SENSORI e CIRCUITI di CONDIZIONAMENTO

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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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