sensors ii - udgsilver.udg.edu/sip/arxius/sensors2.pdfsensoritzaciÓ i perifÈrics sensors i...

Universitat de Girona - ESCOLA POLITÈCNICA SUPERIOR Antoni Martorano i Gomis

SENSORITZACIÓ I PERIFÈRICS

SENSORS II



Sensors i condicionament del senyal

Transductor Condicionador del senyal

Visualització

Font d’alimentació

Magnitud a

mesurar

(Connectat elèctricament)


SENSORITZACIÓ I PERIFÈRICSSensors i condicionament del senyal

El transductor o sensor, converteix la magnitud que es desitja mesurar (magnitud mesurada, propietat o condició), en una sortida elèctrica utilitzable



El condicionador del senyal, converteix la sortida del transductor en una magnitud elèctrica adequada a les exigències del dispositiu de captura de dades o de visualització.



La font d’alimentació, proporciona la energia elèctrica per el condicionador del senyal, el dispositiu de captura o visualització, i per alguns dispositius transductors.



Hi ha una gran quantitat de tipus de transductors i son la clau de cadascun dels aparells de mesura, dispositius perifèrics, etc. que s’utilitzen. Existeixen una gran quantitat de magnituds a mesurar i per cada magnitud podem trobar diversos tipus de transductor



Els sistemes d’adquisició de senyals son la base dels sistemes de control

Dispositiu de control

Sistema controlat

sensorDisp. Regulador

Referència

Condicionador del senyal



Sensors i condicionament del senyal

Els metalls com a conductorsEn els conductors metàl·lics el flux de càrrega que circula per el conductor està associat directament al transport de electrons que son transferits d’un punt de major potencial elèctric a un de menor potencial. Al travessar un determinat material, el corrent d’electrons suporta una determinada resistència al moviment i, sorprenentment, cada material presenta una resistència diferenciada.



Altres conductorsHi ha elements i substàncies en els que els electrons s’hi mouen amb més dificultat que d’altres, i elements com el silici, germani, etc. en els que amb petites dosi d’impuresa es comporten com semiconductors.Aïllants i resistència elèctricaEls aïllants son elements que pràcticament no tenen electrons lliures.


SENSORITZACIÓ I PERIFÈRICSPrincipis de transducció

Sense excitació externa

- transducció electromagnètica.- piezoelèctric- fotovoltaic- termoelèctrica. (autogeneració activa).



Principis de transducció

Transducció capacitativa

– Element format per dos elèctrodes separats d’un dielèctric, tindrà una capacitat determinada, la magnitud actua ó canviant les propietats del dielèctric o la distància entre plaques.



Principis de transduccióTransducció capacitativa

C(m)dielèctric

magnitud

C(m)



Principis de transduccióElements de transducció inductiva

- Aquests elements, converteixen un canvi de la magnitud en un canvi de la autoinductància de una bobina.- Els canvis d’inductància poden ésser per canvis en el nucli o a la bobina.



Principis de transduccióElements de transducció reluctiva

- La magnitud produeix en l’element transductor un canvi de reluctància i això es tradueix en un canvi de tensió de corrent altern.




LVDT

demodulador

filtro

Amplificador deinstrumentación

-

+

D2

CR1

R2

Vsalida

+Vcc

-Vcc

Flechadel núcleo




Elements de transduccióelectromagnètica

- Converteixen un canvi de la magnitud a mesurar en una força electromotriu (tensió de sortida) induïda a un conductor degut a un canvi del flux magnètic. (moviment d’un imant...).




Elements de transducció del tipus piezoelèctric

- La magnitud (pressió, vibracions, etc..) provoca la generació de una tensió per part del dispositiu.




Elements de transducció resistiva

- La magnitud produeix en el sensor (per calor, estirament, humitat), Cel·les de càrrega, Galges extensiomètriques, ponts de Wheatstone, potenciometres.




⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

∆+

∆

=

RR

RR

Ee xo

214

⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

∆++

∆

=

RR

RR

RR

Exew

o

214

( )

⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

++∆+

−+∆

=

RRRR

RRRR

Eeww

ww

xo

214 21

21




a) Simple b) Con doble fuente

c) Doble fuente y ajustable d) Doble fuente y error de salida



Fuente Oscilador LVDT o Entradade poder RVDT (Desplaza-

miento)

Salida Amp Filtro Demodulador




Elements de transducció del tipus fotoconductor

- Basats en substàncies que varien la seva resistivitat depenent de la quantitat de llum que els hi arriba. (LDR)




Elements de transducció fotovoltaica

- Fotodíode- Cel·la fotoelèctrica




Elements de transducciótermoelèctrica

- Termoparell



Elements de transducció per ionització

- detectors Geiger- detectors de gas




- El disseny del sensor es prepara segons la magnitud a mesurar.

- Dispositius per mesurar mecànica de sòlids, fluids, acústiques, tèrmiques, òptiques, radiació nuclear, magnituds elèctriques i magnètiques, propietats i anàlisi químics, etc.




Sòlids- Mesura de :

- Desplaçament lineal.- Desplaçament angular.- Velocitat lineal.- Velocitat angular.- Acceleració lineal.- Acceleració angular.-Temps.




Sòlids: dtdxv /=

22

22

///

dtddtdadtdw

θα

θ

=

=

=




Sòlids, per obtenir dades de:- Acceleració i vibració.- Canvi d’orientació.- Desplaçament posició i moviment.- Força massa i pes.- Parell.- Velocitat.- Esforços i deformacions.



Principis de transduccióFluids:

- Densitat- Flux- Humitat- Nivell- pressió- Buit- Viscositat.



Sensors de nivell / pressió




Acústics:- Micròfons- Característiques- Nivell de so- Pressió del so- Sons submarins- Ultrasons.




Tèrmics:Mesura de temperatures

- Termoparells- Semiconductors- Detectors feix infraroig- Etc.



Òptics:

- Dispositius CCD- Fotodíodes- Fotoconductivitat



BINARIO GRAY BCD NATURAL

==================================================0000 0000 0000 00000001 0001 0000 00010010 0011 0000 00100011 0010 0000 00110100 0110 0000 01000101 0111 0000 01010110 0101 0000 01100111 0100 0000 01111000 1100 0000 10001001 1101 0000 10011010 1111 0001 00001011 1110 0001 00011100 1010 0001 00101101 1011 0001 00111110 1001 0001 01001111 1000 0001 0101===================================================



2 3 1

4 0

5 7

6 = una perforación (o material transparente)




Dispositius sensibles a la presència

- Barreres òptiques.- Solenoide amb ferrita- Sensors magnètics




Dispositius sensibles als camps magnètics

- Efecte Hall- Solenoide amb ferrita



Dispositius sensibles a la posició- Capacitatius - Inductius- Per Reluctància. - Potenciomètrics.- Cable vibrant. - Electroòptics.- Codificadors lineals - Interruptors- Codificadors angulars. - Interruptors- sensors de posició. - Radar- Galges extensiomètriques. - Sonar



Principis de transduccióDispositius sensibles a la velocitat

- Electromagnètics- Generadors tacomètrics- Tacòmetres electromagnètics- Electroòptics- De velocitat angular- Efecte Doppler (ultrasons i microones)- Mètodes indirectes



Principis de transduccióDispositius sensibles a l’acceleració

- Piezoelèctrics- Capacitatius- Potenciomètrics- Reluctància- Servo-aceleròmetres- Galges extensiomètriques- Cable vibrant- Giroscopi- Interruptors d’acceleració



Principis de transduccióLa sumatoria de fuerzas actuando sobre la masa sísmica:

0)()(2

2

=−+−

+ xykdt

xydcdt

ydm

Usando velocidad (dz/dt) y posición relativa z:

0)(2

2

=+++ kz

dtdzc

dtxzdm

La aceleración del plano de referencia por el movimiento de la carcasa es:

kzdtdzc

dtzdm

dtxdm ++=− 2

2

2

2



Principis de transduccióCircuit equivalent



Acceleròmetre rotatiu



Acceleròmetre capacitiu diferencial.



Acceleròmetre capacitiu diferencial.Capacitancia diferencial para cada sistema de placas paralelas:

hS

C roεε=

La separación de las placas en función de la aceleración a, yde la posición de aceleración cero ho:

kmahh o +=

Substituyendo en la ecuación de capacitancia diferencial:

kmah

SC

o

ro

+=

εε

La frecuencia de oscilación para el oscilador de corrimiento de fase:

RCf

π26

=

Finalmente la frecuencia en función de la aceleración quedaría:

aororo

o

ro

ffSRk

maSR

hSRk

mahf +=+=

+=

εεπεεπεεπ 26

26

2

)(6 0



Dispositius sensibles a la força.

- - Galges extensiomètriques.- - Piezoelèctrics.- - Capacitatius.- - Reluctància.- - Cable vibrant.



Dispositius sensibles a la força.Galgas extensiomètriques



Dispositius sensibles a la força.Galgas extensiomètriques :Corba d’ esforç mecànic σ vs ε

σ=εE



Dispositius sensibles a la força.Model de les galgas extensiomètriques

R =ρLA

δρδ δρ ρ δR A L L L A

A=

+ −( )2



Dispositius sensibles a la força.Concepte de galgas extensiomètriques

Figura 2.39: a) Galga activa, se elonga con el esfuerzo mecánicob) Galga pasiva, transversal a la fuerza de elongación

Figura 2.40: a) Galga pasiva, transversal a la fuerza de elongaciónb) Galga activa, se elonga con el esfuerzo mecánico



Dispositius sensibles a la força.Compensació de temperatura a les galgas extensiomètriques



Dispositius sensibles a la força.Compensació de temperatura a les galgas extensiomètriques (4 galgas activas)



Dispositius sensibles a la força.galgas extensiomètriques (llunyanes)

(a ) C o m p e n s a c ió n e n la z o s e x te rn o s a l a c o n d ic io n a m ie n to

(b ) C o m p e n s a c ió n e n la z o s in te rn o s a l a c o n d ic io n a m ie n to



Mesura de la distància.

- Potenciomètrics.- Indirectes (làser, ultrasons)




Mesura de la pressió.

- Resistius- Potenciomètrics- Reluctius- Galges extensiomètriques- Piezoelèctrics



Mesura de la temperatura

- Termoparells- Semiconductors



Principis de transduccióDispositius sensibles a la llum i

emissors de llum, Optoelectrònica.- Color - Fotovoltaica- Fotoconductiu - Unió fotoconductiva- Fotoemissiu - Foto-electromagnètic- Termoelèctric - Bolomètrica- Piroelèctric - Fotoelèctrica actuada

per pressió



Llaç d’Anderson

refgout VVV −=

( ) ( )refout RIRRIV −∆+=

( )RIVout ∆=



Monitorització de galgas amb el llaç d’Anderson



Sistema multipunt amb el llaç d’Anderson

MULTIPOINT STRAIN SENSING SYSTEM

MULTIPOINT TEMPERATURE SENSING SYSTEM OR

MSP430

DACSANALOG SUBTRACTOR

CONSTANTCURRENTSUPPLY

Vout1

Vout2

Vout3

Vout4

Vout5

Vout6

Vout7

Vout8

DISPLAY

MUX

DSP

I/O

+

-Vref

+

-

+

-Vg8

+

-

+

-Vg7

+

-

+

-Vg6

+

-

+

-Vg5

+

-

+

-Vg4

+

-

+

-Vg3

+

-

+

-Vg2

+

-

+

-Vg1

Rref

Rg5

Rg6

Rg7

Rg8

Rg1

Rg2

Rg3

Rg4



Condicionament del senyal

El condicionador del senyal es l’element que converteix el senyal que dona el transductor o sensor en un senyal utilitzable per el sistema de mesura.




Funcions del condicionador del senyal

- Amplificació- Conversió analògica-digital.- Conversió digital-analògica.- Mostreig del senyal.




Conversió analògica-digital.

- Flash.- Rampa.- Doble-rampa- Aproximacions successives.- Etc.




Conversió digital-analògica.

- Resistències ponderades.- Xarxes R-2R.




El decibel en tensió 20 x log (v1/v2)

El decibel en potencia 10 x log (p1/p2)

El decibel es una escala logarítmica de una relació de tensions o potències.




Decibel relació de potència10 log ()

0 1.001 1.262 1.583 2.004 2.515 3.166 3.987 5.018 6.319 7.94



Condicionament del senyalDecibel relació de potència

10 log ()10 10.0020 10030 100040 1000050 10000060 100000070 1000000080 10000000090 1000000000100 10000000000110 100000000000



Condicionament del senyalParàmetres de control

- Linealitat - Histèresi- Repetitivitat - Resolució.- Llindar - Sensibilitat- Marges de mesura - Telemetria- Modulació - Filtres


SENSORITZACIÓ I PERIFÈRICSCondicionament del senyal

Linealitat

La resposta d’un transductor es lineal en la mesura que la seva resposta s’ajusta a una línia recta especificada.


SENSORITZACIÓ I PERIFÈRICSCondicionament del senyalLinealitat




Histèresi

Es la diferència màxima en la lectura de la magnitud en un punt determinat quan es mesurat en el moment que la magnitud està creixent o quan estàdecreixent.




Repetitivitat

Ens indica l’habilitat del transductor de donar la mateixa lectura per un mateix valor de la magnitud.




ResolucióEn alguns transductors la lectura de la magnitud, tant en l'augment com en la disminució, es fa en forma de petits graons en la magnitud de sortida. La resolució es el valor del canvi mes petit que podem mesurar a la sortida.




Llindar

Es el canvi mes petit a la magnitud a mesurar per aconseguir un canvi a la sortida.




Sensibilitat

Es la relació en el canvi a la sortida amb el canvi del valor de la magnitud a mesurar, que estableix la corba de calibratge.



Marges de mesura

(característiques estàtiques i dinàmiques) a diverses freqüències.



Modulació

Es la utilització d’una freqüència elevada sobre la que es transporta informació.

Modulació A.M.Modulació F.M.Modulació P.M.Modulacions digitals.



Filtres.Elements que son capaços de deixar passar o aturar un determinat rang de freqüències.

Filtre passa baix.Filtre passa alt.Filtre passa banda.Filtre para banda.



Tipus de filtre.Filtres passius

MecànicsElèctrics (RLC)

Filtres actiusAmplificadors operacionals



FI

sensors ii - udgsilver.udg.edu/sip/arxius/sensors2.pdfsensoritzaciÓ i perifÈrics sensors i...

Documents