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Konzept eines drahtlosen Sensorinterface für Mikrosensoren in der Zahnmedizin

Lotichius, Jan (2011):
Konzept eines drahtlosen Sensorinterface für Mikrosensoren in der Zahnmedizin.
Technische Universität Darmstadt, [Diploma Thesis or Magisterarbeit]

Abstract

Zusammenfassung:

Drahtlos auswertbare Sensoren erschließen gegenwärtig in der Medizintechnik neue Möglichkeiten der Diagnostik. In der vorliegenden Arbeit wird ein Konzept für drahtlos auswertbare resistive Drucksensoren zur Verwendung in der Diagnose von Zungenfehlstellungen erarbeitet.

Dies erfolgt aufbauend auf einem Vorgängerprojekt, in dem Sensoren leitungsgebunden von einem Mikrocontroller ausgewertet und die Daten von einem Funkmodul übertragen werden. Um die kostenaufwändige Aufbau- und Verbindungstechnik zu vereinfachen und insbesondere für den Arzt mehr Flexibilität in der Sensorplatzierung zu schaffen, werden energieautarke drahtlose Sensorknoten konzeptioniert, die ohne interne Energieversorgung arbeiten. Wesentliche Anforderungen sind eine elektromagnetische Energieversorgung, ein maximaler Bauraum des Sensorknotens, zehn Sensorknoten im Arbeitsraum und 30Hz Abtastrate.

Nach einer Recherche zum Stand der Technik und der Definition von Teilproblemen wird ein System aus 2 Spulen, einem Transponder und einem handelsüblichen Lesegerät entworfen. Die Sensorknoten, bestehend aus Drucksensor, Transponder (Elektronik) und Transponderspule werden induktiv mit Energie versorgt, der Datenaustausch erfolgt ebenfalls mittels induktiver Kopplung. Der maximale Abstand der Spulen beträgt 10 cm. Die Übertragungsstrecke und die Auslegung der dazugehörigen Spulen ist der Schwerpunkt der Arbeit.

Zur Dimensionierung der Übertragungsstrecke wird der Frequenzverlauf einer Spule sowie zweier gekoppelter Spulen modelliert und analysiert. Als wesentlicher Parameter für das Koppplungsverhalten wird die Güte der Spulen identifziert und Bedingungen für ein Maximum der am Transponder zur Verfügung stehenden Leistung hergeleitet. Weiterhin wird die Eigenresonanz der Spulen als wichtiger Einfluss auf die Güte der Spulen identifiziert. Zur Datenübertragung wird aufgezeigt, wie vorhandene Standard-Protokolle aus dem RFID-Bereich angepasst und genutzt werden können, so dass die Verwendung handelsüblicher Lesegeräte möglich ist.

Bezüglich des Transponders wird anhand theoretischer Betrachtungen, Literaturangaben und eigener Messungen die Leistungsaufnahme der Komponenten analysiert und gezeigt, dass die durchschnittliche Leistungsaufnahme des existierenden Systems von 1,58mW bei Auswertung eines Sensors mit 30Hz auf unter 0,1mW reduziert werden kann. Die Modellierung zeigt, dass die Übertragung dieser Leistung im für RFID-Anwendungen freigegebenen Frequenzband um 13,56MHz gut möglich ist.

Item Type: Diploma Thesis or Magisterarbeit
Erschienen: 2011
Creators: Lotichius, Jan
Title: Konzept eines drahtlosen Sensorinterface für Mikrosensoren in der Zahnmedizin
Language: German
Abstract:

Zusammenfassung:

Drahtlos auswertbare Sensoren erschließen gegenwärtig in der Medizintechnik neue Möglichkeiten der Diagnostik. In der vorliegenden Arbeit wird ein Konzept für drahtlos auswertbare resistive Drucksensoren zur Verwendung in der Diagnose von Zungenfehlstellungen erarbeitet.

Dies erfolgt aufbauend auf einem Vorgängerprojekt, in dem Sensoren leitungsgebunden von einem Mikrocontroller ausgewertet und die Daten von einem Funkmodul übertragen werden. Um die kostenaufwändige Aufbau- und Verbindungstechnik zu vereinfachen und insbesondere für den Arzt mehr Flexibilität in der Sensorplatzierung zu schaffen, werden energieautarke drahtlose Sensorknoten konzeptioniert, die ohne interne Energieversorgung arbeiten. Wesentliche Anforderungen sind eine elektromagnetische Energieversorgung, ein maximaler Bauraum des Sensorknotens, zehn Sensorknoten im Arbeitsraum und 30Hz Abtastrate.

Nach einer Recherche zum Stand der Technik und der Definition von Teilproblemen wird ein System aus 2 Spulen, einem Transponder und einem handelsüblichen Lesegerät entworfen. Die Sensorknoten, bestehend aus Drucksensor, Transponder (Elektronik) und Transponderspule werden induktiv mit Energie versorgt, der Datenaustausch erfolgt ebenfalls mittels induktiver Kopplung. Der maximale Abstand der Spulen beträgt 10 cm. Die Übertragungsstrecke und die Auslegung der dazugehörigen Spulen ist der Schwerpunkt der Arbeit.

Zur Dimensionierung der Übertragungsstrecke wird der Frequenzverlauf einer Spule sowie zweier gekoppelter Spulen modelliert und analysiert. Als wesentlicher Parameter für das Koppplungsverhalten wird die Güte der Spulen identifziert und Bedingungen für ein Maximum der am Transponder zur Verfügung stehenden Leistung hergeleitet. Weiterhin wird die Eigenresonanz der Spulen als wichtiger Einfluss auf die Güte der Spulen identifiziert. Zur Datenübertragung wird aufgezeigt, wie vorhandene Standard-Protokolle aus dem RFID-Bereich angepasst und genutzt werden können, so dass die Verwendung handelsüblicher Lesegeräte möglich ist.

Bezüglich des Transponders wird anhand theoretischer Betrachtungen, Literaturangaben und eigener Messungen die Leistungsaufnahme der Komponenten analysiert und gezeigt, dass die durchschnittliche Leistungsaufnahme des existierenden Systems von 1,58mW bei Auswertung eines Sensors mit 30Hz auf unter 0,1mW reduziert werden kann. Die Modellierung zeigt, dass die Übertragung dieser Leistung im für RFID-Anwendungen freigegebenen Frequenzband um 13,56MHz gut möglich ist.

Uncontrolled Keywords: Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, Datenübertragung induktiv, Energiebilanz, Energieübertragung induktiv, Sensorsystem energieautark, Spulengüte, Transponder
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design > Measurement and Sensor Technology
Date Deposited: 31 Aug 2011 10:23
Additional Information:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Sigel: 17/24 EMKD 1753

Art der Arbeit: Diplomarbeit

Beginn Datum: 09-08-2010

Ende Datum: 08-02-2011

Querverweis: keiner

Studiengang: Elektrotechnik und Informationstechnik (ETiT)

Vertiefungsrichtung: Mikro- und Feinwerktechnik (MFT)

Abschluss: Diplom (MFT)

Identification Number: 17/24 EMKD 1753
Referees: Stöhr, Dipl.-Ing. Ingmar and Werthschützky, Prof. Roland
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