Transductores biomédicos

TEMA 7
TRANSDUCTORES BIOMÉDICOS
rev 2
TEMA 7
TRANSDUCTORES BIOMÉDICOS.
7-1 OBJETIVOS.
7-2 PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN.
7-3 TRANSDUCTORES.
El Puente Wheatstone.
7-4 GALGAS EXTENSIOMÉTRICAS (O DE TENSIÓN).
Factor GAUGE.
Tipos de galgas extensiométricas.
Sensitividad del transductor (φ)
Galgas extensiométricas piezorresistivas de estado sólido.
Aplicaciones biomédicas.
Galgas de Tensión Granulares.
Galgas Extensiométricas Elásticas.
Galgas Extensiométricas Mercurio.
7-5 TRANSDUCTORES INDUCTIVOS.
7-6 TRANSDUCTORES CAPACITIVOS.
Ventajas de los transductores capacitivos.
Sensores capacitivos de cuarzo.
7-7 TRANSDUCTORES DE TEMPERATURA
7-8 TRANSDUCTORES FOTOELÉCTRICOS.
Tubos fotoemisores.
Celdas fotovoltáicas.
Celdas fotoconductivas.
Comparación entre transductores fotoeléctricos.
Aplicaciones en colorimetría.
Aplicaciones no colorimétricas.
7-9 CUESTIONARIO.
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TRANSDUCTORES BIOMÉDICOS.
7-1 OBJETIVOS.
1. Será capaz de describir la forma en que se utiliza el Puente de Wheatstone
en la generación de señales producidas por transductores.
2. Indicará la forma en que opera y las características deseables que deberá
tener un material para formar una galga extensiométrica.
3.-Será capaz de listar y describir diversos tipos de transductores usados en la
medición de parámetros fisiológicos y algunas de sus aplicaciones.
7-2 PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN.
Estas preguntas evalúan tus conocimientos previos de este capítulo. Observa
las respuestas conforme vas leyendo el texto.
1.- Diga que diferencia existe entre un transductor y un electrodo.
2.- Describa la operación de un puente Wheatstone. ¿Que factores
determinan el voltaje de salida? ¿Que es condición nula?
3.- ¿Que es el Gauge Factor de una galga extensiométrico?
4.- Describa en que forma operan los transductores inductivos y capacitivos.
5.- Liste tres tipos de transductores de temperatura.
6.- Mencione los 3 tipos de transductores fotoeléctricos.
7-3 TRANSDUCTORES.
Los transductores son parte de una amplia clase de dispositivos llamados
sensores, los cuales también incluyen a los electrodos biomédicos. Un problema muy
común con la palabra transductor es que también se refiere a dispositivos tales como
unidades emisoras de energía ultrasónica y altavoces. Para entender esta diferencia,
vamos a presentar, en diferentes palabras, la definición ya dada: Un transductor es
un dispositivo que convierte una forma de energía en energía eléctrica para
propósitos de medición o control.
Los transductores difieren de los electrodos en que los transductores
usan algún medio de transducción al realizar la medición en tanto que los
electrodos adquieren directamente la señal. Por ejemplo, un transductor de
presión pudiera utilizar el cambio en la resistencia de una galga extensiométrica
cementado en un diafragma que se flexiona ante el cambio de presión. En forma
similar, un RTD utiliza el cambio en la resistencia eléctrica de algunos materiales
cuando cambia la temperatura, para realizar mediciones de temperatura.
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Debido al hecho de que muchos transductores utilizan elementos
piezoresistivos conectados a un puente de Wheatstone, iniciaremos este apartado
con una revisión de este muy utilizado tipo de circuito.
El Puente Wheatstone.
Muchos transductores biomédicos utilizan circuitos cuya configuración es conocida
como Puentes Wheatstone (Figura 7-1).
Son puestos en un Puente de
Wheatstone para reducir el efecto de autocalentamiento (I2R) y mejorar su
sensitividad. El puente puede operar con un voltaje de polarización de corriente
directa o corriente alterna.
Así, los transductores se conectan con otros
componentes (generalmente resistencias) para formar un Puente Wheatstone.
Figura 7-1 Circuito puente de Wheatstone
a) Circuito original b) Circuito rearreglado para análisis.
El puente Wheatstone mostrado en la figura 7-1a utiliza una resistencia en
cada uno de sus cuatro brazos. Una batería (E) provee excitación al puente al
conectarse a dos de las uniones opuestas de las resistencias (A y B). El voltaje de
salida del puente, E0, estará en el otro par de uniones (también opuestas) de
resistencias (C y D). Para simplificar el análisis del puente, el circuito original
mostrado en la figura 7-1a se reacomoda en la forma de la figura 7-1b. Iniciaremos el
análisis del circuito puente Wheatstone dividiendo el circuito a través de E: R1-R2 y
R3-R4.
Ambas redes forman un divisor de voltaje con resistencias; de hecho, el
puente de Wheatstone puede ser visto como 2 divisores de voltaje hechos con 2
resistencias y conectados en paralelo, alimentados por la fuente de poder E. El
voltaje de salida (E0) es la diferencia entre los voltajes referenciados a tierra EC y ED,
los cuales son producidos por la red divisora de voltaje. En forma de ecuación, esta
relación es:
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E0 = EC - ED
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(7-1)
Pero EC y ED pueden ser expresados en términos del voltaje de excitación E,
usando el simple teorema para divisores de voltaje.
R2
(7-2)
EC = E ×
R1 + R 2
y
R4
(7-3)
ED = E ×
R3 + R4
Sustituyendo las ecuaciones 7-2 y 7-3 en la ecuación 7-1, obtendremos el
voltaje de salida E0 como
E R2
E R4
(7-4)
E0 =
R1 + R 2 R 3 + R 4
⎛ R2
R4 ⎞
E0 = E ⎜
(7-5)
⎟
⎝ R1 + R 2 R 3 + R 4 ⎠
______________________________________________
Ejemplo 7-1
Un puente Wheatstone (Figura 7-1) es excitado por una fuente de voltaje de
12 VCD y contiene las siguientes resistencias: R1= 1.2 kΩ, R2= 3 kΩ, R3= 2.2 kΩ, y
R4= 5 kΩ. Determine el voltaje de salida E0.
⎛ R2
R4 ⎞
5 ⎞
⎛ 3
E0 = E ⎜
⎟ = 12 ⎜
⎟
⎝ 1.2 +3 2.2+5 ⎠
⎝ R1 + R 2 R 3 + R 4 ⎠
⎛ 3 5 ⎞
E 0 = 12 ⎜
⎟ = 12 (0.714-0.694) = 0.24 V
⎝ 4.2 7.2 ⎠
______________________________________________
Note en el ejemplo 7-1 y la ecuación 7-5 que el voltaje de salida del puente de
Wheatstone depende (ya definido un voltaje de excitación al puente) de las
resistencias en los brazos, cambiando el valor de una, o más, cambiará el voltaje de
salida. Este efecto es la base para la generación de señal de muchos transductores
biomédicos.
La condición nula en un puente Wheatstone se presenta cuando el
voltaje de salida E0 es cero. Pero, de la ecuación 7-5, si E0 es cero, se presentan 2
posibilidades: una que el voltaje de excitación E sea cero y la otra, que la expresión
dentro del paréntesis, con valores de las resistencias, sea cero. La condición nula
ocurre cuando E es diferente de cero y:
EC = ED
(7-6)
E CB =E DB
(7-7)
y
E AC = E AD
(7-8)
así, cantidades iguales divididas por divisores iguales arrojan el mismo
resultado (una igualdad).
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E CB
E
= DB
E AC
E AD
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(7-9)
Y ya que en la condición nula no fluye corriente de C a D, EC = ED y de la
figura 7-1b
I ACB R 1
Ι
R
(7-10)
= ΑDB 3
I ACB R 2
I ADB R 4
Así
R3
R1
(7-11)
=
R2
R4
La ecuación 7-11 indica la condición única necesaria para obtener la condición
nula en un puente wheatstone excitado. Hay que hacer notar que no es necesario
que las resistencias sean iguales, las relaciones son las que deberán ser iguales.
______________________________________________
Ejemplo 7-2
Demuestre que en un puente de Wheatstone existirá la condición nula si
contiene las siguientes resistencias: R1= 2 kΩ, R2= 1 kΩ, R3= 10 kΩ, y R4= 5 kΩ
(sugerencia: La ecuación 7-11 describe la condición única necesaria para tener la
condición nula).
Solución.
R2
R
1
5
= 4 →
=
→ 0.5 = 0.5
R1
R3
2 10
______________________________________________
Ya que ambos lados de la ecuación arrojan la misma cantidad, podemos
concluir que el puente Wheatstone se encuentra en condición nula. Un puente en la
condición nula se dice que esta balanceado.
En muchos transductores
biomédicos utilizando un puente Wheatstone, las cuatro resistencias son iguales en
condición nula. Este no es estrictamente un requisito, pero es la forma en adoptan
muchos fabricantes. Los valores típicos de R se encuentran generalmente en un
rango entre 150 y 800 Ω.
En la mayoría de los diseños, se selecciona una condición nula cuando
el parámetro que estimula al transductor es cero o algún valor predeterminado
(por ejemplo, el valor de la presión atmosférica) el cual puede ser tomado como
referencia inicial o línea base cero. El estímulo (parámetro a medir) producirá que
una, varias o todas las resistencias del puente Wheatstone cambien una cantidad
pequeña h (algunas veces h se escribe como ΔR, que significa un pequeño cambio
en la resistencia R). Cuando el estímulo aplicado es cero, las cuatro resistencias
tienen el mismo valor de resistencia R y la salida del puente será cero, así, el puente
estará en la condición nula. Cuando el estímulo es diferente de cero, cada
resistencia toma un valor de R ± h, y esto desbalancea el circuito, produciendo un
voltaje de salida que es proporcional a la magnitud del estímulo aplicado.
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7-4 GALGAS EXTENSIOMÉTRICAS (O DE TENSIÓN).
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 un alambre conductor
es estirado, su longitud se incrementa y su diámetro disminuye, y estos cambios en
sus dimensiones provocan un incremento en su resistencia. La situación opuesta se
obtiene cuando el conductor se comprime.
Así, una galga extensiométrica (o de tensión) es un elemento resistivo
que presenta un cambio en su resistencia proporcional al esfuerzo mecánico
que se le aplique. Un esfuerzo es una fuerza aplicada ya sea a tensión (estirar a lo
largo del eje longitudinal, hacia afuera) o a compresión (presionando a través del eje
longitudinal, hacia el centro).
Figura 7-2
Principio de las galgas
extensiométricas
a) Sin aplicar fuerza
b) a compresión
c) a tensión.
La figura 7-2a muestra una pequeña barra metálica a la cual no se le esta
aplicando ninguna fuerza; esta tiene una longitud L y un área seccional igual a A. Los
cambios que presentará en longitud se denominarán ∆L y en área ∆A.
En la figura 7-2b vemos el resultado de aplicar una fuerza de compresión. La
longitud se reduce a L-∆L, y el área se incrementa a A + ∆A. En forma semejante,
cuando se aplica una fuerza de tensión, la longitud se incrementa a L+∆L y el área
decrece a A-∆A. La resistencia de una barra metálica esta relacionada con su
longitud, área y la constante de resistividad del material de que este hecha, lo
cual se puede presentar en la forma de la siguiente expresión:
⎛L⎞
(7-12)
R = ρ ⎜ ⎟
⎝A⎠
Donde:
ρ es la constante de resistividad del tipo de material usado en la barra y tiene
unidades de ohm-metro. (Ω-m)
L es la longitud en metros.(m) y A es el área en metros cuadrados.(m2)
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Ejemplo 7-3
Determine la resistencia de una conductor de cobre que presenta un área de
0.5 mm2 y una longitud de 250 mm. Nota: la resistividad del cobre es 1.7 X10-8 Ω-m.
⎡ 250mm × (1m/1000mm ) ⎤⎦
⎛L⎞
R = ρ ⎜ ⎟ = (1.7 × 10-8 Ω-M)× ⎣
2
⎝A⎠
0.5mm 2 × (1m/1000mm )
(1.7 × 10 Ω ) × ( 0.25)
R=
( 5×10 )
-8
-7
= 0.0085 Ω
______________________________________________
La ecuación 7-12 muestra que la resistencia varía en forma directa con la
longitud y en forma inversa con el área, ambos efectos producen el efecto final en la
operación de los transductores con galgas extensiométricas. El ejemplo 7-3 muestra
como depende la resistencia en relación a la longitud y área. Este fenómeno es
referido como piezoresistividad.
La resistencia de la barra cambiará a un valor R+h a tensión y a R-h a
compresión. Observando nuevamente la ecuación 7-12, notará que el cambio, a
tensión, tanto en longitud como en área producirá un incremento en la resistencia; y
ambos producirán una reducción de la resistencia cuando el esfuerzo es a
compresión.
La resistencia, cuando se aplica una fuerza a tensión, es:
(R+h) = ρ
L + ΔL
A - ΔA
(7-13)
y a compresión:
L - ΔL
(7-14)
A + ΔA
______________________________________________
(R-h) = ρ
Ejemplo 7-4
Un delgado alambre de constantan tiene una longitud de 30 mm y una área de
0.01 mm2 y su resistencia es de 1.5Ω. Se aplica una fuerza de tensión que
incrementa su longitud en 10mm y disminuye su área en 0.0027 mm2. Determine el
cambio en resistencia h. Nota: La resistividad del constantan es aproximadamente
5x10-7Ω-m.
(R+h) = ρ
⎡⎣( 30+10 ) mm× (1m/1000mm ) ⎤⎦
L+ΔL
= (5×10-7 Ω-M)×
2
A-ΔA
( 0.01-0.0027 ) mm 2 × ⎡⎣(1m/1000mm )⎤⎦
( 5×10 Ω ) (40×10
-7
1.5+h =
0.0073 × 10-6
-3
)
→ 1.5 + h = 2.74 Ω
h = 2.74 - 1.5 = 1.24 Ω
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El cambio en resistencia es aproximadamente lineal para cambios pequeños
en dimensiones, ya que en ese caso ∆L es mucho menor que L. Por supuesto, si se
aplica una fuerza muy grande, se excede el módulo de elasticidad, llevándolo a la
región plástica donde la deformación será permanente, dañando y dejando inservible
al transductor.
Las galgas disponibles generalmente se construyen con alambre de
aproximadamente 0.025 mm de diámetro (0.001 pulgadas de diámetro).
Prácticamente un conductor de cualquier material puede ser usado como galga
extensiométrica o 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 fuerza y baja
sensitividad perpendicular a la fuerza.
Factor GAUGE.
El factor gauge (GF), para un transductor galga extensiométrica,
presenta una forma de comparación con otro transductor similar. La definición
de factor gauge es:
GF =
ΔR / R
ΔL / L
(7-15)
donde
GF es el factor gauge.
∆R es el cambio en la resistencia, en ohms.
R es la resistencia sin aplicar esfuerzo, en ohms.
L es la longitud, en metros.
∆L es el cambio de longitud en metros.
______________________________________________
Ejemplo 7-5
Un alambre utilizado como galga extensiométrico tiene una longitud de 20mm
y una resistencia de 150Ω. Cuando se aplica una fuerza a tensión, la resistencia
cambia en 2Ω y la longitud en 0.07 mm. Determine el GF.
Solución
GF =
ΔR / R
2 / 150
0.013
=
=
= 3.71
ΔL / L
0.07 / 20
0.0035
El GF proporciona un medio para evaluar la sensitividad relativa a una
galga extensiométrica. A mayor cambio en resistencia por unidad de cambio
en longitud, será mayor su sensitividad y GF.
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La tabla anterior indica que el Gauge Factor de la mayoría de los metales está
en el orden de 2, en tanto que para el Silicio es 60 veces mayor. Para el Silicio el
Gauge Factor depende enteramente de su forma de construcción, aún cuando su
alto coeficiente de temperatura dificulta su ventaja de alto Gauge Factor al utilizarse
en ambientes con condiciones extremas de temperaturas.
Tipos de galgas extensiométricas.
Hay dos formas básicas de galgas extensiométricas piezoresistivas son:
cementadas y no cementadas. La figura 7-3a muestra un ejemplo de una galga
extensiométrica sin cementar.
La resistencia es un cable
delgado de una aleación especial que
es tensada entre dos soportes
flexibles, los cuales están montados en
un diafragma de metal. Cuando se
aplica una fuerza, como F1, el
diafragma se flexiona en tal forma que
produce una separación mayor de los
soportes, causando un incremento en
la tensión en el alambre. Esta tensión
tiende a incrementar la resistencia del
alambre en una magnitud proporcional
a la fuerza aplicada.
Figura 7-3 Galgas extensiométricas
a) Sin cementar
b) Cementada.
En forma similar, si se aplicara
una fuerza al diafragma, como F2, los
soportes se juntarían, reduciendo la
tensión en el alambre. Esta acción es
equivalente a que se aplicara una
fuerza a compresión. La resistencia
eléctrica, en este caso, se reducirá en
una magnitud proporcional a la fuerza
aplicada.
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Una galga extensiométrica cementada se hace cementando (pegando) el
alambre al diafragma, tal como se muestra en la Figura 7-3b. Al flexionar el
diafragma se deforma el alambre, causando un cambio en su resistencia eléctrica,
exactamente como en el caso de la galga extensiométrica sin cementar.
Las galgas extensiométricas sin cementar pueden construirse para que sean
lineales en un rango amplio de fuerza, pero son muy delicadas. La galga cementada,
por otra parte, es más robusta, pero solo es lineal en un estrecho rango de fuerza.
Las galgas extensiométricas piezoresistivas son transductores delicados, por lo que
se deben manipular con cuidado.
La
mayoría
de
los
transductores
biomédicos
que
utilizan galgas extensiométricas son
del tipo cementado debido a que su
rango lineal es adecuado y es
deseable, en ambientes hospitalarios,
su mayor robustez. Sin embargo, los
transductores de la serie Statham P23, que son ampliamente utilizados en
transductores
de
presión
cardiovascular, son del tipo no
cementado (debido a que cuentan con
un receptáculo muy robusto).
Muy pocos transductores fisiológicos con galga extensiométrica utilizan un
solo elemento, la gran mayoría usan 4 elementos de galga extensiométrica
conectados en una configuración de circuito puente de Wheatstone. En los del tipo
no cementado, habrá cuatro soportes, uno para cada punto de unión del puente (dos
galgas conectadas a cada soporte. En el caso de los cementados, también se
tendrán 4 galgas en configuración puente.
En todos los casos donde se utilizan 4 galgas, se disponen en una geometría
tal que bajo cualesquier condición de esfuerzo, dos estarán a tensión en tanto que
las otras dos estarán a compresión. Esta configuración incrementa la salida del
puente ante cualesquier esfuerzo aplicado, incrementando la sensitividad del
transductor.
La figura 7-4a muestra un puente de Wheatstone con una galga
extensiométrica en cada uno de los cuatro brazos del puente. Observe que R1 y R4
están alineados a lo largo de un eje y en un lado del diafragma, en tanto que R2 y R3
están alineadas en un eje perpendicular a R1/R4 y en el otro lado del diafragma.
Considere que se aplica una fuerza al diafragma del transductor mostrado en la
figura 7-4b. Las resistencias R1 y R4 estarán operando a compresión en tanto que R2
y R3 estarán a tensión.
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Figura 7-4 Galgas extensiométricas en puente de Wheatstone
a) Galgas en puente b) Configuración mecánica utilizando un diafragma común.
Asuma que cuando no se aplica ninguna fuerza al diafragma todas las
resistencias son iguales (R1=R2=R3=R4=R) y sea ∆R = - h. Cuando se aplica una
fuerza, las resistencias R1 y R4 cambiarán a R+h, en tanto que R2 y R3 serán R-h.
Utilizando la ecuación 7-5, la salida de voltaje es:
⎡
( R-h )
( R+h ) ⎤
E0 = E × ⎢
⎥
⎣ ( R+h ) +(R-h) (R-h)+(R+h) ⎦
(7-16)
⎡ (R-h) (R+h) ⎤
E0 = E × ⎢
2R ⎥⎦
⎣ 2R
(7-17)
⎛h⎞
⎛ ΔR ⎞
E 0 = E ⎜ ⎟ = -E ⎜
⎟
⎝R⎠
⎝ R ⎠
(7-18)
⎛ ΔR ⎞
(7-19)
E0 = - E ⎜
⎟
⎝ R ⎠
______________________________________________
Ejemplo 7-6
Un transductor con galgas extensiométricas está dispuesto como se muestra
en la Figura 7-4b. En condición nula cada galga tiene una resistencia de 200Ω.
Cuando se aplica una fuerza, cada resistencia cambia 10Ω. Determine el voltaje de
salida si se tiene un voltaje de excitación al puente de 10 VCD.
Solución:
ΔR
10
= -10 V ×
= -10 V × 0.05 = -0.50 V
R
200
______________________________________________
E 0 = -E ×
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Sensitividad del transductor (φ)
La sensitividad de un transductor es la relación que nos permite predecir
la salida de voltaje conociendo el voltaje de excitación y el valor del estímulo
aplicado. La unidad para φ son microvolts por volt de excitación por unidad del
estímulo aplicado (μV/V-U).
Considere un transductor de fuerza, un transductor de fuerza biomédico
generalmente esta calibrado en gramos. Antes de que diga que esto es incorrecto
(pues gramos es una unidad de masa), permítanos indicar que fuerza, en este caso,
es la atracción de la gravedad de la tierra en una masa de un gramo. Esta
convención permite la calibración de transductores de fuerza usando una simple
balanza de plataforma, lo que es diferente de la unidad convencional de fuerza dinas (1 g-fuerza = 980 dinas). Conociendo el factor de sensitividad de un
transductor, podemos calcular el voltaje de salida como:
E0 = φ × E × F
(7-20)
Donde
E0 es el voltaje de salida en volts (V)
E es el voltaje de excitación en volts (V)
F es la fuerza aplicada en gramos (g)
φ es la sensitividad en μV/V-g
______________________________________________
Ejemplo 7-7
Un transductor tiene una sensitividad de 10 μV/V-g. Calcule el voltaje de
salida si se aplica una fuerza de 15 g y el voltaje de excitación es de 5 VDC.
10μV
× 5 V × 15g = 750 μV = 0.00075 V
V-g
______________________________________________
E0 = φ × E × F =
Note que la sensitividad es importante tanto en diseño como en
mantenimiento de instrumentos médicos, porque permite predecir el valor del voltaje
de salida ante un cierto nivel de estímulo y así determinar la ganancia requerida por
el amplificador que procesará su señal.
Galgas extensiométricas piezorresistivas de estado sólido.
En el pasado la mayoría de los transductores con galgas extensiométricas
estaban hechos con alambre o elementos metálicos depositados al vacío. En la
actualidad, sin embargo, muchos dispositivos de galgas extensiométricos están
basados en tecnología de estado sólido de silicio, en el cual los cuatro elementos del
puente de Wheatstone están formados por materiales semiconductores
piezorresistivos. Algunos son hechos en forma similar a la galga extensiométrica
cementada (el material es depositado sobre de el diafragma). Otros utilizan un
diseño cantiliver (como los soportes de cables de algunos puentes), en el cual los
elementos semiconductores piezorresistivos se instalan entre soportes fijos.
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Aplicaciones biomédicas.
En el ambiente fisiológico la galga es un dispositivo que permite medir
pequeños desplazamientos. Las galgas son pequeñas y duras, características que
le 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 galga es usada frecuentemente en equipos biomédicos. Una de las
primeras aplicaciones fue como transductor para detectar el movimiento de un
diafragma expuesto a la presión sanguínea. Muchos de los transductores de presión
sanguínea comerciales utilizan este principio.
Los fisiólogos han estudiado la fuerza de contracción del músculo cardiaco.
Para medir este parámetro de la función cardiaca se emplea una galga en forma de
arco, la cual ha sido suturada en el ventrículo izquierdo o derecho, lo 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.
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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. En fisiología 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 es 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.
Galgas Extensiométricas 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 (ΔL/L) donde L es la
longitud relajada y ΔL 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, experimentalmente, las contracciones uterinas en animales.
Galgas Extensiométricas Mercurio.
Se pueden describir este tipo de galgas de tensión como pequeños tubossondas de caucho llenos de mercurio. Estas galgas permiten la medición de
pequeños o grandes cambios en elongación. Debido a lo ligero, fácil de construir,
barato y disponibilidad comercial, tienen un uso considerable en estudios
biomédicos.
Se ha utilizado para medir cambios, debido al pulso, en la circunferencia
aórtica, o medir los cambios de dimensión que reflejan, los cambios de volumen, en
las cámaras del corazón. El cambio en la resistencia debido a la elongación puede
determinarse mediante una tabla, donde los valores son 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.
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7-5 TRANSDUCTORES INDUCTIVOS.
Casi cualquier propiedad eléctrica que pueda, bajo la influencia de un estímulo
físico, ser hecha variar en forma predecible, puede ser utilizada como transductor del
estímulo. La inductancia, por ejemplo, puede ser variada fácilmente mediante el
movimiento de un núcleo permeable dentro de una bobina. Así, la inductancia
puede utilizarse para hacer transductores.
La inductancia de una bobina depende de:
a).- Su geometría,
b).- La permeabilidad del medio en que está localizada,
c).- De su número de vueltas.
La inductancia de una bobina de una sola capa, con núcleo de aire, en
microhenries puede ser calculada como:
L=
r 2n 2
9r + 10l
(7-21)
Donde r y l son el radio y la longitud de la bobina en pulgadas, y n es el
número de vueltas, esto es exacto cuando la longitud de la bobina es mucho mayor a
su radio. Así, si en alguna forma se deforma la geometría de la bobina (estirándola o
comprimiéndola), podemos obtener un transductor que produzca un cambio en una
señal eléctrica (inductancia) en base a la deformación (desplazamiento) en la bobina.
Esto es poco aplicado debido al pequeño valor de la inductancia y sus cambios.
La inductancia se incrementa significativamente si el núcleo presenta una
mejor permeabilidad que el aire. Prácticamente el cambio en la inductancia se
logra alterando la permeabilidad del medio, insertando un material
magnéticamente permeable y variando su posición en la bobina, lográndose un
transductor de desplazamiento.
De hecho, hay tres formas básicas de transductores inductivos: Bobina
simple, Puente de Wheatstone inductivo y el LVDT (Linear Variable Differential
Transformer).
El primer tipo, dispositivos de bobina simple, son raramente usados en
equipos modernos. Se construyen en forma semejante a un micrófono, donde la
posición de un diafragma afecta, ya sea la posición de un núcleo de acero o ferrita
dentro de la bobina o el campo de un núcleo formado por un imán permanente. La
fuerza aplicada al diafragma produce una corriente en la bobina y cambia su
inductancia.
La Figura 7-5a muestra un ejemplo de transductor puente inductivo. La
función de salida para este transductor se muestra en la figura 7-5b. El circuito del
puente de Wheatstone consiste de dos reactancias inductivas (bobinas L1 y L2) y
dos resistencias de 200 Ω.
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Observe que la excitación es de CA, esto es debido a que la reactancia de
una bobina es cero cuando se aplica un voltaje de CD. Hewlett-Packard
generalmente utiliza una señal de excitación de 2,400 Hz en 5V RMS. Otros
fabricantes usan 10 V rms en frecuencias entre 400 y 5000Hz.
Figura 7-5 Puente de Wheatstone Inductivo.
a) Circuito HP Modelo 1280 b) Función de salida.
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El transductor Hewlett-Packard modelo 1280, mostrado en la figura 7-5a, se
utiliza para mediciones de presión arterial y venosa en mm de Hg (En medicina la
unidad de presión aceptada es el torr, donde 1 torr es 1 mm de Hg, aún cuando las
unidades mm de Hg todavía se utilizan la mayor parte del tiempo).
La transducción ocurre debido al cambio de posición del núcleo de la bobina.
Pero esto solo produce un dato de posición a menos que la fuerza aplicada opere
sobre otra fuerza, con un resorte. La fuerza requerida para comprimir o estirar un
resorte está dada por la ley de Hooke. F = - k X, en el cual, el término X es un
desplazamiento (cambio de posición). A cero presión gauge (diafragma del
transductor expuesto a la atmósfera), el diafragma no esta distendido, así, el núcleo
no esta desplazado y abarca en igual forma a L1 y L2, haciendo que el puente se
encuentre balanceado y no exista voltaje de salida.
Cuando se aplica una presión, por abajo o por arriba de la presión
atmosférica, el núcleo se desplazará en una dirección, abarcando más una bobina
que la otra, haciendo que las inductancias L1 y L2 sean diferentes, desbalanceando
el puente y produciendo un voltaje de salida. La amplitud del voltaje de CA de
salida es proporcional a la magnitud de la presión aplicada, su fase indica si la
presión es positiva (compresión) o negativa (vacío) como se muestra en la
función de salida de la Figura 7-5b. La sensitividad de este transductor es de 40
μV/V-mm Hg.
Note que, en la Figura 7-5a, el voltaje de salida en el pin A del conector se
toma del cursor de un potenciómetro. Este control de sensitividad se utiliza para
ajustar diferencias normales entre transductores, de esta forma personal no
especializado puede fácilmente calibrar estos instrumentos de monitoreo de presión.
La Figura 7-6 muestra un ejemplo de transductor LVDT. Un LVDT es un
transformador con un primario (L1) y dos secundarios (L2 y L3). Los
secundarios son conectados en serie en sentido inverso, de tal forma que
tienden a cancelarse. Cuando el estímulo es cero, el núcleo afecta igual a L2 y
L3, por lo que sus voltajes inducidos se cancelan y el voltaje de salida es cero.
Figura 7-6 LVDT.
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El primario se excita con un voltaje de CA. Cuando se aplica un estímulo al
diafragma, el núcleo se desplaza, produciendo un cambio en las reactancias
inductivas L2 y L3, haciendo que no exista una cancelación total y por lo tanto, que
aparezca un voltaje en la salida.
El voltaje de salida tendrá una magnitud proporcional a la del estímulo
aplicado y una fase que indicara la dirección del desplazamiento del núcleo (en
el caso del transductor de presión, indicara si la presión es positiva o
negativa).
Por su pequeño tamaño y masa del núcleo, los LVDT producen una carga
insignificante en el evento a medir, además es robusto, presenta un muy amplio
ancho de banda y es muy poco sensible a cambios de temperatura. Su sensitividad
se incrementa aumentando la frecuencia de alimentación al devanado de excitación,
logrando sus valores más altos en el rango de Khz.
7-6 TRANSDUCTORES CAPACITIVOS.
Un capacitor o condensador consiste en dos superficies conductivas
separadas por un material dieléctrico, el cual puede ser un sólido, líquido, gas o
vacío. La capacitancia (Coulombs por Volts) se mide en Faradios, y su magnitud
depende de:
a).- La naturaleza del material dieléctrico,
b).- El área de las superficies conductoras (placas) y
c).- La separación entre las placas.
La capacitancia se altera al cambiar cualquiera de esos factores.
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En un transductor capacitivo se hace que la capacitancia cambie cuando
se aplica un estímulo. Como se utiliza la propiedad eléctrica capacitancia, se
requiere un voltaje de excitación de CA.
En casi todas sus variedades, el transductor capacitivo utiliza una placa
fija y una placa móvil, la cual cambia se posición bajo la influencia del
estímulo. Recuerde que la capacitancia de un capacitor de placas paralelas
varia directamente con el área de traslape entre las placas e inversamente con
la separación entre las placas. Un transductor puede utilizar una o ambas
características.
Una forma de transductor capacitivo consiste de un disco metálico sólido
dispuesto en forma paralela a un diafragma metálico flexible, ambos separados por
un dieléctrico de aire (Figura 7-7a). Esta configuración es muy similar a los
micrófonos capacitivos, el cual es, de hecho, un transductor para ondas de sonido.
Cuando se aplica una fuerza al diafragma, lo acerca o aleja al disco metálico
estacionario, lo cual incrementa o disminuye respectivamente la capacitancia.
Figura 7-7 a) Transductor capacitivo sencillo b) de placa mariposa.
Otra forma común (Figura 7-7b) utiliza una placa metálica estacionaria
(también conocida como estator) y una placa metálica giratoria (rotor), la cual
generalmente tiene forma de mariposa. En este caso la variación de la capacitancia
es debida a que tanto de la placa del estator queda cubierta por la parte metálica
giratoria. En el caso mostrado en la Figura 7-7b, cuando el área sombreada es
máxima, la capacitancia también será máxima y a 90°, el área sombreada será
mínima y por lo tanto la capacitancia también será mínima.
La Figura 7-8 muestra otra forma de transductor capacitivo. En este tipo de
transductor se coloca una placa metálica móvil (P3) entre dos placas estacionarias
(P1 y P2), esto forma un capacitor diferencial consistente en dos secciones (figura 78b), el capacitor C1 es la capacitancia entre P1 y P3, en tanto que C2 es la
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capacitancia entre P2 y P3. Cuando se aplica una fuerza al diafragma de la placa P3,
esta se moverá más cerca de una de las placas en tanto que se alejará de la otra. Si
la fuerza esta en la dirección que muestra la flecha, entonces P3 estará más cerca de
P2 y más lejos de P1, por lo que la capacitancia C2 será mayor que C1. En la
situación opuesta, la capacitancia C1 será mayor que C2.
Figura 7-8 Transductor capacitivo diferencial
a) estructura mecánica y b)símbolo esquemático.
Uno de los métodos más comunes es usar el transductor capacitivo en un
brazo de un puente de Wheatstone (Figura 7-9). Dos brazos del puente son
resistencias en tanto que en los otros dos brazos se tienen reactancias capacitivas.
El capacitor C1 representa la capacitancia del transductor, en tanto que C2 es la
capacitancia de un capacitor variable usado para balancear el puente bajo la
condición nula de estímulo.
Figura 7-9
Puente de Wheatstone
capacitivo.
En ciertos casos la resistencia R2
es la segunda sección de un capacitor
diferencial. Bajo condiciones de cero
estímulo
(condición
nula),
la
capacitancia C2 y la capacitancia que
reemplaza
R2
serán
iguales,
produciendo una salida de cero.
Ante la presencia de un estímulo,
la relación cambia, desbalanceando el
puente y produciendo un voltaje de
salida diferente de cero.
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Ventajas de los transductores capacitivos.
En muchas aplicaciones pueden emplearse los transductores capacitivos
para detectar cambios en dimensiones sin estar en contacto con el elemento en
movimiento. Por esta razón los transductores capacitivos están libres de
cargas, fricciones y errores de histéresis.
Otra característica del transductor es que la capacitancia no depende de la
conductividad de sus placas. Por lo tanto los errores debido a la temperatura son
extremadamente pequeños si no es que ausentes, ya que las dimensiones de las
placas prácticamente no dependen de la temperatura y la variación de la constante
dieléctrica del aire debida a la temperatura es muy pequeña.
Debido a que la impedancia de salida de un transductor capacitivo es muy
alta, se requerirá de cable blindado para conectarlo al equipo electrónico (lo más
recomendable es utilizar cable coaxial). En muchas aplicaciones el tipo de cable
utilizado para las conexiones merece consideraciones especiales ya que su
capacitancia estaría en paralelo con la del capacitor del transductor, por lo que se
requerirá de un cable coaxial de baja capacitancia.
En algunas ocasiones el problema de error presentado por la alta impedancia
del transductor capacitivo puede ser eliminada al colocar parte del circuito de
procesamiento dentro del mismo transductor. Con esta técnica es posible incorporar
un transformador de impedancia que provea una impedancia de salida baja,
permitiendo localizar el transductor a cierta distancia del equipo de procesamiento.
Sensores capacitivos de cuarzo.
Otro tipo de sensor moderno, especialmente en mediciones médicas de
presión, es el transductor de cuarzo. Estos dispositivos son básicamente capacitivos
pero hay algunas diferencias en relación a los transductores conocidos como
capacitivos. La cápsula del sensor de presión de estos dispositivos es hecha de
cuarzo fundido homogéneamente (figura 7-10).
Figura 7-10
Transductor capacitivo
de cuarzo.
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Se tienen dos capacitores en la cápsula: un capacitor de presión (Cp) y
un capacitor de referencia (Cref). Las placas del capacitor están hechas de
metales nobles, los cuales han sido depositados, al vacío, sobre las respectivas
superficies de la cápsula de cuarzo.
Esos capacitores están conectados en serie, tal como se muestra en la
Figura 7-10, de esta forma se compensan las diferencias en las propiedades
eléctricas del material de cuarzo. Los capacitores pueden conectarse a un puente
capacitivo (semejante al puente de Wheatstone) en una mezcla de resistencias y
capacitores (RC), o a un circuito oscilador.
Algunas ventajas del transductor de cuarzo son: muy bajos niveles de
histéresis (algunas fuentes dicen que cero), muy bajo nivel de deslizamiento
del metal con respecto al cristal, muy bajos niveles de sensibilidad a
temperatura, propiedades muy elásticas y robustez.
7-7 TRANSDUCTORES DE TEMPERATURA
Hay tres tipos de transductores de temperatura comunes: termopares,
termistores (RTDs) y uniones PN de estado sólido. De estos, los últimos dos son
los más aplicados en equipos clínicos, en tanto que los 3 tienen una amplia
aplicación en investigación biomédica y biofísica.
Figura 7-11 Tres tipos de transductores de temperatura.
a) Termopar b) Termistor y c) Unión PN.
Un termopar (Figura 7-11a) consiste en dos conductores no similares
unidos en uno de sus extremos. Debido a que los conductores son de
materiales diferentes, cuando se calienta la unión se produce un potencial
(milivoltaje). El potencial es bastante lineal ante cambio en temperatura sobre un
rango amplio, volviéndose no lineal en los extremos del rango.
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Los termistores son resistencias que, ante cambios en temperatura,
cambian su valor en forma predecible (Figura 7-11b). Un dispositivo con
coeficiente de temperatura positivo (PTC) incrementa su resistencia cuando se
incrementa la temperatura, mientras un dispositivo de coeficiente negativo (NTC)
disminuye su resistencia cuando se incrementa la temperatura.
La mayoría de los termistores presentan una característica no lineal en un
rango amplio de temperatura, sin embargo, la linealidad mejora cuando se limita a un
rango estrecho de temperatura (tal como la temperatura del cuerpo humano).
Cuando se utilizan termistores es necesario asegurar que no se permita que la
temperatura llegue a valores donde la calibración no es conocida o donde la
característica del termistor es extremadamente no lineal. La mayoría transductores
de temperatura médicos son termistores.
Para minimizar errores causados por cambio en la resistencia de los cables
que se conectan al termistor 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 termistores 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.
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.
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.
La última clase de transductor de temperatura es el diodo de estado
sólido de unión PN (Figura 7-11c). Si lo desea puede hacer la prueba con
cualesquier diodo rectificador de estado sólido; se conecta a un óhmetro, la
resistencia en polarización directa presentará un valor; si se calienta (por ejemplo,
con un cautín) la resistencia bajará a medida de que se incremente su temperatura.
La mayoría de los transductores de temperatura, sin embargo, utiliza un
transistor bipolar conectado como diodo (como el de la figura 7-11c).
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Sabemos que el voltaje base-emisor de un transistor es proporcional a la
temperatura, para la configuración diferencial, en la Figura 7-11c, el voltaje de salida
del transductor es:
ΔVbe =
K T ln(Ic1/Ic2 )
q
(7-22)
Donde
K es la constante de Boltzman (1.38x10-23 J/ 0K)
T es la temperatura en grados kelvin (Nota: 0 0C = 273 0K)
q es la carga electrónica, 1.6 x 10-19 coulombs por electrón.
Ic1 e Ic2 son la corriente de colector de Q1 y Q2, respectivamente.
La cantidad K/q es una razón de constantes que es constante bajo todas las
circunstancias. El razón de corriente Ic1/Ic2 se mantiene constante al utilizar fuentes
de corriente constante en los circuitos de emisor de Q1 y Q2. Por supuesto, el
logaritmo de una constante es también una constante. Además la única variable en
la ecuación 7-22 es de temperatura T.
Ejemplo 7-8
Encontrar el voltaje de salida de un transductor temperatura construido como
la Figura 7-11c si Ic1 es 2 mA e Ic2 es 1 mA y la temperatura es 370C (nota: 370C es
(37 + 273)=310 0K)
Solución:
(1.38 x 10-23 J/°K)(310 °K) [ ln(2 mA/1 mA) ]
K T ln(Ic1/Ic2 )
ΔVbe =
=
q
1.6 x 10-19 °C
ΔVbe = 1.85 x 10-2 J/°C = 0.0185 V
La ecuación 7-22 produce un valor de aproximadamente 59.8 μV/ 0K.
El circuito en la figura 7-11c presenta una ventaja distinta sobre los otros: es
ampliamente lineal sobre todo el rango de temperatura (hasta el punto donde la
unión PN se daña por sobre temperatura). Así, el voltaje de salida ∆Vbe puede
ser procesado por un simple amplificador y no requiere de una etapa adicional
para linealizar el resultado.
Si se selecciona un amplificador de ganancia adecuada, entonces la
temperatura y el voltaje de salida del amplificador pudieran ser numéricamente
iguales, permitiendo que un voltímetro opere como indicador de salida. La mayoría
de estos sistemas de instrumentación producen una voltaje de salida del amplificador
de 10 mV/°K.
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7-8 TRANSDUCTORES FOTOELÉCTRICOS.
En medición de eventos fisiológicos en seres vivos los transductores
fotoeléctricos son empleados en 2 formas:
a).- Como detector de cambios en la intensidad de la
luz de una cierta longitud de onda, como en la
colorimetría y espectrometría.
b).- Como detector de intensidad de la luz en donde la
longitud de onda no es relevante.
Básicamente hay 3 tipos de transductores fotoeléctricos:
1.- Los fotoemisores (fototubo) en el cual se liberan
electrones de una superficie metálica.
2.- Los fotovoltáicos, donde se produce una diferencia de
potencial entre 2 substancias en contacto.
3.- Los fotoconductivos, como la fotorresistencia, donde
ocurre un cambio en conductividad.
Aún cuando hay cierto traslape en sus características, su selección esta
relacionada por sus particulares características de respuesta al espectro de luz,
sensitividad, voltaje y corriente de salida.
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a).- Tubos fotoemisores.
El tubo fotoemisor es un bulbo al vacío (o lleno de alguna mezcla de
gases) con 2 electrodos, el cátodo es una superficie metálica cubierta de un
material (compuestos de cesio, antimonio, plata y bismuto) que libera
electrones cuando se le ilumina, el ánodo es un tubo delgado o un alambre.
La emisión de electrones se
presenta si la longitud de onda es
menor a un cierto valor, así hay
limitación de su sensitividad a
longitudes de onda largas.
En los transductores con tubos fotoemisores se aplica un voltaje
relativamente alto (entre 10 y 200 volts), sin luz presenta una muy pequeña corriente
de fuga; ante la presencia de luz se liberan electrones en el cátodo y se establece un
flujo de corriente hacia el ánodo que es linealmente proporcional a la intensidad de la
luz incidente. Su respuesta a la frecuencia es muy alta (tiempos menores a 1
milisegundo).
El flujo de corriente es pequeño (no suficiente para indicación directa) y
requiere de etapas de amplificación. En tubos fotoemisores llenos de mezclas de
gases es posible obtener corrientes más altas.
Un tipo particular del tubo fotoemisor es el fotomultiplicador, donde se
agregan ánodos, cada uno a un potencial más alto, obteniéndose en 10 o más
etapas amplificaciones de corriente en el orden de millones con tiempos de
respuesta de del orden de nanosegundos. Debido a su alta sensitividad y corto
tiempo de respuesta, los fotomultiplicadores son aplicados ampliamente para
detectar bajos niveles de luz presentes en cortos tiempos.
Un caso de aplicación en ingeniería biomédica son contadores de centelleos
presentes en estudios de medicina nuclear, donde las emisiones de un material
radioactivo (que es aplicado al paciente) son convertidas a luz mediante una pantalla
fluorescente y detectada su intensidad y localización mediante fotomultiplicadores.
En estudios radiológicos dinámicos de diagnóstico, durante fluroscopía, se
utilizan fotomultiplicadores para controlar el kilovoltaje y miliamperaje en el tubo de
rayos x de tal forma que independientemente del tipo de paciente se tenga una
buena imagen.
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b).- Celdas fotovoltáicas.
A diferencia de los tubos fotoemisores (que requieren altos voltajes y
producen, al se iluminados, bajas corrientes), las celdas fotovoltáicas (también
conocidas como fotogalvánicas o fotoceldas) producen un voltaje a un
substancial nivel de corriente.
Una de las celdas fotovoltáicas más populares consiste de un sándwich con
dos superficies asiladas, una con un recubrimiento de selenio y la otra de hierro o
acero. Cuando se ilumina, se absorbe la energía de la luz, liberando electrones
produciendo una diferencia de potencial que es negativa en el lado metálico y
positivo en el lado del selenio. Adicionalmente, la resistencia interna de la celda
decrece con el incremento en luz, permitiendo conectar varias celdas en paralelo y
evitando que celdas que no reciban luz carguen al circuito.
Debido a que la relación de intensidad de luz a voltaje es no lineal
(produciendo voltajes en circuito abierto entre 200 y 600 mV), generalmente se
relaciona con la magnitud de la corriente (aprovechando la reducción de la
resistencia con el incremento en intensidad de luz), produciéndose una relación
bastante lineal.
Las fotoceldas de selenio cubren el rango de luz visible, por lo que son
ampliamente utilizadas en medidores de iluminación, medidores de exposición de luz
y colorímetros simples (mediante el uso de filtros ópticos). Debido
a
su
alta
capacitancia, las celdas fotovoltáicas presentan respuestas mayores a 5
milisegundos. La principal desventaja de las celdas fotovoltáicas es su sensitividad a
cambios en temperatura.
Otro ejemplo de celda fotovoltáica es la unión de materiales
semiconductores P-N, La absorción de la energía de la luz por la unión P-N
resulta en la generación de pares electrón – hueco que produce un voltaje en la
unión. La aplicación más importante del fotodiodo es la batería solar, que
convierte la luz solar en potencia eléctrica, pero como transductor fotovoltáico
presenta una característica no lineal, ya sea polarizado en directa o inversamente o
sin polarización.
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La sensitividad espectral de las celdas fotovoltáicas de union P-N está
en el rango de las regiones roja e infrarroja, su tiempo de respuesta está en el
rango de microsegundos a milisegundos, lo cual los ha hecho ampliamente utilizados
en detectores de luz.
Otra aplicación importante es su uso en dispositivos de aislamiento eléctrico
(optoaisladores), donde una señal eléctrica es convertida a luz mediante un LED y es
detectada a cierta distancia por una celda fotovoltáica de unión PN, abriendo
cualesquier conexión conductora entre entrada y saliendo con características de un
excelente aislamiento eléctrico.
c).- Celdas fotoconductivas.
Las celdas fotoconductivas o fotoresistivas están formadas por una
delgada película de materiales como selenio, germanio, silicio o sulfatos
metálicos. Cuando son expuestos a cierto tipo de energía radiante, exhiben un
fenómeno fotoconductivo, decrecimiento es su resistencia. El cambio en
resistencia es significativo, de muchos megaohms en la oscuridad a pocos cientos de
ohms en plena iluminación.
En la mayoría de las celdas fotoconductivas, el incremento en nivel de
iluminación es aproximadamente lineal con la conductancia, lo cual es una relación
inversa de la resistencia. Estos detectores son extremadamente sensibles y son
empleados frecuentemente como interruptores activados por luz o en aplicaciones de
colorimetría.
Algunas celdas fotoconductivas
son muy sensibles al rango de radiación
infrarroja lo que ha hecho que se
apliquen en espectroscopia u objetivos
que emiten este tipo de radiación. Su
tiempo de respuesta varía con la
intensidad de la luz, pero anda en un
rango de 0.1 a 30 milisegundos.
Con el fotodiodo, le cambio de corriente con el cambio en nivel de intensidad
es pequeño, aún cuando su tiempo de respuesta es bastante corto. Si se pudiera
sacrificar algo del tiempo de respuesta, se pudiera lograr incrementar la sensitividad
en corriente utilizando un fototransistor.
En un fototransistor se deja la terminal de base sin conectar y
expuesta a la luz, la intensidad de la luz produce un incremento en el potencial
de la base activando el transistor y amplificando este efecto en la corriente de
colector por el factor β del transistor.
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El fototransistor es un fotodetector
de alta ganancia cuyo pico se
presenta en el rango de las regiones
roja e infrarroja, su tiempo de
respuesta anda en el rango de 5
microsegundos.
Su aplicación, tanto en biomedicina como industrial, se ha visto limitada por
su inferioridad en respuesta comparado con el fotodiodo, tal parece que la
combinación del fotodiodo con un amplificador provee una mejor solución de sistema
de detección de luz que el fototransistor.
Comparación entre transductores fotoeléctricos.
Con tal cantidad de detectores fotoeléctricos, conviene hacer una revisión
de sus características más importantes. Las características más importantes de los
sensores fotoeléctricos son:
•
Sensitividad al espectro
ultravioleta, infrarroja).
•
Tiempo de respuesta,
•
Tipo de salida (voltaje, corriente, resistencia),
•
Linealidad con la intensidad de la luz.
de
radiación
(luz
visible,
Los tubos fotoemisores:
• Sensitividad pico en el espectro en las regiones de luz visible y
ultravioleta (mayor en tos tubos rellenos de mezclas de gases).
• Corto tiempo de respuesta (microsegundos).
• Requieren un voltaje de polarización alto.
• La relación corriente – intensidad de luz es bastante lineal.
• Presenta corriente de fuga en oscuridad.
• Provee una salida pequeña de corriente.
• El bulbo es frágil y sensible a impactos y fuerzas de aceleración.
• Los fotomultiplicadores proveen altas ganancias de amplificación.
Las celdas fotovoltáicas y de unión P-N.
• Sensitividad pico en el espectro en las regiones de luz visible e
infrarroja.
• El tiempo de respuesta varía según el tipo, pero los menores
están en uniones P-N.
• No requieren voltaje de polarización.
• Son sensibles a cambios de temperatura.
• Robustas.
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Las celdas fotoconductivas (fotorresistencias, fotouniones P-N y fototransistores).
• Sensitividad pico en el espectro en las regiones de luz roja e
infrarroja.
• El tiempo de respuesta varía según el tipo, pero los menores
están en fotouniones P-N, siguiendo con el fototransistor y las
más largas con la fotoresistencia.
• Requieren voltaje de polarización.
• La resistencia varía inversamente con la intensidad de la luz, no
lineal.
• La relación de corriente a intensidad es bastante lineal en las
fotouniones P-N y el fototransistor.
• Robustas y sensibles a temperatura.
Aplicaciones en colorimetría.
Además de las aplicaciones en colorímetros y espectrofotómetros para el
análisis de fluidos biológicos, los transductores fotoeléctricos permiten la medición de
eventos fisiológicos en seres vivos; Dos aplicaciones son la determinación del nivel
de saturación de oxígeno en sangre a medida que circula y la concentración de
bióxido de carbono en el flujo de aire de expiración. En el primer caso se utilizan
fotodetectores (con sus correspondientes filtros) para sensar cambios en densidad
de color.
La determinación del nivel de saturación de oxígeno en la sangre mediante
la medición de su tonalidad roja en seres vivos se hace por transiluminación a través
de un tejido rico en vasos sanguíneos, como el lóbulo de la oreja. En un lado se
coloca un emisor de luz y en el otro dos detectores fotovoltáicos, cada uno cubierto
por un filtro. El primero detecta radiación en la porción roja del espectro (640 mμ) y
el segundo en la región de la radiación infrarroja (800 mμ).
El primer detector (canal rojo)
provee una señal que indica la cantidad
de oxígeno en la sangre y la cantidad de
sangre en el tejido, por supuesto, en la
trayectoria de luz. El segundo detector
(canal infrarrojo) es independiente de la
saturación de oxígeno y porta información
de la cantidad de sangre y tejido en la
trayectoria de luz. El grado de saturación
de oxígeno se determina calibrando el
fotodetector contra muestras de sangre
analizadas químicamente.
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TRANSDUCTORES
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La curva de calibración es un gráfico de saturación de oxígeno contra la
razón del nivel sensado en el canal rojo entre el nivel sensado en el canal infrarrojo.
Con esto podemos esperar una medición no invasiva del nivel de saturación de
oxígeno en sangre en tiempo real son una exactitud en el orden del +/- 5 % del valor
real. La medición en tiempo real es especialmente útil durante cirugías.
En el caso de la concentración de bióxido de carbono (ya mencionado en un
tema anterior), se aprovecha la propiedad de transducción del bióxido de carbono de
absorber radiación infrarroja con longitud de onda de 4.26 μ, en un lado se instala
una fuente de radiación infrarroja en esa banda del espectro y en el otro lado un
fotodetector. En este caso la relación es inversa, a mayor concentración de bióxido
de carbono, menor la señal del fotodetector. Con esto se pudo lograr un sistema que
ofrece mediciones de concentración de CO2 cada 50 milisegundos.
Aplicaciones no colorimétricas.
Fotodetectores, en particular celdas fotovoltáicas y fotorresistencias han
sido ampliamente utilizadas para detectar pulso, en este caso hay 2 técnicas para
lograrlo.
En un caso la masa bascular es puesta entre la fuente de luz y el
fotodetector, en este caso el flujo capilar modula la densidad de luz que pasa por
transmitancia. En el segundo caso, la fuente de luz esta en el mismo lado del
fotodetector y la detección de pulso se realiza por la cantidad y dispersión de la luz
reflejada.
Otro caso de aplicación de transductores fotoeléctricos está en las bombas
de infusión. En las bombas de infusión se hace pasar una sonda que proviene de un
recipiente con suero y/o medicamento, se controla el volumen a pasar al paciente
modificando la frecuencia de goteo del suero en una sección cilíndrica y transparente
de la sonda.
En este caso se coloca la fuente de luz en un lado de la sección cilíndrica y
un fotodetector en el otro lado, cada vez que pasa una gota, dispersa la luz y reduce
su cantidad a llegar en el fotorreceptor. En esta forma se miden las gotas, de
acuerdo a los diámetros y geometría, entre 15 y 30 gota hacen 1 centímetro cúbico
(cc), con esto es posible tener una retroalimentación de volumen que en el tiempo
establece una cierta dosis a controlar (100 cc/hr, etc.). Todo esto con la ventaja de
que nunca se tiene contacto con el fluido a suministrar.
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TRANSDUCTORES
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Algunos problemas en la aplicación de fotodetectores son la frecuente
necesidad de proveer blindaje al sensor de tal forma que no le afecten otras fuentes
de luz. También, como generalmente se requiere de una fuente de luz constante y
su intensidad varía con el cuadrado del voltaje de excitación, variaciones en la fuente
de alimentación puede introducir errores significativos.
En este caso,
frecuentemente se añade otro fotodetector para monitorear directamente la fuente de
luz y hacer correcciones ante sus variaciones.
7-9 CUESTIONARIO.
1.- ¿Qué es un transductor?
Un transductor es un dispositivo que convierte una forma de energía en
energía eléctrica para propósitos de medición o control.
2.- ¿En qué forma los transductores difieren de los electrodos?
Los transductores difieren de los electrodos en que los transductores usan
algún medio de transducción al realizar la medición en tanto que los electrodos
adquieren directamente la señal.
3.- ¿Porqué se acostumbra aplicar los transductores en configuración de
circuito Puentes Wheatstone?
Son puestos en un Puente de Wheatstone para reducir el efecto de
autocalentamiento (I2R) y mejorar su sensitividad.
4.- ¿Bajo que condiciones se presenta la condición nula en un puente de
Wheatstone?
La condición nula en un puente Wheatstone se presenta cuando el voltaje de
salida E0 es cero y el voltaje de excitación E es diferente de cero.
5.- ¿Qué es una galga extensiométrica (o de tensión)?
Una galga extensiométrica (o de tensión) es un elemento resistivo que
presenta un cambio en su resistencia proporcional al esfuerzo mecánico que se le
aplique.
6.- ¿Cuáles son las 3 características deseables para un conductor que se desea
utilizar como galga extensiométrica?
Alto coeficiente de elongación-resistencia.
Valores bajos en cambios de resistencia debido a la temperatura.
Una alta sensitividad a la tensión en sentido de la fuerza y baja sensitividad
perpendicular a la fuerza.
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7.- ¿Pata que sirve el Factor GAUGE en el caso de transductores de galga
extensiométrica y cómo se define?
El GF proporciona un medio para evaluar la sensitividad relativa a una galga
extensiométrica. A mayor cambio en resistencia por unidad de cambio en longitud,
será mayor su sensitividad y GF.. La definición de factor gauge es:
GF =
ΔR / R
ΔL / L
GF es el factor gauge.
∆R es el cambio en la resistencia, en ohms.
R es la resistencia sin aplicar esfuerzo, en ohms.
L es la longitud, en metros.
∆L es el cambio de longitud en metros.
8.- ¿Qué formas básicas existen de galgas extensiométricas?
Hay dos formas básicas de galgas extensiométricas piezoresistivas son:
cementadas y no cementadas.
9.- ¿Cómo se define la sensitividad del transductor (φ) y que unidades tiene?
La sensitividad de un transductor es la relación que nos permite predecir la
salida de voltaje conociendo el voltaje de excitación y el valor del estímulo aplicado.
La unidad para φ son microvolts por volt de excitación por unidad del estímulo
aplicado (μV/V-U).
10.- ¿Cómo son y bajo que principio operan las galgas de tensión granulares?
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.
11.- ¿En que forma se hacen y bajo que principio operan las Galgas
Extensiométricas 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 (ΔL/L) donde L es la
longitud relajada y ΔL 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.
12.- ¿Cuáles son los 3 factores de que depende la inductancia de una bobina?
La inductancia de una bobina depende de:
Su geometría,
La permeabilidad del medio en que está localizada,
De su número de vueltas.
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13.- En los transductores inductivos, ¿En que forma se logra el cambio en la
inductancia?
Prácticamente el cambio en inductancia se logra alterando la permeabilidad
del medio, insertando un material magnéticamente permeable y variando su posición
en la bobina.
14.- ¿Cuáles son las 3 formas básicas de transductores inductivos?
Bobina simple, Puente de Wheatstone inductivo y el LVDT (Linear Variable
Differential Transformer).
15.- ¿Qué establece la ley de Hooke?
La fuerza requerida para comprimir o estirar un resorte está dada por la ley de
Hooke. F = - k X, en el cual, el término X es un desplazamiento (cambio de posición).
16.- ¿Qué es un LVDT y como funciona?
Un LVDT es un transformador con un primario (L1) y dos secundarios (L2 y
L3). Los secundarios son conectados en serie en sentido inverso, de tal forma que
tienden a cancelarse. Cuando el estímulo es cero, el núcleo afecta igual a L2 y L3,
por lo que sus voltajes inducidos se cancelan y el voltaje de salida es cero. El
primario se excita con un voltaje de CA. Cuando se aplica un estímulo al diafragma,
el núcleo se desplaza, produciendo un cambio en las reactancias inductivas L2 y L3,
haciendo que no exista una cancelación total y por lo tanto, que aparezca un voltaje
en la salida.
17.- ¿Qué indica la magnitud y la fase en el voltaje de salida de un LVDT?
El voltaje de salida tendrá una magnitud proporcional a la del estímulo
aplicado y una fase que indicara la dirección del desplazamiento del núcleo.
18.- ¿Cuáles son los 3 factores de los cuales depende la capacitancia de un
capacitor?
La naturaleza del material dieléctrico,
El área de las superficies conductoras (placas) y
La separación entre las placas.
19.- ¿En que forma operan la mayoría de los transductores capacitivos?
En casi todas sus variedades, el transductor capacitivo utiliza una placa fija y
una placa móvil, la cual cambia se posición bajo la influencia del estímulo. La
capacitancia de un capacitor de placas paralelas varia directamente con el área de
traslape entre las placas e inversamente con la separación entre las placas. Un
transductor puede utilizar una o ambas características.
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20.- Mencione las 2 ventajas principales de los transductores capacitivos.
Los transductores capacitivos están libres de cargas, fricciones y errores de
histéresis.
Los errores debido a la temperatura son extremadamente pequeños si no es
que ausentes.
21.- ¿Cuáles son los 3 tipos de transductores de temperatura y cuales son los
más utilizados en equipos clínicos?
Hay tres tipos de transductores de temperatura: termopares, termistores
(RTDs) y uniones PN de estado sólido. De estos, los últimos dos son los más
aplicados en equipos clínicos.
22.- ¿Qué es un termopar y como opera?
Un termopar consiste en dos conductores no similares unidos en uno de sus
extremos. Debido a que los conductores son de materiales diferentes, cuando se
calienta la unión se produce un potencial (milivoltaje).
23.- ¿Qué son los termistores y como operan?
Los termistores son resistencias que, ante cambios en temperatura, cambian
su valor en forma predecible.
24.- Mencione de 3 precauciones a considerar en la aplicación de termistores.
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.
25.- Cuáles son las 2 formas en que son utilizados los transductores
fotoeléctricos en la medición de eventos fisiológicos.
a).- Como detector de cambios en la intensidad de la luz de una
cierta longitud de onda, como en la colorimetría y espectrometría.
b).- Como detector de intensidad de la luz en donde la longitud de
onda no es relevante.
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TRANSDUCTORES
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26.- Mencione los 3 tipos de transductores fotoeléctricos y en que
consisten.
1.- Los fotoemisores (fototubo) en el cual se liberan electrones de una
superficie metálica.
2.- Los fotovoltáicos, donde se produce una diferencia de potencial entre 2
substancias en contacto.
3.- Los fotoconductivos, como la fotorresistencia, donde ocurre un cambio
en conductividad.
27.- ¿Qué es y como opera un tubo fotoemisor?
El tubo fotoemisor es un bulbo al vacío (o lleno de alguna mezcla de gases)
con 2 electrodos, el cátodo es una superficie metálica cubierta de un material
(compuestos de cesio, antimonio, plata y bismuto) que libera electrones cuando se le
ilumina, el ánodo es un tubo delgado o un alambre.
28.- ¿Qué es un fotomultiplicador y en que casos se aplica?
Un tipo particular del tubo fotoemisor es el fotomultiplicador, donde se
agregan ánodos, cada uno a un potencial más alto, obteniéndose en 10 o más
etapas amplificaciones de corriente en el orden de millones con tiempos de
respuesta de del orden de nanosegundos. Debido a su alta sensitividad y corto
tiempo de respuesta, los fotomultiplicadores son aplicados ampliamente para
detectar bajos niveles de luz presentes en cortos tiempos.
29.- ¿Qué diferencia presentan las celdas fotovoltáicas contra los tubos
fotoemisores?
A diferencia de los tubos fotoemisores (que requieren altos voltajes y
producen, al se iluminados, bajas corrientes), las celdas fotovoltáicas (también
conocidas como fotogalvánicas o fotoceldas) producen un voltaje a un substancial
nivel de corriente.
30.- ¿Qué es un fotodiodo y como opera?
Es un tipo de celda fotovoltáica, la absorción de la energía de la luz por la
unión P-N resulta en la generación de pares electrón – hueco que produce un voltaje
en la unión.
31.- ¿Qué son y en que forma operan las celdas fotoconductivas?
Las celdas fotoconductivas o fotoresistivas están formadas por una delgada
película de materiales como selenio, germanio, silicio o sulfatos metálicos. Cuando
son expuestos a cierto tipo de energía radiante, exhiben un fenómeno
fotoconductivo, decrecimiento es su resistencia.
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TRANSDUCTORES BIOMÉDICOS
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32.- ¿Qué es un fototransistor y cómo opera?
Es un tipo de transistor donde se deja la terminal de base sin conectar y
expuesta a la luz, la intensidad de la luz produce un incremento en el potencial de la
base activando el transistor y amplificando este efecto en la corriente de colector por
el factor β del transistor.
33.- ¿En que forma se detecta la concentración de CO2 mediante transductores
fotoeléctricos?
En la medición de la concentración de bióxido de carbono se aprovecha la
propiedad de transducción del bióxido de carbono de absorber radiación infrarroja
con longitud de onda de 4.26 μ, en un lado se instala una fuente de radiación
infrarroja en esa banda del espectro y en el otro lado un fotodetector. En este caso
la relación es inversa, a mayor concentración de bióxido de carbono, menor la señal
del fotodetector.
34.- Indique las dos formas operan los transductores fotoeléctricos para
detección de pulso.
En un caso la masa bascular es puesta entre la fuente de luz y el
fotodetector, en este caso el flujo capilar modula la densidad de luz que pasa por
transmitancia. En el segundo caso, la fuente de luz esta en el mismo lado del
fotodetector y la detección de pulso se realiza por la cantidad y dispersión de la luz
reflejada.
35.- En que forma se resuelve, en la aplicación de fotodetectores, el problema
de variaciones en la fuente de luz causadas por el voltaje de alimentación.
Se añade otro fotodetector para monitorear directamente la fuente de luz y
hacer correcciones ante sus variaciones.
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