Elektroniset mittaukset. Anturit ja mittausvahvistimet

Transkriptio

1 Elektroniset mittaukset Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 1 Anturit ja mittausvahvistimet Anturityypit ja kytkeminen mittauspiireihin Resistiiviset anturit Piezosähköiset anturit Kapasitiiviset anturit (Induktiiviset anturit) Jänniteantoiset anturit Virta-antoiset anturit Pienten jännitteiden ja virtojen mittaaminen Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 2

2 Resistiivisiä antureita Resistiiviset anturit NTC- ja PTC-termistorit Vastusanturit, esim. PT10, PT25, PT100 ja PT1000 Venymäliuskat Potentiometrit Vaatii pienen ulkoisen herätteen (virta tai jännite) Jännitemittaus komponentin yli, siltakytkennässä, jakajassa, tai vakiovirralla Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 3 (Platina)Vastusanturit Perustuvat metallin resistanssin melko lineaariseen lämpötilariippuvuuteen: R T = R 1+ 0 [ α T ] α = lämpötilakerroin, 0,385 % / C (0,392 %/ C, USA) R 0 = vastusreferenssilämpötilassa 0 C Lisää tarkkuutta voi tarvittaessa hakea sovittamalla kalibrointituloksiin Callendar-Van Dusenin yhtälön: R T = R 0 [1 + AT+ BT 2 + (T 100) Ct 3 ], T = C R T = R 0 (1 + AT+ BT 2 ), T = C A = 3, C -1 B = -5, C -2 C = -4, C -3 Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 4

3 Platinavastusanturit Tarkkoja verrattuna muihin lämpötila-antureihin Stabiileja (hyvin pieni ryömintä) Laaja käyttölämpötila-alue Soveltuu tarkkuusmittauksiin PT100 anturi 5 PT25 tarkkuusmittapää kalibrointilaboratorioille ~5000 PT100 mittapää 120 Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 5 Termistorit Termistorin vastus muuttuu lämpötilan funktiona Optimoidaan tietyille lämpötilaalueille PTC-termistorin vastus kasvaa lämpötilan kasvaessa NTC-termistorin vastus pienenee lämpötilan kasvaessa Mikäli mittausvirta on pieni, termistori mittaa ympäristön lämpötilaa. Liian suuri mittausvirta lämmittää sensoria Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 6

4 Termistorit Halpa (~70 c 5 ) Nopea (pieni massa) Epätarkka (toleranssit) Epästabiili Rajoitettu lämpötila-alue ( C) Herkkä rikkoutumaan Ei sovellu tarkkuusmittauksiin Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 7 Venymäliuska-anturit Venymäliuska-anturin resistanssi muuttuu venytyksessä Anturien sijoitus kuvan esittämällä tavalla linearisoi piirin ja vähentää lämpötilariippuvuutta Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 8

5 Siltakytkentöjä resistiivisille antureille Vastusten muuttuminen saa sillan epätasapainoon, mikä näkyy jännitteenä Differentiaalinen jännite vahvistetaan instrumentointivahvistimella Takaisinkytkentä pitää sillan jatkuvasti tasapainossa syöttämällä virtaa sillan vasemmalle puolelle Virta muuntuu ulostulojännitteeksi oparikytkennässä (virta-jännitemuunnin) Lähde: Analog Bridge Wizard Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 9 Wheatstonen silta Sillan epäsymmetria aiheuttaa jännitteen sillan yli Mitattava resistiivinen anturi kytketään yhteen sillan haaroista Jännite voidaan nollata säätämällä sillan resistansseja tai sähköisellä takaisinkytkennällä Automaattisissa mittauksissa luetaan sillan yli oleva jännite ja lasketaan tästä sensorin arvo Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 10

6 Wheatstonen sillan yhtälöt Jännitteenjaosta saadaan V O = VO+ VO R2 = Ve ( R + R Tasasuuruisilla vastuksilla V O V R R2 + R 4R e( 1 2 R R3 R + R 3 ) 4 ) Lineaarinen ulostulo, mikäli vastus ei muutu paljon (<5%) Lineaarisuutta ja lämpötilariippuvuutta voidaan parantaa käyttämällä useampia (+/-) antureita Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 11 Siltäkytkentöjen herkkyys ja lineaarisuus Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 12

7 Linearisointi operaatiovahvistimilla Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 13 Johdinresistanssien minimointi siltamittauksissa Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 14

8 Johdinresistanssien minimointi neljällä karvalla Virtasyöttö on tunteeton johdinresistanssien muutoksille! Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 15 Muita kytkentöjä resistiivisille antureille Mikäli tulos viedään prosessorille, ei lineaarisuus ole ongelma (voidaan korjata softalla) -> puolisiltakin voi riittää (kuva) Vakiovirran syöttäminen anturiin antaa lineaarisen jänniteulostulon Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 16

9 Pietsosähköiset anturit Pietsosähköisen keraamisen aineen (esim. kvartsi) puristaminen polarisoi aineen, mikä näkyy varauksena Mittaus varausvahvistimella Käyttökohteet: voima, paine, kiihtyvyys Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 17 Varausvahvistin Suuri-impedanssinen, suurivahvistuksinen, kapasitiivisella takaisinkykennällä varustettu erikoisvahvistin U out = -Q m / C f Ulostulo verrannollinen sisäänmenossa olevan varauksen suuruuteen Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 18

10 Kapasitiiviset anturit Kahden levyn välinen kapasitanssi: C = Kε0 Kapasitanssi muuttuu kun: Väliaineen dielektrisyysvakio K muuttuu (esim. pinnan korkeusmittari, jossa nestepatsas nousee levyjen välissä) Levyjen yhteinen pinta-ala A muuttuu (esim. paikkasensori) Levyjen välinen etäisyys d muuttuu (esim. paikkasensori, kiihtyvyysanturi) Kapasitanssin muutos voidaan lukea esim. siltakytkennällä tai varausvahvistimella. Voidaan myös kytkeä oskillaattoriksi, jonka taajuus mitataan. A d Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 19 Kiihtyvyysanturi Piipalkki taipuu kiihtyvyyden vaikutuksesta Palkin molemmin puolin on kapasitanssit, joista toinen kasvaa ja toinen pienenee Voidaan lukea esim. siltakytkennällä (kaksi muuttuvaa kapasitanssia parantaa lineaarisuutta) tai varausvahvistimella Mittausalue 0.5 g g Suurkäyttäjä autoteollisuus Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 20

11 Kapasitiivisten anturien mittauselektroniikka Kapasitanssi voidaan kytkeä siten että se muuttaa esim. Taajuutta Pulssisuhdetta (pulssin pituutta) Jännitteen jakoa (silta tai puolisilta) Esimerkkejä (vuoden 2006 kotitentti) : Kapasitanssin mukaan säätyvä oskillaattori ja taajuusjännitemuunnin Kapasitanssi/jännite-muunnin Kapasitanssi/taajuus-muunnin Kapasitanssi/digitaali-muunnin SC-tekniikat (C:n impedanssi riippuu taajuudesta) Varausvahvistin Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 21 Oskillaattoreita Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 22

12 Taajuus/jännite-muuntimia LM331, AD650, LM2907 Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 23 AD bit, 2 Channel Capacitance to Digital Converter Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 24

13 AC-sillat C C ~ Ug C- C+ Us Samat periaatteet kuin DCsilloissa, mutta käytetään vaihtojännitteellä Impedansseina käytetään kapasitansseja, induktansseja, resistansseja ja näiden yhdistelmiä Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 25 Kapasitiivisen anturin mittaus varausvahvistimella Mikäli kapasitiivisen anturin yli oleva jännite pidetään vakiona, näkyy kapasitanssin muutos varauksen muutoksena Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 26

14 Jänniteantoiset anturit Useat detektorit ovat jännite-antoisia Paineanturit Termoparit Tavallaan helpoin anturityyppi: Signaali jo valmiiksi jännitemuodossa Vahvistus esim. Oparikytkennöillä tai differentiaalivahvistimilla Voi kytkeä myös suoraan A/D muuntimelle, mikrokontrollerille tai PC:n mittauskortille (mikäli taso riittää) Resistiivisten, kapasitiivisten, ja virta-antoisten antureiden mittaus vaatii usein pienten jännitteiden mittausta Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 27 Jänniteantoinen anturi: termopari Termopari Toiminta perustuu Seebeck-ilmiöön Ilmiö: kahden eri johteen väliset liitokset aiheuttavat termojännitteen, mikäli niitä pidetään eri lämpötiloissa. Toista liitosta pidetään referenssilämpötilassa, esim. jäävesi Ilmiön keksi saksalainen fyysikko Thomas Seebeck v Yleiskäyttöisin lämpötila-anturi Termojännitteen suuruusluokka n µv / C. Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 28

15 Termopareja Termojännite V riippuu liitosten lämpötilaerosta T J1 -T ref ja Seebeckkertoimesta a :. V =α ( T J T 1 ref ) Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 29 Termoparien ominaisuuksia Ei aivan niin tarkka, lineaarinen, stabiili kuin PT100, mutta melko hyvä (Halvempi kuin PT100) Pienikokoisempi ja nopeampi kuin PT100 Yltää korkeampiin lämpötiloihin kuin PT100 (jopa 1800 C) K-tyypin termopari 12 T-tyypin termopari ruuvikierteellä 40 K-tyypin mittapää 60 Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 30

16 Termoparien mittauskytkentöjä Tarkoissa mittauksissa referenssiliitos pidetään tunnetussa lämpötilassa, esim. jäävedessä Rutiinimittauksissa (esim prosesseissa) hyväksytään suurempi mittausepävarmuus. Referenssin lämpötila seuraa ympäristön lämpötilaa. Virhe kompensoidaan elektroniikalla. Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 31 AD594/AD595 termoparivahvistin Termopari tulee piirille kahdella karvalla Referenssiliitos muodostuu piirikortilla (kupari-konstantaani ja kupari-chromel) Piirin kotelo ja piirikortin kuparit pidetään samassa lämpötilassa (lämpökontakti esim. piitahnalla) Kotelon sisällä oleva kompensointipiiri korjaa ympäristön lämpötilan vaikutuksen Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 32

17 LM35 Precision Centigrade Temperature Sensor Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 33 Pienten jännitteiden mittaus Pienten jännitteiden (<1 µv) mittausten ongelmia: Terminen kohina Termosähköiset jännitteet Magneettikentät Maasilmukat Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 34

18 Terminen kohina Johnson noise E rms = 4kTBR Viimeisin rajoittava tekijä sähköisissä mittauksissa Voidaan minimoida Alentamalla lämpötilaa Kaventamalla kohinakaistanleveyttä (hidastaa piiriä ja lisää mittausaikaa!) esim. keskiarvoistamalla Yleensä resistanssien pienentäminen ei toimi Signaali pienenee tyypillisesti samassa suhteessa kuin kohina Virtamittauksissa jopa enemmän koska mitattava signaali pienenee suhteessa resistanssiin, mutta kohina suhteessa sen neliöjuureen Kytkennät kuluttavat pienillä resistansseilla enemmän virtaa ja lämpenevät Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 35 Termosähköiset jännitteet Syntyy kun piirikortin eri alueet ovat eri lämpötiloissa, tai kun eri materiaaleja yhdistetään galvaanisesti toisiinsa Tina/kupari-liitos 3 µv/ C Useinmiten kumoutuvat, kun sähkö kulkee täyden ympyrän Lämpötilagradienttien minimointi: Piirikortin liitokset samaan lämpötilaan (Eristeet valittava hyvin lämpöä johtaviksi: eloksoitu alumiini, beryllium-oksidi, safiiri, timantti) Laitteiden annettava lämmetä Ympäristön stabiilius Laitteiden herkimmille osille stabiloitu uuni Krimppausliitokset (puristettu kupari-kupari) Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 36

19 Magneettikentät Magneettikentissä heiluvat johdot generoivat virtaa Maan magneettikenttä saattaa aiheuttaa nanovolttien signaaleja Lyhyet johtimet, heiluminen estetään kiinnityksellä Vältetään suuria pinta-aloja johtimen ja paluujohtimen välissä Johdot lähekkäin Kierretyt johtimet Herkkien paikkojen suojaus myy-metallilla Vältä maasilmukoita maadoittamalla kaikki laitteet samaan pisteeseen Digitaalisilla nanovolttimittareilla pystyy mittaamaan noin 15 nv resoluutiolla Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 37 Pienten virtojen mittaus Useat detektorityypit ovat virtaantoisia Fotodiodit Valomonistinputket Lämpötilasensorit Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 38

20 AD590 2-Terminal IC Temperature Transducer Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 39 Fotodiodit E Yleisin valoanturi. Fotonit synnyttävät PNrajapinnalla elektroniaukkopareja, jotka havaitaan sähkövirtana. Aallonpituusalue riippuu bandgap energiasta (Si, Ge, GaP ) E c hf E v E g Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 40

21 Fotodiodien kytkentä Tyypillisiä kytkentöjä Rajoituksia: Herkkyys ~ 0.5 A/W Aallonpituusriippuva Vuotovirta Kapasitanssi Kohina Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 41 Shunttivastus-virtamittari Tavallisin tapa virran mittaukseen yleismittareissa Virran mittaus muutetaan jännitteen ja resistanssin mittaukseksi Vastuksen mitoituksessa huomioitavaa: Suuri vastus helpottaa jännitteen mittausta Pienet vastukset ovat tarkempia ja stabiilimpia (lämpötila, aika) Pienellä vastuksella nopeampi vaste ja pienempi Burden-voltage Kohinassa optimoitava jännitemittarin ja vastuksen kohina Tyypillisesti 1-2 V jännitealue hyvä kompromissi Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 42

22 Virta-jännite-muunnin Paras vaihtoehto fotodiodeille Sisäänmenon impedanssi Z in =R F /A mutta gain=e out /I in =R F Matala Burden-voltage -> Kuormittaa anturia vähemmän kuin shunttimittari (Lineaarisuus) Pieni sisäänmenoimpedanssi -> nopea nousuaika Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 43 Virta-jännitemuuntimen käytännön toteutus Fotodiodien ulostulon hajakapasitanssi on melko korkea (~10 pf) Peruskytkentä on hidas (aikavakio ~R F *C D ) Alipäästösuodatin takaisinkytkennässä aiheuttaa epästabiiliutta Kompensoidaan kapasitiivisellä takaisinkytkennällä C F Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 44

23 Virta-jännite muuntimia TDL Electrometer (current-to-voltage converter) Model 206 AMETEK Model 181 Current Sensitive Preamplifier Keithley Model 428-PROG Programmable Current Amplifier Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 45 Virranmittausvahvistin Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 46

24 Pienten virtojen mittaus Pienten virtojen (<100 na) mittausten ongelmia Kuormituksen aiheuttama epälineaarisuus Tribosähköinen ilmiö Piezosähköinen ilmiö Sähkökemiallinen ilmiö Eristeiden vuotovirrat (Guardin käyttö) Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 47 Tribosähköinen ilmiö Kitka generoi eristeen ja johteen rajapintaan varausta kaapelia taivutettaessa, mikä näkyy vuotovirtana. Riippuu kaapelityypistä. Pienille virroille on olemassa erityisiä vähäkitkaisia koaksiaali- ja triaksiaalikaapeleita Kaapelit pidettävä mittauksissa paikallaan, tai vuotovirrat mitattava kullekin lukemalle erikseen. Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 48

25 Piezosähköinen ilmiö Tietyissä eristetyypeissä mekaaninen stressi aiheuttaa varauksia ja virtaa (keraamit, muovit) Saattaa aiheuttaa ongelmia esim. jos mittauspöydillä on hurisevia laitteita Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 49 Sähkökemialliset ilmiöt Kemialliset aineet voivat aiheuttaa terminaalien väliin sähköpareja Likaiset epoksipiirilevyt saattavat aiheutta useiden nanoamppeerien häiriövirtoja Tarkoissa mittauksissa piirilevyt on puhdistettava esim. etanolilla ennen käyttöä Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 50

26 Virheiden suuruusluokat virtamittauksissa Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 51 Esimerkkejä Guardin käytöstä Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 52