Měření a regulace v biomedicíně
Kód | Zakončení | Kredity | Rozsah | Jazyk výuky |
---|---|---|---|---|
F7PMBMAR | Z,ZK | 5 | 2P+2L | česky |
- Garant předmětu:
- Peter Kneppo
- Přednášející:
- Roman Matějka
- Cvičící:
- Roman Matějka, Jana Matějková
- Předmět zajišťuje:
- katedra biomedicínské techniky
- Anotace:
-
Předmět se zabývá následujícími tématy - měření elektrických a neelektrických veličin pomocí konvenčních laboratorních přístrojů, průmyslových A/D převodníků a digitalizačních karet typu DAQ, nízkonákladových řešení s MCU typu Arduino, dále faktory ovlivňující přesnost a stabilitu měření a to jak na úrovni samotných senzorů a převodníků, tak také na správné interpretaci těchto dat a vyjádření nejistoty měření a kalibraci, oblast strojového vidění, se zaměřením na kamerové systémy a standardy, a základy rozpoznávání obrazu, regulace bude zahrnovat základy automatizace, návrh stavových a sekvenčních automatů, řešení dopravního zpoždění a tvorbu prahového a proporčního regulátoru, demonstrace na biomedicínských aplikacích, nové trendy v oblasti měření, regulace a automatizace využívající technologii hradlových polí FPGA a reálného času.
- Požadavky:
-
Požadavky na udělení zápočtu:
Povinná docházka na cvičení se dvěma povolenými absencemi bez nutnosti náhrady. V případě většího počtu absencí ze závažných důvodů bude řešeno individuálně. Studenti jsou si povinni vést laboratorní deník, do kterého si budou zaznamenávat postupy a naměřené výsledky v průběhu cvičení. Tento deník je nedílnou součástí pro získání zápočtu. Studenti vždy na konci hodiny dostanou zadání na domácí přípravu látky s tématikou na navazující hodinu. Studenti budou na začátku cvičení tázání (ústně nebo písemně) na danou problematiku. V případě zásadní neznalosti nemůže student absolvovat cvičení.
Hodnocení zkoušky:
V průběhu semestru budou realizovány 3 průběžné testy z probírané látky – zaměření jednotlivých testů 1) digitalizace a úprava signálu ze senzorů, 2) kalibrace, nejistoty, sběrnice a komunikační protokoly, 3) automatizace a regulace. Tyto testy budou obsahovat 1 komplexní početní příklad/realizační úlohu za 20 b a 2 otevřené otázky na problematiku za 10 b. Celkem tedy 40 bodů za test. Celkem je tedy možné získat 120 bodů z testů s tím, že minimum pro známku E je 50 bodů (90 bodů pro známku A). Studenti se mohou přihlásit na ústní zkoušku, při které mohou získat nebo i ztratit +- 15 bodů. Ústní zkoušky se mohou studenti zúčastnit pouze při získání min. 50 bodů z testu.
- Osnova přednášek:
-
1.Úvod do měření, měření elektrických a neelektrických veličin, minimální znalosti základů elektrických měření.
2.Průmyslový sběr dat a akviziční jednotky (datové karty, mikrokontroléry), multiplexované a simultánní převodníky, způsoby zapojení signálu, plovoucí/uzemněné systémy, zemní smyčky.
3.Nejistoty měření, korelované veličiny a kovariance. Analýza naměřených dat, srovnání rozličných systému pro měření stejné veličiny pomocí Bland-Altmanovy metody.
4.Vedení signálu, napěťové, proudové smyčky, frekvenční a PWM přenos, diferenční přenos signálu, vodiče pro připojení signálu.
5.Měření neelektrických veličin, rezistivní (tenzometrické), kapacitní, indukční, optické a elektrochemické snímače, mikrosenzory, lab-on chips.
6.Průmyslové sběrnice a jejich topologie, Fieldbus, ModBus, CAN, adresace, kontrola chyb standardizované sběrnice RS-232, RS-422, RS-485.
7.Laboratorní automatizace měření, standardy VISA, GPIB, IVI
8.Úvod do automatizace, historie, prvky v automatizaci, úvod do zpětnovazebního řízení a regulačních smyček
9.Zpětnovazební regulátory a jejich návrh, stavové regulátory a regulátory s hysterezí, návrh na úrovni operačních zesilovačů, návrh na úrovni mikrokontroléru
10.Zpětnovazební regulátory a jejich návrh, proporční (P, PI, PID), návrh na úrovni operačních zesilovačů, návrh na úrovni mikrokontroléru
11.Optimalizace PID, aplikační systémy, metody ladění regulátorů, testování stability, Fuzzy regulátory
12.Strojové vidění a kamerové systémy
13.Real-time systémy pro měření a regulaci, embedded systémy a využití FPGA pro zpracování dat
14.Rizika měření v klinické praxi. Stínění, zemnění, unikající proudy, izolované soustavy, úraz el. proudem, oddělovací transformátory.
- Osnova cvičení:
-
1.Digitalizace signálu - použití systému NI-DAQ a LabVIEW, možnosti nastavení vzorkování a sběru dat
2.Frekvenční analýza signálu, filtrace, vytvoření datového bufferu pro pomalé signály
3.Digitalizace signálu - low cost řešení pomocí MCU Arduino, export do terminálu a propojení s LabVIEW pro další analýzu
4.Nejistoty měření - složitější příklady, práce s dodanými daty a jejich statistické vyhodnocení.
5.Kalibrace a kalibrační funkce - sestrojení převodní křivky - lineární, mocninná, spline
6.Realizace analogového frontendu pro senzor neelektrických veličin, referenční zdroj, zesilovací obvody, odstranění offsetu, kalibrace a příprava aplikace pro měření
7.Realizace diferenčního vedení analogového signálu, proudová smyčka, frekvenční přenos. Návrh zapojení pro dlouhé vedení, zatížení linky
8.Komunikace v rámci síťové topologie, adresace, kontrolní součty LRC a CRC
9.Komunikace v rámci sítí FIELDBUS s periferiemi, implementace protokolu MODBUS,
10.Laboratorní automatizace a využití laboratorních přístrojů pro sběr data a automatizaci měření, propojení pomocí protokolu VISA/IVI (osciloskop, digitální multimetr, generátor funkcí)11.Návrh hysterezního (on-off) regulátoru, softwarová a hardwarová implementace Realizace prahového regulátoru, sw implementace v LabVIEW, hw implementace na OZ a komparátoru, výpočet pásma hystereze.
12.Návrh PID regulátoru, analýza systému, ladění metodou Ziegler-Nichols Zavedení proporční regulační odchylky, implementace P, PI a PID algoritmu řízení, ladění systému pomocí nalezení bodu nestability, implementace pomalých/normálních/rychlých regulátorů.
13.Optimalizace PID regulátoru, implementace regulace na MCU Arduino
14.Strojové vidění, zpracovaní obrazových dat z kamery v reálném čase, detekce objektů, kalibrace kamery pro měření rozměrů
- Cíle studia:
- Studijní materiály:
-
Povinná literatura:
1.HAASZ, Vladimír a Miloš SEDLÁČEK. Electrical measurements. Vyd. 1. Praha: Česká technika - nakladatelství ČVUT, 2006. 183 s. ISBN 80-01-03375-9.
2.SEDLÁČEK, Miloš a Vladimír HAASZ. Uncertainties in electrical measurements. Vyd. 1. Praha: Vydavatelství ČVUT, 2004. 33 s. ISBN 80-01-02985-9.
3.HAASZ, Vladimír. Advanced distributed measuring systems: exhibits of application. River Publishers, 2012. xii, 245 s. River publishers series of information science and technology. ISBN 978-87-92329-72-1.
Doporučená literatura:
5.NORTHROP, Robert B. Introduction to instrumentation and measurements. Third edition. Boca Raton: CRC Press, Taylor & Francis Group, [2014]. ISBN 9781466596771.
6.PLACKO, Dominique, ed. Fundamentals of Instrumentation and Measurement [online]. London, UK: ISTE, 2007 [cit. 2019-04-30]. DOI: 10.1002/9780470612026. ISBN 9780470612026.
7.FRADEN, Jacob. Handbook of modern sensors: physics, designs, and applications [online]. Fifth edition. Cham: Springer, [2016], 2016 [cit. 2019-04-30]. Dostupné z: <http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&scope=site&db=nlebk&AN=1081958>. ISBN 9783319193038.
- Poznámka:
- Rozvrh na zimní semestr 2024/2025:
- Rozvrh není připraven
- Rozvrh na letní semestr 2024/2025:
-
06:00–08:0008:00–10:0010:00–12:0012:00–14:0014:00–16:0016:00–18:0018:00–20:0020:00–22:0022:00–24:00
Po Út St Čt Pá - Předmět je součástí následujících studijních plánů:
-
- Navazující magisterský studijní program Biomedicínské inženýrství (povinný předmět)