheatstone para reducir el efecto de autocalentamiento (I2R) y mejorar su sensitividad térmica. El puente puede operar con un voltaje de polarización de corriente directa o corriente alterna. Para minimizar errores causados por cambio en la resistencia de los cables que se conectan al transductor se conectan terminales compensadoras, con lo cual se pueden lograr exactitudes en la medición del orden de centésimas de grado centígrado. En el uso de transductores de temperatura se deben tomar algunas precauciones: a).- Si está inmerso en un líquido, debe considerarse su conductividad eléctrica, pues pudiera operar como una resistencia en paralelo, distorsionando la medición. b).- Si esta en un medio donde se tienen campos magnéticos constantes o variables se debe considerar su efecto en resistencia o en voltaje inducido en el sensor. c).- Cuidar que la corriente de polarización del transductor no produzca una elevación en su temperatura.

INGENIERÍA BIOMÉDICA

ING. HUMBERTO GONZÁLEZ

CLASE 8 -- INGENIERÍA BIOMÉDICA

INGENIERÍA BIOMÉDICA

ING. HUMBERTO GONZÁLEZ

CLASE 8 -- INGENIERÍA BIOMÉDICA

* El Termistor

Por su alto coeficiente térmico, el termistor es ampliamente usado para la medición de temperatura. La relación resistencia temperatura del termistor es exponencial y esta representado por la siguiente ecuación. Rt = Rto e β(1/T – 1/To) Donde:

Rt = Temperatura a T (°K) Rto = Temperatura a To (°K) β = coeficiente temperatura (3000 a 4000)

La mayoría de los termistores usados en estudios Biomédicos son muy pequeños, al minimizar la masa térmica se reduce su tiempo de repuesta, permitiendo seguir cambios rápidos en temperatura. La resistencia típica del termistor va de algunos cientos de ohms a aproximadamente un megaohm. Si deseamos una escala de temperatura lineal, es necesario emplear técnicas linealizadas. Uno de los métodos más fáciles para obtener una escala lineal es conectar una resistencia (de valor apropiado) en paralelo con el termistor.

INGENIERÍA BIOMÉDICA

ING. HUMBERTO GONZÁLEZ

CLASE 8 -- INGENIERÍA BIOMÉDICA

Aún cuando los termistores generalmente son usados para la medición de la temperatura de la piel o de muchas regiones dentro del cuerpo, estos pudieran ofrecer muchos servicios más. Por ejemplo, ya que la temperatura del aire expirado es mayor que la del aire inspirado, un sensor de temperatura (usualmente un termistor sellado herméticamente) colocado en las vías respiratorias puede proveer una señal que permita el monitoreo de la frecuencia respiratoria.

* Galgas de Tensión Metálicas. Uno de los usos más populares del principio de cambio de resistencia es en la detección de pequeños desplazamientos provocados por algún movimiento y que puede ser detectado directamente. Se encontró que cuando dos alambres conductores son presionados, la longitud se incrementa y el diámetro disminuye, y estos cambios en sus dimensiones provocan un incremento en su resistencia. La situación opuesta se obtiene cuando el conductor se comprime. A los elementos resistivos construidos en forma especial de tal manera que el incremento en su resistencia es mayor que el cambio en su elongación o alteración en su área seccional es llamado Galgas de Tensión.

INGENIERÍA BIOMÉDICA

ING. HUMBERTO GONZÁLEZ

CLASE 8 -- INGENIERÍA BIOMÉDICA

Prácticamente cualquier conductor de cualquier material puede ser usado como una galga de tensión, aún cuando las características deseables son: ƒ

Alto coeficiente de elongación-resistencia.

ƒ

Valores bajos en cambios de resistencia debido a la temperatura

ƒ

Una alta sensitividad a la tensión en sentido de la medición y baja sensitividad perpendicularmente a la tensión.

Existen dos tipos de galgas de uso popular. Una es la galga limitada, en la cual el elemento esta cementado en una placa aproximadamente del tamaño de una estampilla postal. En el segundo tipo, el alambre de resistencia esta presionada entre dos elementos que la soportan. En ambos tipos la deformación que será medida es acoplada hacia el elemento que contiene la galga, alterando el voltaje en el alambre de resistencia. Las galgas utilizadas se construyen con alambre de aproximadamente 0.001 pulgadas de diámetro. El término que usualmente denota el cambio en la resistencia del material de la galga cuando se presiona es el Gauge factor, definido como el cambio fraccional en la resistencia dividido por el cambio fraccional en longitud; esto es: G = ∆R/R ∆L/L

INGENIERÍA BIOMÉDICA

ING. HUMBERTO GONZÁLEZ

CLASE 8 -- INGENIERÍA BIOMÉDICA

La tabla anterior indica que el gauge factor de algunos metales es de aproximadamente 2.0, en tanto que en Silicio es 60 veces mayor, para el Silicio el factor gauge depende enteramente de su forma de construcción, aún cuando su alto coeficiente de temperatura dificulta su ventaja de alto factor gauge que posee al utilizarse en ambientes con condiciones extremas de temperaturas. En el ambiente fisiológico la galga es un dispositivo que permite medir solamente pequeños desplazamientos. Las galgas son pequeñas y duras; estas características juntas la hacen presentar una rápida respuesta en el tiempo. En la práctica, la velocidad de respuesta es frecuentemente limitada por el dispositivo en el cual se conecta la galga. La resistencia de las galgas es relativamente baja, esta entre 100 a 2000 Ω. La galga es usada frecuentemente en estudios biomédicos. Una de las primeras aplicaciones fue montar una galga en una palanca dura para estudios de miografia. La galga también fue usada para construir un transductor para detectar el movimiento de un diafragma duro expuesto a la presión sanguínea. Muchos de los transductores de presión sanguínea comerciales utilizan este principio.

INGENIERÍA BIOMÉDICA

ING. HUMBERTO GONZÁLEZ

CLASE 8 -- INGENIERÍA BIOMÉDICA

Los fisiólogos han querido conocer la fuerza de contracción del músculo cardiaco. Para medir este parámetro de la función cardiaca fue desarrollado y empleado una galga para miografia en forma de un ingenioso arco, el cual ha sido suturado en el ventrículo izquierdo o derecho, el cual provee una grabación continua de la fuerza desarrollada por la fibras cardiacas. Existen versiones encapsuladas de estas galgas que han sido implantadas permanentemente en animales experimentales para estudiar la respuesta del corazón a cargas de trabajo pesadas y drogas.

INGENIERÍA BIOMÉDICA

ING. HUMBERTO GONZÁLEZ

CLASE 8 -- INGENIERÍA BIOMÉDICA

* Transductores Potenciometricos Los potenciómetros rotatorios o lineales pueden ser empleados como transductores altamente eficientes para detectar el movimiento cuando el objeto que se mueve puede desarrollar una fuerza moderada cuando el movimiento no es tan rápido.

INGENIERÍA BIOMÉDICA

ING. HUMBERTO GONZÁLEZ

CLASE 8 -- INGENIERÍA BIOMÉDICA

Existen algunas aplicaciones Biomédicas para este tipo de transductor, por ejemplo la respiración fue detectada midiendo los cambios en la circunferencia torácica al conectar un potenciómetro de rotación en una banda en el tórax.

* Transductores Magnetoresistivos.

Muchas substancias exhiben un cambio en su resistencia cuando son expuestos a campos magnéticos. Por ejemplo, la resistividad de muchos metales incrementa con el incremento de la fuerza magnética; con metales ferromagnéticos la resistividad disminuye. Los efectos magnetoresistivos son pequeños en muchos otros materiales; la resistividad del cobre se incrementa solo 0.25 % cuando se expone a un campo de 200 KG. Cuando el bismuto se expone a un campo magnético, existe un considerable aumento en la resistividad. El fenómeno del cambio de resistividad mediante cambios magnéticos, que ha sido empleado en detectores de campos magnéticos, también ha sido utilizado como transductor de presión sanguínea

Transductores de Efecto Hall El efecto Hall, descubierto en 1879, es un interesante fenómeno asociado con un conductor que es expuesto a un campo magnético. Esto no podría ser mejor explicado que con las propias palabras de Hall: “Cuando una placa metálica transmite una corriente eléctrica y se halla situada en un campo magnético perpendicular a la dirección de la corriente, se desarrolla por encima de la placa un campo eléctrico transversal, es decir, perpendicular al sentido de la corriente. Este campo, denominado campo de Hall, es la resultante de fuerzas ejercidas por el campo magnético sobre las partículas de la corriente eléctrica, sean positivas o negativas, o positivas en un sentido y negativas en el otro”.

INGENIERÍA BIOMÉDICA

ING. HUMBERTO GONZÁLEZ

CLASE 8 -- INGENIERÍA BIOMÉDICA

Los dispositivos de efecto Hall han sido usados relativamente poco en estudios biomédicos, una de sus aplicaciones mas obvias es en el mapeo de campos magnéticos producido por una corriente aplicada por electrodos externos en estudios de electroanestesias y defibrilación ventricular. Se espera que los dispositivos Hall tengan un uso más extenso en estudios magnetobiológicos, los cuales describen los efectos de campos magnéticos en especimenes vivos. El campo magnético que acompaña a una corriente eléctrica de acción biológica puede ser detectada por transductores que utilizan el efecto Hall.

Galgas de Tensión Granulares.

Otro tipo de resistencias usadas para propósitos de transducción consiste en una cápsula libremente encapsulada con gránulos de carbón. Un lado de la cápsula es un electrodo fijo y el otro extremo es móvil. Cuando se aplica una fuerza, los gránulos se compactan y la resistencia se reduce. Estas cápsulas se originaron con el desarrollo del transmisor telefónico de carbón, en el cual un diafragma esta acoplado al electrodo en movimiento. Pequeños movimientos del diafragma modificaban la resistencia de manera considerable y generaban una conversión de alta eficiencia de presión de sonido a una señal eléctrica. INGENIERÍA BIOMÉDICA

ING. HUMBERTO GONZÁLEZ

CLASE 8 -- INGENIERÍA BIOMÉDICA

En fisiología experimental, el micrófono de carbón fue uno de los primeros transductores para convertir el sonido del corazón humano a una señal eléctrica. Para ilustrar la eficiencia de los micrófonos de carbón en la detección de sonidos débiles, el transductor fue utilizado para detectar latidos de corazón de un feto. Por su alta eficiencia el encapsulado de carbol granular goza de cierta popularidad en estudios biomédicos para la detección de eventos. Usando un encapsulado de carbón en contacto con una arteria se puede grabar el pulso humano.

Resistencias Elásticas.

Si se le añade un material conductor al caucho o a ciertos plásticos, es posible hacer una resistencia que incrementa su valor con la tensión (∆L/L) donde L es la longitud relajada y ∆L es la elongación. Si se le añade carbón al látex, el cual deberá estar apropiadamente curado, produce un caucho con propiedades conductivas que permiten su uso en la construcción de Galgas de Tensión Elásticas. Las galgas de tensión de caucho conductivo han sido usadas frecuentemente para detectar fuerzas o movimiento, Han sido fabricadas galgas de tensión elásticas para detectar las contracciones uterinas en animales experimentales.

Galgas de Tensión de Mercurio.

Se pueden describir este tipo de galgas de tensión como pequeños tubos-sondas de caucho llenos de mercurio. Como los tipos de electrolíticos acuosos, estas galgas permiten la medición de pequeños o grandes cambios en elongación. Debido a su ligereza, fácil de construir, barato y disponibilidad comercial, tienen un uso considerable en estudios biomédicos.

INGENIERÍA BIOMÉDICA

ING. HUMBERTO GONZÁLEZ

CLASE 8 -- INGENIERÍA BIOMÉDICA

Se ha utilizado en la medición de los cambios de volúmenes en segmentos corporales mediante la sangre que entra en la región cercada por la galga de tensión. También se ha utilizado para medir cambios pulsátiles en la circunferencia aórtica, o medir los cambios de dimensión que refleja los cambios de volumen en la cámara cardiaca. El cambio en la resistencia debido a la elongación puede determinarse mediante una tabla, donde los valores están calculados considerando una elasticidad perfecta y volumen constante; esto es, un incremento en la longitud resulta en un correspondiente decremento en el diámetro, el volumen permanece constante.

INGENIERÍA BIOMÉDICA

ING. HUMBERTO GONZÁLEZ

CLASE 8 -- INGENIERÍA BIOMÉDICA

Humistores.

Definimos un humistor como un dispositivo en el cual ocurre un cambio en la resistencia que depende de la humedad; esto es, un humistor es un sensor de humedad resistivo. Existen algunos nombres mas para describir a este transductor ,como conductancia higrométricas, o conductancias sicrométricas. La operación de estos dispositivos recae en la dependencia de humedad de la resistividad y constante dieléctrica de aislamiento, ya que cambios en algunas de esas propiedades son usadas para la medición de humedad ambiental. En general, muchos materiales exhiben un decremento en la resistividad y un incremento en la constante dieléctrica con un incremento en el contenido de humedad. El registro de grabaciones de la humedad relativa se le llama alguna veces electrohigrometría. La humedad es la medición de vapor de agua presente en un gas y es expresada en términos absolutos o relativos. La humedad relativa esta definida por la razón contenido de vapor de agua presente en el aire a cantidad requerida para su saturación a una temperatura dada. La humedad absoluta es la masa de vapor de agua contenida en un volumen de gas húmedo; las unidades mas frecuentes empleadas son los gramos por metro cúbico. Usualmente el contenido de humedad del aire es determinado mediante un medidor Psycrométrico, que es un dispositivo que contiene dos termómetros, uno de ellos mide la temperatura ambiente (bulbo seco) y el otro termómetro esta expuesto al aire con su contenido de vapor de agua (bulbo húmedo). La humedad relativa esta relacionada con la diferencia de temperaturas entre las lecturas de ambos termómetros y comparada con la tabla de porcentajes de humedad relativa.

INGENIERÍA BIOMÉDICA

ING. HUMBERTO GONZÁLEZ

CLASE 8 -- INGENIERÍA BIOMÉDICA

Existen muchas aplicaciones biológicas para los humistores, en todas ellas se detecta la presencia de sudor. Se ha utilizado para detectar la aparición de “sudor frío” acompañado de movimiento debido a enfermedades.

INGENIERÍA BIOMÉDICA

ING. HUMBERTO GONZÁLEZ