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Mesurandos, mediciones,…, instrumentos
Tutorial por Jorge Márquez
1 Instrumentacion y Señales 2014 CCADET-UNAM Jorge Marquez
Mesurando:
de un objeto o fenómeno. una propiedad, rasgo o estado una cantidad que caracteriza
Notar las relaciones entre los términos subrayados; un mesurando es externo a un instrumento de medición (aunque puede provenir de otro instrumento); puede ser la respuesta a un estímulo externo al objeto o fenómeno en cuestión o es una propiedad intrínseca (e.g., el tamaño del objeto, su color, la duración del fenómeno, etc.), o caracteriza un estado del objeto (su temperatura, presión interna, edad, el número de elementos de alguna propiedad, etc.). A menudo, por simplicidad se llama mesurando a la propiedad, rasgo o estado de interés, o sea: aquello que se quiere medir.
2 Instrumentacion y Señales 2014 CCADET-UNAM Jorge Marquez
Medición:
de un objeto o fenómeno .
que caracteriza
Procedimiento realizado por un observador para obtener, deducir o estimar una cantidad
una propiedad, rasgo o estado
A menudo se simplifica el uso del término y la cantidad obtenida es llamada “medición” ( autonomasia).
Notar las relaciones entre los términos subrayados y que, entre observador y objeto (observado) existe una interfaz (el sensor, por ejemplo) que cuenta con una ventana o apertura finita (temporal, espacial, energética), que a su vez está caracterizada por una función de dispersión puntual (PSF: Point Spread Function -por definir).
3 Instrumentacion y Señales 2014 CCADET-UNAM Jorge Marquez
Instrumento : Dispositivo o conjunto de dispositivos coordinados que reciben y transforman datos o señales en una o más dimensiones usualmente con el objetivo último de medir alguna característica y/o trasladar al dominio y alcance de los sentidos humanos algún aspecto de la información de entrada (mesurando).
También puede servir para generar señales o información, o tener un efecto físico, controlado y preciso (generar un flujo, modificarlo o regularlo; ejercer una cierta fuerza o control en una máquina, etc.). Del mismo modo, un instrumento puede además manipular, procesar y analizar energía, señales o información en general.
Esta definición se refiere a instrumentos de medición y/o monitoreo (fuente: Oxford English Dictionary (OED))
(de medición):
4 Instrumentacion y Señales 2014 CCADET-UNAM Jorge Marquez
Componentes de un Instrumento (de Medición) Información Mesurando(s) (entrada o a veces estímulo)
Sensor
(= Transductor)
-Muestra -Señal -Imagen nD
(A)condiciona-miento
y/o procesamiento
de señal y/o
reducción de datos
Despliegue o presentación
de datos o resultados
Cantidad asociada a un fenómeno físico, fisiológico, químico, etc. Rasgo, propiedad o condición en un sistema, objeto, ser vivo, fenómeno físico,… u otro instrumento Respuesta a un estímulo externo
Abertura finita + filtro
~“proyección” del mesurando en elementos del instrumento (conversión a cantidad eléctrica) Captura o muestreo
Conversión entre ≠’s formas de energía
mecánica a eléctrica, química a térmica, vibracional a fotónica, angular a lineal, cinética a potencial, acústica a luminosa, etc. Principios transductivos: Efectos fotoeléctrico, piezoeléctrico, inductivo, termorresistivo, fotoacústico, fotoquímico, termoeléctrico, de dínamo, piezorresistivo, Hall, etc.
-Filtrado específico -Amplificación --Acoplamiento de impedancias -(Conversión A/D)
y
ANALISIS: -Extracción de información -Identificación de patrones -MEDICION
Interfaz (HMI, GUI) con -Usuario -Operador -Otro instrumento
(transmisión, almacenamiento, recepción, señal de estímulo o de control)
5 Instrumentacion y Señales 2014 CCADET-UNAM Jorge Marquez
(Izquierda) entrada (mesurando: presión), (centro y derecha) respuesta (salida, señal medida) de un instrumento de segundo orden.
Notar el transiente (sobretiro) y el retardo: lo medido no es idéntico al mesurando 6 Instrumentacion y Señales 2014
CCADET-UNAM Jorge Marquez
Instrumentación
Experimentación Medición
Procesamiento y Análisis de
Señales
Generación de Señales Control
Actuadores
Despliegue de datosGraficación
Modelos simulación
Transmisión de Información
Cálculo y computación
Herramientas Dispositivos
Equipos
comunicaciones almacenamiento
Estadística Análisis de errores
Acústica
Experimentación Medición Procesamiento
y Análisis de Señales sonoras
Generación de Señales sonoras Lenguaje verbal
Análisis espectral
Control de ruido Ecología
Ondas
Vibraciones mecánicas
Audición recintos
Música e instrumentos musicales
Ecos cámaras anecoicas
Ultrasonido Doppler
Electrónica
Imágenes 2D-3D
Experimentación Medición Procesamiento
y Análisis de Señales
Síntesis de imágenes 3D Animación
digital
Artes Plásticas Color - pigmentos
Despliegue de datos Graficación
Modelos 3D simulación
Video Cinematografía
Optica y optoelectrónica
Herramientas Dispositivos
Equipos
Semiología de la imagen
Microscopia
Ultrasonido
Resonancia Magnétic
Textura Física de Superficies
Visión humana - cognición
Perceptible output Output
display
Control And feedback
Signal processing
Data transmission
Data storage
Variable Conversion element
Sensor
Primary Sensing element
Measurand
Calibration signal
Radiation, electric current, or other applied energy
Power source
Figure 1.1 (del Webster) Generalized instrumentation system The sensor converts energy or information from the measurand to another form (usually electric). This signal is the processed and displayed so that humans can perceive the information.
Elements and connections shown by dashed lines are optional for some applications. 11 Instrumentacion y Señales 2014
CCADET-UNAM Jorge Marquez
*Figure 1.2 Simplified electrocardiographic recording system Two possible interfering inputs are stray magnetic fields and capacitively coupled noise. Orientation of patient cables and changes in
electrode-skin impedance are two possible modifying inputs. Z1 and Z2 represent the electrode-skin interface impedances.
Electrodes
60-Hz AC magnetic field
Displacement currents
Differential amplifier
+
−
+Vcc
-Vcc
Z1 Zbody
Z2
vo
vecg
13 Instrumentacion y Señales 2014 CCADET-UNAM Jorge Marquez
Medical Imaging
Instrumentacion y Señales 2014 CCADET-UNAM Jorge Marquez
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Input stimuli Light (coherent) EM-field
Radiation:
ν x-ray α,β,γ e− e+
Ultrasound Labelled probes Contrast agents Biochemical signals Electric signals Mechanical signals Cognitive activity
Endoscopy, keratopography, thermography Moiré-pattern imaging, polarography Microscopies (confocal, multi-photon, ... Radiography, Fluoroscopy, CT, axial, spiral Contrast angiography, dynam. MR-angio. NMRI, nuclear medicine, functional NMR Scintigraphy, gamma-camera,... TEM, SEM, synchrotron EM, PET, SPECT Flow, tensor, parametric imaging US mode A,b, Doppler, Time-of-flight Diffusion / perfusion imaging Impedance tomography, cardiography Magnetoelectroencephalography map ... ... . . .
Multidimensional Information N-dimensional reconstruction
Processing, Analysis Quantification, Visualization
Interpretation Diagnosis
DataBase of Atlases and Phantoms
Mapping & registration Inter-comparison Ground truth & reference DBs: anatomical, functional, Simulation
(Scientific) Imaging
Instrumentacion y Señales 2014 CCADET-UNAM Jorge Marquez
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Energy, Information or Stimuli
Interaction
Image Formation (Physics)
Sensors Acquisition
Image Production (Technology)
Multidimensional Information Processing, Analysis Not always man-induced
entrada del medio (si hay) I
Sistema S, fenómeno,… otro instrumento
mesurandos
Instrumento de medición observación o monitoreo
S
Instrumento generador de señales
salida al medio
Cuatro Casos
Instrumento generador de estímulos o para modificar o manipular a S
respuesta (si hay) S
… o de control a lazo abierto
16 Instrumentacion y Señales 2014 CCADET-UNAM Jorge Marquez
salida
Instrumento de control a lazo cerrado
mesurandos
entrada de control
S
I
I
I
Instrumentacion y Señales 2014 CCADET-UNAM Jorge Marquez
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Instrumentos
I
Observadores y sujetos observados (humanos)
O2 O1
S Observadores
. . . . . .
Sujeto
Comunicación / códigos / lenguajes Flujos/esfuerzos (acciones / observaciones) Interconectividad e interacción
Posible feedback
Retroalimentación (feedback) Negativa
x y Gd
Hf
+ -
y = Gd x y = Gd (x – Hf y)
Gd
(1 + Hf Gd ) y = x
entrada salida
Gd función de transferencia = ganancia
a lazo abierto
a lazo cerrado
función de feedback
18 Instrumentacion y Señales 2014 CCADET-UNAM Jorge Marquez
Retroalimentación (feedback) Negativa
X(jω) Y(jω) Gd(jω)
Hf (jω)
+ -
Y = Gd X Y = Gd (X – Hf Y)
Gd
(1 + Hf Gd ) Y = X
entrada salida
Gd (jω) función de transferencia en frecuencia = ganancia compleja
a lazo abierto
a lazo cerrado
función de feedback
19 Instrumentacion y Señales 2014 CCADET-UNAM Jorge Marquez
x y + +
y2
Retroalimentación múltiple o iterada
Retroalimentación cruzada
Modelo de programación extrema Circuito lógico “flip-flop” (switch) 20 Instrumentacion y Señales 2014
CCADET-UNAM Jorge Marquez
Retroalimentación anidada o fractal
x +
y +
21 Instrumentacion y Señales 2014 CCADET-UNAM Jorge Marquez
+ +
Instrumentacion y Señales 2014 CCADET-UNAM Jorge Marquez
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(or activation function)
Procesador básico (modelo de neurona) de n entradas
1
n
ij ijnet w x= ∑
Multilayer perceptron with two hidden layers
Inputlayer
Firsthiddenlayer
Secondhiddenlayer
Outputlayer
I n p
u t
S
i g
n a
l
s
O u
t p
u t
S
i g
n
a l s
Three-layer back-propagation neural network
Inputlayer
xi
x1
x2
xn
1
2
i
n
Outputlayer
1
2
k
l
yk
y1
y2
yl
Input signals
Error signals
wjk
Hiddenlayer
wij
1
2
j
m
Closed-loop control system
x y Forward element
Feedback element
+
system dynamics
- output
actuating signal
Reference selector
command input
reference input
feedback signal
control parameters
26 Instrumentacion y Señales 2014 CCADET-UNAM Jorge Marquez
Sistema, “planta” o proceso a controlar
27 Instrumentacion y Señales 2014 CCADET-UNAM Jorge Marquez
Aquí “sensor” es un instrumento de medición/monitoreo
“Referencia” es la salida deseada del sistema controlado
El “error” es la diferencia entre la salida medida y la referencia deseada
Instrumentacion y Señales 2014 CCADET-UNAM Jorge Marquez
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Registramos “las intensidades” (= valores del atributo intensidad):
Las mediciones son un tipo de observación (cuantitativa)
Medimos el valor del atributo "intensidad" (=mesurando),
Obtenemos una medición que llamamos “intensidad”,
Suponemos que tal “intensidad” coincide con el valor real del mesurando original (y sigue siendo un atributo),
(información = dato “−” ruido)
son datos de los que extraemos información y conocimiento, descartando
lo que no interesa (ruido):
Instrumentacion y Señales 2014 CCADET-UNAM Jorge Marquez
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Observaciones
Observador “Mundo Real”, sistemas,
mesurandos
Instrumentos
Instrumentos
Modelos Necesidades y problemas
Los instrumentos (y dispositivos), junto con los sentidos, son medios de interacción de un observador con el mundo real (incluyendo al propio observador e instrumentos), ayudan a satisfacer necesidades, resolver problemas y hacer representaciones y modelos del mundo, además de modificarlo y construirlo, en base a conocimientos, teorías y experiencias.
Acciones Instrumentos Acciones y modificaciones
conocimientos
“ ”: Flujos y esfuerzos, energía e información
experiencias
Instrumentacion y Señales 2014 CCADET-UNAM Jorge Marquez
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*Flujos y esfuerzos Ejemplos de Flujos: corriente de cargas elétricas, de
líquidos, de polvo, de piedras; flujo magnético, calorífico, de luz, de símbolos, palabras, conceptos, bits; cambios en: la posición de un objeto (distancia), velocidad o aceleración, ídem angulares; oscilaciones, flujo molar, concentración química, transferencia de potencia, fonones,…
Ejemplos de Esfuerzos: fuerzas, torcas, potencial eléctrico
(voltaje), gravitacional, presión, atracción o repulsión magnética, diferencia de temperaturas, potencial químico, mando (orden), imperativos,…
Impedancia (generalizada): La oposición (+/-) a un flujo o a un esfuerzo Ejemplos: resistencia, fricción, inercia, rigidez, reactancias,
buffers, opacidad, permeabilidad (magnética) amortiguamiento, capacidad calorífica, reluctancia magnética,…
Modelo lineal de efectos que alteran una medición (…en sistemas lineales invariantes a corrimiento)
32 Instrumentacion y Señales 2014 CCADET-UNAM Jorge Marquez
xin : Entrada (mesurando; dato, señal, vector, imagen, estímulo, etc).
xobs : Observación (lo medido, lo muestreado, la respuesta)
xobs = xin * ψ + η ψ PSF del sensor (Función de Dispersión Puntual - abertura)
η Ruido aditivo en espacio de xobs (sensor)
* Operación de convolución, dominio de xin ε = “xobs – xin” error diferencial por degradación (simplificación a
mismos espacios).
η Incluye ruido en xin pues podemos tener η = η’ + ηin* ψ Normalmente se conoce xobs, acaso ψ y quizás algunas propiedades de η