Univerza v Ljubljani Fakulteta za elektrotehniko
Tine Šivec
V računalniško miško vgrajen merilnik prevodnosti kože
Magistrsko delo
Mentor: prof. dr. Gregor Geršak
Ljubljana, 2022
Zahvala
Hvala mentorju prof. dr. Gregorju Geršaku za vso strokovno pomoč pri izdelavi magistrskega dela.
Hvala Laboratoriju za metrologijo in kakovost za posojeno merilno opremo ter možnost uporabe prostorov za izvajanje meritev.
Hvala moji družini in prijateljem, ki so me podpirali v času študija in pisanja magistrskega dela.
5
Vsebina
1 Uvod 17
1.1 Električna upornost in prevodnost ... 17
1.2 Zgradba kože ... 19
1.2.1 Sestava kože ... 19
1.2.2 Kožne žleze... 20
1.2.3 Fiziologija žlez znojnic ... 21
1.2.4 Ionska sestava znoja ... 22
1.2.5 Vrste znojenja ... 22
1.3 Merjenje elektrodermalne aktivnosti ... 22
1.3.1 Varnost ... 23
1.3.2 Ločevanje toničnega in fazičnega odziva ... 24
1.3.3 Izmenične meritve ... 26
1.3.4 Mesta za merjenje EDA ... 26
1.3.5 Obdelava kože na merilnih mestih ... 28
1.3.6 Elektrode ... 28
2 Praktični del 31 2.1 Merjenje prevodnosti ... 31
2.1.1 Uporovni delilnik ... 31
2.1.2 Operacijski ojačevalnik ... 37
2.1.3 Merilno vezje z avtomatskim nastavljanjem praga ... 41
2.1.4 Izbira merilne metode ... 43
2.2 Merjenje temperature ... 44
2.2.1 Analogni senzor TMP36 ... 44
2.2.2 NTC-termistor ... 45
2.3 Konstrukcija merilnega sistema ... 48
6 Vsebina
2.3.1 Izbira miške ... 48
2.3.2 Postavitev elektrod ... 48
2.3.3 Napetostna referenca ... 55
2.3.4 Analogno-digitalno pretvornik ... 57
2.3.5 Mikrokrmilnik ... 62
2.3.6 Končno vezje ... 64
2.3.7 Programiranje mikrokrmilnika ... 68
2.4 Računalniški programski vmesnik ... 72
2.4.1 Samodejno zaznavanje miške ... 72
2.4.2 Glavno programsko okno ... 73
2.4.3 Nastavitveno programsko okno ... 74
2.4.4 Programsko okno z grafi ... 75
2.4.5 Konfiguracijska datoteka ... 76
2.4.6 Izvoz podatkov v datoteko ... 77
2.5 Statična kalibracija sistema ... 78
2.5.1 Miška s pozlačenimi elektrodami ... 79
2.5.2 Miška z grafitnimi elektrodami ... 83
2.6 Dinamična kalibracija sistema ... 91
2.7 Eksperimenti ... 96
2.8 Slike končnih izdelkov ... 98
2.9 Izboljšave ... 100
3 Zaključek 103
Literatura 105
Vsebina 7
Kazalo slik
Slika 1: Zgradba kože ... 20
Slika 2: USB izolator ... 24
Slika 3: Ločitev EDR od EDL ... 25
Slika 4: Priporočene točke za merjenje EDA – točka E je mesto za neaktivno elektrodo pri endosomatskih meritvah [4] ... 27
Slika 5: Merjenje EDA na stopalu [4] ... 28
Slika 6: Najbolj optimalne elektrode so iz zlitine srebra in srebrovega klorida29 Slika 7: Osnovno vezje za merjenje prevodnosti ... 31
Slika 8: Model vhoda AD-pretvornika iz podatkovnega lista [6]... 36
Slika 9: Vezje z operacijskim ojačevalnikom ... 37
Slika 10: Vezje z avtomatskim nastavljanjem praga ... 42
Slika 11: TMP36 ... 44
Slika 12: NTC-termistor ... 45
Slika 13: Miška Logitech M705 Marathon ... 48
Slika 14: Najbolj razširjeni načini držanja miške [9] ... 49
Slika 15: Kabelski čeveljček ... 50
Slika 16: Leva stran miške s pozlačenimi elektrodami ... 51
Slika 17: Desna stran miške s pozlačenimi elektrodami ... 51
Slika 18: Grafitni razpršilnik ... 52
Slika 19: Trak za merjenje prevodnosti barve ... 52
Slika 20: Napetostna referenca REF5040 [10] ... 56
Slika 21: Blokovna shema AD-pretvornika ADS1120 iz podatkovne liste [11] ... 60
Slika 22: Arduino Nano ... 63
Slika 23: Arduino Nano V/I priključki [12] ... 63
Slika 24: Končno vezje za merjenje prevodnosti in temperature ... 64
Slika 25: Shema tiskanega vezja... 66
Slika 26: Tiskano vezje (končna različica) zgornja (levo) in spodnja stran (desno) ... 67
Slika 27: Testno vezje ... 68
Slika 28: Opozorilo v primeru, da na računalnik ni priključen noben mikrokrmilnik ... 73
Slika 29: Glavno programsko okno ... 73
Slika 30: Gumb za konec snemanja ... 74
Slika 31: Nastavitve ... 74
8 Vsebina
Slika 32: Graf ... 76
Slika 33: Konfiguracijska datoteka ... 77
Slika 34: Primer CSV-datoteke ... 78
Slika 35: Verjetne in neverjetne pozicije prstov na miški ... 85
Slika 36: Povezava grafitnih elektrod ... 86
Slika 37: Oznake merilnih točk ... 90
Slika 38: Prva verzija miške, desna stran ... 98
Slika 39: Prva verzija miške, leva stran ... 98
Slika 40: Druga verzija miške, desna stran ... 99
Slika 41: Druga verzija miške, leva stran ... 99
Kazalo tabel
Tabela 1: Okvirne vrednosti specifičnih upornosti in prevodnosti pogostih materialov [1], [2] ... 18Tabela 2: Povprečno število žlez znojnic [4] ... 21
Tabela 3: Podatki napetostne reference ... 57
Tabela 4: Multiplekser AD-pretvornika ... 60
Tabela 5: Vzorčne frekvence in načini delovanja ... 62
Tabela 6: Komande za nastavljanje parametrov ... 70
Tabela 7: Načini delovanja SPI ... 71
Tabela 8: Merilna napaka (pogrešek) miške s pozlačenimi elektrodami ... 80
Tabela 9: Merilna napaka (pogrešek) miške s pozlačenimi elektrodami po korekciji ... 82
Tabela 10: Vrednosti meritve pred kalibracijo ... 87
Tabela 11: Vrednosti po kalibraciji ... 88
Tabela 12: Meritev različnih lokacij elektrod, upornost 0 Ω ... 90
Tabela 13: Meritev različnih lokacij elektrod, upornost 100 kΩ ... 90
Tabela 14: Vzorčne frekvence zajema signala in standardni odkloni ... 95
Vsebina 9
Kazalo grafov
Graf 1: Potek napetosti U0 v odvisnosti od prevodnosti kože GK ... 32
Graf 2: Merilna napaka, ki jo povzroči odstopanje za 1 digit glede na prevodnost... 34
Graf 3: Občutljivost merilnega sistema ... 35
Graf 4: Merilna napaka v odvisnosti od prevodnosti ... 36
Graf 5: Merilna napaka, ki jo povzroči odstopanje za 1 digit ... 39
Graf 6: Merilna napaka vezja z operacijskim ojačevalnikom ... 41
Graf 7: Potek napetosti UIZ v odvisnosti od prevodnosti kože GK vezja z avtomatskim nastavljanjem praga... 43
Graf 8: Merilna napaka, ki jo povzroči odstopanje za 1 digit ... 43
Graf 9: Temperaturna odvisnost NTC-termistorja ... 47
Graf 10: Rezultati meritev upornosti v odvisnosti od razdalje med elektrodama in številom nanosov prevodne barve ... 54
Graf 11: Odvisnost ρ/debelina od števila nanosov prevodne barve ... 54
Graf 12: Upornost v odvisnosti od razdalje za aluminijasto folijo in grafitni nanos ... 55
Graf 13: Grafična predstavitev omejitev za common mode napetosti pri napajanju +5 V in 0 V ter PGA ojačenju enakim 8 ... 61
Graf 14: Prikaz relativne napake za celotno območje kalibracije (0,1 μS do 1000 μS) ... 83
Graf 15: Prikaz relativne napake za uporabno območje kalibracije (0,5 μS do 30 μS) ... 83
Graf 16: Prikaz relativne napake za celotno območje kalibracije (0,1 μS do 1000 μS) ... 89
Graf 17: Prikaz relativne napake za uporabno območje kalibracije (0,5 μS do 30 μS) ... 89
Graf 18: Izsek preizkusa vklopa in izklopa SCR na simulatorju prevodnosti kože ... 92
Graf 19: Preizkus SCR 5/min ... 92
Graf 20: Preizkus SCR 10/min ... 93
Graf 21: Preizkus SCR 20/min ... 93
Graf 22: Primerjava merjenja pri različnih vzorčnih frekvencah ... 94
Graf 23: Primerjava merjenja pri različnih vzorčnih frekvencah z USB izolacijo... 94
Graf 24: Primerjava uporaba galvanske izolacije ... 95
10 Vsebina
Graf 25: Preizkus zadrževanje zraka ... 97 Graf 26: Preizkus zadrževanja zraka drugi poskus ... 97
11
Seznam uporabljenih simbolov
EDA – elektrodermalna aktivnost (Electrodermal Activity) EDL – tonični odziv (Electrodermal Level)
EDR – fazični odziv (Electrodermal Response) SC – prevodnost kože (Skin Conductance) SCL – tonični odziv (Skin Conductance Level) SCR – fazični odziv (Skin Conductance Response) GSR – galvanski odziv kože (Galvanic Skin Response) DC – enosmerni tok (Direct Current)
AC – izmenični tok (Alternating Current)
USB – univerzalno serijsko vodilo (Universal Serial Bus)
AD-pretvornik – analogno-digitalni pretvornik (Analog to Digital Converter) NTC – negativni temperaturni koeficient (Negative Temperature Coefficient) SNR – razmerje signal – šum (Signal to Noise Ratio)
GND – masa = 0 V (Ground)
SPS – vzorcev na sekundo (Samples per second)
FIR – filter s končnim impulznim odzivom (Finite Impulse Response)
13
Povzetek
V magistrskem delu je predstavljena izdelava in testiranje merilnega sistema za merjenje prevodnosti kože v obliki računalniške miške. Cilj naloge je bil izdelati enostaven in kakovosten merilni sistem, ki omogoča neopazno meritev (skrite elektrode). Neopazno merjenje je zaželeno, saj zmanjšuje vpliv merilne anksioznosti, to je stanje psihične napetosti merjene osebe zaradi sodelovanja v merilnem procesu.
Prav ta namreč dviguje krvni tlak in srčni utrip ter povečuje potenje, kar vpliva na prevodnost kože.
Cilj je bil izdelati tudi programsko opremo, ki omogoča vpogled v trenutne vrednosti prevodnosti med samo meritvijo, in grafičen prikaz, kar izvajalcu eksperimenta omogoča, da se lahko (odvisno od zastavljenega eksperimenta) odloča o nadaljnjem poteku eksperimenta glede na trenutne vrednosti; na primer povzroči večji stres v primeru majhnega odziva merjenca oziroma tega zmanjša v primeru prevelikega odziva. Že v primeru preprostega eksperimenta, kjer posredovanje izvajalca v potek eksperimenta ni potrebno, pa lahko trenutne vrednosti služijo kot pokazatelj, ali je z meritvijo vse v redu (na primer merjenec ne drži miške za merilne elektrode, meritev se ne izvaja in podobno).
V praktičnem delu naloge so predstavljene nekatere merilne metode za merjenje prevodnosti kože in primerjava med njimi, nato pa je opisano merjenje temperature kože. Sledi konstrukcija merilnega sistema, od izbire miške do postavitve elektrod, izbire in opisa komponent merilnega vezja in izdelavi tiskanega vezja ter programiranja mikrokrmilnika. V naslednjem podpoglavju je opisano še delovanje namenskega programskega vmesnika za zajem merilnih signalov.
Narejena je tudi statična in dinamična kalibracija in ob koncu še eksperiment, ki pokaže delovanje merilnega sistema v praksi.
Ključne besede: EDA, prevodnost kože, GSR, merilnik prevodnosti kože, miška, čustveni odziv
15
Abstract
The master's thesis presents the manufacture and testing of a measuring system for measuring the conductivity of the skin in the form of a computer mouse. The task aimed to create a simple and high-quality measuring system that allows unobtrusive measurement (hidden electrodes). Unobtrusive measurement is desirable because it reduces the impact of measurement anxiety. This is the state of mental tension of the measured person due to participation in the measurement process. Namely, it raises blood pressure and heart rate and increases sweating, which affects the conductivity of the skin.
The aim was also to create software that allows insight into the current values of conductivity during the measurement and graphical representation, which allows the experimenter to decide on the further course of the experiment according to current values, for example, to cause more stress in the case of a small response or to reduce it in the case of an excessive response. Even in the case of a simple experiment, where the intervention of the performer in the course of the experiment is not necessary, the current values can serve as an indicator of whether the measurement is OK or not.
In the practical part of the thesis, some measurement methods for measuring conductivity of the skin and comparison between them are presented, and then skin temperature measurement is described. This is followed by the construction of the measuring system, from the selection of the mouse to the placement of the electrodes, the selection and description of the components of the measuring circuit, and the production of the printed circuit and programming of the microcontroller. The next subsection describes the operation of a dedicated software interface for capturing measurement signals.
Finally, a static and dynamic calibration is performed, and in the end, an experiment that shows the operation of the measuring system in practice.
Keywords: EDA, skin conductance, GSR, skin conductance measurement device, computer mouse, emotional response
17
1 Uvod
1.1 Električna upornost in prevodnost
Električna upornost objekta je merilo nasprotovanja električnemu toku.
Določimo jo kot razmerje med napetostjo in tokom,
𝑅 = 𝑈 𝐼
Enačba 1: Ohmov zakon
kjer R predstavlja električno upornost, U električno napetost, I pa električni tok. Enota za merjenje električne upornosti je volt na amper (V/A) ali ohm, ki ga označujemo z veliko grško črko omega (Ω). Enačba 1 imenujemo Ohmov zakon po nemškemu fiziku Georgu Simonu Ohmu, ki jo je odkril in zapisal.
Obratna vrednost električne upornosti je električna prevodnost. Enota za merjenje je amper na volt (A/V) ali simens (siemens). Električno prevodnost označimo s črko G, njeno enoto pa s črko S. Električna upornost in prevodnost torej opisujeta isti fizikalni pojav, le da ga gledamo iz dveh različnih perspektiv. Kljub temu je v navadi, da se v določenih primerih raje uporablja električna upornost, v drugih pa električna prevodnost. Pri dizajniranju električnih vezij tako vedno uporabljamo upore ali upornike, ki imajo podano električno upornost, pri merjenju elektrodermalne aktivnosti (EDA) pa raje uporabljamo električno prevodnost.
𝐺 =1 𝑅 = 𝐼
𝑈
Enačba 2: Izračun električne prevodnosti
Električna upornost poljubnega prevodnika je snovno geometrijska lastnost. To pomeni, da je pogojena z električnimi lastnostmi snovi in njeno geometrijo. Električna lastnost, ki določa, kako prevodna je neka snov, se imenuje specifična upornost.
18 Uvod
Specifična upornost je snovna konstanta, ki je določena z zgradbo snovi.
Električni tok prevajajo prosti elektroni, ioni oziroma vsi električno nabiti delci, zato gostota in gibljivost le-teh določata specifično prevodnost snovi. Kovine so na primer dobri prevodniki, ker imajo veliko prosto gibljivih elektronov. Specifična upornost se meri v ohmmetrih (Ωm = Ωm2/m). V spodnji tabeli podajam nekaj okvirnih vrednosti za specifično upornost in prevodnost različnih snovi. Specifična prevodnost je seveda recipročna vrednost specifične upornosti.
Tabela 1: Okvirne vrednosti specifičnih upornosti in prevodnosti pogostih materialov [1], [2]
Material Specifična upornost (Ωm)
Specifična prevodnost (S/m)
Srebro 1,55 × 10-8 6,45 × 107
Baker 1,7 × 10-8 5,88 × 107
Zlato 2,2 × 10-8 4,55 × 107
Aluminij 2,7 × 10-8 3,7 × 107
Železo 8,9 × 10-8 1,1 × 107
Grafit 6 × 10-5 1,7 × 104
Silicij 10-4 104
Morska voda 0,2 5
Pitna voda 20–2000 0,05–0,0005
Deionizirana voda 1,82 × 105 5,5 × 10-6
Steklo 1010 - 1014 10-10 – 10-14
Zrak 1,30 × 1016 - 3,30 × 1016 7,6 × 10-17-3,0 × 10-17
Žveplo 1015 10-15
PET (plastika) >1016 <10-16
Upornost v realnosti ni konstantna. Konstantnost samo privzamemo za obravnavo v vezjih in s tem poenostavimo reševanje elektrotehničnih problemov, kar je dovolj dobro za večino primerov. Tipično je upornost odvisna od temperature, vlažnosti in ostalih okolijskih parametrov, kot je staranje, korozija … Odvisna je lahko tudi od napetosti in toka, kar s pridom uporabljamo na primer v polprevodnikih.
Pri napetosti, ki preseže prebojno trdnost materiala, pride v snovi do električnega preboja, pri katerem se snov ionizira in začne močno prevajati električni tok. V tem primeru se električna upornost močno zniža in tudi dobri izolatorji postanejo prevodni.
Primere tega pojava imamo možnost opazovati v naravi med nevihtami. Ko električna poljska jakost preseže prebojno trdnost zraka, se ta ionizira in vzpostavi se prevoden kanal med nebom in zemljo, po katerem steče velik tok, ki razelektri ozračje. Takoj, ko tok preneha teči, se ionizirani delci, ki tvorijo prevodni kanal, spet porazgubijo v zraku in kanal izgine.
Upornost materiala ima lahko tudi anizotropne lastnosti. To pomeni, da je upornost v eno smer lahko večja kot v drugo. Take lastnosti imajo na primer vlaknasti
Zgradba kože 19
objekti, kjer je upornost v smeri vlaken tipično nižja kot pravokotno na vlakna. Primera takih objektov sta na primer les in živci.
Pri stiku dveh različnih snovi lahko govorimo tudi o površinski ali kontaktni upornosti. Ta se še posebej pozna pri majhnih upornostih in lahko znatno vpliva na celotno upornost sistema. Če želimo kontaktno upornost čim bolj znižati, moramo zagotoviti čim večjo stično površino, paziti pa moramo tudi, da nam material v stiku ne oksidira. Pri oksidaciji se namreč tvori tanek izolacijski film, ki povečuje upornost kontakta. To lahko preprečimo z nanosom nekorozivnih materialov (ogljik, žlahtne kovine …) na dele, ki so v kontaktu. V praksi se za zaščito kontaktov pred korozijo pogosto uporablja tanka plast zlata.
V celičnih membranah pri organizmih tokove prevajajo ionske raztopine soli.
Prevodnost teh vodnih raztopin je močno odvisna od koncentracije ionov. Prevodnost celičnih membran pa ni odvisna le od koncentracije ionov, ampak tudi od majhnih por, imenovanih ionski kanali. To so beljakovine, ki omogočajo transport ionov v in iz celice. So selektivni, torej prepuščajo le določene ione, zato je prevodnost odvisna od koncentracije točno določenih ionov [3].
1.2 Zgradba kože
Koža je sestavljena iz zapletenega nabora organov. Obdaja celo telo in je zato največji organ v našem telesu. Ščiti ga pred zunanjimi vplivi, npr. temperatura, radiacija, ter kemičnimi in mehanskimi vplivi. Ščiti pa nas tudi pred vdorom škodljivih organizmov, ki povzročajo vnetja in bolezni. Poleg delovanja kot zaščitna pregrada vsebuje koža tudi veliko različnih senzoričnih elementov. Sestavljena je iz receptorjev za dotik, bolečino in temperaturo. Koža deluje tudi regulacijsko, in sicer kot regulator temperature. Glede na temperaturo telesa s pomočjo žlez znojnic omogoča kontroliran izpust tekočine, kar omogoča hlajenje [4].
1.2.1 Sestava kože
Koža je sestavljena iz dveh izrazito ločljivih plasti, usnjice (dermis) in povrhnjice (epidermis). Pod kožo se nahaja podkožje. Usnjica je sestavljena iz napetega vlaknastega vezivnega tkiva in je v primerjavi s povrhnjico razmeroma debela. Podkožje se nahaja pod usnjico in jo povezuje z globje ležečimi tkivi. V podkožju se nahaja izločevalni del žlez znojnic kot tudi maščobna tkiva, večje žile in limfne žile. Zadnje dvoje doprinese relativno velik del k prevodnosti podkožja [4].
20 Uvod
Slika 1: Zgradba kože
Debelina kože ni po celem telesu enaka. Na močno obremenjenih površinah, kot so dlani in stopala, je povrhnjica debela približno 1 mm, medtem ko je običajno debela le od 50 do 200 µm. Ravno ti predeli so najbolj zanimivi za merjenje elektrodermalne aktivnosti (v nadaljevanju EDA) zaradi njihove lastnosti »čustvenega potenja«. Na teh delih ne rastejo dlake, prav tako pa so odsotne tudi žleze lojnice. Preostali deli telesa so pokriti s poligonalnimi kožnimi vzorci. Ta koža je razdeljena na majhne poligone, razdeljene s tankimi kanali. Velikost poligonov in globina kanalov je odvisna od elastičnosti kože na nekem predelu. Na bolj gibljivih mestih, kjer je zahteva za elastičnost večja, lahko kanali celo izginejo. Koža odraslega človeka pokriva v povprečju okrog 1,7 m2 [4].
1.2.2 Kožne žleze
V koži poznamo tri vrste izločevalnih žlez. Ekrine žleze znojnice so prisotne po celem telesu in so zadolžene za uravnavanje temperature. Izločajo se neposredno na površino kože. Človeško telo ima približno tri milijone ekrinih žlez znojnic. Največ jih je na čelu, dlaneh in podplatih, najmanj pa po rokah, nogah in trupu. Popolnoma odsotne so na ustnicah, v notranjem delu ušesa in na nekaterih drugih delih telesa.
Povprečno število žlez odrasle osebe glede na lokacijo podaja Tabela 2 [4].
Zgradba kože 21
Tabela 2: Povprečno število žlez znojnic [4]
Del telesa Povprečno število žlez znojnic na cm2
Dlani 233
Podplati 620
Čelo 360
Stegna 120
Ekrine žleze lahko po strukturi v grobem razdelimo na dva dela: izločevalni del in kanal. Izločevalni del se nahaja v podkožju ali v usnjici. Sestavljen je iz nepravilno zvite cevke s premerom okrog 0,4 mm. Ta se nato razvije v raven kanal, ki vodi skozi usnjico, nato pa kanal postane spiralne oblike, ki vodi skozi povrhnjico na površino kože [4].
Apokrine žleze znojnice ali dišavnice so koncentrirane na predelih pazduh, genitalij in lasišča. Za razliko od ekrinih se ne izločajo neposredno na površino kože, temveč v lasne mešičke. Delovati začnejo v puberteti, poleg vode in soli pa njihov pot vsebuje tudi beljakovine in maščobe. To privabi bakterije, ki enostavno prebavijo te beljakovine, prav zaradi delovanja teh bakterij pa se pojavi neprijeten vonj [4].
Žleze lojnice izločajo loj, ki je v glavnem sestavljen iz maščob in voska. Njihov namen je mehčanje kože in zaščita pred vdorom bakterij. Nahajajo se na celotni površini kože, razen na dlaneh in podplatih.
1.2.3 Fiziologija žlez znojnic
Delovanja žlez znojnic ni enostavno opisati, saj delujejo v kontekstu zapletenega avtonomnega živčnega sistema. Skupaj z ostalimi organi kože sodelujejo v procesu termoregulacije. Ta sistem je visoko razvit in kompleksen, vpliva celo na ledvice in srčno-žilni sistem (krčenje žil v mrazu). Moč tega sistema ponazarja njegova reakcija na stres, pod vplivom katerega lahko izloča do 2 litra znoja na uro.
Za merjenje EDA so najbolj zanimivi predeli na dlaneh in stopalih. Ti predeli se glede znojenja močno razlikujejo od ostalih predelov na telesu. Preiskovalci si niso popolnoma enotni glede njihovega termičnega znojenja. Nekateri menijo, da pri termičnem znojenju ne sodelujejo, drugi, da sodelujejo samo pri visokih temperaturah, tretji pa, da sodelujejo v vseh temperaturnih pogojih [4]. Novejše raziskave kažejo, da je pri temperaturah do 60 °C znojenje skozi dlani in podplate zanemarljivo v primerjavi s čelom in telesom, razen če uvedemo dodaten stres, kot je na primer reševanje matematičnih problemov.
Zanimivost pri merjenju EDA na dlaneh in stopalih je opazna v hladnih pogojih pri uvedbi stresa, kjer se lahko pojavi znojenje dlani in podplatov skupaj s krčenjem krvnih žil, kar je nasprotno od termoregulacije (telo se želi ogreti, a se zaradi stresa
22 Uvod
kljub temu znojimo). To je tudi najbolj direkten dokaz, da so ta mesta direktno povezana s čustvenim znojenjem in ne s termoregulatornim [4].
1.2.4 Ionska sestava znoja
Znoj je brezbarvna tekočina, ki vsebuje približno 99 % vode. Poleg vode vsebuje še približno 150 mM natrija, 124 mM klora, 5 mM kalija, 10–15 mM HCO3 in 15–20 mM laktatnega aniona. Vsebuje tudi majhne količine drugih ionov, sečnine ter sledi vitaminov. Vsebnost znoja pa se spremeni, ko ta potuje skozi kanal na površino kože.
Del natrija in klora se absorbira v stenah, zato je koncentracija na površini med 10 in 104 mM natrija in med 10 in 30 mM klora. Koncentracija NaCl na površini kože znaša med 15 in 60 mM in je višja pri višji hitrosti potenja, saj ima kanal omejeno absorpcijo ionov. Absorpcija ionov omejuje preveliko izgubo NaCl pri povečanem znojenju [4].
1.2.5 Vrste znojenja
Poznamo več vrst znojenja, ki ne opravlja osnovne naloge termoregulacije:
– Čustveno znojenje je povečano znojenje zaradi psihološkega oziroma emocionalnega stanja. Do takega znojenja pride pod stresom ali razburjenostjo.
Kašelj, globoko dihanje in ostala stanja, ki povzročajo nenadno sproščanje adrenalina, prav tako povzročajo čustveno znojenje. Takšno znojenje se v glavnem pojavi na področjih dlani in stopal, pojavi pa se tudi na čelu in genitalnih predelih.
– Znojenje zaradi uživanja hrane, ki je kisla, močno slana ali pekoča/začinjena.
To se pojavi v glavnem na čelu in nad zgornjo ustnico.
– Spontano znojenje, ki se pojavi na dlaneh in stopalih.
– Refleksno znojenje se pojavi na mestih, ki se povezujejo s hrbtenjačo na mestih, kjer je ta poškodovana. Izraz se uporablja tudi za lokalno potenje po stimulaciji območja z radiacijo, vročino, vbodom igle ali elektriko.
– Znojenje se lahko pojavi tudi zaradi določenih farmacevtskih substanc, kot je nikotin ali pilokarpin (zdravilo za nižanje očesnega pritiska).
1.3 Merjenje elektrodermalne aktivnosti
Merjenje elektrodermalne aktivnosti je zelo uporabno. Pogosto se uporablja v raznovrstnih panogah; od znanosti do zabavnih in uporabnih aplikacij, kot je na primer ugotavljanje emocionalnega stanja voznika med vožnjo. Je eden najenostavnejših načinov za spremljanje aktivnosti avtonomnega živčnega sistema.
Merjenje elektrodermalne aktivnosti 23
Izraz EDA – elektrodermalna aktivnost (electrodermal activity) sta uvedla Johnson in Lubin leta 1966. Predstavlja vse električne pojave v koži, vključno z aktivnimi in pasivnimi pojavi [4].
Aktivni ali endosomatski pojavi so tisti, ki izvirajo iz notranjosti kože (endo = notranji, znotraj). Z občutljivim galvanometrom merimo majhne tokove, ki so posledica polariziranih membran v koži. Pri tej metodi je potrebna odstranitev povrhnjice ter občutljiv galvanometer, kar naredi meritev nepraktično za uporabo izven laboratorija.
Pasivne ali eksosomatske pojave merimo s pomočjo zunanjih virov napetosti ali toka. Merimo torej upornost (prevodnost) oziroma impedanco (admitanco) kože. Če uporabimo enosmerni (DC) vir napetosti ali toka, govorimo o merjenju ohmske upornosti oziroma prevodnosti kože, če pa za vir uporabimo izmenično napetost ali tok (AC), pa merimo celotno impedanco oziroma admitanco kože. Pri tej metodi merimo tudi spremembe kapacitivnosti celičnih membran v koži. Prednost izmenične metode je to, da elektrode niso polarizirane [5].
Elektrodermalno aktivnost lahko še naprej delimo na tonično in fazično aktivnost. Tonična aktivnost (EDL = electrodermal level) predstavlja povprečno vrednost ali enosmerno komponento elektrodermalne aktivnosti. Gre za aktivnost, ki bi bila prisotna brez zunanjih dražljajev. Fazična aktivnost (EDR = electrodermal response/reaction) predstavlja reakcijo na dražljaje iz okolja. Izkaže se namreč, da določeni dejavniki v okolju, npr. stres, navdušenje, povzročijo odziv žlez znojnic, kar spremeni prevodnost kože. Fazični odziv pa se pogosto zgodi tudi spontano brez očitnega razloga in se po nekaj sekundah povrne v prvotno stanje (nazaj na tonični nivo).
Iz EDR lahko izračunamo še veliko drugih spremenljivk, kot so frekvenca odzivov, amplituda, zakasnitev med dražljajem in odzivom, čas naraščanja, čas padanja …
V literaturi se pojavlja tudi starejši izraz GSR (galvanic skin response), mi bomo uporabljali splošno bolj priznani izraz EDA.
1.3.1 Varnost
Pri merjenju EDA je merjena oseba konstantno priključena na par elektrod, kar lahko v primeru napake na električnem vezju ali prenapetostnem udaru vodi do poškodb, v najslabšem primeru celo zastoja srca, zato moramo biti tako pri konstrukciji vezij kot tudi pri uporabi še posebej pozorni na varnost. Če se med izvajanjem meritev pojavi nevarnost ali sum na nevarnost, moramo z meritvijo nemudoma zaključiti in preveriti stanje elektronike.
24 Uvod
Da nepotrebne nevarnosti zmanjšamo že v začetku, moramo omejiti največjo napetost med elektrodama. Tipično se za merjenje EDA uporablja napetosti do 1 V.
Dodaten ukrep bi bil še omejitev toka, vendar pri napetosti pod 1 V ta omejitev ni potrebna.
Tok, ki teče med dvema elektrodama in se zaključuje čez kožo in dlan, pa v resnici sploh ni tako nevaren kot tok, ki bi stekel po roki skozi srce in po nogah v zemljo. Najvarneje je, če je naprava baterijsko napajana in popolnoma brezžična, če pa temu ni tako, je potrebno na nek način zagotoviti galvansko izolacijo. To lahko naredimo na več načinov; najenostavneje je z uporabo prenosnega računalnika z baterijo, brez priključenega napajalnega kabla. Ta rešitev je nerodna in omejujoča, saj meritev ne moremo opravljati na stacionarnem računalniku, prav tako pa moramo imeti polno baterijo na prenosnem računalniku. Boljša rešitev je zato vgradnja galvanske izolacije neposredno v vezje. Če zaradi prostorske stiske le-ta ni mogoča, je še vedno možna uporaba zunanje galvanske izolacije, ki je izvedena na USB- priključku. Galvanska izolacija lahko pripomore tudi pri zmanjševanju motenj.
Slika 2: USB izolator
1.3.2 Ločevanje toničnega in fazičnega odziva
Če želimo natančneje meriti samo spremembe prevodnosti kože, torej fazični odziv, lahko to naredimo tako, da tonični (enosmerni) odziv ločimo od fazičnega (izmeničnega). Na ta način lahko potem fazični odziv mnogo bolj ojačamo in s tem povečamo ločljivost ter kakovost meritve.
Načinov, kako ločiti izmenično komponento od enosmerne, je več. Prvi – enostaven način je z uporabo Wheatstonovega mostička.
Merjenje elektrodermalne aktivnosti 25
Slika 3: Ločitev EDR od EDL
GK predstavlja prevodnost kože, R3 nastavljiv upor, R1 in R2 pa sta fiksna upora. Na začetku nastavimo potenciometer R3 na tako vrednost, da je napetost na voltmetru enaka 0. Če sta upora R1 in R2 enaka, je ta upornost enaka upornosti kože.
Voltmeter nam meri samo spremembe upornosti in ne več celotnega EDA. Ta metoda pa ima pomanjkljivost, saj se vrednost R3 ne prilagaja samodejno enosmerni komponenti prevodnosti kože. Prilagajati jo moramo ročno.
Drugi način za ločitev EDR od EDL je uporaba izmeničnega ojačevalnika.
Tega izdelamo tako, da na vhod ojačevalnika postavimo pasovno zaporni filter (RC), ki bo prepuščal samo izmenično komponento signala. Od izbire časovne konstante bo odvisen prehodni pojav ob začetku meritve in tudi frekvenčna karakteristika ojačevalnika. Večja, kot je časovna konstanta, bolj počasi se bo ojačevalnik odzival na spremembe toničnega nivoja.
EDR in EDL lahko ločimo tudi kasneje pri obdelavi zajetih signalov tako, da izračunamo tekoče povprečje signala in nato signalu to tekoče povprečje odštejemo.
Povprečje v tem primeru predstavlja tonični nivo, razlika med signalom in povprečjem pa fazični nivo. Prednost te metode je, da lahko prilagajamo časovno konstanto, dokler signali ne izgledajo tako, kot si želimo, saj delamo na že shranjenih podatkih, ki se pri obdelavi ohranijo. Če shranimo signal iz Wheatstonovega mostička, ta signal ne bo vseboval podatka o toničnem odzivu, še posebej če vmes ročno prilagajamo potenciometer. Slabost te metode pa je, da nič ne pridobimo na ločljivosti oziroma točnosti meritve.
26 Uvod
1.3.3 Izmenične meritve
Pri meritvah z izmenično napetostjo ali tokom je glavna prednost to, da lahko (če merimo tudi fazni kot) ločimo ohmski del od kapacitivnega. Tako ne dobimo samo prevodnosti kože, ampak tudi kapacitivnost, ki v glavnem predstavlja kapacitivnost celičnih membran. Odziv se lahko meri za različne frekvence in tako dobi celotno frekvenčno karakteristiko. Težave, ki se pojavijo pri merjenju z izmeničnimi tokovi, so motnje, ki pridejo iz omrežja in okolice.
Konstruiranje merilnega instrumenta za izmenične meritve je veliko kompleksnejše kot pri enosmernih meritvah, prav tako je kompleksnejša tudi analiza rezultatov in obdelava meritev. Izdelava takega merilnika bi gotovo prinesla določene prednosti, vendar je analiza zahtevnejša, prav tako pa bi bilo vezje večje in bolj primerno za laboratorijsko rabo kot za manjše prenosne merilnike.
1.3.4 Mesta za merjenje EDA
Izbira mesta za merjenje EDA je pomembna iz več razlogov. Če meritve izvajamo v laboratoriju in nimamo posebnih gibalnih omejitev, je logično, da bomo izbrali za merjenje mesto, kjer bomo dobili največji odziv. Za meritve izven laboratorija je pri tipičnih aplikacijah pomemben faktor gibljivost merjene osebe in zmožnost, da med meritvijo opravlja neko dejavnost. V takem primeru smo pripravljeni žrtvovati »idealen« odziv za večjo fleksibilnost.
Za meritve se večinoma uporabljajo dlani in prsti predvsem iz naslednjih razlogov:
– enostavna namestitev elektrod, – majhne motnje zaradi premikanja, – dovolj velika površina za meritev, – tipično ni veliko brazgotin,
– izrazita elektrodermalna aktivnost.
Na prstih je priporočena namestitev elektrod na medialne prstnice (srednji člen) kazalca in sredinca. Na teh delih prstov je najmanj brazgotin, pa tudi verjetnost motenj zaradi premika je majhna. Če želimo dobiti maksimalni odziv, pa je bolje, če elektrode namestimo na distalne prstnice (konice prstov), kjer so dokazali, da je SCR v poprečju približno 3,5-krat večji, SCL pa 2,1-krat večji kot pri meritvah na medialnih prstnicah [4].
Merjenje elektrodermalne aktivnosti 27
Slika 4: Priporočene točke za merjenje EDA – točka E je mesto za neaktivno elektrodo pri endosomatskih meritvah [4]
Če pri meritvi EDA za izvajanje aktivnosti potrebujemo obe roki, lahko meritev izvajamo tudi na nogah. Najboljše meritve dobimo na stopalu, če merjena oseba med meritvijo ne hodi ali stoji. Če oseba stoji, delujejo na merilne elektrode povečane sile, ki vplivajo na meritev in povzročajo anomalije. V tem primeru je najboljša izbira sredina notranje strani stopala.
28 Uvod
Slika 5: Merjenje EDA na stopalu [4]
Alternativa za merjenje EDA je še zapestje, kjer lahko naredimo meritev zelo neinvazivno in nemotečo, če celoten merilni sistem izdelamo na zapestnem traku. Tak merilni sistem je lahko nosljiv in osebe ne moti pri opravljanju vsakodnevnih aktivnosti.
1.3.5 Obdelava kože na merilnih mestih
Površinska prevodnost kože lahko močno vpliva na meritev EDA. Prav tako lahko vplivajo razne nečistoče na rokah, koncentracija elektrolita, hidracija kože in ostali dejavniki. Pred meritvijo je zato priporočeno umivanje rok s toplo vodo brez mila in končno čiščenje z etanolom. Pri eksosomatskih metodah obdelava ni tako pomembna kot pri endosomatskih. Za namestitev neaktivne elektrode pri endosomatski metodi je potrebna tudi odstranitev zgornje plasti povrhnjice, da se zmanjša potencialna razlika med merilnim mestom in telesom. To naredimo s finim brusnim papirjem. Pri tem moramo biti pazljivi, da ne poškodujemo kože, saj se pri poškodbi lahko tvorijo dodatni električni potenciali, ki vplivajo na meritev.
1.3.6 Elektrode
Kot standard za meritve EDA se uporabljajo Ag/AgCl elektrode. Te elektrode so nepolarizabilne in za delovanje potrebujejo samo raztopino NaCl (gel), ki je neškodljiva za kožo. Stična površina mora biti čim večja (okrog 1cm2), saj se pri uporabi manjših elektrod povečajo težave z linearnostjo.
Merjenje elektrodermalne aktivnosti 29
Uporaba elektrod z gelom pa ni vedno možna, še posebej če gre za meritve v daljšem časovnem obdobju, ker se gel izsuši. Elektrod z gelom prav tako ne moremo uporabiti, če želimo, da meritev ostane za merjenca neopazna ali pa je uporaba gela nepraktična iz kakršnihkoli drugačnih razlogov.
V takih primerih lahko uporabimo suhe elektrode, izdelane tipično iz dobro prevodne kovine. V elektrotehniki se kot prevodnik pogosto uporablja baker zaradi dobrih električnih lastnosti, za elektrode pa ni najbolj primeren, saj hitro oksidira – ustvari tanko izolativno plast na površini, s čimer prepreči dober stik. Bolj so uporabne elektrode iz nerjavečega jekla, aluminija, pozlačene elektrode, grafitne elektrode, torej elektrode iz materialov, ki so kemijsko obstojnejši na zraku in se njihove lastnosti s časom ne spreminjajo. Namesto trdih elektrod se lahko uporabi tudi kovinske folije ali prevodne barve ali gele, ki vsebujejo kovinske ali grafitne delce.
Slika 6: Najbolj optimalne elektrode so iz zlitine srebra in srebrovega klorida
31
2 Praktični del
2.1 Merjenje prevodnosti
Za merjenje prevodnosti smo testirali nekaj vezij, ki so se nam po pregledu literature zdela obetavna. Za meritve smo uporabili 12-bitni AD-pretvornik MCP3201 proizvajalca Microchip [6] v kombinaciji z Arduino mikrokrmilnikom.
2.1.1 Uporovni delilnik
Najosnovnejše vezje za merjenje upornosti oziroma prevodnosti kože je uporovni delilnik. Za tako vezje potrebujemo v principu le en upor (R0) in napetostno referenco. Vrednost tega upora mora biti čim bolj stabilna na zunanje dejavnike, kot so temperatura, vlaga in staranje, biti pa mora tudi čim bolj točno določena. Enako velja za napetostno referenco (UREF). Če se nam med meritvijo spremeni vrednost referenčnega upora ali referenčne napetosti, se zmanjša točnost merilnega sistema.
Slika 7: Osnovno vezje za merjenje prevodnosti
32 Praktični del
V vezju na sliki zgoraj sta znani veličini UREF in R0, U0 pa je merjena veličina. S pomočjo poznavanja teh treh parametrov lahko določimo prevodnost kože po enačbi:
𝐺𝐾 = 𝑈0
𝑈𝑅𝐸𝐹− 𝑈0∙ 1 𝑅0
Enačba 3: Izračun prevodnosti kože za osnovno vezje
Če enačbo obrnemo, dobimo še obratno odvisnost, torej odvisnost napetosti U0
od prevodnosti kože GK:
𝑈0 = 𝑈𝑅𝐸𝐹 1 + 1
𝑅0∙ 𝐺𝐾
Enačba 4: Odvisnost napetosti U0 od prevodnosti kože GK
Idealno bi bilo, če bi bila prevodnost kože GK in merjena napetost U0 v linearni relaciji, kar pa, kot vidimo iz Enačba 3, ne drži, saj nam U0 nastopa tako v števcu kot tudi v imenovalcu. Potek napetosti U0 pri UREF = 5 V, R0 = 330 kΩ ter GKOŽA med 0,1 μS in 100 μS je viden iz grafa spodaj. Prevodnost je zaradi preglednosti narisana v logaritmičnem merilu.
Graf 1: Potek napetosti U0 v odvisnosti od prevodnosti kože GK
Merilno območje določa upor R0. Ta je bil izbran tako, da merilno vezje čim bolj optimalno pokriva območje od 0,1 μS do 100 μS. Do enačbe za izračun optimalne upornosti R0 pridemo, če upoštevamo pogoj, da je razlika med U0 pri spodnji meji
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0
0,1 1 10 100
U0[V]
GK[μS]
Merjenje prevodnosti 33
prevodnosti GK,min in 0 V enaka kot razlika med referenčno napetostjo UREF in U0 pri zgornji meji prevodnosti GK,max. Pri tem za U0 vstavimo Enačba 4.
𝑈𝑅𝐸𝐹
1 + 1
𝐺𝐾,𝑚𝑖𝑛∙ 𝑅0
− 0 𝑉 = 𝑈𝑅𝐸𝐹− 𝑈𝑅𝐸𝐹
1 + 1
𝐺𝐾,𝑚𝑎𝑥∙ 𝑅0
Enačba 5: Izračun optimalne upornosti R0
Po izpeljavi dobimo enačbo, v katero vstavimo vrednosti 0,1 μS in 100 μS:
𝑅0 = 1
√𝐺𝐾,𝑚𝑖𝑛∙ 𝐺𝐾,𝑚𝑎𝑥 ≅ 316,2 𝑘Ω
Enačba 6: Izračun upornosti R0 za optimalno pokritost območja prevodnosti kože
Najbližja upornost izračunani upornosti po standardni uporovni lestvici je 330 kΩ. Tak upor je bil tudi uporabljen v eksperimentu.
Če bi imeli idealno napetostno referenco, idealen referenčni upor in idealen merilni instrument za merjenje U0, bi teoretično s takim vezjem lahko merili prevodnosti na celotnem področju od prevodnosti 0 do neskončne prevodnosti. V praksi nimamo nikoli popolnega referenčnega upora, saj njegovo vrednost poznamo s končno točnostjo. Podvržen je staranju in temperaturnim koeficientom, v merilni sistem pa vnaša tudi šum, ki se povečuje z velikostjo upora. Podobno velja za napetostno referenco, kjer je prav tako prisotna temperaturna odvisnost, staranje in šumi različnih izvorov. Že pred merjenjem napetosti U0 imamo torej nekaj osnovnih problemov, ki jih moramo s prilagoditvami vezja in izbiro elementov čim bolj omejiti.
Pri merjenju napetosti U0 pa se srečamo še s kvantizacijo pri analogno-digitalni pretvorbi in kvantizacijskim ter drugimi šumi, ki jih v sistem vnaša AD-pretvornik.
Število bitov AD-pretvornika nam določa tudi ločljivost merjenja, hkrati pa nas tudi omejuje glede merilnega območja. Ne moremo namreč meriti prevodnosti, ki so nižje od ločljivosti AD pretvorbe, prav tako pa imamo težave na zgornji strani merilnega območja. Težavo pri merjenju s tem merilnim vezjem lahko vidimo že iz Enačba 3. Ta nastopi pri visokih prevodnostih GK, saj je pri takih prevodnostih napetost U0 visoka oziroma blizu referenčne napetosti UREF. Kot je vidno iz enačbe, bo v tem primeru imenovalec ulomka blizu nič, kar pomeni, da bodo imele majhne spremembe napetosti velik vpliv na rezultat. Podobno težavo pa imamo tudi pri nizkih prevodnostih, ko je števec ulomka blizu nič. Naslednji graf predstavlja napako meritve v odstotkih, do
34 Praktični del
katere pride, če se pri AD-pretvorniku spremeni samo 1 digit pri AD-pretvornikih z ločljivostjo 10, 12, 14 in 16 bitov:
Graf 2: Merilna napaka, ki jo povzroči odstopanje za 1 digit glede na prevodnost
Vidimo torej, da je napaka močno odvisna od merjene prevodnosti. Najmanjša je pri srednji prevodnosti (v našem primeru 1/330 kΩ ≅ 3 μS), odvisna pa je tudi od ločljivosti AD-pretvornika. Z 10-bitnim AD-pretvornikom bomo s težavo dosegli napako pod 1 % že za območje od 1 do 10 μS (100 kΩ do 1 MΩ), torej 1 dekado, medtem ko bomo z uporabo 16-bitnega AD-pretvornika lahko dosegli območje od 0,01 do 1000 μS (1 kΩ do 100 MΩ) z napako pod 1 %, torej 5 dekad. 12-bitni AD- pretvornik, ki smo ga uporabili v eksperimentu, dosega območje od 0,1 do 100 μS (10 kΩ do 10 MΩ), kar je 3 dekade in tudi znotraj ciljnega območja. Pri zgoraj navedenih izračunih velja predpostavka, da je merilna napaka AD-pretvornikov samo 1 digit, kar je v praksi težko dosegljivo. Vsakih 2n digitov napake nam zmanjšuje efektivno ločljivost AD pretvorbe za n bitov. Če uporabimo 16-bitni AD-pretvornik in imamo 26 = 64 digitov napake (šuma), bo rezultat torej enak, kot če bi imeli 10-bitni AD-pretvornik in 1 digit napake. Očitno je torej, da nam uporaba boljšega AD- pretvornika ne bo prinesla veliko, če nismo sposobni zmanjšati šuma, ki nam povzroča napako pri AD pretvorbi. Visokofrekvenčnega šuma se lahko znebimo z nizko- prepustnim filtrom, omrežne frekvence pa s pasovno zapornim filtrom. Nadaljnje zmanjšanje šumov lahko opravimo tudi po zajemu signalov s pomočjo digitalnih filtrov, vendar je bolje, če signalu že ob zajemu čim bolj zmanjšamo šum.
0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000
0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 100000
GK'/GK[%/DIG]
GK[μS]
10 bit 12 bit 14 bit 16 bit
Merjenje prevodnosti 35
Graf 3: Občutljivost merilnega sistema
Če naredimo primer za 12-bitni AD-pretvornik, opazimo, da je sprememba merjene prevodnosti pri spremembi digitalne vrednosti AD-pretvornika iz 1 na 2 enaka 0,000741 μS, pri spremembi iz 4093 na 4094 pa kar 6204,545 μS. Če je torej naša želena ločljivost 1 μS/mV, smo v zgornjem primeru omejeni s prevodnostjo okrog 100 μS, torej minimalna upornost okrog 10 kΩ, kar je razvidno iz Graf 3.
Najmanjša možna merjena vrednost prevodnosti merilnega sistema, opisanega zgoraj, je 0,00074 μS oziroma 1,351 GΩ, kar pa seveda velja za primer idealnega AD- pretvornika. V praksi je potrebno upoštevati tudi, da vhodna upornost pretvornika ni neskončna in vpliva na meritev pri višjih upornostih.
Pri meritvi pa je potrebno upoštevati še samo zgradbo in način delovanja AD- pretvornika. Ta deluje tako, da vzorči merjeni signal s frekvenco zajemanja vzorcev.
Vzorčenje poteka tako, da shrani napetost v kondenzator in jo zadrži za čas pretvorbe (ang. Sample&Hold). AD-pretvorniku dovajamo »clk« signal (ura), njegovo zajemanje traja 1,5 cikla te ure. Če mu torej dovajamo 1,5 MHz, je čas zajema vzorca enak 1 μs. V zadrževalnem (Sample&Hold) vezju nastopa 1 kΩ upor in 20 pF kondenzator, ki se pri idealni upornosti vira (0 Ω) napolni na 63 % v 20 ns. Težava nastane, če (kot v našem primeru) na vhod dodamo 100 kΩ upor. Časovna konstanta se poveča na 2 μs, kar je že dlje od časovne konstante RC člena zadrževalnega vezja.
Zato je nujno potrebno vhodno impedanco znižati s pomočjo napetostnega sledilnika.
0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 100000
0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 100000
dGK[μS/mV]
GK[μS]
36 Praktični del
Slika 8: Model vhoda AD-pretvornika iz podatkovnega lista [6]
Z zgoraj opisanim sistemom smo opravili eksperiment merjenja prevodnosti.
Merili smo upore po Renardovi lestvici E6 (1; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7; 6,8 …). Meritve smo izvedli na območju med 0,1 μS in 300 μS. Dobili smo naslednja odstopanja:
Graf 4: Merilna napaka v odvisnosti od prevodnosti
Kot napovedano začnejo vrednosti pri višjih prevodnostih močno odstopati in kmalu postanejo neuporabne, vrednosti pa začnejo odstopati tudi pri nižjih
0,1 1 10
0,01 0,1 1 10 100 1000
Napaka [%]
GOSN[μS]
Merjenje prevodnosti 37
prevodnostih. Uporabno območje tega merilnega sistema, na katerem je odstopanje manjše od 1 %, je približno od 1 do 100 μS.
Upoštevajmo še, da so bile izvedene meritve statične, opravljene z veliko povprečenja (100.000 vzorcev v časovnem obdobju 2 minut). Meritev prevodnosti kože ni statična, potrebujemo vsaj 10 meritev na sekundo, kar nam daje le 0,1 s za povprečenje. AD-pretvorniki pa imajo kvantizacijski šum in druge šume, ki se pojavljajo poleg omrežnih motenj, motenj zaradi premikanja in ostalih dejavnikov.
Če si še enkrat ogledamo Enačba 3, vidimo, da bi merilni sistem poenostavili, če bi stabilizirali imenovalec ulomka. Tako bi dobili linearno relacijo med napetostjo in prevodnostjo. To lahko naredimo tako, da spreminjamo referenčno napetost UREF
glede na merjeno napetost U0. S tem tudi zagotovimo, da napetost na koži ostaja konstantna, kar je pri osnovnem vezju glavni problem, saj je priporočena napetost za meritev na elektrodah največ 1 V, pri tej meritvi pa je bila napetost od 0 do 5 V.
2.1.2 Operacijski ojačevalnik
Vezje, ki izpolnjuje pogoj, da je napetost na koži omejena in vedno enaka, lahko implementiramo v obliki neinvertirajočega operacijskega ojačevalnika. To naredimo tako, da v povratno vezavo postavimo referenčni upor, ki določa merilno območje instrumenta, prevodnost kože pa povežemo iz (-) sponke na maso. Na (+) sponko pripeljemo referenčno napetost 0,5 V.
Slika 9: Vezje z operacijskim ojačevalnikom
Če predpostavimo, da je operacijski ojačevalnik idealen, torej da ima neskončno vhodno upornost, neskončno ojačenje ter izhodno upornost 0, lahko zapišemo naslednje:
zaradi negativne povratne vezave velja:
38 Praktični del
𝑈+ = 𝑈− = 𝑈𝑅𝐸𝐹
Enačba 7: Napetost na sponkah operacijskega ojačevalnika
Že iz te enačbe vidimo, da je na koži (GK) konstantna napetost, ki je enaka UREF. Ker je vhodna upornost neskončna, tok v (-) sponko operacijskega ojačevalnika ne teče, zato velja, da je:
𝐼0 = 𝐼𝐾 = 𝐼 =𝑈𝐼𝑍− 𝑈𝑅𝐸𝐹 𝑅0 Enačba 8: Tok skozi kožo
Iz zgornjih dveh enačb skupaj z Ohmovim zakonom dobimo enačbo za izračun prevodnosti:
𝐺𝐾 = 𝐼𝐾
𝑈𝐾 = 𝑈𝐼𝑍− 𝑈𝑅𝐸𝐹 𝑅0 ∙ 𝑈𝑅𝐸𝐹 = 1
𝑅0∙ ( 𝑈𝐼𝑍
𝑈𝑅𝐸𝐹− 1) = ( 1
𝑅0 ∙ 𝑈𝑅𝐸𝐹) ∙ 𝑈𝐼𝑍− 1 𝑅0 Enačba 9: Prevodnost kože
Vidimo, da je enačba za prevodnost kože v tem primeru linearna enačba oblike y = kx + n. To poenostavi nadaljnjo analizo. Odvod funkcije GK(UIZ) je konstanten in enak:
𝐺𝐾′(𝑈𝐼𝑍) = 1 𝑅0∙ 𝑈𝑅𝐸𝐹 Enačba 10: Odvod enačbe Enačba 9
To v praksi pomeni, da imamo čez celo merilno območje konstantno ločljivost in tudi konstantno absolutno merilno napako. Relativna napaka nam z naraščanjem prevodnosti linearno upada, kot je prikazano na grafu:
Merjenje prevodnosti 39
Graf 5: Merilna napaka, ki jo povzroči odstopanje za 1 digit
Graf zgoraj je izrisan za referenčni upor R0 = 68 kΩ in UREF = 0,5 V. Referenčni upor je bil izračunan tako, da merilno vezje čim bolj pokriva merilno območje od 0,1 do 100 μS. Ker je meritev omejena na zgornji strani območja z nasičenjem operacijskega ojačevalnika (UIZ postane večja od 5 V), ga bomo določili tako, da bo napetost pri 100 μS enaka 5 V. To preprosto naredimo tako, da vstavimo vrednosti v enačbo:
𝐺𝐾 = 1
𝑅0∙ ( 𝑈𝐼𝑍
𝑈𝑅𝐸𝐹− 1) → 𝑅0 = 1
100 μS ∙ ( 5 𝑉
0,5 𝑉− 1) = 90 𝑘𝛺 Enačba 11: Izračun R0
Z referenčnim uporom, ki ima višjo vrednost, se nam merilno območje pri visokih prevodnostih še bolj skrči, zato smo uporabili upor z nižjo vrednostjo, in sicer 68 kΩ. S tem uporom lahko teoretično merimo prevodnosti vse do 132,3 μS. Če bi izbrali upor 100 kΩ, ki je sicer bližje izračunanemu, pa bi zgornjo mejo omejili na 90 μS.
Poglejmo še, kaj se je zgodilo s spodnjo mejo merilnega območja. Če je prevodnost kože enaka 0 (neskončna upornost ali odprte sponke), dobimo iz našega vezja napetostni sledilnik. To je vezje, pri katerem na izhodu dobimo enako napetost kot na vhodu. Pri majhnih prevodnostih z izhodno napetostjo vezja očitno ne bomo imeli težav. Težavo pa predstavlja ločljivost AD-pretvornika in občutljivost merilnika.
Občutljivost lahko izračunamo po enačbi zgoraj. Za naš primer dobimo vrednost 2,94
0,00001 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 100000
0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000
GK'/GK [%/DIG]
GK[μS]
10 bit 12 bit 14 bit 16 bit
40 Praktični del
× 10-5 S/V oziroma zapisano v bolj intuitivnem formatu 0,0294 μS/mV. Če upoštevamo še ločljivost AD-pretvornika, ki je za 12-bitni pretvornik z referenčno napetostjo 5 V enaka
𝑑𝑈 =𝑈𝑅𝐸𝐹,𝐴𝐷𝐶
2𝑛−1 = 5 𝑉
212−1= 0,001221 𝑉
𝑑𝑖𝑔𝑖𝑡 = 1,221 𝑚𝑉
𝑑𝑖𝑔𝑖𝑡, Enačba 12: Ločljivost AD-pretvornika
dobimo merilni instrument z ločljivostjo 0,036 μS/digit. Tako je tudi najmanjša vrednost, ki jo lahko teoretično izmerimo, enaka 0,036 μS, vendar bo pri takih vrednostih meritev zelo slaba zaradi kvantizacijskega šuma. Teoretično torej lahko merimo tudi vrednosti okrog 0,1 μS, vendar bodo rezultati okrog te vrednosti precej slabi. Veliko bolje bi se odrezal 16-bitni AD-pretvornik, saj bi imel ločljivost 0,0022 μS/digit. S takim merilnikom bi lahko merili prevodnosti vse do 0,22 μS z napako pod 1 % pod predpostavko, da je največje odstopanje samo 1 digit.
Za merilno območje od 0,1 do 100 μS opazimo, da je napaka za majhne prevodnosti zelo velika. Pri 0,1 μS znaša za 12-bitni AD-pretvornik skoraj 36 %.
Napaka z naraščanjem vrednosti linearno upada in pri vrednosti okrog 2,5 μS znaša že pod 0,1 %, na koncu merilnega območja pa je ta napaka še bistveno manjša in znaša okrog 0,036 %. Naredili smo torej merilni instrument, ki ima konstantno absolutno napako, relativna napaka pa z naraščanjem vrednosti pada, saj se izračuna kot absolutna napaka/merjena vrednost.
Za vezje z operacijskim ojačevalnikom smo ponovno naredili meritve znanih uporov. Dobili smo naslednje rezultate:
Merjenje prevodnosti 41
Graf 6: Merilna napaka vezja z operacijskim ojačevalnikom
Kot vidimo iz grafa zgoraj, se oblika napake med 0,1 in 100 μS zelo približa teoretični sliki iz Graf 5. Kar se iz grafa napake ne vidi, je, da je bila izmerjena prevodnost za prve tri vrednosti (0,10 do 0,21 μS) dejansko negativna, kar sploh fizikalno ni mogoče. Od 100 μS naprej vidimo težave s popačenjem zaradi nasičenja operacijskega ojačevalnika. Izhodna napetost bi v tej točki presegla zgornjo mejo AD- pretvornika, ki je 5 V, a je zaradi omejene napajalne napetosti in zaščite AD- pretvornika izhodna napetost ostala na 5 V. Zaradi tega je meritev prevodnosti višjih od 133 μS enaka kar 133 μS, relativna napaka pa narašča z naraščanjem prevodnosti.
2.1.3 Merilno vezje z avtomatskim nastavljanjem praga
Vezje, ki smo ga še zasledili v literaturi in se pogosto uporablja, je vezje, ki ima v povratni vezavi operacijski ojačevalnik in samodejno nastavlja pragovno napetost. S tem razširi merilno napetost, relacija med izhodno napetostjo in prevodnostjo pa postane spet nelinearna, podobno kot pri vezju z uporovnim delilnikom.
0,1 1 10 100 1000
0,01 0,1 1 10 100 1000
Napaka [%]
GOP[μS]
42 Praktični del
Slika 10: Vezje z avtomatskim nastavljanjem praga
Po kompleksni izpeljavi, ki je ne bomo prilagali, dobimo naslednjo enačbo:
𝑉𝑂 = 𝑉𝑅 𝐺𝐾 𝑅0+ 2
𝐺𝐾
Enačba 13: Izhodna napetost vezja za avtomatsko nastavljanje praga
Vezje v resnici daje podobne rezultate kot vezje z uporovnim delilnikom.
Odvisnost izhodne napetosti od prevodnosti kože je identična, le da je padajoča, merilna napaka, ki jo povzroči 1 digit, pa je tudi zelo podobne oblike.
Merjenje prevodnosti 43
Graf 7: Poteknapetosti UIZ v odvisnosti od prevodnosti kože GK vezja z avtomatskim nastavljanjem praga
Graf 8: Merilna napaka, ki jo povzroči odstopanje za 1 digit
2.1.4 Izbira merilne metode
Glede na rezultate teh preizkusov in računskih dokazov smo sklenili, da je vezje z uporovnim delilnikom dovolj dobro za merjenje prevodnosti. Iz teoretičnih izračunov in grafov ugotavljamo, da bi s 16-bitnim AD-pretvornikom veliko pridobili v primerjavi z 12-bitnim pod pogojem, da šum ohranimo zanemarljiv. Vezje, ki se
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
0,1 1 10 100
UIZ[V]
GK[μS]
0,01 0,1 1 10 100 1000 10000
0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 100000
GK'/GK [%/DIG]
GK[μS]
10 bit 12 bit 14 bit 16 bit
44 Praktični del
uporablja v literaturi, ni prineslo ključnih izboljšav kljub temu, da je veliko kompleksnejše od uporovnega delilnika, zato se zanj nismo odločili. Konstantnost absolutne napake pri vezju z operacijskim ojačevalnikom pomeni, da se relativna napaka linearno zmanjšuje. Merilni sistemi imajo običajno konstantno relativno napako, da pa bi to dosegli, bi potrebovali poseben dizajn vezja, ki bi ga bilo potrebno verjetno načrtovati posebej za ta namen.
2.2 Merjenje temperature
Normalna telesna temperatura je nekje med 36,5 °C in 37,6 °C, temperatura površine kože (dlani) pa je nekoliko nižja. Merilni sistem, ki je sposoben meriti temperature med 20 °C in 40 °C, bo skoraj gotovo zadostoval za potrebe merjenja temperature površine kože.
Znano je, da je telesna temperatura precej konstantna (sredica telesa), temperatura površine kože pa se lahko precej bolj spreminja; na soncu lahko doseže tudi 40 °C, medtem ko v hladnem ozračju lahko pade tudi pod 20 °C.
Povezava med prevodnostjo kože in temperaturo površine se nam zdi zelo verjetna, saj potenje, ki povečuje prevodnost kože, hkrati povzroča tudi hlajenje.
2.2.1 Analogni senzor TMP36
Prvi senzor, ki smo ga preizkusili, je TMP36. Gre za analogni temperaturni senzor zelo preproste zasnove. Ohišje TO-92 ima tri priključke:
1. V+, 2. VOUT,
3. GND.
V+ je pozitivna napajalna napetost, GND masa, VOUT pa izhodna napetost iz senzorja. Glede na podatke iz datasheet-a je priključna napetost med 2,7 V in 5,5 V. Enačba za pretvorbo napetosti VOUT v stopinje Celzija je preprosta linearna [7]:
𝑇[°𝐶] =100
𝑉 ∙ 𝑈 − 50 Enačba 14: Izračun temperature
Merilno območje temperature je med –50 °C in 125 °C, napetost pa (po enačbi zgoraj) med 0 V in 1,75 V. Glede na oceno zgoraj takega merilnega območja ne
Slika 11: TMP36
Merjenje temperature 45
potrebujemo, zato ga bomo omejili vsaj na zgornji strani, in sicer na 40 °C. Pri tej temperaturi je izhodna napetost senzorja 0,9 V, kar pomeni, da lahko za 5V ADC pretvornik uporabimo napetostno ojačenje 5, s čimer dvignemo ločljivost merilnega sistema. Namesto začetnih 10 mV/°C (0,1 °C/mV), ki jih ponuja senzor, dobimo 50 mV/°C (0,02 °C/mV). Tako lahko že z 10-bitnim AD-pretvornikom dosežemo ločljivost okrog 0,02 °C, z 12-bitnim pa pridemo celo pod 0,01 °C.
Točnost tega merilnika je seveda daleč od ločljivosti, ampak točna temperatura nas v resnici niti ne zanima, bolj pomembne so spremembe temperature, ki jih lahko merimo.
Pomembna lastnost temperaturnega senzorja je tudi odzivni čas. Ohišje senzorja ni najmanjše, kasneje pa bo pritrjeno na miško, kar bo še dodatno upočasnilo njegov odziv. Odzivni čas je preprosto izmeriti. Lahko ga izmerimo kot čas prehoda od ene temperature do druge, in sicer 10 % do 90 % (primer: pri temperaturni spremembi iz stabilnih 20 °C na stabilnih 30 °C vzamemo čas, ko temperatura naraste od 21 do 29
°C, dobimo hitrost spreminjanja temperature v enotah °C/s).
Ker želimo primerjati prevodnost kože s temperaturo dlani, potrebujemo čim hitrejše odzive in čim večjo ločljivost. Temperatura se kljub vsemu ne more spreminjati zelo hitro, saj ima roka neko toplotno vztrajnost, kar zahteva zvezne in relativno počasne spremembe.
2.2.2 NTC-termistor
Kot drugo možnost smo izbrali NTC-termistor DHT0B473F3953SY. NTC- termistor je temperaturno odvisen upor z negativnim temperaturnim koeficientom.
Narejen je v majhnem steklenem ohišju velikosti 2 × 4 mm. Njegovo temperaturno območje se razteza od –40 °C do 200 °C.
Izbrani termistor ima pri 25 °C upornost enako 47 kΩ s toleranco ±1 %, konstanto B pa 3950 K s toleranco ±3 %. Največja moč, ki se lahko troši na termistorju, je 120 mW, termalna časovna konstanta pa je okrog 10 s.
Slika 12: NTC-termistor
