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Sensori e misure per la bioingegneria

01PORMV

A.A. 2022/23

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Biomedica - Torino

Organizzazione dell'insegnamento
Didattica Ore
Lezioni 45
Esercitazioni in laboratorio 15
Docenti
Docente Qualifica Settore h.Lez h.Es h.Lab h.Tut Anni incarico
Vallan Alberto Professore Associato ING-INF/07 45 0 20 0 10
Collaboratori
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Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-INF/07 6 C - Affini o integrative A11
2022/23
L'insegnamento riguarda la moderna strumentazione per la misurazione di grandezze fisiche e ha lo scopo di fornire agli allievi le nozioni di base per la corretta progettazione di un sistema di misura e di svolgere in autonomia l’analisi quantitativa delle prestazioni. Particolare enfasi sarà data alla misurazione di grandezze utili in ambito biomedicale. L'insegnamento comprende lezioni in aula ed esercitazioni sperimentali di laboratorio dove si utilizzeranno gli strumenti e i sensori descritti a lezione e si realizzeranno e caratterizzeranno semplici, ma completi, sistemi di misura automatici.
This course is focused on electronic instruments for the measurement of physical quantities. It presents the typical instrument architectures and a detailed description of the main blocks: sensors, conditioning circuits, acquisition devices, data processing and result presentation. The course also provides analytical tools and methods for the evaluation of the measurement uncertainty and for assessment of the instrument metrological performance.
I risultati attesi riguardano la conoscenza della struttura e del principio di funzionamente di strumentazione elettronica e di sensori per grandezze fisiche, la capacità di analisi e di progetto di circuiti condizionamento per sensori e sistemi di acquisizione, il calcolo dell’incertezza di misura, l’analisi e la correzione di errori sistematici. Lo studente dovrà poi essere in grado di analizzare le specifiche di strumenti e di sensori commerciali e di operare scelte progettuali volte ad ottenere le migliori prestazioni dal punto di vista misuristico. Lo studente imparerà quindi ad impiegare in modo consapevole la strumentazione di laboratorio e ad analizzare in modo critico le prestazioni del sistema realizzato.
The expected outcomes are the knowledge of the main instrument architectures and working principles, the knowledge of the main sensors for physical quantities as well as their technical specifications, the analysis of sensor conditioning circuits both from the electrical and the metrological point of view. At the end this course the student will be able to analyze the uncertainty contributions of simple measurement instruments. A relevant part of this course will be devoted to experimental activities so the students will be also able to work with electronic instruments and to develop real, although simple, measurement instruments that take advantage of the described sensors.
Elettrotecnica, fisica II, elettronica.
Circuit theory, Physics II, Electronics.
Fondamenti di misura o Motivazioni. Definizione di misura. I metodi di misura. Incertezza e errore. Misurazioni dirette ed indirette. Incertezza di misura con il modello deterministico. Incertezza strumentale (indice di classe e formula bionomia), di lettura, intrinseca. Propagazione di incertezza nelle misure indirette Strumentazione e metodi o Strumentazione elettromeccanica di base, voltmetri e amperometri. Incertezze ed effetti sistematici. o Richiami sui principi della conversione analogico/digitale e sui convertitori A/D parallelo, ad approssimazioni successive e a integrazione. Errori di risoluzione, offset guadagno e linearità. Absolute accuracy. o Misurazione di segnali alternati. Convertitori ac-dc a singola e doppia semionda, di picco, a vero valore efficace. o Multimetri numerici. Funzioni: tensione continua, corrente continua, tensione alternata, resistenza a due e quattro morsetti, frequenza. o Schede di acquisizione dati. Struttura, acquisizione multi-canale, modalità di acquisizione (riferita, differenziale, single ended) o Cenni sull’ambiente di sviluppo Labview Sensori o Caratteristiche e principali principi fisici di funzionamento o Sensori di temperatura: resistivi, termocoppie, , pirometri, elettronici o Sensori di forza: estensimetri, celle di carico, piezoelettrici o Sensori di spostamento: trasformatori lineari, potenziometri, ottici o Sensori di accelerazione e di umidità Laboratorio L’elenco è indicativo e potrà subire variazioni 1. uso di strumentazione di base di laboratorio 2. Uso di voltmetri e amperometri analogici e numerici 3. Uso di Labview 4. Termometro con Pt100 (misure accurate di temperatura e analisi dell’incertezza) 5. Termometro con NTC (misure in condizioni dinamiche) 6. Termometro con termocoppie e sensori elettronici (compensazione giunto di riferimento e uso di amplificatori da strumentazione) 7. Misurazione di forza in condizioni statiche e dinamiche con celle di carico
• Metrology basics o Definitions, uncertainty with the deterministic model, uncertainty propagation, instrumental uncertainty, systematic effects, errors, error corrections, definitional uncertainty • Instruments and methods o Analogue instruments for voltage, current and resistance measurements o Analogue to digital converters and digital voltmeters (performance, uncertainty evaluation, errors, error correction, integrating converters) o AC measurements: AC to Dc converters (full and half wave rectifiers, peak, true RMS) o Digital multimeters o Digital acquisition boards o Labview • Sensors o Sensor characteristics and specifications o Temperature sensors (Pt100, NTC, thermocouples, electronics, pyrometers) o Strain, force, displacement and acceleration sensors o Humidity sensors • Laboratories (list subjected to changes): 1. Usage of basic instruments for voltage and current measurements 2. Labview basics 3. Pt100 (high accuracy thermometer) 4. Termistor (high speed thermometer) 5. Thermocouples and electronic sensors (minimally invasive thermometer and usage of instrumentation amplifiers) 6. Load cells (calibration and performance assessment of an electronic balance, dynamic force measurements)
Lezioni in aula 45 ore e esercitazioni di laboratorio 15 ore da svolgere in gruppo o singolarmente. È richiesta la stesura di brevi relazioni di laboratorio quindi la frequenza dei laboratori è obbligatoria.
Lessons and exercises: 39 h Laboratory: 21 h Students are grouped by 3-4 and must write a report for each laboratory. Students must attend laboratory sessions.
Dispense, esercizi e temi d’esame a cura del docente. Ai fini dell’apprendimento è importante seguire sia le lezioni in aula sia le esercitazioni di laboratorio. A. Carullo, U. Pisani, A. Vallan, 'Fondamenti di misure e strumentazione elettronica', Edizioni C.L.U.T. ' Torino, 2006
Slides and exercises will be provided at the beginning and during the course. Book about uncertainty, analogue and digital instruments: A. Carullo, U. Pisani, A. Vallan, 'Fondamenti di misure e strumentazione elettronica', Edizioni C.L.U.T. ' Torino, 2006
Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale facoltativa; Elaborato scritto prodotto in gruppo;
Exam: Written test; Optional oral exam; Group essay;
L’esame è scritto, integrato con la valutazione delle relazioni di laboratorio. La prova orale è facoltativa. La prova scritta è volta ad accertare la conoscenza degli argomenti trattati a lezione, a valutare la capacità di analizzare e calcolare l'incertezza di misura, di calcolare le prestazioni attese da sensori e relativi circuiti di condizionamento, di analizzare i manuali di strumenti e sensori e di progettare i sistemi di misura contenenti i sensori descritti a lezione. La prova scritta è composta di 10 quesiti a risposta aperta riguardanti esercizi e/o argomenti di teoria. Il tempo a disposizione per lo svolgimento è di 1h e 45min. Il punteggio massimo è di 30/30. Durante la prova non si potranno consultare libri, slides o appunti. Gli studenti che superano la prova scritta con punteggio >=16/30 potranno sostenere una prova orale facoltativa. La prova orale verterà su tutto il programma. La prova orale comporta un incremento o una riduzione del voto della prova scritta fino a 5 punti. Il Docente si riserva la facoltà di chiedere una verifica orale dell’elaborato. Le relazioni “brevi” di laboratorio dovranno essere redatte in gruppo direttamente in laboratorio durante lo svolgimento dell’esercitazione e saranno consegnate per posta elettronica alla fine dell’esercitazione o entro la data comunicata dal docente. Sarà valutato sia il contenuto della relazione sia la presenza in laboratorio. Una singola assenza in laboratorio non comporta penalizzazioni. Il punteggio massimo assegnato alle relazioni è di punti 2 che saranno sommati al voto della prova scritta già eventualmente corretto in funzione della prova orale. Votazione finale Il voto sarà determinato come somma dei voti delle due prove scritte, della valutazione delle relazioni e del voto ottenuto durante la prova orale facoltativa. Per gli studenti che frequentano l’insegnamento integrato PDBP/Sensori e Misure per la Bioingegneria (01RAGMV) il voto finale sarà determinato come descritto nella parte di scheda relativa al corso 01RAGMV. Per gli studenti che frequentano il solo corso Sensori e Misure per la Bioingegneria (01PORMV) il voto finale sarà sarà approssimato all’intero più vicino. Superando il punteggio di 30,5 allo studente sarà assegnata la lode.
Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.
Exam: Written test; Optional oral exam; Group essay;
- Written examination (1:30 hours) with 10 open questions about theory and exercises. The written exam is aimed at evaluating the knowledge of the arguments presented during the lessons, at evaluating the ability of analyzing and estimating the measurement uncertainty, at evaluating the metrological performance of sensors and related conditioning circuits, at evaluating the student capability of reading and understanding sensor and instrument specifications. The maximum score of the written part is 30/30. Notes, books, slides are not allowed during the exam. - Evaluation of the laboratory short reports. Students must attend the laboratory. The report must be delivered at the end of the laboratory or within the deadline decided by the teacher. The maximum score of the report is 2 points that will be added to the written part score. One single absence does not affect the score. - The oral exam is optional for students with a score of the written part equal or greater then 18/30 and it will be focused on the full program. The oral exam score is within + 3 points to -3 points that will be added to the written part score. Laude will assigned in case of an overall score equal or greater than 30.5/30.
In addition to the message sent by the online system, students with disabilities or Specific Learning Disorders (SLD) are invited to directly inform the professor in charge of the course about the special arrangements for the exam that have been agreed with the Special Needs Unit. The professor has to be informed at least one week before the beginning of the examination session in order to provide students with the most suitable arrangements for each specific type of exam.
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