Snímače a měření fyzikálních veličin
Sensors and Measurement of Physical Quantities
FU:APDMAT32 – profesní Bc SP Aplikovaná fyzika, specializace Fyzikální diagnostické metody, 2/2/0, 6 kreditů, Zk
FU:APZPAT32 – profesní Bc SP Aplikovaná fyzika, specializace Monitorování životního prostředí, 2/2/0, 6 kreditů, Zk
Garance/přednášky: doc. RNDr. Stanislav Hledík, Ph.D.
Cvičení: Mgr. Daniel Charbulák, Ph.D., <daniel.charbulak@physics.slu.cz>, +420 553 68 4265 (pracovna)
Informace o kursu ● Výuka ● Hodnocení a zkoušení ● Literatura ● Odkazy a zdroje ● Často kladené dotazy
Anotace
Cílem předmětu je zprostředkovat studentům poznatky ze základů měření neelektrických fyzikálních veličin elektrickými metodami pomocí snímačů.
Sylabus
1. Prerekvizity z elektřiny a magnetismu.
Elektrické obvody, zdroje, pasivní součástky. Základy fyziky polovodičů, polovodičové přechody, diody, transistory, jejich charakteristiky, zapojení a aplikace.
2. Prerekvizity ze zpracování a analýzy signálu.
Signál spojitý a diskrétní, lineární systémy. Digitalizace: vzorkování, vzorkovací teorém, kvantizace, A/D převodník. Filtrace signálu. Rekonstrukce signálu, D/A převodník. Obecné vlastnosti a rozdělení signálů: deterministické vs stochastické, podle dimensionality, podle zdroje nebo fyzikální podstaty, podle aplikační oblasti.
3. Snímače – obecné vlastnosti a charakteristiky.
Pojmy čidlo, senzor, senzor s jednoduchou elektronikou, digitální senzor, SMART senzor. Rozdělení senzorů podle kritérií: pasivní/aktivní, podle zdroje nebo fyzikální podstaty vstupní/výstupní veličiny, principu převodu, styku s měřeným prostředím, podle lékařských aplikací. Koncepce měřicího a řídicího řetězce. Statické a dynamické vlastnosti a charakteristiky, časová konstanta senzoru, příklady. Chyby měření, relevantní statistické pojmy, klasifikace chyb a práce s nimi.
4. Senzory mechanických veličin.
Senzory ohybu. Akcelerometry a náklonoměry, fyzikální podstata jejich funkce, dělení a klasifikace (piezoelektrické, piezorezistivní, tepelné, kapacitní). Frekvenční charakteristika akcelerometru, měřicí rozsah. Mikročipové akcelerometry. Měření rychlosti rotace, gyroskopy, podstata jejich činnosti. Měření viskoelastických vlastností.
5. Senzory tlaku a průtoku tekutin.
Základní pojmy hydrodynamiky: tlak, gradient tlaku, hydrostatický tlak, objemový a hmotnostní průtok, rovnice kontinuity, pohybová rovnice tekutiny, Bernoulliho rovnice, jednotky tlaku. Rozdělení, principy a konstrukční principy provedení snímačů tlaku. Tlak v biomedicíně. Viskozita, laminární a turbulentní proudění, Hagenův–Poisseilleův zákon, Reynoldsovo číslo a některá další podobnostní čísla. Rozdělení, konstrukční principy provedení typy průtokoměrů (elektromagnetické, termoanemometrické, s diferenčním manometrem, clonové, ultrazvukové, dopplerovské, dávkovací, …), oblasti jejich použití. Měření perfuze, LDPI.
6. Senzory tepelných veličin.
Teplota a její fyzikální podstata, jednotky a teplotní stupnice. Základní fakta o záření černého tělesa, pojem spektra, Planckův vyzařovací zákon (a jeho deriváty: Stefanův–Boltzmannův a Wienův zákon). Kontaktní měření teploty (teploměry založené na teplotní roztažnosti, elektronické, optickovláknové) a jejich aplikace. Dynamické vlastosti kontaktního teploměru – jednoduchý model demonstrace časové konstanty. Aplikace detekce infračerveného záření: bezkontaktní měření teploty. Typy bezkontaktních senzorů. Termografie.
7. Senzory magnetických veličin.
Základní fyzikální pojmy (magnetická indukce, Lorentzova síla, Hallův jev, supravodivost). Parametry magnetických senzorů. Rozdělení (vektorové a skalární) a typy magnetických senzorů (Hallovy, koncentrátory pole, fluxgate, cívkové, supravodivost – SQUID). Biomedicínské aplikace senzorů magnetického pole (magnetokardiografie – MKG, magnetopneumografie – MPG, měření objemu žaludku). Exkurse do zobrazování (nukleární) magnetickou rezonancí (MRI, fMRI).
8. Senzory ionizujícího záření.
Pojem ionizujícího záření, druhy, faktografie a charakteristiky. Elementy fyziky ionizujícího záření: atom, jádro, prvek, nuklid, isotop, isobar, isoton, isomer, radioaktivní rozpad, rozpadová konstanta, střední doba života, poločas rozpadu. Rozpady α, β, ϒ. Detektory ionizujícího záření, principy jejich funkce. Základy dozimetrie. Aplikace v biomedicíně: rentgen, angiografie, počítačová tomografie (CT); radionuklidové zobrazovací metody – planární scintigrafie, SPECT, PET.
9. Senzory akustických veličin.
Elementární pojmy fyziky vlnění, fyzikální a fyziologické akustiky, účinky zvuku na člověka. Fonokardiografie, srdeční ozvy, sensory. Měření poškození sluchu, audiometry, typy senzorů. Ultrazvuková sonografie (ultrasonografie, USG), její základní principy a pojmy, ultrazvuková sonda, klinické zobrazování pomocí ultrazvuku, ultrazvukové dopplerovské zobrazování.
10. Senzory chemických veličin.
Definice a fundamentální fyzikálně-chemické pojmy, základní schéma chemického senzoru. Absorpce, látková koncentrace, selektivita senzoru, hmotnostní a objemová koncentrace, aktivita. Parametry chemických senzorů a jejich rozdělení. Přehled měřených veličin. Senzory pro měření pH, sensory parciálního tlaku kyslíku. Měření alkoholu – chemie alkoholů, rozdělení, jednotky měření.
Přednášky
Standardní čas přednášky: podle aktuálního rozvrhu.
Přednášky nemusejí nutně sledovat strukturu témat uvedenou v sylabu.
Univerzitní přednáška není povinná, prezence se provádět nebude (na rozdíl od cvičení).
V rámci přednášky využívané online materiály naleznete v mém Dropbox cloudu přes zkrácený odkaz
v adresáři Sensor (případně můžete použít přímý link do něj).
V případě, že něčemu neporozumíte nebo si budete chtít něco ujasnit, jsou k dispozici konzultace.
Některé počítačové demonstrace na přednáškách budu dělat pomocí technologií Wolfram Research. Budete je mít zpřístupněné na cloudu (odkaz viz výše) ve složce Sensor/Demonstrations. Pro jejich přehrání potřebujete program Wolfram Player. Pokud by někdo měl seriózní zájem o oficiální studentskou licenci programu Wolfram Mathematica, která mj. umožňuje tyto demonstrace vytvářet, nechť se na mě obrátí.
Pro případ mimořádných okolností uvádím odkaz na organizaci případné online výuky.
Cvičení
Podrobné informace vám poskytne cvičící Dr. Charbulák (kontakty jsou v záhlaví stránky).
Zkouška má pouze ústní část. Student si vylosuje tři otázky, jejichž sumární hodnocení je 20 bodů. Součástí otázek může být manipulace s konkrétním senzorem či měřidlem. Před vlastním zkoušením má student čas na přípravu. Seznam otázek najdete na výše uvedeném cloudu ve složce Sensor/Exams. Celkový výsledek zkoušky se klasifikuje na základě bodového zisku podle 20-bodové klasifikační stupnice.
Učebnice nenahrazují přednášku, přednáška nenahrazuje učebnice. Vzájemně se podporují.
Povinná učebnice
Penhaker M. – Kubíček J. (2014), Snímače a senzory v biomedicíně. Filozoficko-přírodovědecká fakulta v Opavě, Slezská univerzita v Opavě, ISBN 978-80-7248-943-5.
Komenář: dostupná v knihovně.
Halliday, D. & Resnick, R. & Walker, J. (2002), Fyzika: vysokoškolská učebnice obecné fyziky. Část 3, Elektřina a magnetismus, Prometheus, Vysoké učení technické – Vutium, Praha, Brno, ISBN 80-214-1868-0. (Redakce českého překladu: Marian Štrunc, Jan Obdržálek, Petr Dub.)
Komentář: viz tuto knihu též v kursu EleMagn. Barevně vypravená bohatě ilustrovaná učebnice, ideální volba pro ty, kdo mají v oblibě hollywoodský styl presentace. Potřebujeme hlavně kapitolu 42: Vedení elektřiny v pevných látkách.
Doplňková literatura
Beiser A. (1977), Úvod do moderní fyziky. 2. české vydání. Československá akademie věd, Praha.
Bryjová I. (2007), Principy a metody moderní medicínské diagnostiky. Bakalářská práce, Filozoficko-přírodovědecká fakulta v Opavě, Slezská univerzita v Opavě, studijní program Aplikovaná fyzika, studijní obor Počítačová technika a její aplikace.
Zehnula K. (1983), Snímače neelektrických veličin. SNTL, Praha, 371 stran.
Ripka P. – Ďaďo S. – Kreidl M. – Novák J. (2005), Senzory a převodníky. Vydavatelství ČVUT, Praha.
Vala M. (2002), Fyzikální základy elektrotechniky a elektroniky I. Ostravská univerzita, ISBN 80-7042-239-4.
Haasz V. – Sedláček M. (2003), Elektrická měření – přístroje a metody. ČVUT, 2003. ISBN 80-01-02761-7.
Sobotka Z. (1981) Přehled číslicových systému. SNTL, Praha.
[Všechny byly naposledy ověřeny návštěvou 8. září 2023]
Šťastný F.: Senzory. Dostupné na https://amper.ped.muni.cz/jenik/nejistoty/html_tree/node16.html. Kapitola 15 skripta Zpracování experimentálních dat.
Wikipedia, the free encyclopedia: List of sensors by sensor type.
Wikipedia, the free encyclopedia: Sensor.
Sheldon R.: Sensor. Available at https://www.techtarget.com/whatis/definition/sensor
—
