SENSORI e CIRCUITI di CONDIZIONAMENTOpeople.na.infn.it/~paolucci/documenti/dcs/sensori.pdf ·...

Università degli Studi di Parma Facoltà di Ingegneria 1Prof. A. Boni - Prof.

G. Chiorboli

SENSORI e CIRCUITI di CONDIZIONAMENTO

SENSORI e CIRCUITI di CONDIZIONAMENTO

Università degli Studi di Parma Facoltà di Ingegneria 2Prof. A. Boni - Prof. G. Chiorboli

Sensori: introduzioneSensori: introduzioneSensori:– Convertono un segnale, o uno stimolo che rappresenta

una proprietà fisica, in un segnale elettricoTrasduttori:– Convertono un tipo di energia in un altro

Termini spesso usati nella stessa accezioneI Sensori Attivi richiedono una sorgente di eccitazione esterna:– RTDs, Estensimetri (strain-gages)

I Sensori Passivi (Self-Generating) no:– Termocoppie, fotodiodi


Sensori: Linearita’Sensori: Linearita’

V = K X

V = K X - ε

εV

X


Sensori: overviewSensori: overview

PROPRIETÀFISICA

SENSORE ATTIVO / PASSIVO

SEGNALE DI USCITA

TermocoppiaSilicioRTD

Termistore

Temperatura PassivoAttivoAttivoAttivo

TensioneTensione/corrente

ResistenzaResistenza

EstensimetroPiezoelettrico

ResistenzaTensione

LVDT

Forza / Pressione

Accelerazione

PosizioneIntensitàluminosa

AttivoPassivo

Accelerometro

Fotodiodo

Attivo

Attivo

Passivo

Capacità

Tensione AC

Corrente


Sensori: esempio di applicazioneSensori: esempio di applicazione


Sensori: introduzioneSensori: introduzione


G. Chiorboli

SENSORI di TEMPERATURASENSORI di TEMPERATURA


ApplicazioniApplicazioni

Monitoring– CPU Temperature– Battery Temperature– Ambient Temperature

Compensation– Oscillator Drift in Cellular Phones– Thermocouple Cold-Junction Comp.

Control– Process Control, etc.


Principali TipiPrincipali Tipi


TermocoppiaTermocoppia

Robusta, basso costoElevata ripetibilita’ e accuratezzaLargo intervallo di TemperaturaLinearita’ relativamente elevataBassa sensibilita’Misure differenziali


Tensione TermolettricaTensione Termolettrica

Etero-giunzione metallicaEMF funzione di T


Termocoppie: sensibilita’ e linearita’Termocoppie: sensibilita’ e linearita’


Serie di Giunzioni IsotermeSerie di Giunzioni Isoterme

T1 T2

V1 V2

1 2

Non e’ possibile estrarre potenza se le giunzioni sono isoterme– II principio della

termodinamica

TN...2T1TN:1ii 0V

====

=∑


Aggiunta di Giunzioni IsotermeAggiunta di Giunzioni Isoterme

Aggiungere 2 giunzioni uguali e isoterme non altera il valore della sommatoria delle tensioni

T1 T2V1 V2

2V1VV4T3Tse4:1i

i +=⇒= ∑=

1

2

4T3V3

T4V4

3


Effetti Seebeck e PeltierEffetti Seebeck e Peltier

1 2

R

R)1V2V(PW

2−=

T1 T2

EFFETTO SEEBECKV1 V2

1 2

V TV ∆⇒T1 T2

EFFETTO PELTIER


Termocoppia: prinicipioTermocoppia: prinicipio

EFFETTI SEEBECK/PELTIER TERMOCOPPIA INDESIDERATA


Cold-Junction CompensationCold-Junction Compensation

MISURA ASSOLUTA di TEMPERATURA con TERMOCOPPIA



Misura ASSOLUTA SENZA RIFERIMENTO (GHIACCIO) a 0 °C

•Escursione di temp. ridotta

•Requisiti di linearita’ meno stringenti



RIMOZIONE della TERMOCOPPIA INDESIDERATA


Esempio di schemaEsempio di schema


Resistance Temp. Detector: RTDResistance Temp. Detector: RTD

RRTD = R0 (1 + TC ∆T)

∆T = T – T0

Sensore PassivoMateriale Pt (tip.)R0 ∈ [100Ω, 1kΩ]LOW TC = 0.385%/°COttima linearita’


RTD Vs. TermocouplesRTD Vs. Termocouples


Sorgenti di Errore: SELF-HEATINGSorgenti di Errore: SELF-HEATING

T RTD T AMB

T RTD = T AMB + Θ Pw I

Pw = RRTD IRMS2

Bisogna impostare I molto basso per limitareil riscaldamento del RTD


Sorgenti di Errore: Res. dei FiliSorgenti di Errore: Res. dei Fili


Misura di Resistenza a 4 TerminaliMisura di Resistenza a 4 Terminali


TermistoriTermistori

RNTC = R0 (1 + TC ∆T + TC2 ∆T2 + …)

∆T = T – T0

Sensore PassivoMateriale: semiconduttoreTC negativo (NTC)HIGH TC = 4.4%/°CNon-lineari


Termistori NTCTermistori NTC


Linearizzazione con Res. in ParalleloLinearizzazione con Res. in Parallelo

TC << TCNTC

RRNTC


G. Chiorboli

Estensimetri, sensori di Forza, Pressione, Flusso

Estensimetri, sensori di Forza, Pressione, Flusso


STRAIN GAGE BASED MEASUREMENTSSTRAIN GAGE BASED MEASUREMENTS

Strain– Strain Gage, PiezoElectric Transducers

Force– Load Cell

Pressure– Diaphragm to Force to Strain Gage

Flow– Differential Pressure Techniques


UNBONDED WIRE STRAIN GAGEUNBONDED WIRE STRAIN GAGE

STRAIN SENSING WIRE

LLGF

RR

ALR

∆⋅=

∆

ρ=

GF = GAGE FACTORMETALS: 2 to 4.5SEMICONDUCTORS: > 150

ppm1cm/cm10x11

)(NSMICROSTRAILL

6 ==µε

µε=∆

−


BONDED WIRE STRAIN GAGEBONDED WIRE STRAIN GAGE

Filo sottile su substrato (carrier)– RIDOTTA AREA– RIDOTTE CORRENTI di

“LEAKAGE”– ELEVATO ISOLAMENTO


METAL FOIL STRAIN GAGEMETAL FOIL STRAIN GAGE

Film conduttivo su substrato (carrier)– Tecnica “Photo Etching”– Elevata Area– Elevata Stabilita’ in Temperatura– Ridotta sezione trasversale– Buona dissipazione termica


Strain Gage a SemiconduttoreStrain Gage a Semiconduttore

Basati sull’ effetto di Piezoresistivita’Elevata sensitivita’ (GF positivo o negativo)Ridotte dimensioniNon linearita’Dipendenza dalla Temperatura


Estensimetri Metallici e a SemiconduttoreEstensimetri Metallici e a Semiconduttore


Sensori di ForzaSensori di Forza

FORZA -> DEFORMAZIONE -> SEGNALE ELETTRICO


Load Cell Load Cell

Bassa Impedenza (350 Ohm tip.)Sensibilita’ aumenta con VB

Self - Heating


Strain Gage PiezoelettriciStrain Gage Piezoelettrici

Basati sull’ effetto di Piezoelettricita’Sensibilita’ (Carica/spostamento) relativamente elevataUsati per misure dinamicheAccelerometri


Sensori di PressioneSensori di Pressione


Sensori di FlussoSensori di Flusso


Sensori Resistivi di GAS e UMIDITA’Sensori Resistivi di GAS e UMIDITA’

Materiali “Porosi”Resistivita’ funzione della concentrazionePeriodico “Reset”


Sensori di Luce: ApplicazioniSensori di Luce: Applicazioni

Optical: Light Meters, Auto-Focus, Flash ControlsMedical: CAT Scanners (X-Ray Detection), Blood Particle AnalyzersCommunications: Fiber Optic ReceiversIndustrial: Bar Code Scanners, Position Sensors, Laser Printers


Sensore di Luce: FotodiodoSensore di Luce: Fotodiodo


Fotodiodo: modi di operazioneFotodiodo: modi di operazione


Esempio di SpecificheEsempio di Specifiche

MODO FOTOVOLTAICO


Sensori: resistenza di alcuni sensoriSensori: resistenza di alcuni sensori

Estensimetri 120 Ω, 350 Ω, 3500 ΩCelle di carico 350 Ω - 3500 ΩSensori di pressione 350 Ω - 3500 ΩSensori di umidità relativa 100 kΩ - 10 MΩ

RTD 100 Ω, 1000 ΩTermistori 100 Ω - 10 MΩ


Sensori: il ponte di WheatstoneSensori: il ponte di Wheatstone


Il ponte di Wheatstone: come configurarloIl ponte di Wheatstone: come configurarlo

Quanti sensori ? (1, 2, 4)Pilotato in tensione o in corrente?Stabilità della sorgente di eccitazioneSensibilità del ponte (Vo/VB) tipica: 1 mV/V ÷ 10 mV/VUscita tipica a FS: 10mV ÷ 100 mVNecessità di disporre di tecniche di condizionamento / amplificazione a basso rumore e di precisionePotrebbe essere necessario disporre di tecniche di linearizzazioneDifficoltà nell’interfacciamento con sensori situati in posizione remota


Il ponte di Wheatstone: come amplificarne e linearizzarne l’uscitaIl ponte di Wheatstone: come amplificarne e linearizzarne l’uscita

Con un solo Op.Amp. ed un solo sensore



Con un Amp. per Strumentazione ed un solo sensore



Con 2 Op.Amp. per linearizzare l’uscita del ponte



Pilotato in corrente con due sensori per linearizzare l’uscitadel ponte


Il ponte di Wheatstone: effetto della resistenza dei fili di collegamentoIl ponte di Wheatstone: effetto della resistenza dei fili di collegamento

N.B. - Senza RCOMP il ponte avrebbe un offset di 145.63 mV


Il ponte di Wheatstone: come ridurre l’effetto di RLEAD (3 fili)Il ponte di Wheatstone: come ridurre l’effetto di RLEAD (3 fili)


Come ridurre l’effetto di RLEAD in ponti con 4 elementi sensibiliCome ridurre l’effetto di RLEAD in ponti con 4 elementi sensibili


Il ponte di Wheatstone : come ottenere un’accuratezza di 0.1%?Il ponte di Wheatstone : come ottenere un’accuratezza di 0.1%?

Per un’accuratezza ≈ 0.1% con Vomax = 20 mV ⇒ Σ Voffset < 20 µV


Il ponte di Wheatstone alimentato in ACIl ponte di Wheatstone alimentato in AC


Il ponte di Wheatstone alimentato in ACIl ponte di Wheatstone alimentato in AC

Il segnale associato alla sollecitazione meccanica viene prima modulato dal segnale Vs sen(ωct), poi amplificato (senza offset) ed, infine, demodulato


Gli amplificatori: come sceglierliGli amplificatori: come sceglierli

Tensione di offset riferita all’ingresso <100 µVDrift della tensione di offset all’ingresso <1 µV/˚CCorrente di polarizzazione di ingresso <2 nAOffset nella corrente di polarizzazione <2 nAGuadagno ad anello aperto in DC >120 dBGBP 500 kHz – 5 MHzVerificare il guadagno ad anello aperto alla frequenza di segnaleRumore 1/f (0.1 Hz – 10 Hz) <1 µVppRumore bianco <10 nV/CMRR, PSRR > 100 dB Hz


Gli amplificatori: l’offsetGli amplificatori: l’offset


Gli amplificatori: la non linearitàGli amplificatori: la non linearità


Gli amplificatori: il rumoreGli amplificatori: il rumore


Gli amplificatori: CMRRGli amplificatori: CMRR


Gli amplificatori: PSRRGli amplificatori: PSRR


Gli amplificatori: pesare i contributi d’erroreGli amplificatori: pesare i contributi d’errore


Gli amplificatori per strumentazioneGli amplificatori per strumentazione

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