2.4 Računalniški programski vmesnik
2.4.5 Konfiguracijska datoteka
Konfiguracijska datoteka je XML-datoteka, namenjena hranjenju privzetih vrednosti, iz katere se ob prepoznanju miške vrednosti tudi preberejo in zapišejo na miško. Datoteka je sestavljena iz istih nastavitev, kot so v nastavitvenem programskem oknu, le da je dodanih še nekaj dodatnih nastavitev. Prva je »IsTest«, ki je namenjena zgolj preizkušanju programa in odpravljanju težav. Druga je ime miške, s pomočjo katerega sistem prepozna miško in jo tudi poveže z nastavitvami. Ime miške mora biti unikatno. Tretja dodatna nastavitev je upornost elektrod »R_Elektrod«, ki je potrebna za izboljšanje rezultatov meritev pri grafitni miški. Ta nastavitev se ne pošilja direktno na miško, ampak se upošteva kar znotraj programskega vmesnika.
Računalniški programski vmesnik 77
Slika 33: Konfiguracijska datoteka 2.4.6 Izvoz podatkov v datoteko
Kot že prej omenjeno, se meritve izvažajo v obliki datotek. Gre za CSV-datoteke, kjer so dodatki ločeni s podpičji. CSV-datoteka se generira na tri načine: ob kliku na gumb »Shrani vse«, ob kliku na gumb »Začetek snemanja« ter nato »Konec snemanja«, zadnjič pa se še avtomatsko, in sicer ob izhodu iz programa. Takrat se shranijo vsi podatki od zagona programa do zaustavitve. Ta funkcija je dodana kot varnostna funkcija, da ob morebitnem nenamernem zapiranju programa ne izgubimo narejenih meritev.
Datoteka vsebuje 5 stolpcev:
78 Praktični del
– absoluten čas, – relativen čas, – prevodnost,
– korigirana prevodnost, – temperatura.
Absoluten čas predstavlja poln datum oblike »dd.MM.yyyy HH:mm:ss«. To sta dejanski datum in ura, v kateri je bila zajeta meritev. Relativen čas je čas od zagona programa oziroma v primeru uporabe gumba »Začetek snemanja« in »Konec snemanja« od klika na gumb »Začetek snemanja«. Meri se v sekundah in se začne z 0 za vsako CSV-datoteko. Namenjen je lažji obdelavi podatkov, saj je zapis na prvi pogled prijaznejši in hitrejši za obdelavo. Prevodnost je vrednost prevodnosti, ki jo dobimo direktno iz miške, medtem ko je korigirana prevodnost tista, pri kateri upoštevamo še upornost elektrod. Temperatura je temperatura NTC upora v °C, vse prevodnosti pa so v μS.
Slika 34: Primer CSV-datoteke
2.5 Statična kalibracija sistema
Pri statični kalibraciji smo pomerili upore uporovne dekade Iskra MA 2112, in sicer od 1 kΩ do 10 MΩ. Izvedli smo po 10 meritev na dekadno območje, torej 1, 2, 3, 4, …. 9, 10, 20, 30 ….. Na ta način smo v manj kot 40 meritvah pokrili območje prevodnosti od 0,1 μS do 1000 μS. V praksi nas za merjenje prevodnosti tako območje seveda ne zanima, je pa dobro vedeti, kakšne so zmogljivosti merilnega sistema tudi
Statična kalibracija sistema 79
malo izven uporabnega območja. V nadaljevanju bomo zato rezultate podajali glede na celotno območje meritve in glede na dejansko uporabno območje, za katerega smo izbrali območje od 0,5 μS do 30 μS.
Statično kalibracijo smo opravili za obe izdelani miški (samo za prevodnost, ne za temperaturo). Meritev je potekala tako, da smo najprej pomerili upornost z referenčnim merilnikom Keysight 34470A (7 ½ digit), nato pa še z miško. Meritvi smo nato odšteli in tako dobili merilno napako, ki predstavlja razliko med izmerjeno prevodnostjo z miško in izmerjeno referenčno prevodnostjo s točnim multimetrom. Če to napako delimo še z referenčno prevodnostjo, dobimo relativno napako v odstotkih, ki bolj nazorno kaže na točnost merilnega instrumenta. Napaka za 1 μS pri 1000 μS je namreč nekaj popolnoma drugega kot napaka za 1 μS pri 2 μS, saj v prvem primeru napaka znaša le 0,1 %, v drugem pa kar 50 %.
2.5.1 Miška s pozlačenimi elektrodami
Najprej smo se lotili merjenja miške s pozlačenimi elektrodami. Za to miško smo predvidevali, da bo, kar se tiče električnih lastnosti, boljša od miške z grafitnimi elektrodami, saj nima težav s prevodnostjo samih elektrod.
80 Praktični del
Tabela 8: Merilna napaka (pogrešek) miške s pozlačenimi elektrodami GREF (μS) GMIŠKA (μS) E (μS) E (%)
Statična kalibracija sistema 81
Kar lahko hitro opazimo iz zgornje tabele, je, da miška meri vedno nižjo prevodnost, kot je referenčna. Razlog za to je, da referenčnega upora, ki nastopa v enačbi za izračun prevodnosti, nismo izmerili, ampak smo mu dodelili kar njegovo nazivno vrednost (330 kΩ). Upori pa imajo 1 % tolerance, kar pomeni, da se njegova upornost najverjetneje giblje znotraj intervala med 326,7 kΩ in 333,3 kΩ. Zato smo iz meritev med 0,5 μS do 30 μS izračunali povprečno vrednost relativnega pogreška in izračunali korekcijski faktor kot:
𝑘 = 1 −𝐴𝑉𝐺 100
Enačba 31: Korekcijski faktor
k je korekcijski faktor, AVG pa povprečna relativna napaka na intervalu med 0,5 μS do 30 μS. Povprečna vrednost znaša –0,691 %, kar pomeni, da korekcijski faktor znaša 1,00691. Ta faktor lahko direktno uporabimo za izračun upornosti referenčnega upora, ki torej znaša:
𝑅 = 𝑅′
𝑘 = 330 𝑘Ω
1,00691 = 327,735 𝑘Ω Enačba 32: Dejanska upornost referenčnega upora
R' je nazivna upornost, R pa dejanska upornost. S tako preprosto korekcijo dobimo rezultate, ki so mnogo boljši od prvotnih. Za celotno uporabno območje je relativni pogrešek znotraj 0,5 %.
82 Praktični del
Tabela 9: Merilna napaka (pogrešek) miške s pozlačenimi elektrodami po korekciji GREF (μS) GMIŠKA,
Statična kalibracija sistema 83
Če za relativni pogrešek izrišemo še grafa za oba primera, torej pred in po korekciji, dobimo naslednje:
Graf 14: Prikaz relativne napake za celotno območje kalibracije (0,1 μS do 1000 μS)
Graf 15: Prikaz relativne napake za uporabno območje kalibracije (0,5 μS do 30 μS)
Vidimo, da miška s preprosto multiplikativno konstanto lahko zelo točno meri prevodnost, za večino primerov celo znotraj 0,1 % (od cca 1,6 μS do 14,5 μS), v splošnem pa 0,5 % za celotno območje zanimanja.
2.5.2 Miška z grafitnimi elektrodami
Pri grafitnih elektrodah je bilo pričakovanih več težav. Prva in glavna težava je, da upornost grafitnega sloja ni zanemarljiva. Pri uporabi pozlačenih elektrod upornost samih elektrod predstavlja zanemarljivo vrednost, saj znaša manj kot 1 Ω. Taka vrednost v primerjavi z najnižjo upornostjo kože v najslabšem primeru predstavlja zgolj 0,003 %. Upornost grafitnih elektrod znaša od nekaj 100 Ω do nekaj kΩ, kar smo
-4,0
84 Praktični del
pokazali v poskusu s pobarvanim kartonskim trakcem. V primeru, da privzamemo upornost elektrod 1 kΩ, je napaka v najslabšem primeru (torej najnižja upornost kože) enaka kar 3 %.
Fiksno upornost elektrod je seveda mogoče enostavno programsko kompenzirati tako, da od skupne izmerjene upornosti odštejemo upornost elektrod in nato izračunamo prevodnost. Tukaj pa nastopi druga težava, in sicer odvisnost upornosti elektrod od pozicije roke na miški. Ker na noben način ne moremo ugotoviti točne lokacije roke na miški, kot tudi ne moremo ločiti med upornostjo elektrod in upornostjo roke, ne moremo enostavno kompenzirati vpliva pozicije roke na miški.
Rešitev je v tem primeru več.
Najenostavnejša je, da poiščemo minimalno in maksimalno upornost elektrod tako, da preizkusimo različne prijeme miške. Najnižja upornost bo v primeru, ko bomo miško držali najbližje prehodu iz elektrode na žico, najvišja pa bo, ko bomo od te točke najbolj oddaljeni. Ko dobimo minimalno in maksimalno vrednost, lahko izračunamo srednjo vrednost in to upoštevamo za korekcijo. Pri tem se zavedamo dejstva, da je prispevek upornosti elektrod lahko za polovico razlike med maksimalno in minimalno vrednostjo višji ali nižji, kar tudi direktno vpliva na merilno napako. Ta se bolj pozna pri nižjih upornostih (višje prevodnosti), manj pa pri višjih (nižje prevodnosti).
Druga možna rešitev je kompleksnejša, a bi v večini primerov dala boljše rezultate. Pri tej rešitvi bi morali čim večje število uporabnikov opazovati, kako držijo miško oziroma izmeriti kratkostično upornost med delom z miško tako, da bi jim na prste namestili prevodne trakove na način, da bi povezovali palec z mezincem in prstancem. Na ta način bi dobili dejansko povprečno vrednost upornosti elektrod za realne uporabnike.
Še boljša metoda kompenzacije pa bi bila prilagojena glede na uporabnika, ki bi zahtevala predhodno kalibracijo miške z vsakim uporabnikom posebej. Pri tej metodi bi morali podobno kot pri prejšnji izmeriti kratkostično upornost z nameščanjem prevodnih trakov, le da bi tokrat to naredili za vsakega uporabnika posebej in njegove izmerjene vrednosti uporabili samo za njega. S tem bi zagotovili najboljšo kompenzacijo za vsako merjeno osebo pod predpostavko, da se način oziroma pozicija držanja miške pri istem uporabniku ne spreminja bistveno.
Zaradi enostavnosti smo se odločili za prvo metodo kompenzacije. Ta metoda je popolnoma deterministična in ne zahteva nobenega dodatnega merjenja s testnimi osebki. Da pa se meritev malo izboljša, smo v miško »vgradili« še fizično kompenzacijo, ki temelji na predpostavki, da so glavne variacije pri držanju miške pri tem, ali jo merjena oseba drži bolj spredaj ali pa bolj zadaj. Torej če ima oseba pozicijo
Statična kalibracija sistema 85
palca na miški bolj naprej od povprečja, bo imel avtomatsko tudi pozicijo prstanca in mezinca bolj naprej od povprečja in torej ne bolj nazaj:
Slika 35: Verjetne in neverjetne pozicije prstov na miški
Na sliki so označeni možni načini držanja miške. Velika verjetnost je, da če oseba drži miško s palcem na modri levi označbi (leva slika), potem bosta prstanec in mezinec ležala na desni modri označbi, enako velja za temno in svetlo zeleni označbi.
Malo verjetno pa je, da če bo palec ležal na levi svetlo rdeči označbi (desna slika), da bosta prstanec in mezinec ležala na desni svetlo rdeči označbi.
Elektrode iz prevodne barve so na merilni sistem povezane na diagonalnih pozicijah, kot je prikazano na sliki:
86 Praktični del
Slika 36: Povezava grafitnih elektrod
Taka konfiguracija omogoča naslednje: če se na levi strani (palec) pomikamo od zadaj, kjer je elektroda povezana na merilni sistem, proti sprednjem delu miške (tam, kjer je kabel), se upornost elektrode povečuje. Ko se s palcem pomikamo navzgor, se hkrati navzgor premika cela roka, torej tudi kazalec in mezinec na desni strani miške, s tem se približujemo povezavi na merilni sistem in upornost se znižuje. V idealiziranem primeru se vsota upornosti leve in desne elektrode pri pomikanju naprej ali nazaj po miški ohranja. V praksi temu seveda ni ravno tako, saj sta elektrodi različne geometrije, prstanec in mezinec pa sta tipično bolj naprej od palca. Kljub temu pa postavitev pripomore k zmanjšanju napake zaradi pozicioniranja roke na miško.
Meritve pri statični kalibraciji so bile seveda izvedene pri fiksiranih elektrodah na enem mestu. Rezultati brez kalibracije so naslednji:
Statična kalibracija sistema 87
Tabela 10: Vrednosti meritve pred kalibracijo
GREF (μS) GMIŠKA (μS) E (μS) E (%)
V tem primeru je za odpravo napake potrebno uvesti dve konstanti, in sicer poleg multiplikativne (kot je bila pri miški s pozlačenimi elektrodami) upoštevamo še aditivno konstanto, ki predstavlja srednjo vrednost upornosti elektrod. Konstanti smo
88 Praktični del
v tem primeru določili iterativno tako, da se karakteristika čim bolj izravna in približa vrednosti 0. Absolutna točnost v tem primeru ni potrebna, saj večjo variacijo predstavlja pozicija držanja miške.
Tabela 11: Vrednosti po kalibraciji GREF (μS) GMIŠKA,
Statična kalibracija sistema 89
Graf 16: Prikaz relativne napake za celotno območje kalibracije (0,1 μS do 1000 μS)
Graf 17: Prikaz relativne napake za uporabno območje kalibracije (0,5 μS do 30 μS)
2.5.2.1 Upornost glede na lokacijo
Grafitne elektrode imajo upornost, ki ni zanemarljiva in je odvisna od tega, kje miško primemo. Da bi ta pojav bolje opisali, smo naredili poskus, pri katerem smo merili kratkostično upornost/prevodnost in upornost 100 kΩ upora tako, da smo na miški spreminjali lokacije elektrod. Izbrali smo tri točke na vsaki strani miške in pomerili vse kombinacije (3 × 3 = 9 kombinacij). Točke smo označili kot L (leva stran) in D (desna stran) od 1 do 3, kot je označeno na sliki.
90 Praktični del
Slika 37: Oznake merilnih točk
Priključitev prve elektrode na merilno vezje se nahaja pri točki L3, priključitev druge pa pri točki D1, zato je posledično pričakovana upornost med tema dvema merilnima točkama najnižja, med nasprotnima dvema (L1 in D3) pa največja.
Rezultate meritev smo predstavili v tabelah:
Tabela 12: Meritev različnih lokacij elektrod, upornost 0 Ω
kΩ L1 L2 L3
D1 1,413 1,489 0,950 D2 1,818 1,521 1,341 D3 2,163 2,155 1,770
Tabela 13: Meritev različnih lokacij elektrod, upornost 100 kΩ
kΩ L1 L2 L3
D1 101,93 101,92 101,48 D2 102,38 102,04 101,87 D3 102,68 102,69 102,32
Vidimo torej, da je upornost res močno odvisna od lokacije elektrod oziroma od točke prijema miške. Najmanjša upornost pri kratkem stiku znaša 0,950 kΩ, največja
Dinamična kalibracija sistema 91
pa 2,163 kΩ, kar je za več kot 1,2 kΩ razlike. Če vzamemo kot upornost elektrod srednjo vrednost med minimalno in maksimalno, dobimo odstopanje za ± 600 Ω. To nam lahko, še posebej pri visokih prevodnostih, močno popači meritev, tudi za 1 %.
K sreči je zelo malo verjetno, da bi miško držali na tak način, da bi povzročili najslabši možen scenarij. Miško bomo tipično držali približno simetrično, torej na obeh straneh na približno enaki točki (L1-D1, L2-D2 ali L3-D3). V teh primerih je upornost veliko bolj konstantna, minimalna je pri L1-D1, 1,413 kΩ, največja pa pri L3-D3, 1,770 kΩ. Razlika tukaj znaša 0,357 kΩ. Če v tem primeru vzamemo srednjo vrednost, dobimo odstopanje za ± 180 Ω, kar je trikrat manj kot v najslabšem primeru.
Postavitev priključkov elektrod torej občutno zmanjša vpliv spreminjanja upornosti glede na lokacijo. Vpliv bi še dodatno omilili z znižanjem upornosti grafitne barve, torej z uporabo prevodnejše barve ali pa z debelejšim nanosom.
2.6 Dinamična kalibracija sistema
Pri dinamični kalibraciji je bil glavni namen preverjanje odziva sistema na spremembe prevodnosti. Če bi želeli narediti pravo kalibracijo, bi morali sistem primerjati z referenčnim sistemom in primerjati njegov odziv in odziv miške za merjenje prevodnosti. Glede točnosti meritev smo že opravili statično kalibracijo, za preverjanje odziva pa smo test izvedli s pomočjo simulatorja prevodnosti kože.
Simulator je preprosta naprava, ki simulira prevodnost kože. Ponuja fiksen 100 kΩ upor (10 μS) za statično kalibracijo in dinamičen izhod, na katerem je možno izbirati med nekaj načini delovanja:
– SCR ON/OFF, – Frekvenca SCR, – Amplituda SCR.
Če je stikalo SCR ON/OFF izključeno, je na izhodu fiksna prevodnost okrog 2 μS, ob vklopu pa se ta poviša na približno 7 μS. Z gumbom za frekvenco SCR spreminjamo frekvenco pulzov. Na voljo imamo tri frekvence, in sicer 5/min, 10/min in 20/min. Z gumbom za amplitudo imamo na voljo dve amplitudi odziva SCR:
0,25 μS in 0,5 μS. Ker je optični sklopnik, ki zagotavlja spreminjanje upornosti, temperaturno odvisen, je možna kalibracija s pomočjo potenciometra, da nastavimo SCL nivo točno na 2 μS [14].
92 Praktični del
S simulatorjem prevodnosti smo izvedli nekaj poskusov. Najprej smo naredili kalibracijo, nato pa poskus vklopa in izklopa SCR. Na sredini poskusa smo še povečali amplitudo iz 0,25 μS na 0,5 μS. Potek poskusa je prikazan v grafu.
Graf 18: Izsek preizkusa vklopa in izklopa SCR na simulatorju prevodnosti kože
V naslednjem poskusu smo preizkusili načine delovanja simulatorja. Preizkusili smo vseh 6 kombinacij frekvence in amplitude ter jih tudi grafično predstavili:
Graf 19: Preizkus SCR 5/min
0
820 850 880 910 940 970
Prevodnost [μS]
Dinamična kalibracija sistema 93
Graf 20: Preizkus SCR 10/min
Graf 21: Preizkus SCR 20/min
V naslednjem poskusu pa smo preverili različne vzorčne frekvence merilnega sistema. Izračunali smo dejansko frekvenco zajema in standardni odklon meritev pri merjenju fiksnega upora z vrednostjo 10 μS:
6,6 6,7 6,8 6,9 7,0 7,1
0 30 60 90 120
Prevodnost [μS]
Čas [s]
6,6 6,7 6,8 6,9 7,0 7,1
0 30 60 90 120
Prevodnost [μS]
Čas [s]
94 Praktični del
Graf 22: Primerjava merjenja pri različnih vzorčnih frekvencah
Vzorčne frekvence AD-pretvornika so bile pri poskusu naslednje: 20 SPS + FIR, 20 SPS, 45 SPS, 90 SPS, 175 SPS, 330 SPS, 600 SPS in 1000 SPS (na grafu v zapisanem vrstnem redu).
Poskus smo nato ponovili še enkrat, le da smo tokrat uporabili še USB galvansko izolacijo. Ta že na videz izboljša meritve:
Graf 23: Primerjava merjenja pri različnih vzorčnih frekvencah z USB izolacijo
9,8 9,9 10 10,1 10,2
0 30 60 90 120 150
Prevodnost [μS]
Čas [s]
9,8 9,9 10,0 10,1 10,2
0 30 60 90 120 150
Prevodnost [μS]
Čas [s]
Dinamična kalibracija sistema 95
Dejanske frekvence in standardne odklone smo zbrali v tabeli:
Tabela 14: Vzorčne frekvence zajema signala in standardni odkloni Vzorčna frekvenca meritvi prikazani ena na drugi:
Graf 24: Primerjava uporaba galvanske izolacije
Kot vidimo tako iz tabele standardnih odklonov kot tudi iz grafa, je pri vzorčni frekvenci 20 SPS s FIR-filtrom rezultat podoben, brez FIR-filtra pa se takoj pokažejo razlike, ki se s povečevanjem frekvence še povečujejo. Galvanska izolacija torej ne prinese le večje varnosti pri merjenju, ampak tudi izboljša razmerje signal-šum in s tem kakovost meritve. V tabelo smo dodali še meritev za vzorčenje z maksimalno
96 Praktični del
frekvenco v »turbo« načinu, ki je 2000 SPS. Dejanska vzorčna frekvenca zajema v tem primeru znaša skoraj 500 Hz.
2.7 Eksperimenti
Miška s pozlačenimi elektrodami je bila narejena kot testna miška, s katero smo želeli preveriti tudi morebitno povezavo med temperaturo in prevodnostjo kože. Ta miška je namenjena za laboratorijske meritve, zato ni tako lepa in nevpadljiva kot miška z grafitnimi elektrodami, katere glavni namen je neopaznost, pa čeprav zaradi tega mogoče žrtvuje točnost meritve.
Preizkus, ki sem si ga zamislil, je sestavljen iz štirih dogodkov:
– Umirjanje,
– začetek zadrževanja zraka, – konec zadrževanja zraka, – umirjanje.
Namen prvega umirjanja je stabilizacija nivoja prevodnosti oziroma določitev stacionarnega nivoja ter stabilizacija temperature (ta vzame veliko časa, vsaj pribl. tri minute, raje pet minut ali več). Drugi in tretji dogodek predstavljata osrednji del meritve, ki pa mu sledi še eno umirjanje, da se prevodnost in temperatura spet stabilizirata.
Potek eksperimenta je bil sledeč: začel se je z umirjanjem (pet minut in pol), pri katerem je roka v konstantnem stiku z miško. Pritisk na miško je med celotnim poskusom čim bolj konstanten, saj le-ta vpliva na prevodnost in temperaturo. Po fazi umirjanja sledi zajem zraka in zadrževanje, dokler gre. Zanimivost je pričakovana tik pred koncem zadrževanja zraka. Merjena oseba mora zrak poskusiti zadrževati čim dlje od točke, pri kateri bi običajno odnehali in ponovno vdihnili. Na ta način povzročimo velik stres na telo, ki »misli«, da se utaplja oziroma ne more do zraka. V tej točki je pričakovan visok porast prevodnosti. Po tej točki sledi zopet umirjanje in stabilizacija nivojev v normalno stanje. Rezultati prve ponovitve so prikazani na Grafu 25.
Eksperimenti 97
Graf 25: Preizkus zadrževanje zraka
Prvi označeni dogodek predstavlja začetek, drugi pa konec zadrževanja zraka.
Kot napovedano, se vidi tik pred ponovnim zajetjem zraka visok porast prevodnosti.
Na temperaturi se porast ne pozna toliko, se pa pozna relativno velik padec temperature takoj po vdihu. Med fazo umirjanja se prevodnost spet stabilizira, temperatura pa spet počasi narašča.
Poskus smo ponovili še enkrat in dobili podobne rezultate. Tokrat smo si pred meritvijo umili roke, zato smo dobili nekoliko nižje vrednosti prevodnosti.
Graf 26: Preizkus zadrževanja zraka drugi poskus
33,0
270 330 390 450 510 570 630
Temperatura [°C]
98 Praktični del
2.8 Slike končnih izdelkov
Prva verzija miške je bila poskusna verzija, kjer smo testno namestili elektrode in temperaturni senzor. Prototip je bil uspešen, smo pa pri tej miški ugotovili, da je potrebno elektrode bolj skriti.
Slika 38: Prva verzija miške, desna stran
Slika 39: Prva verzija miške, leva stran
Slike končnih izdelkov 99
Pri drugi verziji miške temperaturni senzor ni nameščen, so pa elektrode dobro zakrite, da uporabnik ne more ugotoviti, da je merjen.
Slika 40: Druga verzija miške, desna stran
Slika 41: Druga verzija miške, leva stran
100 Praktični del
2.9 Izboljšave
Med izdelavo in ob analizi končnega izdelka smo opazili določene stvari, ki bi jih bilo mogoče narediti bolje ali pa niso povsem uspele. Na to analizo naj bo še posebej pozoren bralec, ki ima namen izdelati podobno ali izboljšano različico merilnega instrumenta za merjenje prevodnosti kože.
Prva stvar, ki bi jo bilo mogoče izboljšati, je razmerje signal-šum meritve
Prva stvar, ki bi jo bilo mogoče izboljšati, je razmerje signal-šum meritve