SENSORES E ACTUADORES

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1 SENSOES E ACTUADOES J..Azinhira Nov 2008 Bibliografia:, J.. Azinhira, 2002, IST-DEM (disponívl na página da UC m 'Matrial d Apoio' -> 'Bibliografia Complmntar')

2 ÍNDICE Cadia d Mdida Snsors do movimnto posição linar angular, proximidad, vlocidad aclração Grandzas mcânicas forças, binários, prssão, nívl Escoamntos caudais Tmpratura Cadia d actuação actuadors 2

3 Snsors a Actuadors Monitorização Controlo oprador cadia d actuação actuador indpndnt computador Procsso v isualização snsor indpndnt rgisto cadia d mdida Sistma fig. um procsso automatizado Cadia d mdida: informaçõs sobr o procsso Cadia d actuação: ordns d controlo 3

4 computador Cadia d Mdida Actuação Sguindo o Sinal Cadia d mdida: snsor + CS + aquisição Cadia d actuação: nrgia + CS + actuação snsor CS am ostragm A/D sinal prtndido sinal a mdir sinal sinal mdidocondicionado sinal am ostrado sinal digital mio físico (procsso) actuador CS D/A sinal d controlo fig. cadias d mdida d actuação 4

5 ÍNDICE Cadia d Mdida Snsors do movimnto posição linar angular, proximidad, vlocidad aclração Grandzas mcânicas forças, binários, prssão, nívl Escoamntos caudais Tmpratura Cadia d actuação actuadors 5

6 Intrumntação dfiniçõs rros Cadia d Mdida índic Condicionamnto d Sinal analógico Amplificador Opracional Circuitos d bas Filtros Aquisição sinal digital Exmplo 6

7 Instrumntação Dfiniçõs mdir : atribuir a uma grandza física um valor numérico x m usando uma scala adquada (unidad). o valor xacto (x ): forncido por um instrumnto idal. o rro : difrnça ntr valor mdido valor xacto : rro absoluto, na unidad da mdida: rro rlativo, gralmnt m prcntagm: abs xm x rl x rro (rlativo ao) fim-d-scala, m prcntagm: abs x f abs m x abs max gama d mdida : mínimo máximo mdívis. xactidão ou prcisão : majorant do rro absoluto/rlativo. a rsolução : mnor variação dtctada 7

8 Instrumntação Dfiniçõs a snsibilidad ou factor d scala : rlação ntr uma variação à ntrada variação da mdida. rptibilidad rproducibilidad : a msma mdição, nas msmas condiçõs fornc o msmo valor; outra mdição, com outro princípio, fornc o msmo valor; calibração : dtrminação xprimntal da rlação valor xacto-valor mdido vrificação da sua prcisão da sua fiabilidad > o valor xacto é dtrminado com o apoio d um instrumnto d prcisão suprior garantida. 8

9 Instrumntação rros rros alatórios sistmáticos alatórios: difrnts para cada mdição (statística) sistmáticos: rptm-s má utilização do snsor modlo rrado factors xtrnos não linaridad aqucimnto 0 b x a x 2 95% < x > (a) (b) fig. distribuiçõs gaussianas d rros alatórios rros státicos ou dinâmicos 9

10 mdida mdida mdida mdida mdida mdida Instrumntação rros sistmáticos típicos rro d zro (offst) rro d linaridad rro d snsibilidad (d ganho) curva ral (calibração) curva idal parâmtro a mdir (masurand) saturação parâmtro a mdir (masurand) histrs parâmtro a mdir (masurand) rsolução insuficint parâmtro a mdir (masurand) parâmtro a mdir (masurand) parâmtro a mdir (masurand) 0

11 objctivos: Condicionamnto do Sinal analógico corrcção do nívl (amplificar/atnuar) convrsão ntr grandzas (I/V, V/, F/V) opraçõs com sinais (soma/subtração) filtragm circuitos passivos componnts /L/C unicamnt circuitos activos: rcorrm também ao Amplificador opracional (AmpOp)

12 Condicionamnto d Sinal AmpOp Modlo do Amplificador Opracional símbolo o A o i A C o o Z o saturação font d tnsão AmpOp carga saturação linar Aproximaçõs do AmpOp idal (na zona linar): rsistência d ntrada infinita ganho muito lvado fig. o amplificador opracional i i 0 i A 2

13 Condicionamnto d Sinal Circuitos d bas com AmpOp Circuitos amplificadors: não invrsor invrsor sguidor o 2 o o A o A o A o fig. configuraçõs usuais com Amplificadors Opracionais o não invrsor tm ganho > o invrsor tm ganho <0 o sguidor prmit isolar a ntrada a saída (i=0) 3

14 4 Condicionamnto d Sinal Exmplo : amplificador não invrsor A 2 o i i i o o Com a aproximação do AmpOp idal:

15 Condicionamnto d Sinal Mais circuitos com AmpOp 2 A o 2 A o somador subtractor A o C A o invrsor drivador C A o r A o intgrador comparador 5

16 Condicionamnto d Sinal Circuitos não linars Fora da zona linar ou com componnt não linar 2 r A o comparador com histrs A o rctificador d onda complta 6

17 Condicionamnto d Sinal Amplificador d instrumntação É um subtrator com ganho lvado f A 2 cm 2 f2 A z A 2 o 2 o z 2 2 font amplificador fig. amplificador d instrumntação 7

18 Condicionamnto d Sinal sposta m frquência do AmpOp ganho (db) A -20 db/década G f o BW fig. largura d banda d um amplificador d tnsão 8

19 Condicionamnto d Sinal Valors típicos do AmpOp lvada impdância d ntrada Z i (tip ); rduzida impdância d saída Z o ; ganho lvado /ou ajustávl (tip. A0 6 ; G ); possívl ajust do zro (tip. ±00%); largura d banda (tip. GBW=0 6 ); CM db 9

20 Condicionamnto d Sinal Valors típicos do AmpOp alguns xmplos d AmpOps LM74 LF356 LM32 LM324 Vos mv = p - n para o =0 IB na = i p -i n para o =0 GBW 5 MHz CM db "slw rat" V/s = d o /dt máximo alimntação ±3..±22 ±5..±8 ±5..± Vdc consumo ma prço ap EU barato baixo IB baixo consumo alim. unipolar, 4 AmpOp's 20

21 Condicionamnto d Sinal Filtros Filtros passivos, componnts passivos LC. Filtros activos, com AmpOps com alimntação. Os filtros activos: são mais pqunos, lvs, baratos, sm bobinas, com impdâncias alta à ntrada baixa à saída, são ajustávis simpls; rqurm alimntação stabilizada, têm ruídos d baixa/alta frquência, saturam com amplituds lvadas, têm frquência limitada a uma banda d 0.Hz a MHz. 2

22 Condicionamnto d Sinal Filtros O objctivo do filtro é: atnuar o ruído = isolar a informação supõ qu têm frquências difrnts CS com Função d Transfrência H(f) H(f) H(f) H(f) f c f c f f 2 f f 2 passa-baixo passa-alto passa-banda corta-banda fig. filtros idais 22

23 Condicionamnto d Sinal filtros d primira ordm H(f) db -20 db/déc. H( s) s ganho f/f c frquência normalizada ou H( f) j f f c fas ( ) fig. filtro passa-baixo ral (d ª ordm) 23

24 Condicionamnto d Sinal Filtros d primira ordm passivo activo C passivo H(s) = + s C C o o activo / H(s) = + s C fig. filtros passa-baixo d ªordm C passivo o activo C o passivo H(s) = s C + s C activo / sc H(s) = + s C fig. filtros passa-alto d ªordm 24

25 Condicionamnto d Sinal Filtros d sgunda ordm H(f) db Bssl Buttrworth H(s) = s 2 n ns n ganho f/f c Tchbychv frquência normalizada H( f ) ou f f j f 2 f c c fas ( ) fig. filtros passa-baixo d 2ª ordm 25

26 Condicionamnto d Sinal Filtros d sgunda ordm o C C 2 C o C a b fig. filtros passa-baixo d 2ªordm C C a b o fig. filtro passa-alto d 2ªordm 26

27 Aquisição do Sinal x x rsolução multiplxagm amostragm/rtnção (sampl-and-hold) (discrtização no tmpo) convrsão analógico-digital (CAD) (discrtização na variávl) príodo d amostragm t 27

28 Aquisição do Sinal Convrsão A/D Esquma d CAD D/A sinal digital parallo -SDP V i rgisto d controlo lógica d controlo fig. aproximação itrativ a 2 N nmax Valor máximo à saída do CAD n Opração d um CAD 0 xmin xm grandza mdida xmax Valor máximo à ntrada do CAD min int 2 N m n x m x x xmax xmin 28

29 Aquisição do Sinal Convrsão A/D: alguns valors CAD CDA convrsors A/D (ADC) "Analog Dvics" AD573 AD578 AD377 AD770 AD70 tipo d convrsão itr. itr. itr. flash intgração rsolução bits tmpo d convrsão < (ms) s prcisão LSB 0.% <0.% LSB <0.00% offst LSB 0.% /2 LSB Z i 5k 5/0k M.9/3.8/7.5k V i unipolar 0 0/20 5/0/20 V V i bipolar ±5 ±5/±0 ±2.5/±5/±0 ± ±5 V alimntação ±5 ±5 ±5 V saída SDP SDP/SDS SDP SDP/SDS SDS tmpo d aqucimnto 0 min convrsors D/A (DAC) "Analog Dvics" AD557 AD56 AD662 AD569 tipo d saída tnsão tnsão corrnt tnsão rsolução bits tmpo d convrsão < <5 s prcisão < </2 < LSB alimntação ±5 ±5 ±5 V saída <2.4 ma V 29

30 Aquisição do Sinal Sinal Digital Sinal digital: codificado m N bits d 0 (sinal digital parallo séri) rlógio bits m séri numa só linha 0 0 T T T 0 0 parallo NZ-L BIPHASE-L 0 0 séri 0 0 fig. codificação séri -PCM 30

31 Aquisição do Sinal Exmplo d codificação digital a codificação TTL (transistor-to-transistor logic) é uma codificação m tnsão: 0V/5V: 0 0V ou < crca d 2.4 V 5V ou > crca d 3 V o sinal não dv star nunca ntr 2.4V 3V! 5V 0V "" "0" 3

32 Cadia d Mdida Conclusão A Cadia d Mdida dpnd da grandza mdida, do princípio físico utilizado plo snsor, da ordm d grandza O snsor pod sr: rsistivo: a rsistência varia com a grandza capacitivo: uma capacidad varia com a grandza indutivo: é uma indutância qu varia; sndo o objctivo lvar o sinal numa forma adquada até ao microprocssador 32

33 Enunciado: Exmplo d cálculo d cadia d mdida Considr qu um snsor fornc uma saída m tnsão qu varia ntr 0mV 50mV. Prtnd-s adquirir o sinal com um CAD com ntrada ntr 0V 0Vdc Dimnsion um CS para optimizar a litura. 33

34 Enunciado: Exmplo d cálculo d cadia d mdida Considr qu um snsor fornc uma saída m tnsão qu varia ntr 0mV 50mV. Prtnd-s adquirir o sinal com um CAD com ntrada ntr 0V 0Vdc Dimnsion um CS para optimizar a litura. Considramos um Diagrama d Blocos U n snsor CS CAD 34

35 Enunciado: Exmplo d cálculo d cadia d mdida Considr qu um snsor fornc uma saída m tnsão qu varia ntr 0mV 50mV. Prtnd-s adquirir o sinal com um CAD com ntrada ntr 0V 0Vdc Dimnsion um CS para optimizar a litura. Considramos um Diagrama d Blocos O CS trá uma opração linar da forma : U=A+B U n snsor CS CAD 0V V mv mv mv B 250 0mV 2.5V A 0.25 / V U 0V 0mV 50mV 35

36 Exmplo d cálculo d CM Implmntação m circuito Um xmplo d implmntação sria com: um amplificador não invrsor com ganho: 2/+=A um subtrator 2.5V U 2 36

37 ÍNDICE Cadia d Mdida Snsors do movimnto posição linar angular, proximidad, vlocidad aclração Grandzas mcânicas forças, binários, prssão, nívl Escoamntos caudais Tmpratura Cadia d actuação actuadors 37