Anturit ja anturielektroniikka 2008h116.it.helsinki.fi/wp-content/uploads/2011/02/...Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 3 Resistiiviset anturit • Resistiivisiä

Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 1

Elektroniset mittaukset


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


Resistiiviset anturit

• Resistiivisiä antureita– 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


(Platina)Vastusanturit

• Perustuvat metallin resistanssin melko lineaariseen lämpötilariippuvuuteen:

– α = lämpötilakerroin, 0,385 % /°C (0,392 %/°C, USA) R0 = vastusreferenssilämpötilassa 0 °C

• Lisää tarkkuutta voi tarvittaessa hakea sovittamallakalibrointituloksiin Callendar-Van Dusenin yhtälön:– RT = R0[1 + A T + B T2 + (T − 100) C t3] , T = -200 – 0 °C

– RT = R0(1 + A T + B T2) , T = 0 – 661 °C• A = 3,9083 × 10-3 °C-1

• B = -5,775 × 10-7 °C-2

• C = -4,183 × 10-12 °C-3

[ ]TRRT α+= 10


Platinavastusanturit

• Tarkkoja verrattuna muihinlämpötila-antureihin

• Stabiileja (hyvin pieni ryömintä)

• Laaja käyttölämpötila-alue

• Soveltuu tarkkuusmittauksiin

PT100 mittapää 120 €

PT100 anturi 5 €

PT25 tarkkuusmittapääkalibrointilaboratorioille ~5000 €


Termistorit

• Termistorin vastus muuttuulämpötilan funktiona

• Optimoidaan tietyille lämpötila-alueille

• PTC-termistorin vastus kasvaalämpötilan kasvaessa

• NTC-termistorin vastuspienenee lämpötilan kasvaessa

• Mikäli mittausvirta on pieni, termistori mittaa ympäristönlämpötilaa. Liian suurimittausvirta lämmittää sensoria


Termistorit

• Halpa (~70 c – 5 €)

• Nopea (pieni massa)

• Epätarkka (toleranssit)

• Epästabiili

• Rajoitettu lämpötila-alue (-40 – 200 °C)

• Herkkä rikkoutumaan

• Ei sovellu tarkkuusmittauksiin


Venymäliuska-anturit

• Venymäliuska-anturin resistanssi muuttuu venytyksessä

• Anturien sijoitus kuvan esittämällä tavalla linearisoi piirin javähentää lämpötilariippuvuutta


Siltakytkentöjä resistiivisille antureille

• Vastusten muuttuminen saasillan epätasapainoon, mikänäkyy jännitteenä

• Differentiaalinen jännitevahvistetaaninstrumentointivahvistimella

• Takaisinkytkentä pitää sillanjatkuvasti tasapainossa syöttämällävirtaa sillan vasemmalle puolelle

• Virta muuntuu ulostulojännitteeksioparikytkennässä (virta-jännite-muunnin)

Lähde: Analog Bridge Wizard


Wheatstonen silta

• Sillan epäsymmetria aiheuttaajännitteen sillan yli

• Mitattava resistiivinen anturikytketään yhteen sillanhaaroista

• Jännite voidaan nollatasäätämällä sillan resistanssejatai sähköisellätakaisinkytkennällä

• Automaattisissa mittauksissaluetaan sillan yli oleva jänniteja lasketaan tästä sensorin arvo


Wheatstonen sillan yhtälöt

)(43

3

21

2eOOO RR

R

RR

RVVVV

+−

+=−= −+

Tasasuuruisilla vastuksilla

)4

( 4321eO R

RRRRVV

∆−∆+∆−∆≈

Jännitteenjaosta saadaan

• Lineaarinen ulostulo, mikäli vastus ei muutu paljon (<5%)• Lineaarisuutta ja lämpötilariippuvuutta voidaan parantaa käyttämällä

useampia (+/-) antureita


Siltäkytkentöjen herkkyys ja lineaarisuus


Linearisointi operaatiovahvistimilla


Johdinresistanssien minimointisiltamittauksissa


Johdinresistanssien minimointi neljällä karvalla

• Virtasyöttö on tunteeton johdinresistanssien muutoksille!


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


Pietsosähköiset anturit

• Pietsosähköisen keraamisen aineen (esim. kvartsi) puristaminen polarisoi aineen, mikä näkyy varauksena

• Mittaus varausvahvistimella

• Käyttökohteet: voima, paine, kiihtyvyys


Varausvahvistin

Uout = -Qm / Cf

• Suuri-impedanssinen, suurivahvistuksinen, kapasitiivisellatakaisinkykennällävarustettuerikoisvahvistin

• Ulostulo verrannollinensisäänmenossa olevanvarauksen suuruuteen


Kapasitiiviset anturit

• Kahden levyn välinen kapasitanssi:

• 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. siltakytkennällätai varausvahvistimella. Voidaan myös kytkeäoskillaattoriksi, jonka taajuus mitataan.

d

AKC 0ε=


Kiihtyvyysanturi

• Piipalkki taipuu kiihtyvyydenvaikutuksesta

• Palkin molemmin puolin on kapasitanssit, joista toinenkasvaa ja toinen pienenee

• Voidaan lukea esim. siltakytkennällä (kaksimuuttuvaa kapasitanssiaparantaa lineaarisuutta) tai varausvahvistimella

• Mittausalue 0.5 g - 500 g

• Suurkäyttäjä autoteollisuus


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 taajuus-

jännitemuunnin

– Kapasitanssi/jännite-muunnin

– Kapasitanssi/taajuus-muunnin

– Kapasitanssi/digitaali-muunnin

– SC-tekniikat (C:n impedanssi riippuu taajuudesta)

– Varausvahvistin


Oskillaattoreita


Taajuus/jännite-muuntimia

LM331, AD650, LM2907


AD7746 24-bit, 2 Channel Capacitance to Digital Converter


AC-sillat

• Samat periaatteet kuin DC-silloissa, mutta käytetäänvaihtojännitteellä

• Impedansseina käytetäänkapasitansseja, induktansseja, resistansseja ja näidenyhdistelmiä

C-

C+C

C

Ug~

Us


Kapasitiivisen anturin mittausvarausvahvistimella

• Mikäli kapasitiivisenanturin yli olevajännite pidetäänvakiona, näkyykapasitanssinmuutos varauksenmuutoksena


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 antureidenmittaus vaatii usein pienten jännitteiden mittausta


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. 1821.

• Yleiskäyttöisin lämpötila-anturi

– Termojännitteen suuruusluokka n. 1-100 µV / °C.


Termopareja

Termojännite V riippuu liitosten lämpötilaerosta TJ1-Tref ja Seebeck-kertoimesta a : .)(

1 refJ TTV −=α


Termoparien ominaisuuksia

• Ei aivan niin tarkka, lineaarinen, stabiili kuin PT100, mutta melko hyvä

• (Halvempi kuin PT100)

• Pienikokoisempi ja nopeampikuin PT100

• Yltää korkeampiinlämpötiloihin kuin PT100 (jopa1800 °C)

K-tyypin termopari 12 €

K-tyypin mittapää 60 €T-tyypin termopariruuvikierteellä 40 €


Termoparien mittauskytkentöjä

Tarkoissa mittauksissareferenssiliitos pidetääntunnetussa lämpötilassa, esim. jäävedessä

Rutiinimittauksissa (esimprosesseissa) hyväksytäänsuurempi mittausepävarmuus. Referenssin lämpötila seuraaympäristön lämpötilaa. Virhekompensoidaan elektroniikalla.


AD594/AD595 termoparivahvistin

• Termopari tulee piirille kahdella karvalla

• Referenssiliitos muodostuu piirikortilla (kupari-konstantaani ja kupari-chromel)

• Piirin kotelo ja piirikortin kuparit pidetään samassa lämpötilassa (lämpökontaktiesim. piitahnalla)

• Kotelon sisällä oleva kompensointipiiri korjaa ympäristön lämpötilanvaikutuksen


LM35 Precision Centigrade Temperature Sensor


Pienten jännitteiden mittaus

• Pienten jännitteiden (<1 µV) mittausten ongelmia:– Terminen kohina

– Termosähköiset jännitteet

– Magneettikentät

– Maasilmukat


Terminen kohina

• Johnson noise

• Viimeisin rajoittava tekijä sähköisissä mittauksissa

• Voidaan minimoida– Alentamalla lämpötilaa

– Kaventamalla kohinakaistanleveyttä (hidastaa piiriä ja lisäämittausaikaa!) esim. keskiarvoistamalla

– Yleensä resistanssien pienentäminen ei toimi• Signaali pienenee tyypillisesti samassa suhteessa kuin kohina

• Virtamittauksissa jopa enemmän koska mitattava signaali pieneneesuhteessa resistanssiin, mutta kohina suhteessa sen neliöjuureen

• Kytkennät kuluttavat pienillä resistansseilla enemmän virtaa jalämpenevät

kTBRErms 4=


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)


Magneettikentät

• Magneettikentissä heiluvat johdot generoivat virtaa

• Maan magneettikenttä saattaa aiheuttaa nanovolttiensignaaleja– 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 samaanpisteeseen

• Digitaalisilla nanovolttimittareilla pystyy mittaamaan noin15 nV resoluutiolla


Pienten virtojen mittaus

• Useat detektorityypit ovat virta-antoisia– Fotodiodit

– Valomonistinputket

– Lämpötilasensorit


AD590 2-Terminal IC Temperature Transducer


Fotodiodit

• Yleisin valoanturi.

• Fotonit synnyttävät PN-rajapinnalla elektroni-aukkopareja, jotka havai-taan sähkövirtana.

• Aallonpituusalue riippuu band-gap energiasta (Si, Ge, GaP …)

E

Eghf

Ec

Ev


Fotodiodien kytkentä

• Tyypillisiä kytkentöjä

• Rajoituksia:– Herkkyys ~ 0.5 A/W

• Aallonpituusriippuva

– Vuotovirta

– Kapasitanssi

– Kohina


Shunttivastus-virtamittari

• Tavallisin tapa virran mittaukseenyleismittareissa

• Virran mittaus muutetaan jännitteenja resistanssin mittaukseksi

• Vastuksen mitoituksessahuomioitavaa:

– Suuri vastus helpottaa jännitteenmittausta

– Pienet vastukset ovat tarkempia jastabiilimpia (lämpötila, aika)

– Pienellä vastuksella nopeampi vasteja pienempi Burden-voltage

– Kohinassa optimoitavajännitemittarin ja vastuksen kohina

• Tyypillisesti 1-2 V jännitealue hyväkompromissi


Virta-jännite-muunnin

• Paras vaihtoehtofotodiodeille

• Sisäänmenon impedanssiZin=RF/A muttagain=Eout/Iin=RF

• Matala Burden-voltage -> Kuormittaa anturiavähemmän kuinshunttimittari(Lineaarisuus)

• Pienisisäänmenoimpedanssi -> nopea nousuaika


Virta-jännitemuuntimen käytännöntoteutus

• Fotodiodien ulostulonhajakapasitanssi on melkokorkea (~10 pF)– Peruskytkentä on hidas

(aikavakio ~RF*CD)

– Alipäästösuodatintakaisinkytkennässäaiheuttaa epästabiiliutta

• Kompensoidaankapasitiivisellätakaisinkytkennällä CF


Virta-jännite muuntimia

TDL Electrometer (current-to-voltage converter) Model 206

AMETEK Model 181Current Sensitive Preamplifier

Keithley Model 428-PROG Programmable Current Amplifier


Virranmittausvahvistin


Pienten virtojen mittaus

• Pienten virtojen (<100 nA) mittausten ongelmia– Kuormituksen aiheuttama epälineaarisuus

– Tribosähköinen ilmiö

– Piezosähköinen ilmiö

– Sähkökemiallinen ilmiö

– Eristeiden vuotovirrat (Guardin käyttö)


Tribosähköinen ilmiö

• Kitka generoi eristeen jajohteen rajapintaan varaustakaapelia taivutettaessa, mikänäkyy vuotovirtana.

• Riippuu kaapelityypistä. Pienille virroille on olemassaerityisiä vähäkitkaisiakoaksiaali- jatriaksiaalikaapeleita

• Kaapelit pidettävä mittauksissapaikallaan, tai vuotovirratmitattava kullekin lukemalleerikseen.


Piezosähköinen ilmiö

• Tietyissä eristetyypeissämekaaninen stressiaiheuttaa varauksia javirtaa (keraamit, muovit)

• Saattaa aiheuttaa ongelmiaesim. jos mittauspöydilläon hurisevia laitteita


Sähkökemialliset ilmiöt

• Kemialliset aineet voivataiheuttaa terminaalienväliin sähköpareja

• Likaiset epoksipiirilevytsaattavat aiheutta useidennanoamppeerienhäiriövirtoja

• Tarkoissa mittauksissapiirilevyt on puhdistettavaesim. etanolilla ennenkäyttöä


Virheiden suuruusluokatvirtamittauksissa


Esimerkkejä Guardin käytöstä

Documents

Anturit ja anturielektroniikka 2008h116.it.helsinki.fi/wp-content/uploads/2011/02/...Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 3 Resistiiviset anturit • Resistiivisiä