SENSORI e CIRCUITI di CONDIZIONAMENTO
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- Corinna Giusti
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1 SENSORI e CIRCUITI di CONDIZIONAMENTO Prof. A. Boni - Prof. G. Chiorboli 1
2 Sensori: introduzione Sensori: Convertono un segnale, o uno stimolo che rappresenta una proprietà fisica, in un segnale elettrico Trasduttori: Convertono un tipo di energia in un altro Termini spesso usati nella stessa accezione I Sensori Attivi richiedono una sorgente di eccitazione esterna: RTDs, Estensimetri (strain-gages) I Sensori Passivi (Self-Generating) no: Termocoppie, fotodiodi 2
3 Sensori: Linearita V ε V = K X V = K X - ε X 3
4 Sensori: overview PROPRIETÀ FISICA SENSORE ATTIVO / PASSIVO SEGNALE DI USCITA Temperatura Termocoppia Passivo Tensione Silicio Attivo Tensione/corrente RTD Attivo Resistenza Termistore Attivo Resistenza Forza / Pressione Estensimetro Piezoelettrico Attivo Passivo Resistenza Tensione Accelerazione Accelerometro Attivo Capacità Posizione LVDT Attivo Tensione AC Intensità luminosa Fotodiodo Passivo Corrente 4
5 Sensori: esempio di applicazione 5
6 Sensori: introduzione 6
7 SENSORI di TEMPERATURA Prof. A. Boni - Prof. G. Chiorboli 7
8 Applicazioni Monitoring CPU Temperature Battery Temperature Ambient Temperature Compensation Oscillator Drift in Cellular Phones Thermocouple Cold-Junction Comp. Control Process Control, etc. 8
9 Principali Tipi 9
10 Termocoppia Robusta, basso costo Elevata ripetibilita e accuratezza Largo intervallo di Temperatura Linearita relativamente elevata Bassa sensibilita Misure differenziali 10
11 Tensione Termolettrica Etero-giunzione metallica EMF funzione di T 11
12 Termocoppie: sensibilita e linearita 12
13 Serie di Giunzioni Isoterme T1 V1 1 2 T2 V2 Non e possibile estrarre potenza se le giunzioni sono isoterme II principio della termodinamica i= 1:N V i = 0 T1= T2=... = TN 13
14 Aggiunta di Giunzioni Isoterme T1 V1 1 T3 V3 3 4 T4 V4 T2 V2 2 Aggiungere 2 giunzioni uguali e isoterme non altera il valore della sommatoria delle tensioni se T3 = T4 i= 1:4 Vi = V1+ V2 14
15 Effetti Seebeck e Peltier T1 R T2 PW = (V2 V1) R EFFETTO SEEBECK V1 V2 V V T T1 1 2 T2 EFFETTO PELTIER 15
16 Termocoppia: prinicipio EFFETTI SEEBECK/PELTIER TERMOCOPPIA INDESIDERATA 16
17 Cold-Junction Compensation MISURA ASSOLUTA di TEMPERATURA con TERMOCOPPIA 17
18 Cold-Junction Compensation Misura ASSOLUTA SENZA RIFERIMENTO (GHIACCIO) a 0 C Escursione di temp. ridotta Requisiti di linearita meno stringenti 18
19 Cold-Junction Compensation RIMOZIONE della TERMOCOPPIA INDESIDERATA 19
20 Esempio di schema 20
21 Resistance Temp. Detector: RTD R RTD = R 0 (1 + TC T) T = T T 0 Sensore Passivo Materiale Pt (tip.) R 0 [100Ω, 1kΩ] LOW TC = 0.385%/ C Ottima linearita 21
22 RTD Vs. Termocouples 22
23 Sorgenti di Errore: SELF-HEATING T RTD T AMB I T RTD = T AMB + Θ Pw Pw = R RTD I RMS 2 Bisogna impostare I molto basso per limitare il riscaldamento del RTD 23
24 Sorgenti di Errore: Res. dei Fili 24
25 Misura di Resistenza a 4 Terminali 25
26 Termistori R NTC = R 0 (1 + TC T + TC2 T 2 + ) T = T T 0 Sensore Passivo Materiale: semiconduttore TC negativo (NTC) HIGH TC = 4.4%/ C Non-lineari 26
27 Termistori NTC 27
28 Linearizzazione con Res. in Parallelo R NTC R TC << TC NTC 28
29 Estensimetri, sensori di Forza, Pressione, Flusso Prof. A. Boni - Prof. G. Chiorboli 29
30 STRAIN GAGE BASED MEASUREMENTS Strain Strain Gage, PiezoElectric Transducers Force Load Cell Pressure Diaphragm to Force to Strain Gage Flow Differential Pressure Techniques 30
31 UNBONDED WIRE STRAIN GAGE STRAIN SENSING WIRE ρl R = A R = GF R L L GF = GAGE FACTOR METALS: 2 to 4.5 SEMICONDUCTORS: > 150 L = MICROSTRAINS( µε) L 6 1µε = 1x10 cm / cm= 1ppm 31
32 BONDED WIRE STRAIN GAGE Filo sottile su substrato (carrier) RIDOTTA AREA RIDOTTE CORRENTI di LEAKAGE ELEVATO ISOLAMENTO 32
33 METAL FOIL STRAIN GAGE Film conduttivo su substrato (carrier) Tecnica Photo Etching Elevata Area Elevata Stabilita in Temperatura Ridotta sezione trasversale Buona dissipazione termica 33
34 Strain Gage a Semiconduttore Basati sull effetto di Piezoresistivita Elevata sensitivita (GF positivo o negativo) Ridotte dimensioni Non linearita Dipendenza dalla Temperatura 34
35 Estensimetri Metallici e a Semiconduttore 35
36 Sensori di Forza FORZA -> DEFORMAZIONE -> SEGNALE ELETTRICO 36
37 Load Cell Bassa Impedenza (350 Ohm tip.) Sensibilita aumenta con V B Self - Heating 37
38 Strain Gage Piezoelettrici Basati sull effetto di Piezoelettricita Sensibilita (Carica/spostamento) relativamente elevata Usati per misure dinamiche Accelerometri 38
39 Sensori di Pressione 39
40 Sensori di Pressione 40
41 Sensori di Flusso 41
42 Sensori Resistivi di GAS e UMIDITA Materiali Porosi Resistivita funzione della concentrazione Periodico Reset 42
43 Sensori di Luce: Applicazioni Optical: Light Meters, Auto-Focus, Flash Controls Medical: CAT Scanners (X-Ray Detection), Blood Particle Analyzers Communications: Fiber Optic Receivers Industrial: Bar Code Scanners, Position Sensors, Laser Printers 43
44 Sensore di Luce: Fotodiodo 44
45 Fotodiodo: modi di operazione 45
46 Esempio di Specifiche MODO FOTOVOLTAICO 46
47 Sensori: resistenza di alcuni sensori Estensimetri 120 Ω, 350 Ω, 3500 Ω Celle di carico 350 Ω Ω Sensori di pressione 350 Ω Ω Sensori di umidità relativa 100 kω -10 MΩ RTD 100 Ω, 1000 Ω Termistori 100 Ω -10 MΩ 47
48 Sensori: il ponte di Wheatstone 48
49 Sensori: il ponte di Wheatstone 49
50 Sensori: il ponte di Wheatstone 50
51 Il ponte di Wheatstone: come configurarlo Quanti sensori? (1, 2, 4) Pilotato in tensione o in corrente? Stabilità della sorgente di eccitazione Sensibilità del ponte (V o /V B ) tipica: 1 mv/v 10 mv/v Uscita tipica a FS: 10mV 100 mv Necessità di disporre di tecniche di condizionamento / amplificazione a basso rumore e di precisione Potrebbe essere necessario disporre di tecniche di linearizzazione Difficoltà nell interfacciamento con sensori situati in posizione remota 51
52 Il ponte di Wheatstone: come amplificarne e linearizzarne l uscita Con un solo Op.Amp. ed un solo sensore 52
53 Il ponte di Wheatstone: come amplificarne e linearizzarne l uscita Con un Amp. per Strumentazione ed un solo sensore 53
54 Il ponte di Wheatstone: come amplificarne e linearizzarne l uscita Con 2 Op.Amp. per linearizzare l uscita del ponte 54
55 Il ponte di Wheatstone: come amplificarne e linearizzarne l uscita Pilotato in corrente con due sensori per linearizzare l uscita del ponte 55
56 Il ponte di Wheatstone: effetto della resistenza dei fili di collegamento N.B. - Senza R COMP il ponte avrebbe un offset di mv 56
57 Il ponte di Wheatstone: come ridurre l effetto di R LEAD (3 fili) 57
58 Come ridurre l effetto di R LEAD in ponti con 4 elementi sensibili 58
59 Come ridurre l effetto di R LEAD in ponti con 4 elementi sensibili 59
60 Come ridurre l effetto di R LEAD in ponti con 4 elementi sensibili 60
61 Il ponte di Wheatstone : come ottenere un accuratezza di 0.1%? Per un accuratezza 0.1% con V omax = 20 mv Σ V offset < 20 µv 61
62 Il ponte di Wheatstone alimentato in AC 62
63 Il ponte di Wheatstone alimentato in AC Il segnale associato alla sollecitazione meccanica viene prima modulato dal segnale V s sen(ω c t), poi amplificato (senza offset) ed, infine, demodulato 63
64 Gli amplificatori: come sceglierli Tensione di offset riferita all ingresso <100 µv Drift della tensione di offset all ingresso <1 µv/ C Corrente di polarizzazione di ingresso <2 na Offset nella corrente di polarizzazione <2 na Guadagno ad anello aperto in DC >120 db GBP 500 khz 5 MHz Verificare il guadagno ad anello aperto alla frequenza di segnale Rumore 1/f (0.1 Hz 10 Hz) <1 µvpp Rumore bianco <10 nv/ CMRR, PSRR > 100 db Hz 64
65 Gli amplificatori: l offset 65
66 Gli amplificatori: l offset 66
67 Gli amplificatori: l offset 67
68 Gli amplificatori: la non linearità 68
69 Gli amplificatori: il rumore 69
70 Gli amplificatori: CMRR 70
71 Gli amplificatori: PSRR 71
72 Gli amplificatori: pesare i contributi d errore 72
73 Gli amplificatori per strumentazione 73
74 Gli amplificatori per strumentazione 74
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