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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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SENSORI di TEMPERATURASENSORI di TEMPERATURA
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Università degli Studi di Parma Facoltà di Ingegneria 8Prof. A. Boni - Prof. G. Chiorboli
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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Università degli Studi di Parma Facoltà di Ingegneria 9Prof. A. Boni - Prof. G. Chiorboli
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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Università degli Studi di Parma Facoltà di Ingegneria 11Prof. A. Boni - Prof. G. Chiorboli
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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Università degli Studi di Parma Facoltà di Ingegneria 14Prof. A. Boni - Prof. G. Chiorboli
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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Università degli Studi di Parma Facoltà di Ingegneria 16Prof. A. Boni - Prof. G. Chiorboli
Termocoppia: prinicipioTermocoppia: prinicipio
EFFETTI SEEBECK/PELTIER TERMOCOPPIA INDESIDERATA
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Università degli Studi di Parma Facoltà di Ingegneria 17Prof. A. Boni - Prof. G. Chiorboli
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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Università degli Studi di Parma Facoltà di Ingegneria 22Prof. A. Boni - Prof. G. Chiorboli
RTD Vs. TermocouplesRTD Vs. Termocouples
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Università degli Studi di Parma Facoltà di Ingegneria 23Prof. A. Boni - Prof. G. Chiorboli
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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Università degli Studi di Parma Facoltà di Ingegneria 24Prof. A. Boni - Prof. G. Chiorboli
Sorgenti di Errore: Res. dei FiliSorgenti di Errore: Res. dei Fili
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Università degli Studi di Parma Facoltà di Ingegneria 25Prof. A. Boni - Prof. G. Chiorboli
Misura di Resistenza a 4 TerminaliMisura di Resistenza a 4 Terminali
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Università degli Studi di Parma Facoltà di Ingegneria 26Prof. A. Boni - Prof. G. Chiorboli
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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Università degli Studi di Parma Facoltà di Ingegneria 27Prof. A. Boni - Prof. G. Chiorboli
Termistori NTCTermistori NTC
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Università degli Studi di Parma Facoltà di Ingegneria 28Prof. A. Boni - Prof. G. Chiorboli
Linearizzazione con Res. in ParalleloLinearizzazione con Res. in Parallelo
TC << TCNTC
RRNTC
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Università degli Studi di Parma Facoltà di Ingegneria 29Prof. A. Boni - Prof.
G. Chiorboli
Estensimetri, sensori di Forza, Pressione, Flusso
Estensimetri, sensori di Forza, Pressione, Flusso
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Università degli Studi di Parma Facoltà di Ingegneria 30Prof. A. Boni - Prof. G. Chiorboli
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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Università degli Studi di Parma Facoltà di Ingegneria 31Prof. A. Boni - Prof. G. Chiorboli
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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Università degli Studi di Parma Facoltà di Ingegneria 32Prof. A. Boni - Prof. G. Chiorboli
BONDED WIRE STRAIN GAGEBONDED WIRE STRAIN GAGE
Filo sottile su substrato (carrier)– RIDOTTA AREA– RIDOTTE CORRENTI di
“LEAKAGE”– ELEVATO ISOLAMENTO
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Università degli Studi di Parma Facoltà di Ingegneria 33Prof. A. Boni - Prof. G. Chiorboli
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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Università degli Studi di Parma Facoltà di Ingegneria 34Prof. A. Boni - Prof. G. Chiorboli
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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Università degli Studi di Parma Facoltà di Ingegneria 35Prof. A. Boni - Prof. G. Chiorboli
Estensimetri Metallici e a SemiconduttoreEstensimetri Metallici e a Semiconduttore
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Università degli Studi di Parma Facoltà di Ingegneria 36Prof. A. Boni - Prof. G. Chiorboli
Sensori di ForzaSensori di Forza
FORZA -> DEFORMAZIONE -> SEGNALE ELETTRICO
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Università degli Studi di Parma Facoltà di Ingegneria 37Prof. A. Boni - Prof. G. Chiorboli
Load Cell Load Cell
Bassa Impedenza (350 Ohm tip.)Sensibilita’ aumenta con VB
Self - Heating
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Università degli Studi di Parma Facoltà di Ingegneria 38Prof. A. Boni - Prof. G. Chiorboli
Strain Gage PiezoelettriciStrain Gage Piezoelettrici
Basati sull’ effetto di Piezoelettricita’Sensibilita’ (Carica/spostamento) relativamente elevataUsati per misure dinamicheAccelerometri
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Università degli Studi di Parma Facoltà di Ingegneria 39Prof. A. Boni - Prof. G. Chiorboli
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
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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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Università degli Studi di Parma Facoltà di Ingegneria 62Prof. A. Boni - Prof. G. Chiorboli
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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Università degli Studi di Parma Facoltà di Ingegneria 66Prof. A. Boni - Prof. G. Chiorboli
Gli amplificatori: l’offsetGli amplificatori: l’offset
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Università degli Studi di Parma Facoltà di Ingegneria 67Prof. A. Boni - Prof. G. Chiorboli
Gli amplificatori: l’offsetGli amplificatori: l’offset
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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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Università degli Studi di Parma Facoltà di Ingegneria 69Prof. A. Boni - Prof. G. Chiorboli
Gli amplificatori: il rumoreGli amplificatori: il rumore
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Università degli Studi di Parma Facoltà di Ingegneria 70Prof. A. Boni - Prof. G. Chiorboli
Gli amplificatori: CMRRGli amplificatori: CMRR
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Università degli Studi di Parma Facoltà di Ingegneria 71Prof. A. Boni - Prof. G. Chiorboli
Gli amplificatori: PSRRGli amplificatori: PSRR
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Università degli Studi di Parma Facoltà di Ingegneria 72Prof. A. Boni - Prof. G. Chiorboli
Gli amplificatori: pesare i contributi d’erroreGli amplificatori: pesare i contributi d’errore
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Università degli Studi di Parma Facoltà di Ingegneria 73Prof. A. Boni - Prof. G. Chiorboli
Gli amplificatori per strumentazioneGli amplificatori per strumentazione
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Università degli Studi di Parma Facoltà di Ingegneria 74Prof. A. Boni - Prof. G. Chiorboli
Gli amplificatori per strumentazioneGli amplificatori per strumentazione