SENSORI e CIRCUITI di
CONDIZIONAMENTO
Prof. A. Boni - Prof.
G. Chiorboli
Università degli Studi di Parma
Facoltà di Ingegneria
1
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
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2
Sensori: Linearita’
V=KX
V
ε
V=KX-ε
X
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3
Sensori: overview
PROPRIETÀ
FISICA
SENSORE
ATTIVO /
PASSIVO
SEGNALE DI
USCITA
Temperatura
Termocoppia
Passivo
Tensione
Silicio
Attivo
Tensione/corrente
RTD
Attivo
Resistenza
Termistore
Attivo
Resistenza
Estensimetro
Attivo
Resistenza
Piezoelettrico
Passivo
Tensione
Attivo
Capacità
Forza /
Pressione
Accelerazione Accelerometro
Posizione
LVDT
Attivo
Tensione AC
Intensità
luminosa
Fotodiodo
Passivo
Corrente
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4
Sensori: esempio di applicazione
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5
Sensori: introduzione
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6
SENSORI di TEMPERATURA
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7
Applicazioni
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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8
Principali Tipi
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9
Termocoppia
Robusta, basso costo
Elevata ripetibilita’ e accuratezza
Largo intervallo di Temperatura
Linearita’ relativamente elevata
Bassa sensibilita’
Misure differenziali
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10
Tensione Termolettrica
Etero-giunzione metallica
EMF funzione di T
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11
Termocoppie: sensibilita’ e linearita’
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12
Serie di Giunzioni Isoterme
Non e’ possibile estrarre
T1
T2
1
2
V1
V2
∑ V =0
i =1:N
potenza se le giunzioni
sono isoterme
– II principio della
termodinamica
i
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T 1= T 2 =...= TN
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13
Aggiunta di Giunzioni Isoterme
T1
1
T2
V1
2
T3 3
V3
Aggiungere 2 giunzioni
V2
4 T4
uguali e isoterme non
altera il valore della
sommatoria delle tensioni
V4
se T 3 = T 4 ⇒ ∑ Vi = V1 + V 2
i =1:4
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14
Effetti Seebeck e Peltier
R
T1
T2
1
2
EFFETTO SEEBECK
V1
V2
V
T1
( V 2 − V1)2
PW =
R
1
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V ⇒ ∆T
2
T2
EFFETTO PELTIER
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15
Termocoppia: prinicipio
EFFETTI SEEBECK/PELTIER
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TERMOCOPPIA INDESIDERATA
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16
Cold-Junction Compensation
MISURA ASSOLUTA di TEMPERATURA con TERMOCOPPIA
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17
Cold-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 Compensation
RIMOZIONE della TERMOCOPPIA INDESIDERATA
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Esempio di schema
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20
Resistance Temp. Detector: RTD
RRTD = R0 (1 + TC ∆T)
∆T = T – T0
Sensore Passivo
Materiale Pt (tip.)
R0 ∈ [100Ω, 1kΩ]
LOW TC = 0.385%/°C
Ottima linearita’
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21
RTD Vs. Termocouples
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22
Sorgenti di Errore: SELF-HEATING
T RTD
I
T AMB
T RTD = T AMB + Θ Pw
Pw = RRTD IRMS2
Bisogna impostare I molto basso per limitare
il riscaldamento del RTD
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Sorgenti di Errore: Res. dei Fili
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24
Misura di Resistenza a 4 Terminali
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25
Termistori
RNTC = R0 (1 + TC ∆T + TC2 ∆T2 + …)
∆T = T – T0
Sensore Passivo
Materiale: semiconduttore
TC negativo (NTC)
HIGH TC = 4.4%/°C
Non-lineari
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Termistori NTC
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Linearizzazione con Res. in Parallelo
RNTC
R
TC << TCNTC
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Estensimetri, sensori di Forza,
Pressione, Flusso
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29
STRAIN 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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30
UNBONDED WIRE STRAIN GAGE
STRAIN SENSING WIRE
ρL
R=
A
∆R
∆L
= GF ⋅
R
L
GF = GAGE FACTOR
METALS: 2 to 4.5
SEMICONDUCTORS: > 150
∆L
= MICROSTRAINS (µε )
L
1µε = 1x 10 −6 cm / cm = 1ppm
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31
BONDED WIRE STRAIN GAGE
Filo sottile su substrato
(carrier)
– RIDOTTA AREA
– RIDOTTE CORRENTI di
“LEAKAGE”
– ELEVATO ISOLAMENTO
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METAL FOIL STRAIN GAGE
Film conduttivo su substrato
(carrier)
–
–
–
–
–
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Tecnica “Photo Etching”
Elevata Area
Elevata Stabilita’ in Temperatura
Ridotta sezione trasversale
Buona dissipazione termica
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33
Strain Gage a Semiconduttore
Basati sull’ effetto di Piezoresistivita’
Elevata sensitivita’ (GF positivo o negativo)
Ridotte dimensioni
Non linearita’
Dipendenza dalla Temperatura
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Estensimetri Metallici e a Semiconduttore
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35
Sensori di Forza
FORZA -> DEFORMAZIONE -> SEGNALE ELETTRICO
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Load Cell
Bassa Impedenza (350
Ohm tip.)
Sensibilita’ aumenta
con VB
Self - Heating
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Strain Gage Piezoelettrici
Basati sull’ effetto di Piezoelettricita’
Sensibilita’ (Carica/spostamento) relativamente
elevata
Usati per misure dinamiche
Accelerometri
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38
Sensori di Pressione
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39
Sensori di Pressione
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40
Sensori di Flusso
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41
Sensori Resistivi di GAS e UMIDITA’
Materiali “Porosi”
Resistivita’ funzione della
concentrazione
Periodico “Reset”
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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
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43
Sensore di Luce: Fotodiodo
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Fotodiodo: modi di operazione
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Esempio di Specifiche
MODO FOTOVOLTAICO
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Sensori: resistenza di alcuni sensori
120 Ω,
Estensimetri
350 Ω, 3500 Ω
Celle di carico
350 Ω - 3500 Ω
Sensori di pressione
350 Ω - 3500 Ω
Sensori di umidità relativa
100 kΩ - 10 MΩ
RTD
100 Ω, 1000 Ω
Termistori
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100 Ω - 10 MΩ
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47
Sensori: il ponte di Wheatstone
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48
Sensori: il ponte di Wheatstone
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49
Sensori: il ponte di Wheatstone
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50
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 (Vo/VB) 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
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51
Il 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’uscita
Con un Amp. per Strumentazione ed un solo sensore
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53
Il 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’uscita
Pilotato in corrente con due sensori per linearizzare l’uscita
del ponte
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Il 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)
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57
Come 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 sensibili
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Come ridurre l’effetto di RLEAD in ponti
con 4 elementi sensibili
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60
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 AC
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Il 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 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
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Gli amplificatori: l’offset
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Gli amplificatori: l’offset
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Gli amplificatori: l’offset
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Gli amplificatori: la non linearità
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Gli amplificatori: il rumore
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Gli amplificatori: CMRR
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Gli amplificatori: PSRR
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Gli amplificatori: pesare i contributi
d’errore
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Gli amplificatori per strumentazione
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73
Gli amplificatori per strumentazione
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