Design and implementation of magnetic field sensors for biomedical applications
Biyomedikal uygulamaları için manyetik alan sensör tasarımı ve yapımı
- Tez No: 383010
- Danışmanlar: PROF. DR. NEVZAT G. GENÇER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2014
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 105
Özet
Bu çalışmanın ilk kısmında, manyetik sensör türleri ve bunların biyomedikal uygulamalarında kullanılabilirliği araştırılmaktadır. Sağladığı avantajlar göz önünde bulundurularak hava çekirdekli endüksiyon bobini seçildi. Çalışmanın devamında endüksiyon bobini ile amplifikatör kombinasyonu ve bağlantı türleri incelendi. Manyetik alan sensörü kullanımı gerektiren biyomedikal uygulamaları tanıtıldı. Bunlardan biri, Lorentz Alanı Elektriksel Empedans Tomografisi detaylı bir şekilde açıklandı ve bu uygulama için deneysel çalışma gerçekleştirildi. İkinci kısımda manyetik sensör ve amplifikatör devresinin frekansa bağlı elemanları ve bunların frekansı cevabı, ayrıca ilgili formüller verildi. En hassas ölçümü yapabilecek disk şeklindeki hava çekirdekli endüksiyon bobininin boyut değişkenlerini belirlemek amacıyla MATLAB yazılımı kullanılarak bir optimizasyon algoritması geliştirildi. Daha fazla ilerlemeden önce bu yazılım, verilmiş olan formüllerden yararlanarak test edildi. Deneysel süreç boyunca kar¸sıla¸sılan problemlerden doğan farklılıklar açıklandıktan sonra, LAEET uygulamasında kullanılmak üzere bir optimum endüksiyon bobini dizayn edildi. İki farklı yükseltici düzeneği kullanıldı. Bunlardan birincisinde AD797 isimli voltaj yükselticisi bulunmaktadır ve bu sistemin duyarlılığı 17.1 (V m/A) olarak ölçüldü. Yükseltme faktörü 20 olarak elde edildi. Maksimum çizgisellikten sapma bu sistem için %15:3 olarak hesaplandı. İkinci düzenekte ise iki yükseltici seri bağlı ve bu yükselticilerin isimleri AD600 ve AU-1291'dir. Bu sistemin duyarlılığı 5.45 (V m/A) olarak ölçüldü. Maksimum çizgisellikten sapma %2.7 olarak hesaplandı. Seri bağlı yükselticilerin varlığı yükseltme faktörünü 160000'e çıkardığı için ikinci sistem tercih edildi. Mevcut ekipman ile en yüksek duyarlılığa sahip bobin sarılmış olsa da performans yine de yetersiz kaldı ve daha yüksek duyarlılığın gerekli olduğu sonucuna varıldı. Geliştirilmiş olan yazılım ile ümit verici başka bobinler dizayn edildi, ancak bunlar sarılmadı. Yine de performansın etki yaratacak kadar artması beklenmemektedir. 10^7'ye varan bir duyarlılık oranı, yükselticinin ayarlanması ile aşılması mümkün olmayan bir güçlük teşkil etmektedir, çünkü sinyal gürültü oranında iyileşme gözlenmemekte ve ölçülmek istenen sinyal gürültü seviyesinin altında kalmaktadır. Ancak bir durum için optimum bobin değişkenlerini veren yazılım birden fazla uygulama için yararlı olabilmektedir. Ayrıca bu yazılım dikdörtgen bobin, düz-spiral bobin gibi farklı bobin türlerini optimize etmek üzere modifiye edilebilir, böylece olası sensör dizaynlarının yelpazesinin geniş tutulmasına olanak sağlanabilir. Sistemin duyarlılığı ve çizgiselliği analiz edildi. LAEET'in yanısıra, manyetik sensörlerin kablosuz güç aktarımı uygulaması da ara¸stırıldı. Güç aktarımı verimliliğini maksimize eden koşullar incelendi. Güç aktarımında verimliliğin en önemli koşulu olan optimum kalite faktörüne sahip bobini bulmak için maksimum duyarlılığı veren bobin boyut değişkenlerini elde etmemizi sağlayan algoritma burada da kullanıldı. Dört bobinli kablosuz güç aktarımı sistemi seçildi, dizayn edildi ve uygulamaya geçirilerek analitik sonuçlarla karşılaştırma yapıldı. Dizayn edilen sistemin verimliliği %7.6 olarak ölçüldü. Bu değer, sarımlarda enamel bakır tel yerine litz teli kullanılmak suretiyle %39'a yükseltildi.
Özet (Çeviri)
In this work, firstly the magnetic sensor types and their feasibility for biomedical applications are investigated. Then the air-cored induction coil sensor is chosen due to its advantages. Afterwards the usage of induction coils combined with amplifiers and connection types are studied. The biomedical applications requiring the use of magnetic field sensors are introduced. One of them, Lorentz Field Electrical Impedance Tomography (LFEIT) is explained in detail and experimental work is done for this application. In the second part, formulation of the magnetic sensor and the amplification circuitry, its frequency related components and frequency response is introduced. An optimization algorithm using MATLAB software is prepared to be able to determine the most sensitive disk shaped air-cored induction coil by its size parameters. This software is tested before moving further forward, according to the formulations given. After explaining the discrepancies caused by the problems encountered through the experimental process, an optimum induction coil sensor is designed for LFEIT application. The sensitivity and linearity of the system are analyzed. Two different amplifier configurations are used. First one includes AD797 as voltage amplifier and the sensitivity of this system is measured to be 17.1 (V m/A). The amplification factor obtained is 20. The maximum deviation from linearity for this case is computed as %15.3. Second one includes two cascaded amplifiers namely, AD600 and AU-1291. The sensitivity of this configuration is measured as 5.45 (V m/A). The maximum deviation from linearity is computed as %2.7. Second configuration is preferred since with the use of cascaded amplifiers, the amplification is increased to 160000. Although the coil with the best sensitivity using the present equipment is wound, the performance of the sensor is still inadequate and it is concluded that better sensitivity is required. There are also other promising coil designs obtained using the software developed, however they are not wound yet. Still, the performance is not expected to increase significantly. A sensitivity of about 10^7 is itself a great challenge which cannot be overcome by adjusting the amplifier since the signal to noise ratio (SNR) does not improve and the signal to be observed remains smaller than the noise level. However the software providing the optimum coil parameters for a specific case is useful in more than one application. Furthermore it can be modified to optimize other coil types such as rectangular coil, flat-spiral coil etc. allowing a very wide range of possible sensor designs. Other than LFEIT, wireless power transfer application of magnetic sensors is also investigated. The conditions that maximizes the power transfer efficiency are studied. The same algorithm used in determining the coil size parameters with maximum sensitivity is also applied to find the coil with the optimum quality factor, which is the most important condition for obtaining the best efficiency in power transfer. Four coil wireless power transfer is chosen, designed and implemented to compare with the analytical results. The efficiency of the designed system is measured as %7.6. This value is increased to %39 by using litz wire at the windings instead of enamel copper wire.
Benzer Tezler
- Design and implementation of magnetic bearings in rotary blood pump
Dönel kan pompasında manyetik rulmanların tasarlanması ve uygulanması
HARIS SHEH ZAD
Doktora
İngilizce
2017
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALPER TUNGA ERDOĞAN
PROF. DR. İSMAİL LAZOĞLU
- Yönelim çıkarımı için arm tabanlı bir gömülü sistem tasarımı ve gerçeklenmesi
Design and implementation of an arm based embedded system for estimation of the orientation
SÜLEYMAN URMAT
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MÜŞTAK ERHAN YALÇIN
- Sürekli mıknatıslı senkron motorun FPGA ile konum tahmin yöntemi ile alan yönlendirmeli kontrollü sürücü tasarımı ve gerçeklenmesi
Design and implementation of pmsm driver controlled by field oriented control method with using FPGA and position estimation method
ALİCAN YILDIZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT YILMAZ
- Design and implementation of a double-sided coreless linear motor
Çift taraflı hava çekirdekli lineer motor tasarımı ve gerçeklenmesiçift taraflı hava çekirdekli lineer motor tasarımı ve gerçeklenmesi
ÖZGE TAŞKIN
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZGÜR ÜSTÜN
- Pozisyon ve yönelim tahmini için, genişletilmiş ve kokusuz kalman filtresi yaklaşımlarıyla sensör füzyonu tasarımı ve uygulanması
Sensor fusion design and implementation by extended and unscented kalman filter approaches for position and attitude estimation
HÜSEYİN ŞAHİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiAviyonik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. VASFİ EMRE ÖMÜRLÜ