Programma SIEL week 4 SIEL week 4 Sensorprincipes Meettechnieken

Presentatie over: "Programma SIEL week 4 SIEL week 4 Sensorprincipes Meettechnieken"— Transcript van de presentatie:

1 Programma SIEL week 4 SIEL week 4 Sensorprincipes Meettechnieken
Optisch Mechanisch Thermisch Meettechnieken Fasegevoelige detectie Servo Verschilmetingen SIEL0405 week 4

2 Optische en stralingssensoren
Optische sensorprincipes Fotovoltaische cel Fotoweerstand Fotoelektrisch effect Toepassingen Kleursensoren Geometrische sensoren Fluorescensie/Luminescensie sensoren Magneto-optische sensoren Glasvezelsensoren CCD SIEL0405 week 4

3 Fotovoltaische cel Fig. 5.16b Geeft bij:
1e: kortsluitschakeling de kortsluitstroom Ik (lineair met verlichtingssterkte E) 2e: belasting met een weerstand de klemspanning Uu. Bij onbelaste uitgang is de open spanning: U0 evenredig met SIEL0405 week 4

4 Fotoweerstanden Gardner (2)
De karakteristieken zijn niet-lineair en temperatuurgevoelig. Reageert ook traag op kleine veranderingen. Daarom wordt dit type fotocel meer gebruikt voor schakeldoeleinden. SIEL0405 week 4

5 Schakeling met fotoweerstand
TU-Delft: Silicon Sensors De weerstandsverandering is meestal zo groot, dat het niet nodig is een wheatstone brug toe te passen. SIEL0405 week 4

6 Fotoelektrisch effect
Fotodiode/-transistor/-CMOS, PIN-diode Avalanche-diode, electron multipliers Toepassingen: Position Sensitive Devices (PSD) CCD/CMOS sensor-arrays en beeld-sensoren SIEL0405 week 4

7 Diverse typen fotodiodes
Gardner De p-n photodiode bestaat uit een of a p-n junction (b.v. Si) met een SiO2 coating om de donkerstroom te verminderen en de betrouwbaarheid te verbeteren. Een p-i-ndiode is gevoeliger en ruisvrij, en kan sneller schakelen door de lage eigen capaciteit. Voordelen t.o.v. fotoweerstanden: - gevoeliger - snellere respons-tijd - kleinere afmetingen - beter stabiel - uitstekende lineariteit Het Schottky-type is zeer snel, speciaal gebruikt voor lasers en switches voor communicatie doeleinden. Het avalanche type maakt gebruik van het avalanche-effect en is daardoor extreem gevoelig. SIEL0405 week 4

8 Karakteristieken fotodiode
Gardner Als de diode geschakeld wordt als een (zelfgenererende) spanningsbron, geldt karakteristiek a. Deze is logaritmisch. Wordt hij geschakeld als een (kortgesloten) stroombron m.b.v. een negatieve voorspanning, dan is de karakteristiek lineair. SIEL0405 week 4

9 Positiegevoelige fotodetector (PSD)
1-dimensionaal: Deze sensor berust op het zg. lateraal foto-elektrisch effect. Dit kan toegepast worden als zelfgenererende sensor of met gebruikmaking van een hulpspanning (reverse bias). Zie ook fig Dit type sensor is verkrijgbaar zowel voor 1- als 2-dimensies SIEL0405 week 4

10 Schakeling voor PSD Bij deze figuur is links het netwerkmodel en de aansluiting van de PSD met de aarde toegevoegd. Een analoge deler is een lastig instrument. Het verdient voorkeur om de deling na digitalisering in de software te doen. SIEL0405 week 4

11 Quadrant fotodioden 2. TU-Delft : Silicon Sensors
Quadrant photodiodes devices incorporate into their structure four photodetectors in a quadrant geometry. They are commercially available for applications in laser alignment and light positioning with typical accuracies in the order of 1 μm. They are also used as sun-position sensors to position satellites in a defined direction with respect to the sun SIEL0405 week 4

12 Optsche concentratiemeting
De brekingsindex van de vloeistof wordt o.a. bepaald door de concentratie van de opgeloste stof. De mate waarin licht wordt gespiegeld aan een grensvlak is een functie van de brekingsindex van de beide materialen aan weerszijden van het grensvlak. SIEL0405 week 4

13 Optische concentratiemeters
SIEL0405 week 4

14 CCD beeldsensor http://www.howstuffworks.com/question362.htm:
What is the difference between CCD and CMOS image sensors in a digital camera? SIEL0405 week 4

15 Uitlezing CCD De uitlezing van een CCD geschiedt hier door de lading die tijdens de belichting op de condensator is verschenen, door te schuiven naar de rand m.b.v. een schuivende potentiaalkuil (z.g. emmertjesgeheugen). Dit bereikt men met o.a. een 3-fasen klok. SIEL0405 week 4

16 CCD geometrie Als een mechanische sluiter wordt gebruikt, kan het volledige frame worden benut voor de belichting. In andere gevallen moet de belichting elektronisch worden gestopt, door de lading te verplaatsen naar het storage deel, dat is afgeschermd voor het licht. Vervolgens wordt de uitlees-fase gestart. Daardoor is de helft van het frame niet beschikbaar voor belichting. De store kan ook geplaatst zijn tussen de lijnen. Dit laatste werkt sneller. SIEL0405 week 4

17 Principe CMOS beeldsensor
Een pixel bestaat uit het lichtgevoelige oppervlak van een fotodiode. Hier heeft elke pixel zijn eigen versterker. Deze wordt door de uitleeslogica op de uitleeslijn geschakeld. Het beschikbare oppervlak kan dus niet voor 100% gebruikt worden voor de fotodetector. SIEL0405 week 4

18 Fotodiode array sensor met MOS uitleeslogica
Gardner Elke pixel bestaat uit een fotodiode, condensator en MOS schakellogica. Tijdens de belichting worden de condensatoren opgeladen door de fotostroom. Nadat de belichting is beeindigd wordt de lading op de condensatoren een voor een doorgeschakeld naar de uitgang. (self scanning). (S3900 lineaire NMOS image sensor) SIEL0405 week 4

19 Kleurfilter voor image sensor
Howstuffworks: Als een gewone image-sensor wordt voorzien van een dergelijk mozaiek-filter, worden de pixels verdeeld in rode, groene en blauwe pixels. De sensor is nu kleurgevoelig. Om het uiteindelijke beeld te reconstrueren, moeten voor elke kleurpixel in het uitgangsbeeld de R, G en B waarden worden berekend. Dit gebeurt door interpoleren. SIEL0405 week 4

20 Foveon en klassiek Foveon sensor: Why X3 is better
Deze sensor bevat voor elke pixel drie fotosensoren, in verschillende lagen. Tussen de lagen bevinden zich filters. Dit werkt analoog aan de huidige kleurenfilm. Deze sensor wordt toegepast in een Sigma digitale camera. Dit zou een fraaiere kleurweergave en betere resolutie tot gevolg hebben. SIEL0405 week 4

21 Color sensor with stacked pn-junctions
TU-Delft: Silicon Sensors De opbouw van een dergelijke sensor als de Foveon. SIEL0405 week 4

22 Stralengang in een optische vezel
Usher and keating: Sensors and transducers Een glasvezelkabel (Eng: optical fibre) geleidt licht d.m.v. totale reflectie. De optische weglengte voor een gegeven kabel hangt af van de afmetingen en van de brekingsindex van de materialen. Als deze veranderen door invloeden van buitenaf, verandert het aantal golven van intrede tot uittrede venster. Vergeleken met een referentiepad treedt dan dus een faseverschuiving op. Men spreekt van fase-modulatie. Op deze wijze kan een optische vezel gebruikt worden als een sensor voor b.v.: temperatuur, rek, e.v.a. SIEL0405 week 4

23 Onregelmatigheden in een optische vezel
Sabrie Soloman: Sensors Handbook Als er onregelmatigheden zijn in de optische vezel, zal dit leiden tot lichtverlies, hetgeen aan de uitgang gedetecteerd kan worden. Ook als er geen licht zijdelings uittreedt, maar anderszins de optische weglengte verandert door invloeden van buitenaf, kan dit worden gedetecteerd, bijvoorbeeld met een referentiebundel en een mixer. SIEL0405 week 4

24 Krachtsensor met optische vezel
Usher and Keating Een optische vezel als krachtsensor. Door de uitgeoefende kracht ontstaat er plaatselijk rek en buiging in de vezel. Dit zijn plaatsen waar de reflectie niet meer totaal is, maar een deel van het licht wordt gebroken en uit de vezel treedt. Dit betekent lichtverlies bij het uiteinde. SIEL0405 week 4

25 Magneto/elektro-optische effecten
Magneet- of elektrisch veld beinvloedt: Rotatie polarisatievlak, Dubbele breking: (Pockel- en Kerr-effect) Actuatoren: Modulator van laserlicht m.b.v. el. stroom Sensoren: Meten van grote stromen /spanningen Zie Het Sensorboek SIEL0405 week 4

26 Mechanische sensorprincipes
Mechanische sensoren Mechanische sensorprincipes Piezo-elektrisch Akoestisch-optisch effect Piezo-weerstand Potentiometer Capacitief SIEL0405 week 4

27 Potentiometrische sensor
v.d. Eijnde hoofdstuk 4. Een potentiometer bestaat in diverse vormen en uitvoeringen. Deze zet een verplaatsing (lineair of hoek-) om in een weerstandverandering. Met behulp van een voedingsspanning wordt zo een uitgangsspanning verkregen. Door het mechanisch contact vertoont een potentiometer op den duur slijtage. Een ander nadeel is de aanzienlijke wrijving. SIEL0405 week 4

28 Draadpotentiometer De draadpotentiometer heeft een beperkte resolutie. Hij wordt vooral gebruikt voor grotere vermogens. Andere uitvoeringen (conductive plastic) hebben dit nadeel niet. SIEL0405 week 4

29 Belasting van een potentiometer
Door de belasting is de karakteristiek van de potentiometer niet meer lineair. Eventueel kan men een spanningsvolger als bufferschakeling toepassen. SIEL0405 week 4

30 Principe rekstrook Rekstroken zijn gebaseerd op de verandering in elektrische weerstand, die ontstaat bij het rekken van een weerstandsdraad. Dit verschijnsel heet piezo-resistiviteit (PZR). De gevoeligheid wordt gage factor genoemd. Zie ook v.d. Eijnde 4.3. Let op: Men maakt onderscheid tussen piezo-resistiviteit (PZR) en piezo-electriciteit (PE of PZE). SIEL0405 week 4

31 Metaalfolie-rekstroken
a. Standaard rekstrook. Merk op dat bij de omkeerpunten de rekdraad veel dikker is. Daardoor wordt bereikt dat de gevoeligheid voor zijdelingse rek klein is. b. Hiermee wordt de rek in twee richtingen bepaald. c. Geschikt voor een cirkelvormig membraam (b.v. voor een druksensor). Bij doorbuiging van het membraam wordt met een dergelijk patroon wordt een min of meer lineaire weerstandsverandering verkregen. SIEL0405 week 4

32 Specificaties rekstroken
Het blijkt dat halfgeleider rekstroken, dus ook silicium, zeer gevoelig zijn, maar tevens niet-lineair en temperatuurgevoelig. Dergelijke sensoren op basis van silicium moeten dus zorgvuldig worden ontworpen. Denk aan differentiaalschakelingen (Wheatstone brug), nuldetectiemethoden in combinatie met een servo-systeem, resonantie-systemen. SIEL0405 week 4

33 Krachtsensor met rekstroken
Door de uitgeoefende kracht wordt de ring vervormd. In dit geval worden er 4 rekstroken gebruikt, en wordt de opstelling en de wheatstone brugschakeling zo symmetrisch mogelijk gemaakt. Hierdoor wordt goede compensatie verkregen van allerlei effecten, zoals temperatuur, scheve belasting. De gevoeligheid van het geheel is vrij eenvoudig te berekenen, zie v.d.Eijnde hoofdstuk 3. SIEL0405 week 4

34 Aanpassingen voor krachtsensoren
Voor een krachtsensor op basis van rekstroken is altijd een element nodig dat de kracht omzet in een vervorming. Dit zijn enkele voorbeelden. SIEL0405 week 4

35 Druksensor met membraan
v.d. Eijnde fig. 5.9 De doorbuiging van het membraan wordt gemeten b.v. met rekstroken (PZR) of capacitief. Met twee aansluitingen: drukverschilsensor (differential pressure sensor). Met een aansluiting, de andere ruimte vacuum: absolute druksensor (absolute pressure sensor) Met een aansluiting, de andere ruimte in contact met de buitenlucht overdruk sensor (gage pressure sensor) SIEL0405 week 4

36 Opbouw PZR druksensor SIEL0405 week 4

37 Druksensors (PZR en capacitief)
Gardner: Microsensors, MEMS and Smart Devices Micro druk sensors op basis van a. piezo-resistors b. capacitief. Zie ook: Het Sensorenboek fig. 9.10 Het membraan heeft een ruimte aan weerszijden. Aan een zijde wordt de druk uitgeoefend. Als de ruimte aan de andere zijde vacuum is, spreekt men van een absolute druk sensor. Als deze de omgevingsdruk is, spreekt men van een gage type druk sensor. SIEL0405 week 4

38 Accelerometers (capacitief en PZR)
Gardner (2) Een versnellignsopnemer bestaat in principe uit een (relatief zware) massa (seismische massa), die verend is opgehangen. De verplaatsing van de massa t.o.v. de behuizing kan worden gemeten door: a. Capacitief b. Piezoresistief (PZR): Meting van de rek in het buigend element met rekstrooktechniek SIEL0405 week 4

39 Capacitieve accelerometer
Madou: Microfabrication Een commercieel verkrijgbare versnellingsopnemer, gefabriceerd met oppervlakte-technieken. SIEL0405 week 4

40 Accelerometer on chip Madou: Microfabrication SIEL0405 week 4

41 Piezo-elektrisch element (PE)
Hier is sprake van het piezo-elektrisch effect (PE). Een sensor die hierop is gebaseerd is een zelfgenererende sensor. SIEL0405 week 4

42 Piezo-Elektrisch effect
Het PE-effect: Door uitoefenen van een kracht op het kristal ontstaat een vervorming op atomaire schaal, waardoor aan de beide zijden de ladingsverdeling verandert. Het element gedraagt zich dan als een condensator Cp met een lading Q. Stoffen met PE-effect: Kwarts, zinkoxide, Lithium niobaat, ……. Silicium vertoont GEEN PE-effect. Dat maakt integratie met elektronica minder eenvoudig. Dergelijke piezo-elementen kunnen ook kunstmatig worden gemaakt, door afkoeling van een bepaalde stof in een sterk elektrisch veld.Men spreekt dan van een ‘electreet’. Deze kunnen veel gevoeliger zijn dan de natuurlijke stof. SIEL0405 week 4

43 Aansluiting PZE-kristal
De lading zal na een tijdje weglekken. Vandaar dat het pe-kristal kan worden voorgesteld als een condensator Cp met een weerstand Rp. De waarde van Cp is klein, vandaar dat de capaciteit van de kabel en de ingangsimpedantie van de versterker een rol gaan spelen. SIEL0405 week 4

44 Stapresponsie PZE-sensor
Bij een blijvende vervorming verdwijnt de spanning na enige tijd. De sensor gedraagt zich dus enigszins als een differentiator (eigenlijk een z.g. “tamme” differentiator). Daardoor niet geschikt voor statische metingen, maar wel b.v. voor trillingsmetingen. SIEL0405 week 4

45 PE-sensor met ladingsversterker
In deze schakeling wordt in het ideale geval alle lading op het pe kristal overgedragen op de condensator Cu. De op-amp probeert de –input op hetzelfde niveau te brengen als de +input, m.a.w. voor het pe-kristal lijkt het alsof het is kortgesloten. Dus alle lading zal worden afgestaan. SIEL0405 week 4

46 Vervangingsschema De ladingsversterker moet voorzien worden van een grote weerstand Rt, die parallel wordt gezet met Cu. Deze is nodig om statische lading af te laten vloeien. Als het ingangssignaal constant is (een constante kracht op het pe-kristal) geeft dit een bepaalde lading, die in eerste instantie wordt doorgegeven aan Cu. Als deze lading is weggevloeid door het netwerk met Rt.Cu, wordt de spanning op Cu, en dus de ingangsspanning, weer nul. Statische en laagfrequente inputsignalen worden dus niet doorgegeven. Dit is ook te zien in het bodediagram. Door geschikte keuze van Rt en Cu probeert men het kantelpunt zover mogelijk naar lage frequenties op te schuiven. SIEL0405 week 4

47 PE-trillingsopnemer Uit: Elektro Data
Opbouw van een pe-trillingsopnemer SIEL0405 week 4

48 PZE acoustic sensor Uit: Madou.
Veel gebruikt zijn pe sensoren voor ultrasoon geluid. Door listige bouwwijze worden temperatuureffecten gereduceerd (zie fig.) Hetzelfde device (de US-microfoon) is dikwijls ook bruikbaar als actuator (US-luidspreker). In sommige toepassingen wordt dezelfde component afwisselend als actuator en als sensor gebruikt, bijvoorbeeld in de US afstandmeter van een Polaroid camera. SIEL0405 week 4

49 PZE-motoren Madou fig 09.08 Principe van een piezo-motor.
Schematic of commercially available Panasonic ultrasonic motor: an electrically induced mechanical deformation travels through a piezoelectric medium in the stator, moving the rotor body along through friction. Thin film PZT-motors: (Top): Linear motor – the PZT stator is patterned onto a silicon membrane. The stator can deflect more because the nitride membrane is thin; titanium and platinum form the ground electrode, and the linear gold stripes are the top electrodes. A carriage is deposited on the stator by hand. (Bottom): Rotary motor – identical to the linear motor except that the top electrodes are patterned in a circle. SIEL0405 week 4

50 SAW-device In micro-sensoren wordt het PZE-effect veel gebruikt om akoestische golven in een kristal op te wekken en (op een andere plaats) te detecteren. Het opwekken en detecteren gebeurt m.b.v. een stelsel interdigitale electroden. Men spreekt van Surface Acoustic Waves (SAW). Deze componenten blijken geschikt te zijn voor allerlei typen sensoren. SIEL0405 week 4

51 SAW micropomp Madou SIEL0405 week 4

52 SAW resonator Gardner [2]
Een SAW-device met terugkoppeling. Op deze manier kan men een resonantie bewerkstellingen, waarbij een geheel aantal golflengten past tussen de beide IDT’s (interdigitale transducer). Daarbij hoort een bepaalde frequentie. Als door de externe omstandigheid de voortplantingsnselheid van de golven verandert, past de frequentie zich automatisch aan. De frequentie kan zeer nauwkeurig digitaal worden uitgelezen met een elektronische counter. Op deze manier verkrijgt men zeer gevoelige sensoren. SIEL0405 week 4

53 Passieve SAW sensor met remote uitlezing
De aandrijfenergie voor de IDT van een SAW sensor kan contactloos worden toegevoerd m.b.v. radiofrequente zender/ontvanger. Door de gemeten grootheid ontstaat een golf met een iets veranderde frequentie, hetgeen leidt tot een FM-signaal, dat wordt gedetecteerd. Hiermee verkrijgt men z.g. passieve sensoren. Voorbeeld: druksensor in een autoband. SIEL0405 week 4

54 IDT met antenne Gardner [2]
De antenne kan mee worden geintegreerd en direct worden aangesloten op de IDT, zonder verdere elektronica. De antenne dient tegelijkertijd voor zenden en ontvangen. In de remote ontvanger ontstaat een FM-signaal, dat kan worden gedetecteerd. SIEL0405 week 4

55 RFID RFID- Identificatie met radiofrequente golven: Door een remote zender wordt een hoogfrequente puls uitgezonden naar het SAW-device. Dit heet een interrogation-pulse. De linker IDT zal een oppervlakte golf creëren in het piezo-electrische substraat. Deze loopt door de rechter IDT, die zodanig van opbouw is, dat op de elektrodes een bitpatroon ontstaat, dat via de antenne op afstand kan worden uitgelezen. In dit geval dus de code Intussen is men in staat om rfid’s te maken die enkele kilobytes aan informatie kunnen bevatten. SIEL0405 week 4

56 Thermokoppel Het referentiecontact wordt ook wel koude las genoemd. De beide aansluitpunten van de V-meter moeten wel dezelfde temperatuur hebben, anders ontstaat een meetfout. SIEL0405 week 4

57 Karakteristieken thermokoppels
Thermokoppels voor industriele doeleinden zijn gestandaardiseerd. Men kent o.a. type E, J, N, S. Merk op dat de karakteristieken niet lineair zijn. Voor nauwkeurig meten zijn ook weer uitgebreide tabellen beschikbaar. SIEL0405 week 4

58 Koudelascompensatie (1)
De temperatuur van de koude las wordt gemeten met een ander instrument. Dit wordt vertaald in een (fictieve) thermospanning; in dit geval door af te lezen in de grafiek. Deze spanning wordt opgeteld bij de gemeten spanning met het thermokoppel. Deze procedure kan ook automatisch worden uitgevoerd m.b.v. een speciale schakeling of in de software. SIEL0405 week 4

59 Koudelascompensatie (2)
De AD590 is een IC-temperatuursensor die 1 μA/K afgeeft. Deze wordt thermisch gekoppeld aan de koude las. Met deze compensatieschakeling wordt een spanning Uu0 verkregen, die wordt opgeteld bij het meetresultaat. SIEL0405 week 4

60 Thermozuil Een thermozuil is een serieschakeling van een (groot) aantal thermokoppels, en daardoor uiterst gevoelig. Wordt gebruikt om kleine temperatuurverschillen te meten. Eng: Thermopile. SIEL0405 week 4

61 Thermozuil op een chip Gardner (2)
Een micro-thermozuil, aangebracht op een n-type Si epilayer. Men kan thermozuilen fabriceren met wel duizenden thermo-elementen. SIEL0405 week 4

62 Omhulling van een thermokoppel
Voor praktische toepassing wordt een thermokoppel meestal gemonteerd in een omhulling (Eng: thermowell). Deze moet uiteraard goed warmtecontact maken met de las, maar meestal geen elektrisch contact. SIEL0405 week 4

63 Warmtefluxsensor Het meten van warmtestromen berust op het meten van een temperatuurverschil, dat ontstaat over een kleine warmteweerstand die in het warmtestroompad wordt aangebracht. Dit is analoog aan het meten van een elektrische stroom. Een thermozuil is bij uitstek geschikt voor het meten van kleine temperatuurverschillen. SIEL0405 week 4

64 Thermoweerstandsensoren (RTD)
De elektrische weerstand van metalen is afhankelijk van de temperatuur. Temperatuurgevoelige weerstanden worden wel aangeduid met RTD (Eng: Resistive Temperature Device). Het meest gebruikt zijn Pt-100, Pt-1000 weerstanden, met een weerstand van 100 resp Ohm bij 00C . De gevoeligheid is echter niet constant over het gehele bruikbare gebied. Hiervoor zijn uitgebreide tabellen bekend. Daarom wordt een compensatie toegepast. Dit kan in de vorm van een niet-lineaire meetversterker (met een spreciale RTD-ingang), of d.m.v. een lookup table met interpolatie in de software. NTC weerstanden zijn eigenlijk halfgeleiders van gesinterd materiaal. De gevoeligheid is groot, maar sterk niet-lineair. Er bestaan ook PTC-weerstanden. De weerstand daarvan stijgt sterk in een klein temperatuurgebied. De karakteristiek is sterk niet-lineair. Ze worden meestal gebruikt als schakelelement in een thermostaat.. SIEL0405 week 4

65 Schakelingen met RTD (1)
RTD’s worden dikwijls toegepast in een brugschakeling. De eigenlijke temperatuurgevoelige weerstand bevindt zich dikwijls op enige afstand van de meetschakeling, en wordt door lange kabels verbonden met de rest van de brug. Dit geeft een afwijking in de meting. Hiervoor kan worden gecorrigeerd door aanpassing van b.v. R2 maar dit moet voor elke kabellengte worden uitgezocht. Beter: 3-draads en 4-draads methode. SIEL0405 week 4

66 Schakelingen met RTD (2)
Deze methode is minder gevoelig voor de weerstand van de lange verbindingskabel. Dat komt omdat de 3e leiding uitsluitend gebruikt wordt voor spanningsmeting, dus nagenoeg stroomloos is. SIEL0405 week 4

67 Schakelingen met RTD (3)
Bij de vierdraadsmethode moeten twee metingen worden verricht: De stroom door de RTD en de spanning over de RTD. Door goede dimensionering van stroom- en spanningsmeting zijn deze erg nauwkeurig. Door deling moet dan de weerstand worden bepaald, en daaruit de temperatuur. Men kan ook een gestabiliseerde stroombron toepassen, waardoor de stroom niet meer behoeft te worden gemeten. SIEL0405 week 4

68 Andere thermische effecten
Pyro-elektrisch effect Thermojunction effect Silicon spreading resistance Zie Het Sensorenboek SIEL0405 week 4

69 Modulatie-demodulatie
v.d. Eijnde: Meettechniek en Meetsystemen. Moduleren betekent hier vermenigvuldiging van het signaal met een draaggolf. Dit kan een sinus of een blokgolf zijn met bekende frequentie en fase. De storing die na de modulatie in het signaal komt, is niet synchroon met de oscillatorfrequentie. De demodulator is zodanig opgebouwd, dat niet-synchrone signalen worden onderdrukt. (Zie fasegevoeldige detectie). SIEL0405 week 4

70 Signalen bij modulatie/demodulatie
Merk op dat de niet-synchrone storing wordt onderdrukt. Een tekenverandering in het meetsignaal betekent een fase-omkering in het gemoduleerde signaal. Deze fasesprong moet bij het demouleren worden gebruikt om de signaalwaarde als ‘negatief’te bestempelen. Dit gebeurt b.v. in de fasegevoelige detector. SIEL0405 week 4

71 Werking van een FGD Een fasegevoelige detector (FGD) kan worden opgevat alsof deze de absolute waarde neemt van het signaal, zolang het signaal in fase is met de draaggolf. Als het signaal in tegenfase is met de draaggolf, dan moet het negatief worden gerekend. De gewenste bewerking wordt in een FGD verkregen door een blokgolf te genereren tussen (+1 en -1), die synchroon is met de draaggolf, en het signaal daarmee te vermenigvuldigen. Een FGD wordt ook wel een synchrone detector genoemd. Engels: Phase Sensitive Detector (PSD) SIEL0405 week 4

72 Fasegevoelig detectie-systeem
Door de hoogfrequente modulatie ligt het meetsignaal in een vrij nauwe band rond de draaggolf-frequentie. Daardoor kan een bandfilter met dezelfde frequentie als de draaggolf worden gebruikt, om de meeste storing te onderdrukken. De FGD laat verder (in theorie) alleen signalen door die synchrooon verlopen met de draagolf. Door de demodulatie wordt ook de draaggolf onderdrukt. Het laatste restje daarvan wordt met een gewoon LDF nog verder verzwakt. SIEL0405 week 4

73 FGD met onjuiste fase De blokgolf die door de ontvanger wordt opgewekt moet synchroon zijn met de draaggolf van de zender, en tevens de juiste fase hebben. Anders wordt het signaal verzwakt. In geval van telecommunicatie wordt door de ontvanger een synchrone frequentie opgewekt, die afgeleid wordt uit het ontvangen signaal. Dit gebeurt met een regelsysteem, z.g. Phase Locked Loop (PLL). Deze wordt ook gebruikt voor het in resonantie brengen van een sensor. SIEL0405 week 4

74 Spanningsgestuurde oscillator (VCO)
Uit: Regtien: Instrumentele Elektronica De integrator ontvangt aan de ingang het ingangssignaal, hier aangeduid met Uref1. Hierdoor neemt de uitgang lineair toe. De Schmitt-trigger zal bij een bepaalde waarde omklappen, bepaald door Uref2. Via het stuurcircuit wordt de kortsluitschakelaar bediend, waardoor de uitgangsspanning van de integrator snel naar 0 gaat, en de cyclus opnieuw begint. Aan de uitgang van de integrator ontstaat zo een zaagtand u0, en aan de uitgang van de Schmitt-trigger krijg je een blokgolf us. Als Uref1 een variabele ingangsspanning is, ontstaat een Voltage Controlled Oscillator (VCO). De frequentie mede bepaald door de waarde van R en C. Als men hiervoor een sensor zou gebruiken, zoals een resistieve resp. een capacitieve sensor, verkrijgt men een frequentie, die direct afhangt van de meetwaarde van de sensor. Je hebt op deze manier dus een sensor, die als uitgangssignaal een frequentie heeft. Aangezien de informatie is gelegen in de frequentie, en niet in de precieze waarde van de golfvorm, krijg je hiermee een robuust signaal, dat storingsvrij is te transporteren en met een digitale counter zeer nauwkeurig is te meten. In de praktijk gebruikt men ook wel oscillatoren van andere gedaante, die zich b.v. beter lenen voor een verschilmeting (zie o.a. Universal Transducer Interface (UTI)). SIEL0405 week 4

75 Phase Locked Loop (PLL)
Invloed van buiten fin Faseverschil-detector fout Loop-filter VCO resonator regelaar proces Een PLL wordt gebruikt voor allerlei doeleinden in de meettechniek en elektronica. Het is een regelsysteem, dat als ingangswaarde heeft een signaal met frequentie fin. Het uitgangssignaal is een signaal met frequentie fout, die synchroon is met fin. Eventuele afwijkingen van de fase worden gemeten in de faseverschildetector, en via het loopfilter wordt de frequentie van de VCO bijgestuurd. Voor de VCO zijn diverse interessante mogelijkheden: a. Telecommunicatie: Voor ontvangst van signalen die gemoduleerd zijn op een draaggolf. De PLL zal locken op de draaggolf van het ingangssignaal. Het verkregen signaal fout is nu synchroon met de draaggolf, en men kan de draaggolf verwijderen m.b.v. een fasegevoelige detector. De resonator is in dit geval niet nodig. b. Motorsturing Een motor met incrementele encoder op de as. Een ingangsspanning op de motor resulteert in een toerental en dus een frequentie. Het systeem is dus op te vatten als een VCO. Met een dergelijke PLL kan men motoren synchroon laten lopen, of, met enige toevoegingen, in een vaste verhouding van de toerentallen. c. Resonantie-circuit Hiervoor is geen ingangssignaal nodig. Als de resonator uit fase raakt met de aandrijffrequentie, wordt deze laatste bijgestuurd. Voor sensoren is het interessant om een resonator te ontwerpen, die gevoelig is voor de te meten grootheid. Een verandering van de resonantiefrequentie stuurt de VCO bij, waardoor het geheel in resonantie blijft. De frequentie is weer te meten met een digitale counter. Een voorbeeld hiervan is een SAW-device, dat als resonator dienst doet. In de optica werkt men met frequenties van het licht. Een resonator kan b.v. zijn een optische fibre, of een bepaald traject waar het licht passeert. De optische weglengte, en dus de fase van het uittredende licht, is afhankelijk van de te meten grootheid, zoals verplaatsing, druk, rek, vochtigheid e.d. Een voorbeeld van een optische VCO is een laser, waarvan het licht hoogfrequent wordt gemoduleerd. Hierdoor ontstaat een afstembare laser, waarvan de lichtfrequentie, en dus de golflengte kan worden aangepast aan de eigenschappen van het meettraject. SIEL0405 week 4

76 Verschilmeting d.m.v. calibratie
Bij de verschilmeting wordt voortdurend een vergelijking gemaakt met een dummy sensor, of een nul-meting, o.i.d. Dit kan o.a. op de volgende manieren: Calibratie: Er is sprake van 1 sensor, waarmee telkens even een nul-meting wordt gedaan. Chopper: Er wordt voortdurend geschakeld tussen 0-meting en feitelijke meting. Er ontstaat zo een wisselspanning. Veel gebruikt in optische systemen. Dummy sensor: Er is sprake van een tweede sensor die zo goed mogelijk gelijk aan de meet-sensor (en b.v. ook thermisch gekoppeld). Men kijkt naar het verschil tussen de beide sensoren, met een verschilversterker o.i.d. SIEL0405 week 4

77 Samenvatting algemene sensortechnieken
Differentiaalmetingen: ongevoelig voor drift e.d. Symmetrie: compensatie van storingen e.d. Resonantie: Nauwkeurige, digitale output Servo (force balance): Gevoelige detectie in beperkt gebied mogelijk Oscillator met tijdbepaling door de sensor (R en C): digitale output. a. Differentiaalmetingen zijn veel minder gevoelig voor storingen, temperatuur e.d. Ook de lineariteit is vaak veel beter. b. Symmetrie t.a.v. de configuratie bij een verschilmeting. Hierdoor wordt de verschilmeting zuiverder, zodat alleen het gewenste effect wordt gemeten, en storingen e.d. geëlimineerd. c. Resonantie. Bij een goed ontwerp is de eigenfrequentie van een resonerend systeem afhankelijk van de te meten grootheid. Deze frequentie kan zeer nauwkeurig worden gemeten, en is dan als digitale meetwaarde beschikbaar. d. Servosysteem: De eigenlijke sensor wordt met behulp van een terugkoppeling weer naar de nulpositie gedreven. Daardoor behoeft de sensor zelf slechts kleine signalen te verwerken. Eventuele niet-lineariteiten spelen dan geen rol. e. Oscillator: Een oscillator is i.h.a. gebaseerd op een tijdbepalend element. Dat is dikwijls een RC-combinatie. Een resistieve of een capacitieve sensor kan in dit RC-circuit worden opgenomen. De verandering van R of C leidt dan tot een verandering van de oscillatiefrequentie. Deze kan weer nauwkeurig worden gemeten met een digitale teller. SIEL0405 week 4