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Università degli Studi di Parma Facoltà di Ingegneria 1Prof. A. Boni - Prof.
G. Chiorboli
SENSORI e CIRCUITI di CONDIZIONAMENTO
SENSORI e CIRCUITI di CONDIZIONAMENTO
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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
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Sensori: Linearita’Sensori: Linearita’
V = K X
V = K X - ε
εV
X
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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
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Sensori: esempio di applicazioneSensori: esempio di applicazione
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Sensori: introduzioneSensori: introduzione
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G. Chiorboli
SENSORI di TEMPERATURASENSORI di TEMPERATURA
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ApplicazioniApplicazioni
Monitoring– CPU Temperature– Battery Temperature– Ambient Temperature
Compensation– Oscillator Drift in Cellular Phones– Thermocouple Cold-Junction Comp.
Control– Process Control, etc.
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Principali TipiPrincipali Tipi
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TermocoppiaTermocoppia
Robusta, basso costoElevata ripetibilita’ e accuratezzaLargo intervallo di TemperaturaLinearita’ relativamente elevataBassa sensibilita’Misure differenziali
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Tensione TermolettricaTensione Termolettrica
Etero-giunzione metallicaEMF funzione di T
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Termocoppie: sensibilita’ e linearita’Termocoppie: sensibilita’ e linearita’
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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
====
=∑
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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
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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
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Termocoppia: prinicipioTermocoppia: prinicipio
EFFETTI SEEBECK/PELTIER TERMOCOPPIA INDESIDERATA
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Cold-Junction CompensationCold-Junction Compensation
MISURA ASSOLUTA di TEMPERATURA con TERMOCOPPIA
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Cold-Junction CompensationCold-Junction Compensation
Misura ASSOLUTA SENZA RIFERIMENTO (GHIACCIO) a 0 °C
•Escursione di temp. ridotta
•Requisiti di linearita’ meno stringenti
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Cold-Junction CompensationCold-Junction Compensation
RIMOZIONE della TERMOCOPPIA INDESIDERATA
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Esempio di schemaEsempio di schema
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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’
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RTD Vs. TermocouplesRTD Vs. Termocouples
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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
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Sorgenti di Errore: Res. dei FiliSorgenti di Errore: Res. dei Fili
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Misura di Resistenza a 4 TerminaliMisura di Resistenza a 4 Terminali
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TermistoriTermistori
RNTC = R0 (1 + TC ∆T + TC2 ∆T2 + …)
∆T = T – T0
Sensore PassivoMateriale: semiconduttoreTC negativo (NTC)HIGH TC = 4.4%/°CNon-lineari
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Termistori NTCTermistori NTC
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Linearizzazione con Res. in ParalleloLinearizzazione con Res. in Parallelo
TC << TCNTC
RRNTC
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G. Chiorboli
Estensimetri, sensori di Forza, Pressione, Flusso
Estensimetri, sensori di Forza, Pressione, Flusso
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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
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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=∆
−
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BONDED WIRE STRAIN GAGEBONDED WIRE STRAIN GAGE
Filo sottile su substrato (carrier)– RIDOTTA AREA– RIDOTTE CORRENTI di
“LEAKAGE”– ELEVATO ISOLAMENTO
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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
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Strain Gage a SemiconduttoreStrain Gage a Semiconduttore
Basati sull’ effetto di Piezoresistivita’Elevata sensitivita’ (GF positivo o negativo)Ridotte dimensioniNon linearita’Dipendenza dalla Temperatura
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Estensimetri Metallici e a SemiconduttoreEstensimetri Metallici e a Semiconduttore
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Sensori di ForzaSensori di Forza
FORZA -> DEFORMAZIONE -> SEGNALE ELETTRICO
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Load Cell Load Cell
Bassa Impedenza (350 Ohm tip.)Sensibilita’ aumenta con VB
Self - Heating
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Strain Gage PiezoelettriciStrain Gage Piezoelettrici
Basati sull’ effetto di Piezoelettricita’Sensibilita’ (Carica/spostamento) relativamente elevataUsati per misure dinamicheAccelerometri
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Sensori di PressioneSensori di Pressione
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Sensori di PressioneSensori di Pressione
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Sensori di FlussoSensori di Flusso
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Sensori Resistivi di GAS e UMIDITA’Sensori Resistivi di GAS e UMIDITA’
Materiali “Porosi”Resistivita’ funzione della concentrazionePeriodico “Reset”
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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
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Sensore di Luce: FotodiodoSensore di Luce: Fotodiodo
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Fotodiodo: modi di operazioneFotodiodo: modi di operazione
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Esempio di SpecificheEsempio di Specifiche
MODO FOTOVOLTAICO
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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
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Sensori: il ponte di WheatstoneSensori: il ponte di Wheatstone
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Sensori: il ponte di WheatstoneSensori: il ponte di Wheatstone
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Sensori: il ponte di WheatstoneSensori: il ponte di Wheatstone
Università degli Studi di Parma Facoltà di Ingegneria 51Prof. A. Boni - Prof. G. Chiorboli
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
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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
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Il ponte di Wheatstone: come amplificarne e linearizzarne l’uscitaIl ponte di Wheatstone: come amplificarne e linearizzarne l’uscita
Con un Amp. per Strumentazione ed un solo sensore
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Il ponte di Wheatstone: come amplificarne e linearizzarne l’uscitaIl ponte di Wheatstone: come amplificarne e linearizzarne l’uscita
Con 2 Op.Amp. per linearizzare l’uscita del ponte
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Il ponte di Wheatstone: come amplificarne e linearizzarne l’uscitaIl ponte di Wheatstone: come amplificarne e linearizzarne l’uscita
Pilotato in corrente con due sensori per linearizzare l’uscitadel ponte
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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
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Il ponte di Wheatstone: come ridurre l’effetto di RLEAD (3 fili)Il ponte di Wheatstone: come ridurre l’effetto di RLEAD (3 fili)
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Come ridurre l’effetto di RLEAD in ponti con 4 elementi sensibiliCome ridurre l’effetto di RLEAD in ponti con 4 elementi sensibili
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Come ridurre l’effetto di RLEAD in ponti con 4 elementi sensibiliCome ridurre l’effetto di RLEAD in ponti con 4 elementi sensibili
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Come ridurre l’effetto di RLEAD in ponti con 4 elementi sensibiliCome ridurre l’effetto di RLEAD in ponti con 4 elementi sensibili
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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
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Il ponte di Wheatstone alimentato in ACIl ponte di Wheatstone alimentato in AC
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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
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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
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Gli amplificatori: l’offsetGli amplificatori: l’offset
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Gli amplificatori: l’offsetGli amplificatori: l’offset
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Gli amplificatori: l’offsetGli amplificatori: l’offset
Università degli Studi di Parma Facoltà di Ingegneria 68Prof. A. Boni - Prof. G. Chiorboli
Gli amplificatori: la non linearitàGli amplificatori: la non linearità
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Gli amplificatori: il rumoreGli amplificatori: il rumore
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Gli amplificatori: CMRRGli amplificatori: CMRR
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Gli amplificatori: PSRRGli amplificatori: PSRR
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Gli amplificatori: pesare i contributi d’erroreGli amplificatori: pesare i contributi d’errore
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Gli amplificatori per strumentazioneGli amplificatori per strumentazione
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Gli amplificatori per strumentazioneGli amplificatori per strumentazione