Anturit ja mittausvahvistimet

Esitys aiheesta: "Anturit ja mittausvahvistimet"— Esityksen transkriptio:

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 20/09/2018 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet

2 Resistiiviset anturit
Resistiivisiä antureita NTC ja PTC termistorit Resistanssi mitataan jännitteellä, tai virralla siltakytkennässä tai jakajassa Petri Kärhä 20/09/2018 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet

3 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet
Termistorit Termistorin vastus muuttuu lämpötilan funktiona Optimoidaan tietyille lämpötila-alueille 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 20/09/2018 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet

4 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet
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 20/09/2018 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet

5 Wheatstonen sillan yhtälöt
Petri Kärhä 20/09/2018 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet

6 Wheatstonen silta tasasuurilla vastuksilla
Lineaarinen ulostulo, mikäli vastus ei muutu paljon (<5%) Lineaarisuutta ja lämpötilariippuvuutta voidaan parantaa käyttämällä useampia (+/-) antureita Petri Kärhä 20/09/2018 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet

7 Johdinresistanssien minimointi siltamittauksissa
Petri Kärhä 20/09/2018 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet

8 Siltäkytkentöjen herkkyys ja lineaarisuus
Petri Kärhä 20/09/2018 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet

9 Linearisointi operaatiovahvistimilla
Petri Kärhä 20/09/2018 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet

10 Pietsosähköiset anturit
Pietsosähköisen keraamisen aineen (esim. kvartsi) puristaminen polarisoi aineen, mikä näkyy varauksena Mittaus varausvahvistimella Käyttökohteet: voima, paine, kiihtyvyys Petri Kärhä 20/09/2018 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet

11 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet
Varausvahvistin Suuri-impedanssinen, suurivahvistuksinen, kapasitiivisella takaisinkykennällä varustettu erikoisvahvistin Ulostulo verrannollinen sisäänmenossa olevan varauksen suuruuteen Uout = -Qm / Cf Petri Kärhä 20/09/2018 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet

12 Venymäliuska-anturit
Venymäliuska-anturin resistanssi muuttuu venytyksessä Anturien sijoitus kuvan esittämällä tavalla linearisoi piirin ja vähentää lämpötilariippuvuutta Petri Kärhä 20/09/2018 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet

13 Venymäliuska-anturin mittauskytkentä
Petri Kärhä 20/09/2018 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet

14 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. siltakytkennällä tai varausvahvistimella Petri Kärhä 20/09/2018 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet

15 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet
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 20/09/2018 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet

16 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet
AC-sillat Samat periaatteet kuin DC-silloissa, mutta käytetään vaihtojännitteellä Induktansseina käytetään kapasitansseja, induktansseja, resistansseja ja näiden yhdistelmiä Petri Kärhä 20/09/2018 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet

17 Käytännön toteutuksia
Analog Devices ADXL50, 150, ja 250 kiihtyvyysanturit (accelerometer) Kapasitiivinen kaksoissensori luetaan kapasitiivisessa sillassa Valmiissa piirissä jännite ulostulo Petri Kärhä 20/09/2018 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet

18 Kapasitiivisen anturin mittaus varausvahvistimella
Mikäli kapasitiivisen anturin yli oleva jännite pidetään vakiona, näkyy kapasitanssin muutos varauksen muutoksena Petri Kärhä 20/09/2018 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet

19 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 V) mittausten ongelmia: Terminen kohina Termosähköiset jännitteet Magneettikentät Maasilmukat Petri Kärhä 20/09/2018 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet

20 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet
Terminen kohina Johnson noise 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 20/09/2018 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet

21 Termosähköiset jännitteet
Syntyy kun piirikortin eri alueet ovat eri lämpötiloissa, tai kun eri materiaaleja yhdistetään galvaanisesti toisiinsa Tina/kupari-liitos 3 V/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 20/09/2018 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet

22 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet
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 20/09/2018 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet

23 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 20/09/2018 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet

24 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 20/09/2018 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet

25 Virta-jännite-muunnin
Sisäänmenon impedanssi Zin=RF/A mutta gain=Eout/Iin=RF Matala Burden-voltage -> Kuormittaa anturia vähemmän kuin shunttimittari (Lineaarisuus) Pieni sisäänmenoimpedanssi -> nopea nousuaika Petri Kärhä 20/09/2018 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet

26 Virta-jännitemuuntimen käytännön toteutus
Fotodiodien ulostulon hajakapasitanssi on melko korkea (~10 pF) Peruskytkentä on hidas (aikavakio ~RF*CD) Alipäästösuodatin takaisinkytkennässä aiheuttaa epästabiiliutta Kompensoidaan kapasitiivisellä takaisinkytkennällä CF Petri Kärhä 20/09/2018 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet

27 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 20/09/2018 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet

28 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet
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 20/09/2018 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet

29 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet
Piezosähköinen ilmiö Tietyissä eristetyypeissä mekaaninen stressi aiheuttaa varauksia ja virtaa (keraamit, muovit) Saattaa aiheuttaa ongelmia esim. jos mittauspöydillä on hurisevia laitteita Petri Kärhä 20/09/2018 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet

30 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 20/09/2018 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet

31 Virheiden suuruusluokat virtamittauksissa
Petri Kärhä 20/09/2018 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet

32 Esimerkkejä Guardin käytöstä
Petri Kärhä 20/09/2018 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet

33 Irradianssi- ja valaistusvoimakkuus-mittaukset TKK/Mit laboratoriossa
Lamppujen spektrinen irradianssi tai valaistusvoimakkuus mitataan suodatinradiometrillä Suodatinradiometri koostuu fotodiodeista ja kapeakaistaisista optisista suodattimista Mitattavat virrat ultraviolettisäteilyn alueella nanoamppeerien suuruusluokkaa jo 0.5 m etäisyydellä Fotodiodien lineaarisuus edellyttää 0  kuormaa Petri Kärhä 20/09/2018 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet

34 Virtamittaus yleismittarilla
Valaistusvoimakkuusvertailussa 1994 Ruotsin SP:n kanssa, HUT:n mittaustuloksissa näkyy selkeä etäisyysriippuvuus Käytetyn fotometrin lineaarisuusmittaus virtamittarin eri asteikoilla selittää mittaustulokset täysin (Ai että harmitti!) Petri Kärhä 20/09/2018 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet

35 Linearisuus virta-jännitemuuntimella
Virta-jännitemuunnin pitää fotodiodin lineaarisella alueella lähes 1 mA virtoihin asti Petri Kärhä 20/09/2018 Luento 3: Anturit ja mittausvahvistimet