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# Biosignalverarbeitung
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## Sensorik
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Im Normalfall werden Sensoren verwendet, die eine physikalische oder chemische Größe in ein elektrisches Signal umwandeln bzw. eine elektrische Größe beeinflussen, die weiter verarbeitet werden können. Eine Umwandlung der Energieform der Biosignale ist notwendig. Selbst bei Sensoren für elektrische Größen ist eine Umwandlung (von Ionenleitung zur Elektronenleitung) nötig.
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Weitere Sensorengruppen, wie Temperatur-und chemische Sensoren werden hier nicht behandelt, da ihre Dynamik aus Sicht der BSA vernachlässigbar gering ist.
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### Klassifikation von Sensoren
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Ein Sensor (lateinisch 'sensus': Gefühl) oder Fühler ist ein technisches Bauteil, das die physikalischen oder chemischen Eigenschaften (z.B. Wärmestrahlung, Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Schall, Helligkeit, Magnetismus, Beschleunigung, Kraft, elektrisches Potential) erfassen und in ein elektronisches oder ein anderes geeignetes Signal umwandeln kann.
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Man unterscheidet zwischen aktiven und passiven Sensoren
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- Aktiver Sensor: gibt eine Spannung oder einen Strom ab, wobei er für seine Funktion elektrische Energie benötigt oder eine Energieart in die elektrische umwandelt. Er wirkt wie eine elektrische Signalquelle (z.B. Phototransistor)
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- Passiver Sensor: ändert elekttrische Größen (z.B. den Widerstand des Dehnmessstreifens in Abhängigkeit von der Dehnung) ohne Energiezufuhr von außen.
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Auflösung von Sensoren:
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- temporal: Zeitabstand zwischen Messungen (z.B. Geigerzähler, Aktionspotentiale)
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- spektral: Abstand von Spektrallinien (z.B. Wärmebildkamera, Infrarotsensor, Spektralphotometer)
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- räumlich: räumlicher Abstand (z.B. EEG, Ultraschall, CT/MRT)
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- und alle Kombinationen (z.B. spatialtemporale Auflösung in einem Frequenzband)
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Klassifikation nach Messgröße:
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- Physikalisch: Kraft, Druck, Moment, Durchfluss
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- Elektrizität: Potential, Strom, Impedanz
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- Magnetismus: Fluss, Induktion
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- Optik/Licht: spektrale Dämpfung, Extinktion
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- Chemisch: Partialdruck von Gasen, Zucker, Hämoglobin
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- Akustik: Herzschalltöne, Atmung
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- Temperatur: Körpertemperatur
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### Druck, Dehnung und Kraft
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Dehnmessstreifen (DMS)
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- Messprinzip: Dehnungsabhängiger Widerstand
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- Realisierung: Widerstandsdraht oder Halbleiter als Gitter auf Träger
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- Messbare Größen: Kraft, Druck, Moment
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- Anwendung in der Medizintechnik: Atmungsdiagnostik, Fahrradergometer, Diagnostik des Bewegungsapparates
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- Signaleigenschaftem
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- passiver Sensor - thermisches und/oder Halbleiter-Rauschen
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- empfindlich gegen NF-elektrische/magnetische und HF-elektromagnetische Felder
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- temperaturabhängig vor allem Halbleiter
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- Übertragungseigenschaften abhängig von der Sensorkopplung
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- Signaldynamik abhängig von Masse und Technologie
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Grundlage ist der piezoresestive Widerstandseffekt: Durch Zug/Druck nimmt der elektrische Widerstand zu/ab
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- $R=\ro\frac{l}{A}=\ro\frac{4l}{d^2\pi}$, $\ro$ spez. Widerstand, $l$ Drahtlänge, $d$ Drahtdurchmesser
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- $R+\delta R=(\ro+\delta\ro)\frac{4(l+\delta l)}{(d-\delta d)^2\pi}$; davon ist $(l+\delta l)$ relevant für die Dehnungsmessung
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Die Widerstandsänderung ist linear abhängig von der Temperaturabhängigkeit des spez. Widerstandes, jedoch nicht linear abhängig von der mechanisch bedingten Änderung der
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Abmessungen. Natürlich hängen die Längenänderung und die des Durchmessers zusammen. Der konkrete Zusammenhang ist jedoch durch die Konstruktion und das Material gegeben und kann nicht verallgemeinert werden. Da für die Messung allein die Längenänderung von Interesse ist, wird im weiteren nur diese betrachtet.
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- $\frac{\delta R}{R}=k\frac{\delta l}{l}=k*\epsilon$, $\epsilon$-relative Dehnung
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- $\epsilon=\frac{F}{EA}$, $F=\frac{\delta R}{R}*\frac{EA}{k}$, E-Elastizitätsmodul
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- In der Praxis aus Kostengründen und wegen geringer Temperaturabhängigkeit meistens Konstant an (54% Cu, 45% Ni, 1% Mn mit $k=2,05$) verwendet
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Messverfahren: Widerstandsmessung mit Brückenschaltung
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- Wheatstone'sche Brücke: $U_A\rightarrow 0|_R \Rightarrow \frac{R_x}{R_V}=\frac{R_2}{R_1}$
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- $R_X=R_V\frac{R_2}{R_1}$
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- Warum wird Rx mit Wheatstone-Brücke und nicht klassisch über Stromeinspeisung und Spannungsmessung bestimmt?
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- Das Messsignal (Ua) ist stärker bzw. die Empfindlichkeit der Messanordnung ist höher als bei einer reinen Strom/Spannungsmessung, außerdem ist Temperaturkompensation möglich.
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- Starkes Messsignal ist sinnvoll wegen der immer vorhandenen Störungen vom Netz und Leitungen, die direkt auf die Kabel der Messanordnung wirken.
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Folien-DMS:
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- Widerstandsdraht mit ca $20\mu m$ Durchmesser oder Halbleiter
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- Träger Acrylharz, Epoxydharz, Polyamid
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Dehnungsmessrosette:
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- Messung in drei Richtungen
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Wie man an diesen Konstruktionsbeispielen gut erkennen kann, bilden die Leitungen ungewollterweise eine Antenne, die alle vorhandenen Störungen aus der Umgebung aufnimmt, vor allem Netzeinstreuung, Mobilfunk und Computernetze.
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### Durchfluss, Volumen
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### Optische Sensoren
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### Akustische Sensoren
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## Verstärkung und analoge Filterung
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## Signalkonditionierung, Abtastung und Digitalisierung
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## Digitale Filterung
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