anturit ja anturielektroniikka 2008h116.it.helsinki.fi/wp-content/uploads/2011/02/...petri kärhä...
TRANSCRIPT
![Page 1: Anturit ja anturielektroniikka 2008h116.it.helsinki.fi/wp-content/uploads/2011/02/...Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 3 Resistiiviset anturit • Resistiivisiä](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022042306/5ed1d401b5c4fe497926c417/html5/thumbnails/1.jpg)
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 1
Elektroniset mittaukset
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 2
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
![Page 2: Anturit ja anturielektroniikka 2008h116.it.helsinki.fi/wp-content/uploads/2011/02/...Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 3 Resistiiviset anturit • Resistiivisiä](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022042306/5ed1d401b5c4fe497926c417/html5/thumbnails/2.jpg)
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 3
Resistiiviset anturit
• Resistiivisiä antureita– NTC- ja PTC-termistorit
– Vastusanturit, esim. PT10, PT25, PT100 ja PT1000
– Venymäliuskat
– Potentiometrit
• Vaatii pienen ulkoisen herätteen (virta tai jännite)
• Jännitemittaus komponentin yli, siltakytkennässä, jakajassa, tai vakiovirralla
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 4
(Platina)Vastusanturit
• Perustuvat metallin resistanssin melko lineaariseen lämpötilariippuvuuteen:
– α = lämpötilakerroin, 0,385 % /°C (0,392 %/°C, USA) R0 = vastusreferenssilämpötilassa 0 °C
• Lisää tarkkuutta voi tarvittaessa hakea sovittamallakalibrointituloksiin Callendar-Van Dusenin yhtälön:– RT = R0[1 + A T + B T2 + (T − 100) C t3] , T = -200 – 0 °C
– RT = R0(1 + A T + B T2) , T = 0 – 661 °C• A = 3,9083 × 10-3 °C-1
• B = -5,775 × 10-7 °C-2
• C = -4,183 × 10-12 °C-3
[ ]TRRT α+= 10
![Page 3: Anturit ja anturielektroniikka 2008h116.it.helsinki.fi/wp-content/uploads/2011/02/...Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 3 Resistiiviset anturit • Resistiivisiä](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022042306/5ed1d401b5c4fe497926c417/html5/thumbnails/3.jpg)
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 5
Platinavastusanturit
• Tarkkoja verrattuna muihinlämpötila-antureihin
• Stabiileja (hyvin pieni ryömintä)
• Laaja käyttölämpötila-alue
• Soveltuu tarkkuusmittauksiin
PT100 mittapää 120 €
PT100 anturi 5 €
PT25 tarkkuusmittapääkalibrointilaboratorioille ~5000 €
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 6
Termistorit
• Termistorin vastus muuttuulämpötilan funktiona
• Optimoidaan tietyille lämpötila-alueille
• PTC-termistorin vastus kasvaalämpötilan kasvaessa
• NTC-termistorin vastuspienenee lämpötilan kasvaessa
• Mikäli mittausvirta on pieni, termistori mittaa ympäristönlämpötilaa. Liian suurimittausvirta lämmittää sensoria
![Page 4: Anturit ja anturielektroniikka 2008h116.it.helsinki.fi/wp-content/uploads/2011/02/...Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 3 Resistiiviset anturit • Resistiivisiä](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022042306/5ed1d401b5c4fe497926c417/html5/thumbnails/4.jpg)
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 7
Termistorit
• Halpa (~70 c – 5 €)
• Nopea (pieni massa)
• Epätarkka (toleranssit)
• Epästabiili
• Rajoitettu lämpötila-alue (-40 – 200 °C)
• Herkkä rikkoutumaan
• Ei sovellu tarkkuusmittauksiin
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 8
Venymäliuska-anturit
• Venymäliuska-anturin resistanssi muuttuu venytyksessä
• Anturien sijoitus kuvan esittämällä tavalla linearisoi piirin javähentää lämpötilariippuvuutta
![Page 5: Anturit ja anturielektroniikka 2008h116.it.helsinki.fi/wp-content/uploads/2011/02/...Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 3 Resistiiviset anturit • Resistiivisiä](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022042306/5ed1d401b5c4fe497926c417/html5/thumbnails/5.jpg)
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 9
Siltakytkentöjä resistiivisille antureille
• Vastusten muuttuminen saasillan epätasapainoon, mikänäkyy jännitteenä
• Differentiaalinen jännitevahvistetaaninstrumentointivahvistimella
• Takaisinkytkentä pitää sillanjatkuvasti tasapainossa syöttämällävirtaa sillan vasemmalle puolelle
• Virta muuntuu ulostulojännitteeksioparikytkennässä (virta-jännite-muunnin)
Lähde: Analog Bridge Wizard
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 10
Wheatstonen silta
• Sillan epäsymmetria aiheuttaajännitteen sillan yli
• Mitattava resistiivinen anturikytketään yhteen sillanhaaroista
• Jännite voidaan nollatasäätämällä sillan resistanssejatai sähköisellätakaisinkytkennällä
• Automaattisissa mittauksissaluetaan sillan yli oleva jänniteja lasketaan tästä sensorin arvo
![Page 6: Anturit ja anturielektroniikka 2008h116.it.helsinki.fi/wp-content/uploads/2011/02/...Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 3 Resistiiviset anturit • Resistiivisiä](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022042306/5ed1d401b5c4fe497926c417/html5/thumbnails/6.jpg)
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 11
Wheatstonen sillan yhtälöt
)(43
3
21
2eOOO RR
R
RR
RVVVV
+−
+=−= −+
Tasasuuruisilla vastuksilla
)4
( 4321eO R
RRRRVV
∆−∆+∆−∆≈
Jännitteenjaosta saadaan
• Lineaarinen ulostulo, mikäli vastus ei muutu paljon (<5%)• Lineaarisuutta ja lämpötilariippuvuutta voidaan parantaa käyttämällä
useampia (+/-) antureita
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 12
Siltäkytkentöjen herkkyys ja lineaarisuus
![Page 7: Anturit ja anturielektroniikka 2008h116.it.helsinki.fi/wp-content/uploads/2011/02/...Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 3 Resistiiviset anturit • Resistiivisiä](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022042306/5ed1d401b5c4fe497926c417/html5/thumbnails/7.jpg)
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 13
Linearisointi operaatiovahvistimilla
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 14
Johdinresistanssien minimointisiltamittauksissa
![Page 8: Anturit ja anturielektroniikka 2008h116.it.helsinki.fi/wp-content/uploads/2011/02/...Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 3 Resistiiviset anturit • Resistiivisiä](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022042306/5ed1d401b5c4fe497926c417/html5/thumbnails/8.jpg)
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 15
Johdinresistanssien minimointi neljällä karvalla
• Virtasyöttö on tunteeton johdinresistanssien muutoksille!
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 16
Muita kytkentöjä resistiivisille antureille
• Mikäli tulos viedään prosessorille, ei lineaarisuus ole ongelma(voidaan korjata softalla) -> puolisiltakin voi riittää (kuva)
• Vakiovirran syöttäminen anturiin antaa lineaarisen jänniteulostulon
![Page 9: Anturit ja anturielektroniikka 2008h116.it.helsinki.fi/wp-content/uploads/2011/02/...Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 3 Resistiiviset anturit • Resistiivisiä](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022042306/5ed1d401b5c4fe497926c417/html5/thumbnails/9.jpg)
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 17
Pietsosähköiset anturit
• Pietsosähköisen keraamisen aineen (esim. kvartsi) puristaminen polarisoi aineen, mikä näkyy varauksena
• Mittaus varausvahvistimella
• Käyttökohteet: voima, paine, kiihtyvyys
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 18
Varausvahvistin
Uout = -Qm / Cf
• Suuri-impedanssinen, suurivahvistuksinen, kapasitiivisellatakaisinkykennällävarustettuerikoisvahvistin
• Ulostulo verrannollinensisäänmenossa olevanvarauksen suuruuteen
![Page 10: Anturit ja anturielektroniikka 2008h116.it.helsinki.fi/wp-content/uploads/2011/02/...Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 3 Resistiiviset anturit • Resistiivisiä](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022042306/5ed1d401b5c4fe497926c417/html5/thumbnails/10.jpg)
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 19
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. siltakytkennällätai varausvahvistimella. Voidaan myös kytkeäoskillaattoriksi, jonka taajuus mitataan.
d
AKC 0ε=
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 20
Kiihtyvyysanturi
• Piipalkki taipuu kiihtyvyydenvaikutuksesta
• Palkin molemmin puolin on kapasitanssit, joista toinenkasvaa ja toinen pienenee
• Voidaan lukea esim. siltakytkennällä (kaksimuuttuvaa kapasitanssiaparantaa lineaarisuutta) tai varausvahvistimella
• Mittausalue 0.5 g - 500 g
• Suurkäyttäjä autoteollisuus
![Page 11: Anturit ja anturielektroniikka 2008h116.it.helsinki.fi/wp-content/uploads/2011/02/...Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 3 Resistiiviset anturit • Resistiivisiä](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022042306/5ed1d401b5c4fe497926c417/html5/thumbnails/11.jpg)
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 21
Kapasitiivisten anturien mittauselektroniikka
• Kapasitanssi voidaan kytkeä siten että se muuttaa esim.– Taajuutta
– Pulssisuhdetta (pulssin pituutta)
– Jännitteen jakoa (silta tai puolisilta)
• Esimerkkejä (vuoden 2006 kotitentti) :– Kapasitanssin mukaan säätyvä oskillaattori ja taajuus-
jännitemuunnin
– Kapasitanssi/jännite-muunnin
– Kapasitanssi/taajuus-muunnin
– Kapasitanssi/digitaali-muunnin
– SC-tekniikat (C:n impedanssi riippuu taajuudesta)
– Varausvahvistin
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 22
Oskillaattoreita
![Page 12: Anturit ja anturielektroniikka 2008h116.it.helsinki.fi/wp-content/uploads/2011/02/...Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 3 Resistiiviset anturit • Resistiivisiä](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022042306/5ed1d401b5c4fe497926c417/html5/thumbnails/12.jpg)
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 23
Taajuus/jännite-muuntimia
LM331, AD650, LM2907
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 24
AD7746 24-bit, 2 Channel Capacitance to Digital Converter
![Page 13: Anturit ja anturielektroniikka 2008h116.it.helsinki.fi/wp-content/uploads/2011/02/...Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 3 Resistiiviset anturit • Resistiivisiä](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022042306/5ed1d401b5c4fe497926c417/html5/thumbnails/13.jpg)
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 25
AC-sillat
• Samat periaatteet kuin DC-silloissa, mutta käytetäänvaihtojännitteellä
• Impedansseina käytetäänkapasitansseja, induktansseja, resistansseja ja näidenyhdistelmiä
C-
C+C
C
Ug~
Us
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 26
Kapasitiivisen anturin mittausvarausvahvistimella
• Mikäli kapasitiivisenanturin yli olevajännite pidetäänvakiona, näkyykapasitanssinmuutos varauksenmuutoksena
![Page 14: Anturit ja anturielektroniikka 2008h116.it.helsinki.fi/wp-content/uploads/2011/02/...Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 3 Resistiiviset anturit • Resistiivisiä](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022042306/5ed1d401b5c4fe497926c417/html5/thumbnails/14.jpg)
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 27
Jänniteantoiset anturit
• Useat detektorit ovat jännite-antoisia– Paineanturit
– Termoparit
• Tavallaan helpoin anturityyppi:– Signaali jo valmiiksi jännitemuodossa
– Vahvistus esim. Oparikytkennöillä tai differentiaalivahvistimilla
– Voi kytkeä myös suoraan A/D muuntimelle, mikrokontrollerille tai PC:n mittauskortille (mikäli taso riittää)
• Resistiivisten, kapasitiivisten, ja virta-antoisten antureidenmittaus vaatii usein pienten jännitteiden mittausta
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 28
Jänniteantoinen anturi: termopari
• Termopari– Toiminta perustuu Seebeck-ilmiöön
• Ilmiö: kahden eri johteen väliset liitokset aiheuttavat termojännitteen, mikäli niitä pidetään eri lämpötiloissa.
• Toista liitosta pidetään referenssilämpötilassa, esim. jäävesi
• Ilmiön keksi saksalainen fyysikko Thomas Seebeck v. 1821.
• Yleiskäyttöisin lämpötila-anturi
– Termojännitteen suuruusluokka n. 1-100 µV / °C.
![Page 15: Anturit ja anturielektroniikka 2008h116.it.helsinki.fi/wp-content/uploads/2011/02/...Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 3 Resistiiviset anturit • Resistiivisiä](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022042306/5ed1d401b5c4fe497926c417/html5/thumbnails/15.jpg)
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 29
Termopareja
Termojännite V riippuu liitosten lämpötilaerosta TJ1-Tref ja Seebeck-kertoimesta a : .)(
1 refJ TTV −=α
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 30
Termoparien ominaisuuksia
• Ei aivan niin tarkka, lineaarinen, stabiili kuin PT100, mutta melko hyvä
• (Halvempi kuin PT100)
• Pienikokoisempi ja nopeampikuin PT100
• Yltää korkeampiinlämpötiloihin kuin PT100 (jopa1800 °C)
K-tyypin termopari 12 €
K-tyypin mittapää 60 €T-tyypin termopariruuvikierteellä 40 €
![Page 16: Anturit ja anturielektroniikka 2008h116.it.helsinki.fi/wp-content/uploads/2011/02/...Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 3 Resistiiviset anturit • Resistiivisiä](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022042306/5ed1d401b5c4fe497926c417/html5/thumbnails/16.jpg)
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 31
Termoparien mittauskytkentöjä
Tarkoissa mittauksissareferenssiliitos pidetääntunnetussa lämpötilassa, esim. jäävedessä
Rutiinimittauksissa (esimprosesseissa) hyväksytäänsuurempi mittausepävarmuus. Referenssin lämpötila seuraaympäristön lämpötilaa. Virhekompensoidaan elektroniikalla.
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 32
AD594/AD595 termoparivahvistin
• Termopari tulee piirille kahdella karvalla
• Referenssiliitos muodostuu piirikortilla (kupari-konstantaani ja kupari-chromel)
• Piirin kotelo ja piirikortin kuparit pidetään samassa lämpötilassa (lämpökontaktiesim. piitahnalla)
• Kotelon sisällä oleva kompensointipiiri korjaa ympäristön lämpötilanvaikutuksen
![Page 17: Anturit ja anturielektroniikka 2008h116.it.helsinki.fi/wp-content/uploads/2011/02/...Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 3 Resistiiviset anturit • Resistiivisiä](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022042306/5ed1d401b5c4fe497926c417/html5/thumbnails/17.jpg)
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 33
LM35 Precision Centigrade Temperature Sensor
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 34
Pienten jännitteiden mittaus
• Pienten jännitteiden (<1 µV) mittausten ongelmia:– Terminen kohina
– Termosähköiset jännitteet
– Magneettikentät
– Maasilmukat
![Page 18: Anturit ja anturielektroniikka 2008h116.it.helsinki.fi/wp-content/uploads/2011/02/...Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 3 Resistiiviset anturit • Resistiivisiä](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022042306/5ed1d401b5c4fe497926c417/html5/thumbnails/18.jpg)
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 35
Terminen kohina
• Johnson noise
• Viimeisin rajoittava tekijä sähköisissä mittauksissa
• Voidaan minimoida– Alentamalla lämpötilaa
– Kaventamalla kohinakaistanleveyttä (hidastaa piiriä ja lisäämittausaikaa!) esim. keskiarvoistamalla
– Yleensä resistanssien pienentäminen ei toimi• Signaali pienenee tyypillisesti samassa suhteessa kuin kohina
• Virtamittauksissa jopa enemmän koska mitattava signaali pieneneesuhteessa resistanssiin, mutta kohina suhteessa sen neliöjuureen
• Kytkennät kuluttavat pienillä resistansseilla enemmän virtaa jalämpenevät
kTBRErms 4=
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 36
Termosähköiset jännitteet
• Syntyy kun piirikortin eri alueet ovat eri lämpötiloissa, tai kun eri materiaaleja yhdistetään galvaanisesti toisiinsa
• Tina/kupari-liitos 3 µV/°C• Useinmiten kumoutuvat, kun sähkö kulkee täyden ympyrän
• 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
• Krimppausliitokset (puristettu kupari-kupari)
![Page 19: Anturit ja anturielektroniikka 2008h116.it.helsinki.fi/wp-content/uploads/2011/02/...Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 3 Resistiiviset anturit • Resistiivisiä](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022042306/5ed1d401b5c4fe497926c417/html5/thumbnails/19.jpg)
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 37
Magneettikentät
• Magneettikentissä heiluvat johdot generoivat virtaa
• Maan magneettikenttä saattaa aiheuttaa nanovolttiensignaaleja– 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 samaanpisteeseen
• Digitaalisilla nanovolttimittareilla pystyy mittaamaan noin15 nV resoluutiolla
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 38
Pienten virtojen mittaus
• Useat detektorityypit ovat virta-antoisia– Fotodiodit
– Valomonistinputket
– Lämpötilasensorit
![Page 20: Anturit ja anturielektroniikka 2008h116.it.helsinki.fi/wp-content/uploads/2011/02/...Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 3 Resistiiviset anturit • Resistiivisiä](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022042306/5ed1d401b5c4fe497926c417/html5/thumbnails/20.jpg)
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 39
AD590 2-Terminal IC Temperature Transducer
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 40
Fotodiodit
• Yleisin valoanturi.
• Fotonit synnyttävät PN-rajapinnalla elektroni-aukkopareja, jotka havai-taan sähkövirtana.
• Aallonpituusalue riippuu band-gap energiasta (Si, Ge, GaP …)
E
Eghf
Ec
Ev
![Page 21: Anturit ja anturielektroniikka 2008h116.it.helsinki.fi/wp-content/uploads/2011/02/...Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 3 Resistiiviset anturit • Resistiivisiä](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022042306/5ed1d401b5c4fe497926c417/html5/thumbnails/21.jpg)
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 41
Fotodiodien kytkentä
• Tyypillisiä kytkentöjä
• Rajoituksia:– Herkkyys ~ 0.5 A/W
• Aallonpituusriippuva
– Vuotovirta
– Kapasitanssi
– Kohina
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 42
Shunttivastus-virtamittari
• Tavallisin tapa virran mittaukseenyleismittareissa
• Virran mittaus muutetaan jännitteenja resistanssin mittaukseksi
• Vastuksen mitoituksessahuomioitavaa:
– Suuri vastus helpottaa jännitteenmittausta
– Pienet vastukset ovat tarkempia jastabiilimpia (lämpötila, aika)
– Pienellä vastuksella nopeampi vasteja pienempi Burden-voltage
– Kohinassa optimoitavajännitemittarin ja vastuksen kohina
• Tyypillisesti 1-2 V jännitealue hyväkompromissi
![Page 22: Anturit ja anturielektroniikka 2008h116.it.helsinki.fi/wp-content/uploads/2011/02/...Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 3 Resistiiviset anturit • Resistiivisiä](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022042306/5ed1d401b5c4fe497926c417/html5/thumbnails/22.jpg)
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 43
Virta-jännite-muunnin
• Paras vaihtoehtofotodiodeille
• Sisäänmenon impedanssiZin=RF/A muttagain=Eout/Iin=RF
• Matala Burden-voltage -> Kuormittaa anturiavähemmän kuinshunttimittari(Lineaarisuus)
• Pienisisäänmenoimpedanssi -> nopea nousuaika
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 44
Virta-jännitemuuntimen käytännöntoteutus
• Fotodiodien ulostulonhajakapasitanssi on melkokorkea (~10 pF)– Peruskytkentä on hidas
(aikavakio ~RF*CD)
– Alipäästösuodatintakaisinkytkennässäaiheuttaa epästabiiliutta
• Kompensoidaankapasitiivisellätakaisinkytkennällä CF
![Page 23: Anturit ja anturielektroniikka 2008h116.it.helsinki.fi/wp-content/uploads/2011/02/...Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 3 Resistiiviset anturit • Resistiivisiä](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022042306/5ed1d401b5c4fe497926c417/html5/thumbnails/23.jpg)
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 45
Virta-jännite muuntimia
TDL Electrometer (current-to-voltage converter) Model 206
AMETEK Model 181Current Sensitive Preamplifier
Keithley Model 428-PROG Programmable Current Amplifier
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 46
Virranmittausvahvistin
![Page 24: Anturit ja anturielektroniikka 2008h116.it.helsinki.fi/wp-content/uploads/2011/02/...Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 3 Resistiiviset anturit • Resistiivisiä](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022042306/5ed1d401b5c4fe497926c417/html5/thumbnails/24.jpg)
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 47
Pienten virtojen mittaus
• Pienten virtojen (<100 nA) mittausten ongelmia– Kuormituksen aiheuttama epälineaarisuus
– Tribosähköinen ilmiö
– Piezosähköinen ilmiö
– Sähkökemiallinen ilmiö
– Eristeiden vuotovirrat (Guardin käyttö)
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 48
Tribosähköinen ilmiö
• Kitka generoi eristeen jajohteen rajapintaan varaustakaapelia taivutettaessa, mikänäkyy vuotovirtana.
• Riippuu kaapelityypistä. Pienille virroille on olemassaerityisiä vähäkitkaisiakoaksiaali- jatriaksiaalikaapeleita
• Kaapelit pidettävä mittauksissapaikallaan, tai vuotovirratmitattava kullekin lukemalleerikseen.
![Page 25: Anturit ja anturielektroniikka 2008h116.it.helsinki.fi/wp-content/uploads/2011/02/...Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 3 Resistiiviset anturit • Resistiivisiä](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022042306/5ed1d401b5c4fe497926c417/html5/thumbnails/25.jpg)
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 49
Piezosähköinen ilmiö
• Tietyissä eristetyypeissämekaaninen stressiaiheuttaa varauksia javirtaa (keraamit, muovit)
• Saattaa aiheuttaa ongelmiaesim. jos mittauspöydilläon hurisevia laitteita
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 50
Sähkökemialliset ilmiöt
• Kemialliset aineet voivataiheuttaa terminaalienväliin sähköpareja
• Likaiset epoksipiirilevytsaattavat aiheutta useidennanoamppeerienhäiriövirtoja
• Tarkoissa mittauksissapiirilevyt on puhdistettavaesim. etanolilla ennenkäyttöä
![Page 26: Anturit ja anturielektroniikka 2008h116.it.helsinki.fi/wp-content/uploads/2011/02/...Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 3 Resistiiviset anturit • Resistiivisiä](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022042306/5ed1d401b5c4fe497926c417/html5/thumbnails/26.jpg)
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 51
Virheiden suuruusluokatvirtamittauksissa
Petri Kärhä 28/01/2008 Anturit ja mittausvahvistimet 52
Esimerkkejä Guardin käytöstä