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 prevodnosti. To razmerje je pri nizki vzorčni frekvenci z uporabo FIR-filtra in galvanske izolacije sicer ugodno, se pa s povečevanjem vzorčne frekvence močno poslabša. Za filtracijo motenj bi bilo možno uporabiti analogne filtre (RC členi, aktivni filtri, pasovno zaporni filtri za najbolj moteče frekvence …), možno pa je tudi naknadno digitalno filtriranje signala. Nadgradnja, za katero menimo, da bi občutno znižala šum, je uporaba AD-pretvornika s paralelnim zajemom, torej da hkrati zajame oba merjena signala. Tako se nam motnja, ki je prisotna v signalu, vedno odšteje oziroma se njen vpliv zmanjša. Pri naši implementaciji se signal zajema zaporedno, kar v najslabšem primeru lahko pomeni tudi ojačenje napake, če je ta ravno neugodne frekvence.
Naslednja pomembna izboljšava bi bila uporaba boljše prevodne barve oziroma gela. Predvsem je težava v relativno visoki specifični upornosti grafitne barve, ki povzroči veliko odvisnost prevodnosti od lokacije držanja miške. Možna rešitev je nanos barve na kovinsko folijo, a barva, ki smo jo uporabljali, za to ni bila primerna, saj se je zelo hitro oluščila. Druga rešitev je uporaba samo kovinske folije, torej brez barve, kjer pa bi za ohranitev nevidne meritve morali folijo nekako drugače zakriti. Pri uporabi kovinskih folij je potrebno paziti tudi na trajnost in vzdrževanje – bakrena folija na zraku hitro oksidira in jo je potrebno za boljše rezultate brusiti. Vsekakor se nam zdi to področje vredno podrobnejše raziskave.
Za temperaturni senzor nismo našli nobenega dobrega načina za skrito integracijo v miško. Prav tako uporabljeni senzor nima najhitrejšega odziva na spremembe. Za merjenje hitrih sprememb so najboljši čim manjši senzorji, nameščeni tako, da se jih dotikamo s konicami prstov. Hitrost odziva upočasnjuje tudi pritrditev senzorja, saj se mora za spremembo temperature senzorja spremeniti tudi temperatura podlage, na kateri leži senzor, in temperatura lepila, s katerim je pritrjen. Glede namestitve in izbire temperaturnega senzorja bi bilo torej potrebno narediti še nekaj raziskav, kjer ne bi izključili niti uporabe termografske kamere.
Zanimiva bi bila tudi vgradnja merilnika srčnega utripa v miško, kar bi omogočalo korelacijo med prevodnostjo kože in srčnim utripom. Tako bi imeli dva pokazatelja čustvenega stanja oziroma razburjenja merjene osebe.
Izboljšave 101
Glede same izdelave tiskanega vezja bi lahko namesto uporabe Arduino razvojne plošče uporabili mikrokontroler in vse skupaj naredili na enem tiskanem vezju. Taka zasnova bi bila še manjša in robustnejša ter primerna za vgradnjo tudi v manjše miške, hkrati pa tudi primernejša za večjo proizvodnjo. Če bi na tiskano vezje vgradili še USB galvansko izolacijo, bi se izognili tudi uporabi zunanjega izolatorja, ki je v našem primeru potreben zaradi varnosti in izboljšanja kakovosti meritve.
Zanimiva nadgradnja bi bila tudi popolnoma brezžično delovanje. Miška že deluje brezžično, posredovanje podatkov v računalnik pa poteka preko USB-kabla. Če bi lahko preko Bluetootha prenašali še podatke, bi bila miška popolnoma brezžična, kar bi jo naredilo še varnejšo glede električnega udara ter še manj sumljivo. Za popolnoma brezžično delovanje bi bila poleg Bluetooth modula potrebna še vgradnja dodatne baterije, ki bi napajala merilno vezje. To bi močno povečalo velikost komponent, ki jih je potrebno vgraditi v miško, za kar bi bila potrebna najprej optimizacija velikosti tiskanega vezja in potencialno povečanje prostora v miški ali uporaba večje miške. Namesto Bluetootha bi lahko uporabili tudi kakšno drugo brezžično tehnologijo prenosa, kar pa ne umakne zahteve po dodatnem brezžičnem modulu.
Bolj dodelan bi lahko bil tudi program za zajem meritev. Ta je napisan dovolj dobro za zajem in pregled podatkov v živo, nima pa nobenih funkcionalnosti obdelave podatkov, kot je filtriranje, računanje povprečij, detekcija vrhov, meritve na grafu in podobno. Za naprednejšo uporabo je potrebno podatke uvoziti v kakšen drug program (Excel, Matlab …), kjer je mogoče nad podatki izvajati različne matematične operacije in pripravo tabelarnih ali grafičnih reprezentacij.
Na začetku razvoja smo razmišljali tudi o implementaciji izmeničnih metod merjenja prevodnosti, za katere menimo, da bi meritvam dodale novo razsežnost. Prav tako bi novo razsežnost dodale kompleksnosti vezja, zato bi bila tudi implementacija v miško težja. Če bi razvijali laboratorijski sistem za merjenje prevodnosti, kjer dimenzije ne bi bile omejene, bi gotovo razmislili o izmeničnih meritvah, saj so te manj raziskane in nam lahko dajo vpogled v prevodnost kože s širšim zornim kotom.
103
3 Zaključek
V magistrskem delu sta bila predstavljena razvoj in izdelava merilnika prevodnosti kože v obliki računalniške miške. Kot merilno vezje se je najbolje odrezal preprost uporovni delilnik, ki je kljub enostavnosti konkurenčen ali celo boljši od kompleksnejših vezij. Enostavnost pripomore tudi k minimizaciji vezja, saj v notranjosti miške nimamo veliko prostora.
Med raziskovanjem sta bili izdelani dve merilni miški, ki imata identično elektroniko. Razlika med njima je v elektrodah. Prvi prototip ima vgrajene pozlačene elektrode ter temperaturni senzor, drugi prototip pa ima grafitne elektrode, nima pa temperaturnega senzorja. Kot merilni instrument se veliko bolje odreže miška s pozlačenimi elektrodami, saj je upornost teh elektrod praktično nič. S tem zmanjšuje vpliv postavitve roke na elektrode kot tudi vpliv samih elektrod. Tega ne moremo trditi za miško z grafitnimi elektrodami, kjer je srednja vrednost upornosti elektrod približno 1,6 kΩ, giblje pa se od okrog 1 kΩ do 2,2 kΩ, kar je odvisno od tega, kako držimo miško. Merilno napako, ki jo povzroči upornost elektrod, lahko deloma kompenziramo, težko pa kompenziramo variabilnost, ki jo prinaša različen način držanja miške.
Kljub izsledkom pa je miška z grafitnimi elektrodami še vedno boljša za izvajanje eksperimentov, kjer merjena oseba ne sme vedeti, da je merjena. Pri meritvah nas tipično ne bodo zanimale absolutne vrednosti, ampak predvsem spremembe oziroma odzivi na dražljaje in njihove amplitude. Za ta namen se miška z grafitnimi elektrodami odreže povsem zadovoljivo.
Merilni sistem je primeren tudi za detekcijo sprememb višjih frekvenc, saj gre vzorčna frekvenca skoraj do 500 Hz. Z višanjem vzorčne frekvence sicer povečujemo šum (20-krat višja amplituda šuma kot pri 10 Hz + FIR), ki pa ga lahko zmanjšamo naknadno s pomočjo digitalnih filtrov v fazi obdelave podatkov.
Izdelava merilnega sistema je bila uspešna, vedno pa je možna še kakšna izboljšava. Zanimivo bi bilo videti kakšen eksperiment z uporabo tega merilnega sistema, ki pa ga zaradi obsežnosti nismo vključili v nalogo.
105
Literatura
[1] MatWeb, „Material Property Data,“ [Elektronski]. Available:
http://www.matweb.com/. [Poskus dostopa 19 10 2021].
[2] A. R. Serway, Principles of Physics, Second Edition, 1998.
[3] Scitable, Nature Education, „Ion Channel,“ [Elektronski]. Available:
https://www.nature.com/scitable/topicpage/ion-channel-14047658/.
[Poskus dostopa 19 10 2021].
[4] W. Boucsein, Electrodermal Activity, Second Edition, London:
Springler, 2012.
[5] O. Pabst, C. Tronstad, S. Grimnes, D. Fowles in Ø. G. Martinsen,
„Comparison between the AC and DC measurement of electrodermal activity,“ Psychophysiology, vol. 54, pp. 374-385, 2017.
[6] Microchip Technology Inc., MCP3201 2.7V 12-Bit A/D Converter with SPI Serial Interface, 2011.
[7] Analog Devices, Low Voltage Temperature Sensors TMP36, 2015.
[8] J. S. Steinhart in S. R. Hart, „Calibration curves for thermistors,“
Deep Sea Research and Oceanographic Abstracts Vol 15, Issue 4, pp. 497-503, Avgust 1968.
[9] TipsMake.com, „How to hold the mouse to protect the joint bone,“
[Elektronski]. Available: https://tipsmake.com/how-to-hold-the-mouse-to-protect-the-joint-bone. [Poskus dostopa 27 08 2021].
[10] Texas Instruments, REF50xx Low-Noise, Very Low Drift, Precision Voltage Reference, 2020.
[11] Texas Instruments, ADS1120 4-Channel, 2-kSPS, Low-Power, 16-Bit ADC with Integrated PGA and Reference, 2017.
106 Literatura
[12] Arduino, „Arduino Nano,“ [Elektronski]. Available:
https://store.arduino.cc/products/arduino-nano. [Poskus dostopa 1 12 2021].
[13] GitHub, „ADS1120-Library,“ 26 08 2020. [Elektronski]. Available:
https://github.com/rwagoner/ADS1120-Library. [Poskus dostopa 6 12 2021].
[14] M. Kenk, Simulator prevodnosti kože, Ljubljana, 2016.
[15] T. Steimer, The biology of fear- and anxiety-related behaviors, Dialogues Clin. Neurosci, vol. 4, no. 3, pp. 231–49, Sep. 2002.
[16] N. J. King, T. H. Ollendick in P. J. M. Prins, Test-anxious Children and Adolescents: Psychopathology, Cognition, and Psychophysiological Reactivity, Behaviour Change, Sep. 2000.
[17] Z. Zhang, H. Su, Q. Peng, Q. Yang in X. Cheng, Exam Anxiety Induces Significant Blood Pressure and Heart Rate Increase in College Students, Clin. Exp. Hypertens, Aug. 2011.
[18] M. van Dooren, J. G. J. de Vries in J. H. Janssen, „Emotional sweating across the body: Comparing 16 different skin conductance measurement locations,“ Physiology & Behavior Vol. 106 no. 2, pp. 298-304, 2012.
[19] C. Tronstad, G. E. Gjein, S. Grimnes in Ø. G. Martinsen, „Electrical measurement of sweat activity,“ Physiol. Meas., vol. 29, no. 6, p. 407–415, 2008.
[20] G. Geršak, „Enostavni nizkocenovni merilniki prevodnosti kože,“
Elektrotehniški vestnik 80 (1-2), pp. 64-72, 2013.
[21] S. Grimnes, A. Jabbari, Ø. G. Martinsen in C. Tronstad,
„Electrodermal activity by DC potential and AC conductance measured simultaneously at the same skin site,“ Skin Research and Technology, p.
26–34, 2011.
[22] C. Keppler, T. Rosburg, P. Lemoine, M. Pflüger, N. Gyr in R. Mager,
„Functional Somatic Syndromes: Skin Temperatures and Activity Measurements Under Ambulatory Conditions,“ Appl Psychophysiol Biofeedback, p. 363–373, 2016.
[23] R. D. Macpherson, C. Macneil, A. E. Marble in J. L. Reeves,
„Integrated circuit measurement of skin conductance,“ Behavior Research Methods & Instrumentation vol. 8, pp. 361-364, 1976.
Literatura 107
[24] J. Ogorevc, G. Geršak, D. Novak in J. Drnovšek, „Metrological evaluation of skin conductance measurements,“ Measurement vol 46 no.
9, pp. 2993-3001, 2013.