Elektroniset mittaukset. Anturit ja mittausvahvistimet

Transkriptio

1 Elektroniset mittaukset Petri Kärhä 20/01/2006 Luento 1: 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 20/01/2006 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 2

2 Resistiiviset anturit Resistiivisiä antureita NTC ja PTC termistorit PT100 anturi Resistanssi mitataan jännitteellä, tai virralla siltakytkennässä tai jakajassa R Rs = U / I U I Rs = U / I Us Ug Us = Rs / (Rs + R) * Ug => Rs = (Us / Ug -1) * R Petri Kärhä 20/01/2006 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 3 Resistiiviset lämpöanturit Vastusanturit Perustuvat metallin resistanssin (melko lineaariseen) lämpötilariippuvuuteen: 3 T T T T R T = R0 + R0α T δ 1 β R T = resistanssin arvo lämpötilassa T [ C] R 0 = resistanssin arvo lämpötilassa T = 0 C Stabiilein lämpötila-anturi Yleisimmin käytetty anturimateriaali on Platina. α = lämpötilakerroin ( Ω/Ω/ C) δ = 1.49 β = 0 (T>0), β = 0.11 (T<0) Pt-100 anturi: ominaisresistanssi 100 Ω (@0 C) Petri Kärhä 20/01/2006 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 4

3 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 20/01/2006 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 5 Venymäliuska-anturit Venymäliuska-anturin resistanssi muuttuu venytyksessä Anturien sijoitus kuvan esittämällä tavalla linearisoi piirin ja vähentää lämpötilariippuvuutta Petri Kärhä 20/01/2006 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 6

4 Venymäliuska-anturin mittauskytkentä Petri Kärhä 20/01/2006 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 7 Wheatstonen silta Sillan epäsymmetria aiheuttaa jännitteen sillan yli Mitattava resistiivinen anturi kytketään yhteen sillan haaroista Jännite voidaan nollata säätämällä sillan resistansseja (manuaalinen tarkkuusmittaus) Automaattisissa mittauksissa luetaan sillan yli oleva jännite ja lasketaan tästä (ja tunnetuista resistansseista) sensorin arvo Mikäli resistanssin muutos on pieni, virta voidaan minimoida Petri Kärhä 20/01/2006 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 8

5 Wheatstonen sillan yhtälöt Petri Kärhä 20/01/2006 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 9 Wheatstonen silta tasasuurilla vastuksilla Lineaarinen ulostulo, mikäli vastus ei muutu paljon (<5%) Lineaarisuutta ja lämpötilariippuvuutta voidaan parantaa käyttämällä useampia (+/-) antureita Petri Kärhä 20/01/2006 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 10

6 Johdinresistanssien minimointi siltamittauksissa Petri Kärhä 20/01/2006 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 11 Johdinresistanssien minimointi neljällä karvalla Virtasyöttö on tunteeton johdinresistanssien muutoksille! Petri Kärhä 20/01/2006 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 12

7 Siltäkytkentöjen herkkyys ja lineaarisuus Petri Kärhä 20/01/2006 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 13 Linearisointi operaatiovahvistimilla Petri Kärhä 20/01/2006 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 14

8 Pietsosähköiset anturit Pietsosähköisen keraamisen aineen (esim. kvartsi) puristaminen polarisoi aineen, mikä näkyy varauksena Mittaus varausvahvistimella Käyttökohteet: voima, paine, kiihtyvyys Petri Kärhä 20/01/2006 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 15 Varausvahvistin Suuri-impedanssinen, suurivahvistuksinen, kapasitiivisella takaisinkykennällä varustettu erikoisvahvistin U out = -Q m / C f Ulostulo verrannollinen sisäänmenossa olevan varauksen suuruuteen Petri Kärhä 20/01/2006 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 16

9 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 A d Petri Kärhä 20/01/2006 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 17 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 20/01/2006 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 18

10 AC-sillat C C ~ Ug C- C+ Us Samat periaatteet kuin DCsilloissa, mutta käytetään vaihtojännitteellä Induktansseina käytetään kapasitansseja, induktansseja, resistansseja ja näiden yhdistelmiä Petri Kärhä 20/01/2006 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 19 Käytännön toteutuksia Analog Devices ADXL50, 150, ja 250 kiihtyvyysanturit (accelerometer) Kapasitiivinen kaksoissensori luetaan kapasitiivisessa sillassa Valmiissa piirissä jännite ulostulo Petri Kärhä 20/01/2006 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 20

11 Kapasitiivisen anturin mittaus varausvahvistimella Mikäli kapasitiivisen anturin yli oleva jännite pidetään vakiona, näkyy kapasitanssin muutos varauksen muutoksena Petri Kärhä 20/01/2006 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 21 Pienten jännitteiden mittaus Useat detektorit ovat jännite-antoisia Paineanturit Termoparit Resistiivisten, kapasitiivisten, ja virta-antoisten antureiden mittaus vaatii usein pienten jännitteiden mittausta Pienten jännitteiden (<1 µv) mittausten ongelmia: Terminen kohina Termosähköiset jännitteet Magneettikentät Maasilmukat Petri Kärhä 20/01/2006 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 22

12 Jänniteantoinen anturi: termopari Termopari Toiminta perustuu Seebeck-ilmiöön Ilmiö: kahden eri johteen väliset liitokset aiheuttavat termojännitteen, mikäli niitä pidetään eri lämpötiloissa. Ilmiön keksi saksalainen fyysikko Thomas Seebeck v Yleiskäyttöisin lämpötila-anturi Termojännitteen suuruusluokka n µv / C. Petri Kärhä 20/01/2006 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 23 Termopareja Termojännite V riippuu liitosten lämpötilaerosta T J1 -T ref ja Seebeckkertoimesta a :. V =α ( T J T 1 ref ) Petri Kärhä 20/01/2006 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 24

13 Termoparin mittauskytkentä Huomioi mittauksia tehtäessä Referenssipisteen lämpötila Termojännitteen epälineaarinen riippuvuus lämpötilasta Termoparin mittajohdot: Väsymismurtumat, epäpuhtaudet Termoparin huono liitos Galvaaniset jännitteet Lämpövastus ympäristöön Sähköiset häiriöt Petri Kärhä 20/01/2006 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 25 Terminen kohina Johnson noise E rms = 4kTBR Viimeisin rajoittava tekijä sähköisissä mittauksissa Voidaan minimoida Alentamalla lämpötilaa Kaventamalla kohinakaistanleveyttä (hidastaa piiriä ja lisää mittausaikaa!) Pienentämällä piirin resistansseja (Ei toimi virtamittauksissa, koska mitattava signaali pienenee suhteessa resistanssiin, mutta kohina suhteessa sen neliöjuureen). Petri Kärhä 20/01/2006 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 26

14 Termosähköiset jännitteet Syntyy kun piirikortin eri alueet ovat eri lämpötiloissa, tai kun eri materiaaleja yhdistetään galvaanisesti toisiinsa Tina/kupari-liitos 3 µv/ C Krimppausliitokset (puristettu kupari-kupari) Johdinmateriaalien kirjon minimointi 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 Petri Kärhä 20/01/2006 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 27 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 20/01/2006 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 28

15 Pienten virtojen mittaus Useat detektorityypit ovat virta-antoisia Fotodiodit Valomonistinputket Pienten virtojen (<100 na) mittausten ongelmia Kuormituksen aiheuttama epälineaarisuus Tribosähköinen ilmiö Piezosähköinen ilmiö Sähkökemiallinen ilmiö Eristeiden vuotovirrat (Guardin käyttö) Petri Kärhä 20/01/2006 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 29 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 20/01/2006 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 30

16 Fotodiodien kytkentä Tyypillisiä kytkentöjä Rajoituksia: Herkkyys ~ 0.5 A/W Aallonpituusriippuva Vuotovirta Kapasitanssi Kohina Petri Kärhä 20/01/2006 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 31 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 20/01/2006 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 32

17 Virta-jännite-muunnin 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 20/01/2006 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 33 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 20/01/2006 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 34

18 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 20/01/2006 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 35 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 20/01/2006 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 36

19 Piezosähköinen ilmiö Tietyissä eristetyypeissä mekaaninen stressi aiheuttaa varauksia ja virtaa (keraamit, muovit) Saattaa aiheuttaa ongelmia esim. jos mittauspöydillä on hurisevia laitteita Petri Kärhä 20/01/2006 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 37 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 20/01/2006 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 38

20 Virheiden suuruusluokat virtamittauksissa Petri Kärhä 20/01/2006 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 39 Esimerkkejä Guardin käytöstä Petri Kärhä 20/01/2006 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 40