Tato bakalářská práce je zaměřena na návrh senzitivita inteligentního senzoru pro monitorování respiračních poměrů pomocí respirační induktivní pletysmografie (RIP). RIP je metoda pro monitorování dýchacích poměrů pomocí dýchacího pásu, ke kterému jsou připojeny inteligentní senzory a obklopují jej v oblasti hrudníku a břicha. Byla provedena rozsáhlá literární rešerše piezoelektrických materiálů, které by byly vhodné pro inteligentní senzor fyzikálních sil, zejména v nízkofrekvenčním rozsahu. Senzor síly byl navržen na základě piezoelektrické keramiky typu PZT. Byl uvažován převodník roztažné síly (způsobené změnou obvodu hrudníku) na tlakovou sílu, měřenou piezoelektrickým senzorem. Experimentálně byly zkoumány dva typy piezoelektrických materiálů: měkká keramika PZT a křemen modifikace
. Piezoelektrický koeficient pro modifikaci křemene byl experimentálně ověřen v dynamickém režimu. Bylo diskutováno měření výstupního náboje Q snímače pomocí obvodu s velmi vysokou vstupní impedancí.
Ukázalo se, že křemen je vhodnější než keramika PZT, pokud jde o kvalitu signálu senzoru. Pozornost byla věnována také novým relaxorovým materiálům, které vykazují extrémně vysoký koeficient elektromechanické vazby. Jejich dostupnost je však omezená. Rozsah experimentální práce byl omezen z důvodu opatření proti šíření koronaviru v období od března do května 2020, protože v laboratořích VÚTS a CxI na univerzitě byly karantény.
Anotace v angličtině
This bachelor thesis focuses on determining the sensitivity and design of a smart sensor that could be used in a device for the monitoring of respiratory rate with the help of respiratory inductive plethysmography (RIP). RIP is a method for monitoring respiratory rate by using a respiratory belt to which smart sensors are attached and surrounding it to the thoracic region and abdomen of a patient. An extensive literature search on piezoelectric materials that would be suitable for a smart sensor of physical forces, especially in the low-frequency range, was performed. A force sensor was designed based on PZT considering the transducer of large Force (caused by changes in chest wall movement) to the compressive Force measured by the piezoelectric sensor, was considered. Two types of piezoelectric materials were experimentally studied: PZT soft ceramics and -Quartz. The piezoelectric coefficient for Quartz modification was verified experimentally in the dynamic model. The measurement of the output charge Q of the sensor, using the circuit with a very large input impedance, was discussed.
From all indications, the Quartz is more suitable than soft PZT in terms of sensor signal quality. Considerable attention was given to the more recent relaxor materials, which show an extremely high coefficient of electromechanical coupling. However, their availability is limited. The scope of the experimental work was limited by measures against the spread of coronavirus in the period from March to May 2020, as the VÚTS and CxI laboratories were on quarantine.
Klíčová slova
měření respiračních poměrů, piezoelektrické materiály, piezoelektrický senzor
Tato bakalářská práce je zaměřena na návrh senzitivita inteligentního senzoru pro monitorování respiračních poměrů pomocí respirační induktivní pletysmografie (RIP). RIP je metoda pro monitorování dýchacích poměrů pomocí dýchacího pásu, ke kterému jsou připojeny inteligentní senzory a obklopují jej v oblasti hrudníku a břicha. Byla provedena rozsáhlá literární rešerše piezoelektrických materiálů, které by byly vhodné pro inteligentní senzor fyzikálních sil, zejména v nízkofrekvenčním rozsahu. Senzor síly byl navržen na základě piezoelektrické keramiky typu PZT. Byl uvažován převodník roztažné síly (způsobené změnou obvodu hrudníku) na tlakovou sílu, měřenou piezoelektrickým senzorem. Experimentálně byly zkoumány dva typy piezoelektrických materiálů: měkká keramika PZT a křemen modifikace
. Piezoelektrický koeficient pro modifikaci křemene byl experimentálně ověřen v dynamickém režimu. Bylo diskutováno měření výstupního náboje Q snímače pomocí obvodu s velmi vysokou vstupní impedancí.
Ukázalo se, že křemen je vhodnější než keramika PZT, pokud jde o kvalitu signálu senzoru. Pozornost byla věnována také novým relaxorovým materiálům, které vykazují extrémně vysoký koeficient elektromechanické vazby. Jejich dostupnost je však omezená. Rozsah experimentální práce byl omezen z důvodu opatření proti šíření koronaviru v období od března do května 2020, protože v laboratořích VÚTS a CxI na univerzitě byly karantény.
Anotace v angličtině
This bachelor thesis focuses on determining the sensitivity and design of a smart sensor that could be used in a device for the monitoring of respiratory rate with the help of respiratory inductive plethysmography (RIP). RIP is a method for monitoring respiratory rate by using a respiratory belt to which smart sensors are attached and surrounding it to the thoracic region and abdomen of a patient. An extensive literature search on piezoelectric materials that would be suitable for a smart sensor of physical forces, especially in the low-frequency range, was performed. A force sensor was designed based on PZT considering the transducer of large Force (caused by changes in chest wall movement) to the compressive Force measured by the piezoelectric sensor, was considered. Two types of piezoelectric materials were experimentally studied: PZT soft ceramics and -Quartz. The piezoelectric coefficient for Quartz modification was verified experimentally in the dynamic model. The measurement of the output charge Q of the sensor, using the circuit with a very large input impedance, was discussed.
From all indications, the Quartz is more suitable than soft PZT in terms of sensor signal quality. Considerable attention was given to the more recent relaxor materials, which show an extremely high coefficient of electromechanical coupling. However, their availability is limited. The scope of the experimental work was limited by measures against the spread of coronavirus in the period from March to May 2020, as the VÚTS and CxI laboratories were on quarantine.
Klíčová slova
měření respiračních poměrů, piezoelektrické materiály, piezoelektrický senzor
Research of currently published results in monitoring respiratory rate (MRR). The work will be focused on the Respiratory Inductive Plethysmography (RIP), using different types of intelligent sensors of the respiratory pressure (PI).
Comparison of properties of selected intelligent respiratory pressure sensors suitable for MRR.
Piezoelectric sensors based on relaxor materials. Conceptual design of the sensor.
Laboratory realization of the sensor for monitoring respiratory pressure and its application. Signal processing and signal evaluation.
Teoretická východiska (včetně výstupu z kvalifikační práce):
The student will be acquainted with the possibilities of respiratory monitoring by RIP methodology, especially with the implementation of piezoelectric respiratory pressure sensors and subsequent signal processing. Student designs a solution that uses smart materials to significantly increase the sensitivity of the respiratory pressure sensor (although these materials are not readily available). The student will perform basic measurement of respiratory pressure.
Výzkumné předpoklady / výzkumné otázky:
The research prerequisite is a good knowledge of the physical principles of piezoelectric, piezoresistive and capacitive sensors suitable for sensing of the respiratory pressure. At the same time, the application possibilities of placing these sensors on the patient's body and outside the patient will be studied. Based on the comparison of properties of the respiratory pressure sensors (of different physical principles and possible applications), the student will design a simple respiratory pressure sensor.
Metoda:
This work has a quantitative character.
Technika práce, vyhodnocení dat:
The theoretical output of the work will be verified on the respiratory instrument in the Physical Measurement Department at CxI.
Místo a čas realizace výzkumu:
TUL-Faculty of Mechatronics, Informatics and Interdisciplinary Studies and Department of Physical Measurements at the Institute for Nanomaterials, Advanced Technologies and Innovation (CxI) are the places for the realization of the qualification work.
1. Research part - 8.1.2020,
2. Comparison of properties of resipratory presure sensors and their location. Conceptual sensor design based on relaxor materials -15.2.2020,
3. Realization of respiratory pressure sensor and its laboratory application - 15.4.2020,
4. Processing of results and first version of the qualification work - 15.5.2020,
5. Final version of the work -26.6.2020.
Vzorek:
Due to the qualitative nature of the work, the sample of respondents will not be used.
Rozsah práce:
The range of bachelor thesis is 50-70 pages.
Forma zpracování kvalifikační práce:
A printed and electronic form of the work.
Zásady pro vypracování
Cíle práce:
Research of currently published results in monitoring respiratory rate (MRR). The work will be focused on the Respiratory Inductive Plethysmography (RIP), using different types of intelligent sensors of the respiratory pressure (PI).
Comparison of properties of selected intelligent respiratory pressure sensors suitable for MRR.
Piezoelectric sensors based on relaxor materials. Conceptual design of the sensor.
Laboratory realization of the sensor for monitoring respiratory pressure and its application. Signal processing and signal evaluation.
Teoretická východiska (včetně výstupu z kvalifikační práce):
The student will be acquainted with the possibilities of respiratory monitoring by RIP methodology, especially with the implementation of piezoelectric respiratory pressure sensors and subsequent signal processing. Student designs a solution that uses smart materials to significantly increase the sensitivity of the respiratory pressure sensor (although these materials are not readily available). The student will perform basic measurement of respiratory pressure.
Výzkumné předpoklady / výzkumné otázky:
The research prerequisite is a good knowledge of the physical principles of piezoelectric, piezoresistive and capacitive sensors suitable for sensing of the respiratory pressure. At the same time, the application possibilities of placing these sensors on the patient's body and outside the patient will be studied. Based on the comparison of properties of the respiratory pressure sensors (of different physical principles and possible applications), the student will design a simple respiratory pressure sensor.
Metoda:
This work has a quantitative character.
Technika práce, vyhodnocení dat:
The theoretical output of the work will be verified on the respiratory instrument in the Physical Measurement Department at CxI.
Místo a čas realizace výzkumu:
TUL-Faculty of Mechatronics, Informatics and Interdisciplinary Studies and Department of Physical Measurements at the Institute for Nanomaterials, Advanced Technologies and Innovation (CxI) are the places for the realization of the qualification work.
1. Research part - 8.1.2020,
2. Comparison of properties of resipratory presure sensors and their location. Conceptual sensor design based on relaxor materials -15.2.2020,
3. Realization of respiratory pressure sensor and its laboratory application - 15.4.2020,
4. Processing of results and first version of the qualification work - 15.5.2020,
5. Final version of the work -26.6.2020.
Vzorek:
Due to the qualitative nature of the work, the sample of respondents will not be used.
Rozsah práce:
The range of bachelor thesis is 50-70 pages.
Forma zpracování kvalifikační práce:
A printed and electronic form of the work.
Seznam doporučené literatury
KLAP, Tal a Zvika SHINAR. Using piezoelectric sensor for continuous-contact-free monitoring of heart and respiration rates in real-life hospital settings. Computing in Cardiology Conference (CinC), 2013. 40, 671-674, ISBN:978-1-4799-0884-4
KOŤOVÁ, M. Monitorování dechu během terapie pacientů. Diplomová práce VUT FEKT Brno, 2013. https://www.vutbr.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.php?file_id=64651
SETTER,N., Ed., Piezoelectric materials in devices, Ceramic Laboratory, Swiss Federal Institute of Technology (EPFL) Lausanne, Swiss, 2002. ISBN 2-9700346-0-3, EAN 9782970034605.
RUPITSCH, Stefan. J. Piezoelectric Sensors and Actuators. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2019. Topics in Mining, Metallurgy and Materials Engineering. ISBN 978-3-662-57532-1
MANJUNATHA, Roopa. G. et al. Identification of different respiratory rate by a piezo polymer based nasal sensor. In: 2013 IEEE SENSORS. IEEE, 2013, s. 1-4. DOI 10.1109/ICSENS.2013.6688479. Dostupné také z: http://ieeexplore.ieee.org/document/6688479
HAMDANI, Syed a Anura FERNANDO. The Application of a Piezo-Resistive Cardiorespiratory Sensor System in an Automobile Safety Belt. Sensors. 2015, 15(4), 7742-7753 [cit. 2018-12-19]. DOI 10.3390/s150407742. ISSN 1424-8220. Dostupné také z: http://www.mdpi.com/1424-8220/15/4/7742
YU-PEI HUANG a KE-NUNG HUANG. Monitoring of breathing rate by a piezofilm sensor using pyroelectric effect. In: 2013 1st International Conference on Orange Technologies (ICOT). IEEE, 2013, s. 99-102. DOI 10.1109/ICOT.2013.6521167. Dostupné také z: http://ieeexplore.ieee.org/document/6521167/
SUN, Xiao, et al. Sleep monitor: Monitoring respiratory rate and body position during sleep using smartwatch. Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies, 2017, 1(3) 104. DOI: 10.1145/3130969. Dostupné také z: http://dl.acm.org/citation.cfm?doid=3139486.3130969.
SHANKAR, N. et al: Measurement of Respiratory Rate Using Piezoelectric Sensor, Int. J. Scientific Research and Review, vol.7, 1,2018, 184-188, ISSN 2279-543X.
Piezoelectric Respiration (PZT), Sensor Data Sheet. http://bitalino.com/datasheets/PZT_Sensor_Datasheet.pdf (12/2018)
LUIS, Juan et al. Design and Implementation of a Smart Sensor for Respiratory Rate Monitoring. Sensors . 2014, 14(2), 3019-3032. DOI 10.3390/s140203019. Dostupné také z: http://www.mdpi.com/1424-8220/14/2/3019.
Seznam doporučené literatury
KLAP, Tal a Zvika SHINAR. Using piezoelectric sensor for continuous-contact-free monitoring of heart and respiration rates in real-life hospital settings. Computing in Cardiology Conference (CinC), 2013. 40, 671-674, ISBN:978-1-4799-0884-4
KOŤOVÁ, M. Monitorování dechu během terapie pacientů. Diplomová práce VUT FEKT Brno, 2013. https://www.vutbr.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.php?file_id=64651
SETTER,N., Ed., Piezoelectric materials in devices, Ceramic Laboratory, Swiss Federal Institute of Technology (EPFL) Lausanne, Swiss, 2002. ISBN 2-9700346-0-3, EAN 9782970034605.
RUPITSCH, Stefan. J. Piezoelectric Sensors and Actuators. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2019. Topics in Mining, Metallurgy and Materials Engineering. ISBN 978-3-662-57532-1
MANJUNATHA, Roopa. G. et al. Identification of different respiratory rate by a piezo polymer based nasal sensor. In: 2013 IEEE SENSORS. IEEE, 2013, s. 1-4. DOI 10.1109/ICSENS.2013.6688479. Dostupné také z: http://ieeexplore.ieee.org/document/6688479
HAMDANI, Syed a Anura FERNANDO. The Application of a Piezo-Resistive Cardiorespiratory Sensor System in an Automobile Safety Belt. Sensors. 2015, 15(4), 7742-7753 [cit. 2018-12-19]. DOI 10.3390/s150407742. ISSN 1424-8220. Dostupné také z: http://www.mdpi.com/1424-8220/15/4/7742
YU-PEI HUANG a KE-NUNG HUANG. Monitoring of breathing rate by a piezofilm sensor using pyroelectric effect. In: 2013 1st International Conference on Orange Technologies (ICOT). IEEE, 2013, s. 99-102. DOI 10.1109/ICOT.2013.6521167. Dostupné také z: http://ieeexplore.ieee.org/document/6521167/
SUN, Xiao, et al. Sleep monitor: Monitoring respiratory rate and body position during sleep using smartwatch. Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies, 2017, 1(3) 104. DOI: 10.1145/3130969. Dostupné také z: http://dl.acm.org/citation.cfm?doid=3139486.3130969.
SHANKAR, N. et al: Measurement of Respiratory Rate Using Piezoelectric Sensor, Int. J. Scientific Research and Review, vol.7, 1,2018, 184-188, ISSN 2279-543X.
Piezoelectric Respiration (PZT), Sensor Data Sheet. http://bitalino.com/datasheets/PZT_Sensor_Datasheet.pdf (12/2018)
LUIS, Juan et al. Design and Implementation of a Smart Sensor for Respiratory Rate Monitoring. Sensors . 2014, 14(2), 3019-3032. DOI 10.3390/s140203019. Dostupné také z: http://www.mdpi.com/1424-8220/14/2/3019.
Přílohy volně vložené
Appendix No. 1 CCLD Accelerometer Type 4394, Kistler, 2020 Appendix No. 2 Descriptive statistics of measured results Appendix No. 3 Characterisation of Piezoelectric Water Active Sensors (APC850), 2020
Přílohy vázané v práci
ilustrace, grafy, portréty, tabulky
Převzato z knihovny
Ano
Plný text práce
Přílohy
Posudek(y) oponenta
Hodnocení vedoucího
Záznam průběhu obhajoby
Průběh obhajoby je zveřejněn pouze přihlášenému uživateli.