521124S Anturit ja mittausmenetelmät (5 op/3 ov) Koe

Transkriptio

1 521124S Anturit ja mittausmenetelmät (5 op/3 ov) Koe Reluktiivisia differentiaalimuuntimia (LVDT ja RVDT) käytetään siirtymän mittauksessa. Esitä molempien toimintaperiaate ja tyypillisiä suoritusarvoja! 2. Kosteuden ja vesipitoisuuden mittaus. Esitä lyhyesti yleisimmät mittausperiaatteet! 3. Gammasäteilyn kvanttien energioita mitataan yleisesti tuikedetektoreilla. Miten ne toimivat ja millainen energiaspektri saadaan yksienergisestä gammasäteilystä? Vertaa Geiger-putkeen! 4. Pietsosähköisellä hydrofonianturilla on herkkyys 0,5 pc/pa ja kapasitanssi 10 nf. Suunnittele varausvahvistin, jonka -3dB:n taajuuskaista on 10Hz 10kHz ja herkkyys -1mV/Pa, ja jossa on suojavastus operaatiovahvistimen kääntävässä tulossa. 5. Halutaan mitata lämpötila alueella -25 C 100 C käyttämällä taajuuslähdön omaavaa anturia TMP03 (Analog Devices) ja 12-bittistä laskuria. Määritä maksimaalinen kellotaajuus, jolla laskuri ei vielä ylivuoda. Jos käytetään kellotaajuutta 100kHz, määritä lämpötilaresoluutio lämpötiloissa 0 C ja 100 C. Celsiusasteikkoon mitoitetun piirin antama lämpötila noudattaa kaavaa 400 T1 T( C) = 235 T2, missä T 1 = lämpötilasta riippumaton vakio 10ms. T 2 sen sijaan riippuu lämpötilasta. Piirin sisäinen rakenne on kuvassa alla.

2 521124S Anturit ja mittausmenetelmät (3 ov / 5 op) Koe Määrittele seuraavat anturin suorituskykyominaisuudet: resoluutio, hystereesi, lineaarisuus, tarkkuus (accuracy ja precision) ja taajuusvaste! Miten lämpötilan askelmainen muutos voi vaikuttaa lähtösignaaliin? 2. Paineen mittauksesta: a) Määrittele absoluuttinen paine, osapaine, staattinen paine, patopaine ja hydrostaattinen paine! b) Miten painetta voidaan mitata, selitä yleisimmät periaatteet! 3. Termisiä valoilmaisimia käytetään infrapunasäteilyn mittaamiseen. Esitä niiden erot fotoni-ilmaisimiin nähden! Esitä yleisimmät toteutustavat ja kunkin periaatteen suoritusarvoja! 4. Kuvassa alla on lämpöanturi, joka koostuu diodiksi kytketystä transistorista, jolla u be = 0,595 V 25 C:ssa ja lämpötilakerroin -2,265 mv/ C sekä virtalähteestä, I 0 = 100μA. Määritä vastusten R 0, R 1 ja R 2 arvot, kun halutaan mitata lämpötilaa alueella C, jolloin lähtö olisi 0 1V.

3 5. Autoteollisuuden käyttöön valmistettu differentiaalinen paineanturi koostuu keraamisesta ympyrän muotoisesta kalvosta, jonka halkaisija on 4 cm, kimmomoduuli E = 8*10 10 N/m 2, Poissonin suhde μ = 0,2 ja tiheys ρ = 4g/cm 3. Mittausalue on 0 20 kpa. Mittausperiaate on kapasitiivinen, jossa kiinteiden elektrodien sekä liikkuvan keraamisen kalvon etäisyys on tasapainotilanteessa 25 μm. a) Kuinka paksu kalvon pitäisi olla, jotta kalvon poikkeama alkutilanteesta olisi korkeintaan 1 %, eli toimitaan anturin lineaarisella alueella? b) Oleta, että anturiin kohdistuu kiihtyvyys 10 g kohtisuoraan kalvon pintaa vasten. Tämä kiihtyvyys aiheuttaa voiman, joka puolestaan aiheuttaa kalvon poikkeaman. Kuinka suurta paineen amplitudia kiihtyvyyden aiheuttama kalvon poikkeama vastaa, jos kalvon paksuudeksi on valittu 0,1 mm?

4 Oulun yliopisto Sähkö- ja tietotekniikan osasto OEM-laboratorio S Anturit ja mittausmenetelmät (3 ov) Tentti Valokuiduilla voidaan mitata tarkasti pieniä siirtymiä. Esitä jokin ratkaisu! 2. Resistiivinen platina-anturi on tarkka ja luotettava lämpötilan anturi. Esitä sellaisen rakenne, tarkkuus ja mittauskytkentä! 3. Radioaktiivista säteilyä voidaan mitata mm. Geiger-putkella, puolijohdedetektorilla ja tuikeilmaisimella. Esitä kunkin toimintaperiaate ja tyypillisiä suoritusarvoja! 4. Kvartsikiteestä valmistettu pietsoanturi, jonka pinta-ala 1 cm 2 ja paksuus 0,1 cm, on kahden metallielektrodin välissä. Metallielektrodeja käytetään kiteen yli olevan voiman muutosten mittaamiseen. Materiaalin kimmokerroin on 9*10 10 Pa, varausherkkyys 2 pc/n, suhteellinen permittiivisyys 5 ja 1 cm 2 kokoisen materiaalipalan resistanssi vastakkaisten puolten välillä on Ω. 20 pf:n kapasitanssi ja 100 MΩ:n resistanssi on kytketty rinnan elektrodien yli. Kiteeseen kohdistuu voima F = 0,01 sin(10 3 t) N. a. Mikä on peak-to-peak jänniteheilunta elektrodien yli? b. Mikä on maksimimuutos kiteen paksuudessa? c. Anturin lähtö on kytketty varausvahvistimeen, jonka takaisin-kytkentäkondensaattori on 20 pf. Vahvistimen tuloimpedanssi ja jännitevahvistus voidaan olettaa äärettömiksi, ja lähtöimpedanssi nollaksi kiinnostavilla taajuuksilla. Mikä on peakto-peak jänniteheilunta vahvistimen lähdössä? 5. Induktiivisessa paineanturissa (kuva 1) kummassakin kelassa on sama määrä kierroksia.

5 Kuva 1 Kun p 1 = p 2, kelojen keskiosien välinen etäisyys välikalvon keskustasta on D. Pienelle välikalvon siirrokselle d keskikohdastaan, kummankin kelan reluktanssi on noin R 1 = R 0 + K( D + d) tai R 1 = R 0 + K( D d) riippuen liikkeen suunnasta, missä R 0 ja K ovat vakioita. Anturi on kytketty kuvan mukaisesti siltaan, ja sillan lähdössä ei ole kuormaa. Osoita analyyttisesti, että sillan lähtö v o on verrannollinen d:hen. Onko tällä järjestelyllä mahdollista päätellä onko p 1 > p 2 vai p 2 > p 1?

6 521124S Anturit ja mittausmenetelmät (3 ov) Tentti Kuinka massa-jousi-vaimennin-systeemiä voidaan kayttää kiihtyvyysanturina? Hahmottele vaste! Miten kiihtyvyyssignaalista saadaan nopeus? 2. Esitä yleisimmät tavat mitata nesteen virtausnopeutta putkessa virtausta häiritsemättä! Miten virtauksen profiili vaikuttaa tulokseen kussakin mittausperiaatteessa? 3. Radioaktiivista säteilyä voidaan mitata mm. Geiger-putkella, puolijohdedetektorilla ja tuikeilmaisimella. Esitä kunkin toimintaperiaate ja tyypillisiä suoritusarvoja! 4. Heijastavaa optista kuituanturia, jossa on kaksi kuitua, käytetään kannatinpalkin siirtymän mittaamiseen voimanmittausjärjestelmässä. Käyrä heijastuneesta valotehosta suhteessa siirtymään on kuvassa alla. a) Laske siirtymän mittaamisen herkkyys. Oleta, että valodiodia, jonka herkkyys on 0,5 A/W käytetään heijastuvan valon havaitsemiseen lineaarisella alueella AB. b) Laske havaittavuus kaistanleveydellä 10 khz keskialueella (piste C kuvassa). Oleta, että diodin raekohina dominoi.

7 5. a) Suunnittele differentiaalimuuntajaa (LVDT)käyttävä laite siirtymän/liikkeen mittaukseen. Ensiön ja toision välinen keskinäisinduktanssi M middle = 120 μh (kun Fe-sydän on keskiasennossa, M 1 = M 2 = M middle ) ja ensiön itseisinduktanssi L p = 2 mh. Anturilla mitataan sinimuotoista liikettä, taajuus f L = 50 Hz ja amplitudi 2 mm ( ΔS = ±1 mm keskipisteen suhteen). Ensiöpiirin kokonaisresistanssi R p = 2 kω ja herätejännite u S = 10 V AC (f S = 10 khz). Keskinäisinduktanssit M 1 ja M 2 muuttuvat 10%, kun rautasydän liikkuu 1 mm. b) Mikä on lähtöjännitteen huippuarvo( û out ) ja tehollisarvo(u out(rms) )?

8 521124S Anturit ja mittausmenetelmät (3 ov) Tentti Esitä yleisimmät tavat mitata nesteen virtausnopeutta putkessa virtausta häiritsemättä! 2. Selitä lyhyesti kuinka puusta tehdään paperia! Luettele paperin valmistusprosessissa tarvittavia mittauksia! 3. Termisiä valoilmaisimia käytetään infrapunasäteilyn mittaamiseen. Esitä niiden erot fotoni-ilmaisimiin nähden! Esitä yleisimmät toteutustavat ja kunkin periaatteen suoritusarvoja! 4. Kokonaissäteilypyrometrillä mitataan levyn lämpötilaa, T = 160 C. Mittausetäisyys a = 2 m (optiikka levy) ja levyn emissiviteetti ε = 0,8. (Stefan-Boltzmannin vakio δ = 5,6705*10-8 W/m 2 K 4 ). a) Mikä on detektorille tulevan säteilyn teho (P), kun detektorin halkaisija d = 2 mm? Optiikan halkaisija D = 30 mm ja polttoväli f = 80 mm (detektori on asetettu fokukseen). b) Millä aallonpituudella (λ m ) säteilyn teho (P) on suurimmillaan? 5. a) Esitä optisen gyroskoopin toiminta ja mittausperiaate. a) Laske optisen gyroskoopin herkkyys, kun valolähde on HeNe-laser (λ = 632,8 nm), kuidun pituus L = 1 km ja kelan halkaisija = 70 mm.

9 521124S Anturit ja mittausmenetelmät (3 ov) Koe Selitä kastepisteen mittaukseen perustuvan kosteusmittauksen toiminta ja esitä tyypillisiä laiteratkaisuja! 2. Esitä kondensaattorimikrofonin toimintaperiaate! Tarkastele kahta eri toteutus-tapaa ja niiden tyypillisiä suoritusarvoja! 3. Selitä lyhyesti kuinka puusta tehdään paperia! Luettele paperin valmistus-prosessissa tarvittavia mittauksia! 4. Kokonaissäteilypyrometrillä mitataan levyn lämpötilaa, T = 160 C. Mittausetäisyys a = 2 m (optiikka levy) ja levyn emissiviteetti ε = 0,8. a) Mikä on detektorille tulevan säteilyn teho (P), kun detektorin halkaisija d = 3 mm? Optiikan halkaisija D = 30 mm ja polttoväli f = 100 mm (detektori on asetettu fokukseen). b) Millä aallonpituudella (λ m ) säteilyn teho (P) on suurimmillaan? 5. Sing-around-menetelmä: a) Piirrä periaatekuva menetelmästä! b) Selitä menetelmän toiminta ja käyttökelpoiset anturimateriaalit! c) Laske kulkuajat (t 1 ja t 2 ) myötä- ja vastavirtaan! d) Tehtävän mittausmenetelmällä mitataan virtausnopeutta verisuonessa, jonka halkaisija = 0,4 cm. Kulkuaikaeroksi antureiden välillä mitattiin t 2 t 1 = 1,85 ns. Määritä verenvirtausnopeus (v) suonessa, kun ultraäänen nopeus c = 1500 m/s ja anturien/lähettimien välille piirretyn suoran ja putken välinen kulma on 25 astetta!