Bài giảng Các hệ thống Tin học công nghiệp - Chương 3: DAS data acquisition systems

Nội dung text: Bài giảng Các hệ thống Tin học công nghiệp - Chương 3: DAS data acquisition systems

1. 8/26/2012 Ch. 3 DAS DATA ACQUISITION SYSTEMS • DAS overview • Measurement, sensors, transducers • Conditioners, các bộ chuẩn hóa tín hiệu • MUX, S&H, ADCs • Microcontrollers and Data Processing • Database • Case studies: monitoring systems Ch3 - DAS 1 3.1. DAS Overview • Define: – Data Acquisition System: The system for acquiring data (status, metric information) from industrial processes (or environment) then update to database, one of importance part of a SCADA, DCS – The collection of sensors and communication links to sample or collect and then return data to a central location for further processing, display, or archiving. • Structure: next Ch3 - DAS 2 1
2. 8/26/2012 3.1. DAS Overview Ch3 - DAS 3 3.1. DAS Overview • Student’s define for structure: – Object: – Sensor: – Conditioner: WorkBench, LabView – MUX: – S&H: – ADC: – Embedded System – Computer Desktop: database and networking Ch3 - DAS 4 2
3. 8/26/2012 3.1. DAS Overview • Operate: – Process – Sensor – Conditioner – MUX – S&H and ADC – ES – Database system Ch3 - DAS 5 3.1. DAS Overview • Classification: – The number of data elements/points, – Distance/wide area – Rate of signal – Address of application and type of information: • Industrial fields: level, flow, temperature, pressure, in cement, paper, textile, steel mill, mechanical factories • Civil engineering: dams, bridges, underground/ under- water constructions, high building => constructions supervision system • Environmental supervision system Ch3 - DAS 6 3
4. 8/26/2012 3.1. DAS Overview • Transportation: Vehicles, ship, aero plane: velocity, accelerate, gasoline ratio, safety equipment, Navigation ; Traffic signals • Bio-medicine: Cardiograph, Monitoring, smart garden and growth • Defense: DGPS, • Entertainment: • Smart house: temperature, lighting, air conditioning (heating/ freezing), plant watering, auto-answering, smart cooking iBMS Ch3 - DAS 7 3.1. DAS Overview • Questions and Answers • Student’s examples Ch3 - DAS 8 4
5. 8/26/2012 3.2 Measurement • Sensor Defines: – Là thiết bị nhận các tín hiệu vật lý từ thế giới thật (nhiệt, ás, âm thanh, áp suất ), tạo ra các tín hiệu điện tương ứng. (A device that responds to a physical stimulus in real world (heat, light, sound, pressure, motion, flow, and so on), and produces a corresponding electrical signal) – Là một phần của thiết bị đo, nó đáp ứng trực tiếp ứng với sự thay đổi của môi trường (The part of a measuring instrument which responds directly to changes in the environment) • Transducers are ENERGY CONVERTERS or MODIFIERS – Là thiết bị thay đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác (A device for converting energy from one form to another) – For example, a thermocouple transduces heat energy into electrical energy • (Tuy nhiên trong thực tế thường hay coi là 1) Ch3 - DAS 9 3.2.1. Sensor characteristics • Transducers, sensors và phép đo • Calibration, interfering và thay đổi tín hiệu vào • Static sensor characteristics • Dynamic sensor characteristics Ch3 - DAS 10 5
6. 8/26/2012 Measurement: Ch3 - DAS 11 Measurements: • Mô hình đo lường đơn giản: – Giá trị quan sát được X đọc được từ đối tượng đo • X liên hệ với phép đo trong một số phương pháp đã biết (i.e., measuring mass) – Sensor phát ra tín hiệu thay đổi và được xử lý theo nhiều kiểu, truyền dẫn hoặc hiển thị – Trong ví dụ trên, tín hiệu đo được đưa qua bộ hiển thị và đưa đến thiết bị đo. • Phép đo (Measurement) – Là quá trình so sánh đại lượng chưa biết với giá trị chuẩn có cùng đơn vị (đo độ dài, khoảng cách) hoặc giá trị chuẩn của nhiều các đại lượng liên quan (đo vận tốc, gia tốc) Ch3 - DAS 12 6
7. 8/26/2012 Khắc độ (Calibration) • Là quan hệ giữa đại lượng đo vật lý (X) và giá trị tín hiệu (S) • Sensor hoặc thiết bị đo được khắc độ bởi việc thu thập các tín hiệu đã biết. Ch3 - DAS 13 Additional inputs • Nhiễu đầu vào (Y) – Nhiễu tác động vào sensor sẽ tạo ra sự xếp chồng tuyến tính với giá trị đo X – Xếp chống tuyến tính là: S(aX+bY)=aS(X)+bS(Y) • Modifying inputs (Z) – Là việc thay đổi hành vi của sensor => thay đổi đặc tính. – Ví dụ nhiệt độ là 1 tín hiệu vào thường thay đổi Ch3 - DAS 14 7
8. 8/26/2012 Sensor Characteristics • Đặc tính tĩnh: (Static characteristics) – Các thuộc tính của hệ thống sau các hiệu ứng quá độ sẽ ổn định với các đặc tính tĩnh: • Accuracy • Discrimination - độ phân biệt hay còn gọi độ phân ly • Precision • Errors • Drift • Sensitivity • Linearity • Hysteretic • Dynamic characteristics – The properties of the system transient response to an input • Zero order systems • First order systems • Second order systems Ch3 - DAS 15 Accuracy, discrimination and precision • Accuracy is the capacity of a measuring instrument to give RESULTS close to the TRUE VALUE of the measured quantity – Độ chính xác (accuracy) được xác định bằng độ lệch của 1 tập các phép đo so với giá trị thực – Độ chính xác/sai số được thể hiện giá trị tuyệt đối và tương đối ABSOLUTE ERROR = RESULT – TRUE VALUE RELATIVE ERROR = ABS ERROR/TRUE VALUE (%) • Resolution (Discrimination) is the minimal change of the input necessary to produce a detectable change at the output – Độ phân ly: DISCRIMINATION hay RESOLUTION – When the in/discrimination is from zero, it is called THRESHOLD (ngưỡng) Ch3 - DAS 16 8
9. 8/26/2012 Precision (độ lặp lại) • Là khả năng của thiết bị cho ra cùng 1 giá trị khi lặp lại phép đo cùng 1 đại lượng trong cùng 1 điều kiện: – Độ lặp lại được hiểu là sự nhất quán giữa các lần đo liên tiếp cùng 1 đại lượng, nó không nói lên giá trị đó gần với giá trị thực. – Precision là điều cần chứ không là điều kiển đủ để đánh giá độ chính xác • 2 thuật ngữ liên quan mật thiết đến precision – Repeatability: Độ lặp lại của 1 tập các phép đo trong 1 thời gian ngắn – Reproducibility: là độ lặp lại của 1 tập các phép đo nhưng: • được thực hiện trong khoảng thời gian dài, hoặc • do các người khác nhau thực hiện hoặc • dùng các dụng cụ đo khác nhau hoặc • trong các phòng thí nghiệm khác nhau Ch3 - DAS 17 Example • Phóng tiêu (DART) – Độ phân ly – Kích thước của vùng được tạo bởi phi tiêu – Which shooter is more accurate? – Which shooter is more precise? Ch3 - DAS 18 9
10. 8/26/2012 Accuracy and errors • Sai số hệ thống: (Systematic Errors) – Là nguyên nhân từ nhiều yếu tố khác nhau – Do các đại lượng khác can thiệp vào hoặc các sự biến đổi khác (i.e., temperature) – Trôi mạch điện tử, các kết cấu cơ, hóa (i.e., changes in chemical structure or mechanical stresses) – Quá trình đo làm thay đổi đối tượng đo. (i.e., loading errors, electro-mechanic Voltmeter) – Khi truyền dẫn làm thay đổi tín hiệu (i.e., suy giảm, méo) – Sai số chủ quan (i.e., quan sai: sai do mắt nhìn, quan niệm của mỗi người) – Sai số hệ hệ thống có thể được bù trừ bằng các phương pháp khác nhau (như phản hồi, lọc) Ch3 - DAS 19 Accuracy and errors: • Sai số ngẫu nhiên: – Còn được gọi là nhiễu: tín hiệu không chứa thông tin đo – Sai số ngẫu nhiên thực sự (ồn trắng - white noise) có phân bố Gauss – Nguồn nhiễu ngẫu nhiên: • Độ lặp lại của chính đối tượng đo (i.e., height of a rough surface) • Nhiễu môi trường (i.e., background noise picked by a microphone) • Nhiễu đường truyền (i.e., 60Hz) – Tỷ số tín hiệu/nhiễu nhỏ. Thường thì SNR phải >>1 – Khi biết đặc tính của tín hiệu thì có thể tách ra khỏi nền nhiễu với điều kiện SNR>>1 (i.e., understanding speech in a loud environment) Ch3 - DAS 20 10
11. 8/26/2012 Example: systematic and random errors Ch3 - DAS 21 Các đặc tính tĩnh khác: • Input range: – The maximum and minimum value of the physical variable that can be measured (i.e., -40F/100F in a thermometer) – Output range can be defined similarly • Độ nhạy (Sensitivity) – Độ dốc của đường đặc tính y=f(x) • 1 sensor lý tưởng sẽ có độ nhạy lớn và ổn định – Sai số liên quan đến độ nhạy: bão hòa và vùng chết • Độ tuyến tính: Linearity – Là sự gần đúng của đặc tính thực so với đường thẳng mẫu (i.e., đặc tính lý thuyết khớp với giá trị bình phương cực tiểu) • Tính đơn điệu (Monotonicity) – Đặc tính của sensor cần phải đơn điệu • Trễ của đặc tính: Hysteretic – Giá trị ra khác nhau khi giá trị vào giống nhau nhưng ở 2 chiều tăng và giảm (i.e., magnetization in ferromagnetic materials) • Backslash: hystheresis caused by looseness in a mechanical joint Ch3 - DAS 22 11
12. 8/26/2012 Dynamic characteristics • Đáp ứng của sensor khi đại lượng vào biến thiên khác với đại lượng vào ổn định • Là do có các phần tử kho năng lượng – Quán tính (Inertial): masses, inductances – Capacitances: electrical, thermal • Đặc tính động được xác định bởi việc phân tích các đáp ứng của sensor với một họ các đại lượng vào khác nhau về dạng sóng – Impulse, step, ramp, sinusoidal, white noise Ch3 - DAS 23 Các mô hình động (Dynamic models) • Đáp ứng động của sensor (typically) được coi như tuyến tính – Như vậy, có thể mô hình hóa bởi phương trình vp tuyến tính hệ số hằng - Thực tế, những mô hình này giới hạn về dạng ptvp zero, first and second order. Những mô hình cao hơn ít dùng. Ch3 - DAS 24 12
13. 8/26/2012 Dynamic models • Những mô hình động thường được phân tích theo biến đổi Laplace, biến đổi ptvp thành đa thức – Biểu diễn Laplace như 1 dạng mở rộng của Fourier transform • Phân tích Fourier được giới hạn cho sinus signals – x(t) = sin(ωt) = e-jωt • Phân tích Laplace cũng có thể được thực hiện theo kiểu hàm mũ – x(t) = e-σtsin(ωt) = e-(σ +jω)t Ch3 - DAS 25 Tham khảo: Laplace Transform (review) • The Laplace transform of a time signal y(t) is denoted by L[y(t)] = Y(s) – The s variable is a complex number s=σ+jω • The real component σ defines the real exponential behavior • The imaginary component defines the frequency of oscillatory behavior • The fundamental relationship is the one that concerns the transformation of differentiation Ch3 - DAS 26 13
14. 8/26/2012 Laplace Transform (review) • Other useful relationships are Ch3 - DAS 27 The Laplace Transform (review) • Applying the Laplace transform to the sensor model yields – G(s) is called the transfer function of the sensor • The position of the poles of G(s) -zeros of the denominator- in the s-plane determines the dynamic behavior of the sensor such as – Oscillating components – Exponential decays – Instability Ch3 - DAS 28 14
15. 8/26/2012 Pole location and dynamic behavior Ch3 - DAS 29 Zero-order sensors • Quan hệ giữa Input & output bởi phương trình dạng: – Zero-order là dạng đáp ứng mong muốn của sensor • Không trễ • Bandwidth không xác định • Sensor chỉ thay đổi biên độ tín hiệu vào – Zero-order systems: không chứa phần tử kho điện – Example of a zero-order sensor • A potentiometer used to measure linear and rotary displacements – Mô hình này không thích hợp với hệ đo dịch chuyển biến thiên nhanh Ch3 - DAS 30 15
16. 8/26/2012 First-order sensors • Quan hệ giữa Inputs & outputs bởi ptvp bậc nhất – First-order sensors chứa 1 phần tử kho điện và một phần tử tiêu tán – Đáp ứng bước nhảy: • y(t) = Ak(1-e-t/τ) – A biên độ của bước nhảy – k (=1/a0) là hs khuếch đại tĩnh, được xác định bởi đáp ứng tĩnh – τ (=a1/a0) là hằng số thời gian được xác định bởi đáp ứng động – Ramp response • y(t) = Akt - Akτu(t) + Akτe-t/τ – Frequency response • Thường được mô tả bởi biểu đồ biên-pha Ch3 - DAS 31 First-order sensor response Ch3 - DAS 32 16
17. 8/26/2012 Example of a first-order sensor • A mercury thermometer immersed into a fluid – What type of input was applied to the sensor? – Parameters • C: thermal capacitance of the mercury • R: thermal resistance of the glass to heat transfer • θF: temperature of the fluid • θ(t): temperature of the thermometer – The equivalent circuit is an RC network Ch3 - DAS 33 Example of a first-order sensor Ch3 - DAS 34 17
18. 8/26/2012 3.2.2. Nguyên lý sensor • Phân loại sensors • Sensors cơ • Sensors nhiệt • Sensors hóa Ch3 - DAS 35 Phân loại sensors: • Sensors được phân loại theo các cách sau: – Power supply requirements: Passive and active – Nature of the output signal: Digital and analog – Measurement operational mode: Deflection and null modes – Input/output dynamic relationships: Zero, first, second order, etc. – Measurand: Mechanical, thermal, magnetic, radiant, chemical – Physical measurement variable: Resistance, inductance, capacitance, etc. Ch3 - DAS 36 18
19. 8/26/2012 Passive and active sensors • Thụ động hay tự sinh (Passive or self-generating) – Đáp ứng là tín hiệu điện, phát trực tiếp khi có kích thích từ bên ngaòi, không cần nguồn điện cấp • Output signal power comes from the stimulus – Examples: • Thermocouple • Piezoelectric sensors • Chủ động hay điều chế (Active or modulating) – Các sensor này, khi hoạt động cần có nguồn cấp ngoài hoặc tín hiệu kích thích từ ngoài • Output signal power comes from the power supply – Examples: • Thermistors • Chemo-resistors Ch3 - DAS 37 Analog and digital sensors • Analog sensors: – Cho ra tín hiệu liên tục cả về biên độ và thời gian hoặc không gian – Hầu hết các đối tượng vật lý, theo tự nhiên, là tín hiệu analog. • Examples: Temperature, displacement, light intensity • Digital sensors: – Đưa ra dạng tín hiệu là rời rạc, các bước hoặc trạng thái 1/0 • Digital signals are more repeatable, reliable and easier to transmit – Examples: Shaft encoder, contact switch Ch3 - DAS 38 19
20. 8/26/2012 Operational modes • Chế độ so lệch (Deflection mode) – Sensor hay thiết bị đo tạo ra đáp ứng là độ lệch hay sự sai khác với giá trị ban đầu – Độ lệch tỷ lệ với đại lượng đo • Chế độ cân bằng (Null mode) – Sensor hoặc thiết bị đo tạo ra sự đối trọng với đối tượng đo • The influence and measurand are balanced (typically through feedback) until they are equal but opposite in value, yielding a null measurement – Null mode instrumentation can produce very accurate measurements, but are not as fast as deflection instruments Ch3 - DAS 39 Mechanical measurands • Displacement – Resistive sensors – Capacitive sensors – Inductive sensors • Force and acceleration – Strain gauges – Cantilever beam-based sensors Ch3 - DAS 40 20
21. 8/26/2012 Resistive displacement sensors • A resistance with a movable contact (a potentiometer) may be used to measure linear or rotational displacements – A known voltage is applied to the resistor ends – The contact is attached to the moving object of interest – The output voltage at the contact is proportional to the displacement • Notes – Non-linearities as a result of loading effects – Resolution due to limited number of turns per unit distance – Contact wear as a result of frictions Ch3 - DAS 41 Capacitive displacement sensors • The capacitance of a parallel plate capacitor is d is the separation between the plates, A is the area of the plates, ε0 is the permitivity of air and εr is the relative permitivity of the dielectric • A moving object is attached to the dielectric or the plates to generate capacitance changes Notes - Variable distance (d) sensors operate over a range of a few millimeters - Cross-sensitivity to temperature and humidity (specially if the dielectric is air) - Capacitive sensors are also commonly used to measure pressure “Condenser” microphones measure changes in air pressure of incoming sound waves Ch3 - DAS 42 21
22. 8/26/2012 Sensor đo dịch chuyển kiểu điện cảm • Biến áp vi sai biến đổi tuyến tính (Linear Variable Differential Transformer - LVDT) – Sự dịch chuyển của lõi từ làm thay đổi hỗ cảm của 2 cuôn thứ cấp (phụ thuộc vào sơ cấp) • Primary coil voltage: VSsin(ωt) • Secondary coil induced emf: V1=k1sin(ωt+ϕ) and V2=k2sin(ωt+ϕ) • Induced emf – electromotve force, suất điện động cảm ứng – k1 và k2 phụ thuộc vào sự lắp đặt vị trí giữa sơ và thứ cấp. – Khi lõi (core) nằm giữa, k1=k2 => VOUT=V1-V2 = 0 • Khi lõi dịch chuyển 1 lượng x, k1≠k2 => VOUT=(k1-k2)sin(ωt+ϕ) • Dịch lên hay xuống được xác định bởi pha của VOUT Ch3 - DAS 43 Inductive displacement sensors (cont) • LVDT Characteristics – Typical LVDTs run at 5V, 2kHz – LVDTs can measure from mm down to μm – Due to small variations in the windings, a small residual voltage appears at the output when the coil is in the central position • Advantages of the LVDT over other displacement sensors – No mechanical wear ensures a long life – Complete electrical isolation – DC versions with integrated oscillators are available Ch3 - DAS 44 22
23. 8/26/2012 Điện trở lực căng (Strain gauges) • Strain gauges thay đổi R khi lực căng thay đổi (piezo-resistive effect) – Strain is a fractional change (ΔL/L) in the dimensions of an object as a result of mechanical stress (force/area) – The resistance R of a strip of material of length L, cross-section A and resistivity ρ is R=ρL/A – Differentiating, the gauge factor G becomes Ch3 - DAS 45 Ch3 - DAS 46 23
24. 8/26/2012 Strain gauges • Cấu tạo và sử dụng: – Thường, strain gauges bao gồm lá kim loại (foil) hoặc dây wire được phủ bởi 2 lá cách điện (polyimide) – Gauge được dán vào vật bằng keo dán – Các đường dẫn dọc được sắp đặt theo chiều của lực căng. – Độ nhậy của sự biến dạng ngang có thể được bỏ qua. • Chú ý: – Nhiệt độ ảnh hưởng nhiều đến gauges bán dẫn • Để bù T, thường hay đặt thêm một “dummy” gauges có cùng hiệu ứng T nhưng không cho chịu lực, bù vi sai. – Sự thay đổi R là rất nhỏ • Strain gauges are almost invariable used in a Wheatstone bridge Ch3 - DAS 47 Force and acceleration sensors • Force sensors – The coupled-double-beam load cell • Dumb-bell cut-out provides areas of maximum strain for the gauges • Cantilever beam bends in an S-shape – This induces both compressive and tensile strains that can be easily measured in a bridge arrangement • Acceleration sensors – Spring-mass-damper accelerometer • Covered in the previous lecture – Cantilever-beam with strain gauges • A seismic mass is attached to the end of the cantilever – Dampening is usually performed with viscous fluids or permanent magnets Ch3 - DAS 48 24
25. 8/26/2012 Temperature sensors • Thermo resistive sensors – Resistive Temperature Devices (RTD) – Thermistors • Thermoelectric sensors – The Seebeck effect – The Peltier effect – Thermocouples • p-n junction sensors – Covered in the Lab Ch3 - DAS 49 Thermoresistive sensors Ch3 - DAS 50 25
26. 8/26/2012 Thermoelectric sensors • The Seebeck effect – When a pair of dissimilar metals are joined at one end, and there is a temperature difference between the joined ends and the open ends, thermal emf is generated, which can be measured in the open ends • The Peltier effect – When a current passes through the junction of two different conductors, heat can be either absorbed or released depending on the direction of current flow • Thermocouples – Based on the Seebeck effect – Open ends must be kept at a constant reference temperature TREF – A number of standard TCs are used • These are denominated with different letter codes: T, J, K, S, R – i e, type J (the most popular) is made of Iron and Constantan (Cu/Ni alloy: 57/43) Ch3 - DAS 51 Ch3 - DAS 52 26
27. 8/26/2012 Chemical sensors • Conductivity – Metal-oxides – Conducting polymers • Piezo-electric – Surface Acoustic Wave – Quartz Crystal Microbalance Ch3 - DAS 53 Conductivity sensors • Absorption of gases modifies the conductivity of sensing layer • Sensing layer types – Metal Oxide • Typically SnO2 doped with Pt or Pd • Operate a high temperatures (300-5000C) • Temperature-selectivity dependency • Broad selectivity – Particularly suitable for combustible gases – Conducting Polymers • Based on pyrrole, aniline or thiophene • Operate at room temperature • CPs vs MOXs – CP advantages • Large number of polymers available with various selectivities • Sensitivity* to wide number of VOCs • Low power consumption • Faster response and recovery times – CP Limitations • Cross-sensitivity* to humidity • Lower sensitivity* than MOXs *By sensitivity here we mean the ability to detect certain VOCs, not the slope of the calibration curve Ch3 - DAS 54 27
28. 8/26/2012 Piezo-electric chemical sensors • Piezo-electric effect – The generation of an electric charge by a crystalline material upon subjecting it to stress (or the opposite) • A typical piezo-electric material is Quartz (SiO2) – Piezo-electric sensors • Thin, rubbery polymer layer on a piezo-electric substrate • Sensing principle: mass and viscosity changes in the sensing membrane with sorption of VOCs • Surface Acoustic Wave (SAW) – AC signal (30-300MHz) applied to interdigitated input electrode generates a surface (Rayleigh) wave – Propagation delays to output electrode are affected by changes in the surface properties – Phase shifts of the output electrode signal are used as a response • Quartz Crystal Microbalance (QMB) – Also known as Bulk Acoustic Wave (BAW) devices – Device is operated in an oscillator circuit – Changes in the sensing membrane affect the resonant frequency (5-20MHz) of the device Ch3 - DAS 55 3.2.3. Sensor interface circuits • Review of circuit theory – Voltage, current and resistance – Capacitance and inductance – Complex number representations • Measurement of resistance – Voltage dividers – Wheatstone Bridge – Temperature compensation for strain gauges • AC bridges – Measurement of capacitance – Measurement of impedance Ch3 - DAS 56 28
29. 8/26/2012 Voltage, current, resistance and power • Voltage – The voltage between two points is the energy required to move a unit of positive charge from a lower to a higher potential. Voltage is measured in Volts (V) • Current – Current is the rate of electric charge through a point. The unit of measure is the Ampere or Amp (A) • Resistance – Given a piece of conducting material connected to a voltage difference V, which drives through it a current I, the resistance is defined as R= V/I • As you will recall, this is known as Ohm’s Law • An element whose resistance is constant for all values of V is called an ohmic resistor – Series and parallel resistors • Power – The power dissipated by a resistor is: P = VI = V2/R = I2R Ch3 - DAS 57 Kirchhoff’s Laws • 1st Law (for nodes) – The algebraic sum of the currents into any node of a circuit is zero • Or, the sum of the currents entering equals the sum of the currents leaving • Thus, elements in series have the same current flowing through them • 2nd Law (for loops) – The algebraic sum of voltages in a loop is zero • Thus, elements in parallel have the same voltage across them. Ch3 - DAS 58 29
30. 8/26/2012 Capacitors and inductors • A capacitor is an element capable of storing charge – The amount of charge is proportional to the voltage across the capacitor Q = CV, C is known as the capacitance (measured in Farads) – Taking derivatives: dQ/dt = d(CV)/dt => I = C dV/dt – Therefore, a capacitor is an element whose rate of voltage change is proportional to the current through it • Similarly, an inductor is an element whose rate of current change is proportional to the voltage applied across it – V = L dI/dt, L is called the inductance and is measured in Henrys Ch3 - DAS 59 Frequency analysis Ch3 - DAS 60 30
31. 8/26/2012 Voltages as complex numbers Ch3 - DAS 61 Impedance Ch3 - DAS 62 31
32. 8/26/2012 Example: High-pass filter Ch3 - DAS 63 Measurement circuits • Resistance measurements – Voltage divider (half-bridge) – Wheatstone bridge • A.C. bridges – Measurement of capacitance – Measurement of impedance Ch3 - DAS 64 32
33. 8/26/2012 Voltage divider Ch3 - DAS 65 Voltage divider Ch3 - DAS 66 33
34. 8/26/2012 Wheatstone bridge Ch3 - DAS 67 Wheatstone bridge Ch3 - DAS 68 34
35. 8/26/2012 Wheatstone bridge • What is the sensitivity of the Wheatstone bridge? • The sensitivity of the Wheatstone bridge is the same as that of a voltage divider • You can think of the Wheatstone bridge as a DC offset removal circuit • So what are the advantages, if any, of the Wheatstone bridge? Ch3 - DAS 69 Voltage divider vs. Wheatstone for small x • The figures below show the output of both circuits for small fractional resistance changes – The voltage divider has a large DC offset compared to the voltage swing, which makes the curves look “flat” (zero sensitivity) • Imagine measuring the height of a person standing on top of a tall building by running a large tape measure from the street – The sensitivity of both circuits is the same! • However, the Wheatstone bridge sensitivity can be boosted with a gain stage – Assuming that our DAQ hardware dynamic range is 0-5VDC, 0<x<0.01 and k=1, estimate the maximum gain that could be applied to each circuit Ch3 - DAS 70 35
36. 8/26/2012 Compensation in a Wheatstone bridge • Strain gauges are quite sensitive to temperature – A Wheatstone bridge and a dummy strain gauge may be used to compensate for this effect • The “active” gauge RA is subject to temperature (x) and strain (y) stimuli • The dummy gauge RD, placed near the “active”gauge, is only subject to temperature – The gauges are arranged according to the figures below – The effect of (1+y) on the right divider cancels out Ch3 - DAS 71 AC bridges • The structure of the Wheatstone bridge can be used to measure capacitive and inductive sensors – Resistance replaced by generalized impedance – DC bridge excitation replaced by an AC source • The balance condition becomes: Z1/Z4 = Z2/Z3 – which yields two equalities, for real and imaginary components R1R3 – X1X3 = R2R4 – X2X4 R1X3 + X1R3 = R2X4 + X2R4 • There is a large number of AC bridge arrangements – These are named after their respective developer Ch3 - DAS 72 36
37. 8/26/2012 AC bridges • Capacitance measurement – Schering bridge and Wien bridge • Inductance measurement – Hay bridge and Owen bridge Ch3 - DAS 73 3.3. Conditioning Circuits: • OPAMPs Ch3 - DAS 74 37
38. 8/26/2012 3.4. MUX và Sample & Hold: Ch3 - DAS 75 3.5. ADCs: Ch3 - DAS 76 38
39. 8/26/2012 3.6. : Hệ Vi xử lý – hệ nhúng Ch3 - DAS 77 39