Máster de Física de la Materia Condensada y Nanotecnología

 INSTRUMENTACIÓN CIENTÍFICA Y CONTROL -

Curso 2010-11

Máster de Física de la Materia Condensada y Nanotecnología 

INSTRUMENTACIÓN CIENTÍFICA Y CONTROL - Curso 2009-10 

Aulas:Teoría: Módulo 0, Aula 309Prácticas: Laboratorios C-III           HORARIO:       Miércoles y Viernes:  9:30 - 11:30                                   Esquema de clases: 

Verde, Azul, Amarillo:   Teoría  Rojo:      Clases en laboratorio  Morado:  Exposiciones y discusión de los trabajos  

José Gabriel Rodrigo  (jose.rodrigo@uam.es)José María Gómez  (josem.gomez@uam.es)Jesús Álvarez  (jesus.alvarez@uam.es)

Profesores:Calendario del curso

Página web de la asignatura: www.uam.es/jose.rodrigo/icc

Temario:1.    Planteamiento de experimentos científicos   (12 Enero - JGR ) 2.    Instrumentos científicos de medida y control (14 Enero - JGR) 3.    Adquisición de datos con ordenador (19 Enero - JMG)4.    Sistemas de control (21 Enero - JMG)5.    Componentes eléctricos y electrónicos (26 Enero – JA) 6.    Filtrado y calidad de señales eléctricas (28 Enero – JA)

Prácticas: ( 2 de Febrero a 18 de Marzo) 

• Las prácticas consisten en el diseño y realización de una serie de medidas físicas mediante sistemas de control de instrumentos y adquisición de datos por ordenador. El software de control y medida es Matlab. Se utilizarán dispositivos de adquisición analógicos y digitales (bus PCI y USB), e instrumentos controlables mediante el bus IEEE488 y USB.

CRITERIOS DE EVALUACIÓNEvaluación continua: realización de las prácticas, exposición y discusión de los trabajos realizados.Entrega de informes semanales  sobre la evolución de la práctica.

Bibliografía: Tesis Doctorales del Departamento de Física de la Materia Condensada, UAM. Manuales de instrumentos científicos (Keithley, Tektronix, HP,  Standford Research, National Instruments, Lakeshore, etc) Libros-Guía de Keithley:-       Understanding New Developments In Data Acquisition, Measurement, And Control.-       Low level measurement.-       Data acquisition and control handbook.  BOLTON, W.: Instrumentation and Control Systems, Newnes, Oxford (2004). DORF, RICHARD; BISHOP, ROBERT H.: Sistemas de control moderno, Pearson Educación, Madrid (2005) (10ª edición).FRANKLIN, GENE F.; POWELL, J. DAVID; EMAMI-NAEINI, ABBAS: Feedback Control of Dynamic Systems, Addison-Wesley, Reading (1988).OGATA, K.: Ingeniería de control moderna, Pearson Educación, Madrid (2003) (4ª edición).OGATA, K.: Sistemas de control en tiempo discreto, Pearson, México (1996) (2ª edición).PARK, J.; MACKAY, S.: Practical Data Acquisition for Instrumentation and Control Systems, Newnes, Oxford (2003).PROAKIS, JOHN G.; MANOLAKIS, DIMITRIS G.: Tratamiento digital de señales, Pearson Educación, Madrid (2007) (4ª edición).Moore, Davis, Coplan: Building Scientific Apparatus Instruments, Addison-Wesley.Paul Horowitz, Winfield Hill The art of electronics. Cambridge University Press. 

Tesis Doctorales del Departamento de Física de la Materia Condensada, UAM. Manuales de instrumentos científicos (Keithley, Tektronix, HP,  Standford Research, National Instruments, Lakeshore, etc)

Libros-Guía de Keithley:-       Understanding New Developments In Data Acquisition, Measurement, And Control.-       Low level measurement.-       Data acquisition and control handbook.

¡¡¡  Usad  internet !!!-Google-www.keithley.com-www.ni.com-www.analog.com-sitio oficial de Matlab, http://www.mathworks.com

Bibliografía:

Tutoriales en inglés:- http://www.mathworks.es/academia/student_center/tutorials/launchpad.html - http://www.maths.dundee.ac.uk/~ftp/na-reports/MatlabNotes.pdf

Matlab

Data Acquisition Toolbox™ 2

Instrument Control Toolbox

Bibliografía:

Model 5210 Analog Lock-in Amplifier.htm

Los problemas no son nuevos…

Contenidos del curso

Temario:1.    Planteamiento de experimentos científicos   (12 Enero - JGR ) 2.    Instrumentos científicos de medida y control (14 Enero - JGR) 3.    Adquisición de datos con ordenador (19 Enero - JMG)4.    Sistemas de control (21 Enero - JMG)5.    Componentes eléctricos y electrónicos (26 Enero – JA) 6.    Filtrado y calidad de señales eléctricas (28 Enero – JA)

1. Planteamiento de experimentos científicos    (12 Enero - JGR ) 1.1 Planteamiento de un experimento científico.Fenómeno a estudiar.Magnitudes que se desean medir.Parámetros que se desean controlar y variar.Método y técnicas experimentales a utilizar.Diseño de un sistema experimental : SPM a bajas temperaturas.1.2 Medida de magnitudes físicas.Sensores y transductores: medir y aplicar voltajes y corrientes.Estimación de la magnitud de las señales de trabajo. 2. Instrumentos científicos de medida y control  (14  Enero - JGR)  2.1 Características de los instrumentos científicos.Aspectos generales: precisión, exactitud, calibración, velocidad, rango, versatilidad, especificidad. Aspectos específicos de algunos instrumentos: fuentes de corriente y voltaje, multímetro, osciloscopio, amplificador lock-in, puente de capacidades, puente de resistencias, controlador de temperatura.2.2 Sistemas experimentales en los laboratorios del Departamento: Bajas Temperaturas. Nuevas Microscopías. Superficies.

3. Adquisición de datos con ordenador   (19 Enero - JMG) 3.1 Introducción.Señales analógicas y digitales.Sensores y transductores.Acondicionamiento de señales. Hardware y software.

3.2 Tarjetas de adquisición de datos.Convertidores A/D: resolución, rango dinámico y precisión. Muestreo de señales analógicas: aliasing y teorema de Nyquist. Convertidores D/A (DAC). Señales digitales I/O. Contadores.

3.3 Comunicaciones y protocolos.Comunicaciones en serie: el estándar RS-232. Comunicaciones en paralelo: el estándar IEEE 488. Comunicaciones mediante USB.

4. Sistemas de control  (21 Enero - JMG) 4.1 Sistemas de control.Introducción y ejemplos de sistemas de control. Control en lazo abierto y en lazo cerrado. Tipos de controladores: on-off, proporcional, en derivada, integral, PID.

4.2 Introducción elemental al modelado matemático de control de sistemas dinámicos.Sistemas dinámicos. Ecuaciones diferenciales. Transformadas de Laplace. Función de transferencia y de respuesta impulso. Repuesta en frecuencia. Gráficas de Bode. Diagramas de Nyquist.

4.3 Sistemas de control en tiempo discreto.Análisis y modelado de sistemas de control digital. La transformada z. Análisis en el plano z de sistemas de control en tiempo discreto. Diseño de sistemas de control en tiempo discreto. Ejemplos y aplicaciones a controladores digitales para microscopía de efecto túnel (STM) y de fuerzas (AFM).

5. Componentes eléctricos y electrónicos ( 26 Enero – JA)

           Componentes pasivos:              Resistencias condensadores              Líneas de transmisión:              Impedancia              Filtros

          Componentes activos:              Diodos              Concepto de transistor              FET

           Fuentes de alimentación:               Reguladores

           Amplificadores                Amplificador operacional                Realimentación, estabilidad y oscilación.                Detección de señal, detección y conteo de pulsos.

           Electrónica digital básica, conexión con el mundo analógico                Convertidores analógico digital                Convertidores digital analógico                Conteo de eventos.

6. Filtrado y calidad de señales eléctricas ( 28 Enero– JA)

Filtros pasivos   Paso bajo y paso alto.   Paso banda

Señal en líneas de transmisión.

Tierra y apantallamiento eléctrico

Seguridad eléctrica                Interferencia electromagnética.                Acoplamiento capacitivo e inductivo

Señal y ruido                Relación señal/ruido                Promediado de señal                Detección en fase, el amplificador lock-in                Técnicas de Fourier

1. Planteamiento de un experimento científico

1. Planteamiento de un experimento científico:

•Fenómeno a estudiar.

•Magnitudes que se desean medir.

•Parámetros que se desean controlar y variar.

•Método y técnicas experimentales a utilizar.

Diseño de un sistema experimental : SPM a bajas temperaturas.

AFM-STM   BT   4.2 K

STM /STS  BT   300 mK

STM /STS  BT   300 mK

1. Planteamiento de un experimento científico:

•Fenómeno a estudiar.

•Magnitudes que se desean medir.

•Parámetros que se desean controlar y variar.

•Método y técnicas experimentales a utilizar.

Diseño de un sistema experimental : SPM a bajas temperaturas.

• Fenómeno a estudiar: vórtices en superconductores,

(mediante espectroscopía túnel de barrido)

LBT-UAM

El flujo que atraviesa un vórtice es la unidad cuántica de flujo:

H

NS

Red de Abrikosov

d

20 mmT22/ eh

H(T)/50d(nm)

densidad de pares superconductores

campo magnético

densidad de supercorriente

Superconductor y campo magnético vórtices

Densidad de estados en S

EF

E

Se pueden ver los vórtices usando el STM

-3 -2 -1 0 1 2 3

X axis

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Y a

xis

--- -- - --

conductancia

voltaje

•Magnitudes que se desean medir:

• y JS vs (x,y)

•DOS vs (x,y) del material (curvas dI/dV vs V)

•B(x,y) dV-V(nm)=50/B(T)1/2

•Parámetros que se desean controlar y variar:

•DOS: espectroscopía túnel: Corriente y voltaje

•Tamaño zona estudiada (10-1000 nm)

•Temperatura: 300K..77K..4.2K..300 mK

•Campo magnético: 0..1 T

• Fenómeno a estudiar: vórtices en superconductores

1.1 Planteamiento de un experimento científico.Fenómeno a estudiar.Magnitudes que se desean medir.Parámetros que se desean controlar y variar.Método y técnicas experimentales a utilizar.Diseño de un sistema experimental : SPM a bajas

temperaturas.

• Fenómeno a estudiar: vórtices en superconductores

•Método y técnicas experimentales a utilizar:

•DOS vs (x,y) del material (curvas dI/dV vs V)

•espectroscopía túnel de barrido: STM

•Un STM a bajas temperaturas (300 mK)

•Zona estudiada (10-1000 nm) : piezoeléctricos,

desplazamiento y posicionamiento controlado.

•Temperatura: 300K..77K..4.2K..300 mK: criostato 3He, control

de temperatura.

•Campo magnético a bajas temperaturas: 0..1 T : bobina

superconductora, fuente de corriente.

•Diseño de un sistema experimental : SPM a bajas temperaturas.

Inverting Amplifier

An op-amp inverting amplifier with a gain of one serves as an inverting buffer. 

For an ideal op-amp, the non-inverting amplifier gain is given by

Non-inverting Amplifier

Current to Voltage Amplifier

The voltage follower with an ideal op amp gives simply but this turns out to be a very useful service, because the input impedance of the op amp is very high, giving effective isolation of the output from the signal source. 

You draw very little power from the signal source, avoiding "loading" effects. This circuit is a useful first stage. 

The voltage follower is often used for the construction of buffers for logic circuits.

Voltage Follower 

The behavior of most configurations of op-amps can be determined by applying the "golden rules". For the summing amplifier by the current rule the non-inverting input is a virtual ground. Then the current into A must be zero. This requires

Hence

Rule Application:Summing Amplifier

Solenide:  SC tipo II  (NbTi)

Típicamente:   1 kG/ASolenoides “caseros” :  200 G/A  

www.janis.comwww.oxinst.com

¿Cómo se crean “altos” campos magnéticos?

Cableado:

Coaxiales,Baja conductividad térmica, Alta conductividad eléctrica,Bajas temperaturas,Alto voltaje,

Termometría:

Rango:  300 mK  -  300 K

Sensibilidad

Efecto del campo magnético

www.lakeshore.com

What is a sensor?

Formal definition: “A device that receives and responds to a signal or stimulus” (American Heritage Dictionary of the English Language)

Informally, a sensor is a device that takes in information from the outside world. Based on the information, the sensor creates a signal on which a system can base a decision

A sensor, thus, has an input and an output

Usually, a sensor is tailored to a specific task

1.2 Medida de magnitudes físicas.Sensores y transductores: medir y aplicar voltajes y corrientes.Estimación de la magnitud de las señales de trabajo.

1.2 Medida de magnitudes físicas.Sensores y transductores: medir y aplicar voltajes y corrientes.Estimación de la magnitud de las señales de trabajo.

Observing the frequency of oscillation of a quartz crystal covered in a special plastic coating:

The coating absorbs certain chemicals

The added mass changes the frequency of the quartz crystal

www.nintendo.com/controller.jsp

NOISE, SHIELDING, AND SIGNAL PROCESSING FUNDAMENTALS

The resistance/temperature curve for a 100 W platinum RTD, commonly referred to as Pt100, is shown below:

Figure 1. Resistance-Temperature Curve for a 100 Ω Platinum RTD, a = 0.00385

For <0 °C RT = R0 [ 1 + aT + bT2 +cT3 (T - 100) ] (Equation 1)

For >0 °C RT = R0 [ 1 + aT + bT2 ]

Where RT = resistance at temperature TR0 = nominal resistancea, b, and c are constants used to scale the RTD

Termómetros

RTDsResistance temperature detectors (RTDs) operate on the principle of changes in electrical resistance of pure metals and are characterized by a linear positive change in resistance with temperature. Typical elements used for RTDs include nickel (Ni) and copper (Cu), but platinum (Pt) is by far the most common because of its wide temperature range, accuracy, and stability.

Un ejemplo de sensores

Thermistors

Thermistors (thermally sensitive resistors) are similar to RTDs in that they are electrical resistors whose resistance changes with temperature. Thermistors are manufactured from metal oxide semiconductor material which is encapsulated in a glass or epoxy bead.

Thermistors have a very high sensitivity, making them extremely responsive to changes in temperature. For example, a 2252 W thermistor has a sensitivity of -100 W/°C at room temperature. In comparison, a 100 W RTD has a sensitivity of 0.4 W/°C. Thermistors also have a low thermal mass that results in fast response times, but are limited by a small temperature range.

Thermistors have either a negative temperature coefficient (NTC) or a positive temperature coefficient (PTC). The first has a resistance which decreases with increasing temperature and the latter exhibits increased resistance with increasing temperature. Figure 2 shows a typical thermistor temperature curve compared to a typical 100 W RTD temperature curve:

Figure 2. Resistance vs. Temperature for a Typical Thermistor and RTD 

Ruthenium Oxide - Rox RTDs - Technical Specifications - Lake Shore Cryotronics, Inc.htm

Ruthenium Oxide - Rox RTDs - Product Overview - Lake Shore Cryotronics, Inc.htm

GR-200 Germanium RTDs

RTD and Thermistor Measurement and Signal Conditioning

Because RTDs and thermistors are resistive devices, you must supply them with an excitation current and then read the voltage across their terminals. If extra heat cannot be dissipated, I2R heating caused by the excitation current can raise the temperature of the sensing element above that of the ambient temperature. Self-heating will actually change the resistance of the RTD or thermistor, causing error in the measurement. The effects of self-heating can be minimized by supplying lower excitation current.

  Figure 3. Making a 2-Wire RTD/Thermistor Measurement 

A 3-wire or 4-wire connection method can eliminate the effects of lead wire resistance.

  Figure 4. Making a 4-Wire RTD Measurement 

2. Instrumentos científicos de medida y control 

2. Instrumentos científicos de medida y control  2.1 Características de los instrumentos científicos.

Aspectos generales: precisión, exactitud, calibración, velocidad, rango, versatilidad, especificidad.

Aspectos específicos de algunos instrumentos: fuentes de corriente y voltaje, multímetro, osciloscopio, amplificador lock-in, puente de capacidades, puente de resistencias, controlador de temperatura.

2.2 Sistemas experimentales en los laboratorios del Departamento:

Bajas Temperaturas. Nuevas Microscopías. Superficies.

Figure 2. Resistance vs. Temperature for a Typical Thermistor and RTD 

  Figure 4. Making a 4-Wire RTD Measurement 

GR-200 Germanium RTDs

Systems for Measuring Temperature with RTDs and Thermistors

SCXI-1121 SCXI-1122 SCXI-1102 w/ SCXI 1581

Number of inputs 4 16 (devices in series)8 (4-wire scanning mode)

32

Amplifier gains 1 to 2000 – jumper selectable

1 to 2000 – jumper selectable 1 or 100 – software selectable per channel

Filtering options 4 Hz or 10 kHz 4 Hz or 4 kHz – software programmable

2 Hz

Isolation 250 Vrms 480 Vrms N/A

Excitation Values 3.33 V, 10 V0.15 mA, 0.45 mA

3.33 V1 mA

100 µA

Recommended terminal block for RTDs/Thermistors

SCXI-1320 or SCXI-1322 SCXI-1322 SCXI-1300 or SCXI-1303

Table 1. SCXI Signal Conditioning Modules for RTDs and Thermistors

Figure 5. SCXI Signal Conditioning System 

Model 325 Cryogenic Temperature Controller

Features•Operates down to 1.2 K with appropriate sensors •Two sensor inputs •Supports diode, RTD, and thermocouple sensors •Sensor excitation current reversal eliminates thermal EMF errors in resistance sensors •Two autotuning control loops: 25 W and 2 W maximum •Control loop 2: variable DC voltage source from 0 to 10 V maximum •IEEE-488 and RS-232C interfaces 

Model 370 AC Resistance Bridge

Features•Resistance measurement ranges from 2 m to 2 M •21 excitation levels from 3.16 pA to 31.6 mA •Displays real-time sensor excitation power •One sensor input (16 with scanner) •PID temperature control •IEEE-488 and RS-232C interfaces, alarms, relays, and analog outputs •Unique noise-reduction elements:

• Patented current source preserves common mode noise rejection

• Optically isolated measurement electronics eliminates the potential for ground loops

Two 16-channel scanners:•Model 3716 scanner is optimized for low DC bias current •Model 3716L scanner is optimized for low noise

Lock-in amplifier

A lock-in amplifier (also known as a phase sensitive detector) is a type of amplifier that can extract a signal with a known carrier wave from extremely noisy environment (S/N ratio can be as low as -60 dB or even less). Lock-in amplifiers use mixing, through a frequency mixer, to convert the signal's phase and amplitude to a DC—actually a time-varying low-frequency—voltage signal.

A lock-in amplifier from StanfordResearch Systems

LIA-MVD-200-H

BNC Connectors for Input and Output Signals Rugged Aluminium Housing Dual Phase Detection with X, Y and Magnitude Output Working Frequency 50 Hz ... 120 kHz, Digital Phase Shifter 0 ... 360° Parameter Control by local Switches and opto-isolated digital Inputs Optional Reference Oscillator Module available

Multímetro digital

Analog inputs

Analog outputs