4. PREOBRAZUVA^I NA MERNITE SIGNALItempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/MSMS predavanja... · 2010....
Transcript of 4. PREOBRAZUVA^I NA MERNITE SIGNALItempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/MSMS predavanja... · 2010....
Mikrosetila i merni sistemi-Predavawa Prof D-r Qup~o Arsov
4. PREOBRAZUVA^I NA MERNITE SIGNALI
4.1 OP[TO
Izleznite signali od preobrazuva~ite na mernite signali, bilo da se naponski ili strujni, moraat da gi zadovolat utvrdenite dogovori vo pogled na amplitudata i vremenskata promena. Ovie signali se analogni ili digitalni. Analogni se naj~esto naponite i struite koi se dobivaat od mernite preobrazuva~i. Izlezot na preobrazuva~ot na merni signali e naponski ili struen izvor, taka da izlezniot napon, odnosno struja, ne zavisat od optovaruvaweto. Isto taka preobrazuva~ na merni signali mo`e da bide izvor na vozdu{en pritisok, {to go upravuva vleznata veli~ina i e nezavisen od optovaruvaweto. Izleznite signali mo`at da bidat ednonaso~ni ili naizmeni~ni so kostantna frekvencija, a promenliva amplituda i faza.
Preobrazuvaweto na mernite signali vo analogen mod vklu~uva poja~uvawe, manipulacija, filtrirawe, modulacija/demodulacija i dinami~ka kompenzacija. Vo analogen mod vrednosta na informacijata e odredena so preciznata veli~ina na signalot.
Preobrazuvaweto na mernite signali vo digitalen mod, so pomo{ na digitalni smeta~i ili mikroprocesori e re~isi bez ograni~uvawe. Ovde signalot e vo binarni impulsi i preciznata vrednost na impulsot ne e bitna. Informacijata se dava samo so ON/OFF sostojbi i se dodeka tie mo`at da se identifikuvaat taa ne mo`e da se izgubi. Taka kako dodatna prednost na upotrebata na digitalni smeta~i za obrabotka na podatocite, digitalniot prenos im dava i visoka tolerancija za razni signali na {um. Prenosot so opti~ki vlakna e relativno nov, no ekstremno va`en za natamo{en razvoj na merno upravuva~kite sistemi.
Modernite merno upravuva~ki sistemi rabotat vo hibriden mod, koj e kombinacija na analogen i digitalen . Najpove}eto merni preobrazuva~i se analogni bidej}i, fizi~kite veli~ini se kontinualni funkcii. Ovie analogni signali se pretvoraat vo digitalni za ~uvawe i/ili obravotka vo kompjuter. Zaradi ra{irenata upotreba na digitalna oprema, digitalnite merni preobrazuva~i stanuvaat se popopularni. Za primena vo upravuva~kite sistemi digitalnite signali povtorno se pretvoraat vo analogni i se vodat vo izvr{nite organi.
Elementite koi se upotrebuvaat vo preobrazuva~ot na merni signali mora da bidat kompatibilni. Za analognata oprema glaven problem vo kompatibilnosta e slagaweto na impedansite za da se odbegne optovaruvawe ili za da se prenese maksimalna mo}nost. Kaj digitalnata oprema kompatibilnosta (interfacing) na opremata i softverot e mnogu pokompleksno pra{awe i treba da go re{avaat specijalisti.
Str.1
Mikrosetila i merni sistemi-Predavawa Prof D-r Qup~o Arsov
4.2 OPERACIONI POJA^UVA^I
Elektri~nite signali od analognite merni preobrazuva~i se naj~esto so nizok intenzitet i/ili mala mo}nost, zatoa tie se poja~uvaat pred ponatamo{nata obrabotka ili prenos. Operacionite poja~uva~i se koristat {iroko kako elementi za gradba na instrumenti. Na slika 15a prika`an e operacionen diferencijalen poja~uva~ so golemo poja~uvawe vo otvoreno kolo, za ednonaso~en re`im.
Slika 15 a) operacionen diferencijalen poja~uva~ vo otvoreno kolo;b) idealiziran operacionen zasiluva~
Vab
Vb
Va
Va
VbVo
Vo
a a
b
b
Va
Vab
AVab
Vb
Vo
( )
( )
+
a) b)
Poja~uva~ot obi~no se koristi vo zatvoreni kola, {to }e bide poka`ano podocna. Vlezot so invertirawe e ozna~en so (-), {to zna~i deka Va i V0 se so razli~ni znaci. Va i Vb mo`at da bidat pozitivni ili negativni. Karakteristikite na ideliziran operacionen poja~uva~ prika`an na slika 15b se
1. Simetri~ni vlezovi
2. Vlezni strui 0, odnosno impedansite na a i b vlezot se beskone~ni
3. Izlezna impedansa 0
4. Poja~uvaweto na Vab e beskone~no za site frekvencii
5. Kako e V0 = AVab, kade A = ∞ , a V0 e kone~en, sledi Vab = Vb - Va = 0 ⇒ Va = Vb.
Operacionen poja~uva~ e generalno vo forma na integrirano kolo (IC) Popularniot eftin tip 741 operacionen poja~uva~, se sostoi od 20 tranzistori. Ima izgled kako na slika 16.
Slika 16 operacionen poja~uva~ vo vid na ~ip (741)
1
82
73
64
5 V+ V ±15V≈Vo V ±10Vo max≈
NC
V-
Realnata karakteristika na operacionite zasiluva~i se dobiva od {emata na slika 17a koja pretstavuva linearen model
Str.2
Mikrosetila i merni sistemi-Predavawa Prof D-r Qup~o Arsov
Kade:
Zi - vlezna impedansa
Zcm - impedansa na modovite
Z0 - izlezna impedansa,
a izlezniot napon e V0 = AVd
Karakteristikata na poja~uvaweto e dadena na slika 17b.
Slika 17 Realen operacionen poja~uva~ - a) ekvivalentna {ema; b) karakteristika
Zi Vo
+Zo
AVd
Zcm
Vd
Zcm
a
b
A
102
102
10 104
106
1
104
106
Hz
otvoreno kolo
zatvoreno kolo
a) b)
Ednonaso~noto poja~uvawe e 106 i opa|a okolu 3dB na 10Hz.
Sprema toleranciite na izrabotuva~ot, vlezovite ne se idealno simetri~ni, {to zna~i ako e Vab = 0 sepak postoi vlez (VOS = 2mV), V0 mo`e da se dotera na nula so pomo{ na ednostavni nadvore{ni kola. Isto taka postojat mali vlezni strui koi se pribli`no ednakvi. Karakteristikite na operacioniot zasiluva~ 741 tip bi bile
Ednonaso~no poja~uvawe 2 x 105
Vlezna impedansa 2 MΩ
Izlezna impedansa 70 Ω
Napon na napojuvawe ± 15 V
Izlezna struja na kratok spoj 20 mA
CMMR 80 dB )( cmo
cm
VVV
od=
Osnovni kola
Op{to operacioniot poja~uva~ se koristi vo kola so zatvorena sprega kako na slika 18. Za vakov slu~aj zemaj}i I1 = If + Ia i Ia ≈ 0 se dobiva
V VZ
V VZf
a a1
1
0 0−
=−
+ , Va ≈ 0
VV
ZZ
f0
1 1= −
Str.3
Mikrosetila i merni sistemi-Predavawa Prof D-r Qup~o Arsov
Kako, nema ograni~uvawa za Z ova ja opi{uva op{tata prenosna funkcija.
Slika 18 Osnovno kolo na operacionen poja~uva~
Z1ViVo
I1
If
Zf
a
b
Integrator (slika 19a)
Ako se zeme f
f CjZ
ω1
= , a Z1 = R1
se dobiva: ∫−=⇒−= dttvRC
tvCRjV
V
ff
)(1)(110
11
0
ω
Slika 19 a) integrator; b) integrator so stabilizacija
R1V1Vo
Cf
R1V1Vo
Rf
Cf
a) b)
Golemiot otpor Rf se dodava zaradi stabilizacija (slika 19b), odnosno ovozmo`uva otekuvawe, taka da integratorot ne gi integrira malite vlezovi zaradi neramnote`a. Najmalata frekvencija na vlezot treba da e pogolema od:
ω =1
R Cf f
Diferenciator (slika 20a)
Ako se zeme Zj C1
1
1=
ω, Zf = Rf
se dobiva tdvdRCvRCj
VV
ff1
1011
0 −=⇒−= ω
Str.4
Mikrosetila i merni sistemi-Predavawa Prof D-r Qup~o Arsov
Slika 20 a) difrencijator; b) difrencijator so stabilizacija
Rf
V1Vo
C1
R1 C1V1Vo
Rf
Cf
a) b)
Zaradi visokofrekventnite {umovi koi mnogu bi se poja~ale na izlezot, se dodavaat mala kapacitivnost Cf i mal otpor R1 (slika 20 b)
Sobira~ Prika`an e na slika 21.
Slika 21 Sobira~
R2
R1I1
I2 IfV2
V1
Vo
Rf
Sli~no mo`e da se izvede integrira~ki ili diferencira~ki sobira~.
Neinvertira~ki poja~uva~ prika`an e na slika 22a.
Slika 22 a) neinvertira~ki poja~uva~; b) predzasiluva~
R1
Vi
Va
Vb
Vo
Rf
Vi
Vo
b
a
a) b)
kako e VR
VR R
a
f1
0
1=
+
se dobiva VV
RR R
a
f0
1
1=
+
Str.5
Mikrosetila i merni sistemi-Predavawa Prof D-r Qup~o Arsov
Za V V V VRR
Va b if
i≈ = ⇒ = +⎛
⎝⎜
⎞
⎠⎟0
11
Za R1→∞, Rf=0 ⇒ V0=Vi se dobiva element za sledewe na naponot ili predpoja~uva~ (slika 22b).
Vo instrumentacijata se koristat mnogu tipovi poja~uva~i. Mo`at da se nabavat kako kompletni edinici ili kako IC elementi.
Kako poja~uva~i na elektricitet (elektri~en polne`) se koristat so piezoelektri~nite merni preobrazuva~i. Modelot na piezoelektri~en preobrazuva~ e generator na elektri~en naboj q(t) paralelno vrzan so kondenzator Cd slika 23a.
Slika 23 Piezoelektri~en pretvoruva~ - a) model; b) ekvivalenten pretvoruva~
a) b)
g(t) Cd
+g(t) Cd CS Vin
+
preobrazuva~ kabel
Koga na piezoelektri~niot kristal se primeni mehani~ka deformacija se generira elektri~en naboj na povr{inata na kristalot. Za frekvencii pod rezonantnata, q(t) e proporcionalno na mehani~kata deformacija na kristalot. Izlezot od preobrazuva~ot se zema so kabelot, koj ima kapacitet Cs. Ekvivalentniot izvor kaj vlezot na poja~uva~ot na elektricitet e daden na slika 23b.
)(1 tqCC
Vsd
in ⋅+
=
Poja~uva~ot na elektri~en polne` pretstavuva eden integrator so operacionen poja~uva~ (slika 24).
Slika 24 Poja~uva~ na elektri~en polne`
C +Cd S Cf
Vi
Va
Vo
+
Str.6
Mikrosetila i merni sistemi-Predavawa Prof D-r Qup~o Arsov
)(1)(1
)(1
1
000 tq
CVVCC
CV
CCj
CjZZ
VV
finsd
f
sd
f
in
f
in
−==+−=⇒
+
−=−=
ω
ω
Taka izlezot od poja~uva~ot zavisi samo od Cf. Izlezot ne zavisi od kapacitivnosta na senzorot Cd ili od dol`inata na kabelot, nitu pak od nivnite promeni. Vo praksa treba da se vodi smetka deka osetlivosta na piezoelektri~niot senzor zavisi od temperaturata. Isto taka se vr{i stabilizacija na operacionite poja~uva~i so dodavawe golem otpor Rf paralelno so Cf.
Poja~uva~ za kapacitiven preobrazuva~ prika`an e na slika 25. Promenliviot kondenzator vo serija so otpornik R e napojuvan so ednonaso~en napon V.
Slika 25 Poja~uva~ za kapacitiven preobrazuva~
C R Cf
VVa
Vo
Ako vleznata struja se zanemari toga{ q=CV i q=Cf V0; dq=VdC + CdV i dq=Cf dV0
Za dV=0 se dobiva: dV VC
dcf
0 =
Aktivni filtri pretstavuvaat kombinacija na R, C elementi i poja~uva~i. Op{tata {ema prika`ana na slika 26 mo`e da se koristi za simulirawe na prenosnata funkcija na filter.
Slika 26 Op{ta {ema na aktiven filter
Vi Vo
B
A
Prika`aniot integrator pretstavuva eden vid niskopropusen filter. Dodeka diferenciatorot pretstavuva visokopropusen filter. Sli~ni se niskopropusniot filter na slika 27a, a i visokopropusniot filter na slika 27b.
Str.7
Mikrosetila i merni sistemi-Predavawa Prof D-r Qup~o Arsov
Slika 27 a) niskopropusen filter; b) visokopropusen filter
Vi VoVi Vo
a) b)
Mostovi
Vinstonov most za diferencijalni merewa e prika`an na slika 28a.
Ako se zeme R1= R2= R3= R4= R i ako mostot e po~etno balansiran, za mali promeni od ramnote`nite uslovi se dobiva:
)4)(konst.( 3210 RRRR
VV
i
Δ−Δ−Δ+Δ= .
Vako izlezen signal se dobiva samo pod uslov promenite da se mali.
Slika 28 a) Vinstonov most; b) aktiven Vinstonov most
a) b)
Vi
Vo Vref
Vo
Vo1
Vo2
R1
R2
Rref
Rref
R4
R3
Namesto ovoj most mo`e da se koristi koloto na slika 28b. Izlezite na poja~uva~ite se V01 i V02. Izlezot V0=V01-V02 mo`e da se meri so diferencijalen poja~uva~ ako se bara izlez so eden kraj. Glavna prednost na koloto e {to ne e ograni~eno na mali promeni na otpornosta i e linearna za neramnote`ni uslovi. Otpornostite R kaj koloto na operacionite poja~uva~i se relativno povisoki od onie za normalni primeni na otpornite lenti. Mo`e lesno da se poka`e deka izlezot V0=V01-V02 e:
)(13241
0 RRRRRV
V
refref
−−+=
Str.8
Mikrosetila i merni sistemi-Predavawa Prof D-r Qup~o Arsov
Merewe na napon i struja
Kolata so operacioni poja~uva~i mo`at da se koristat za da se popravi to~nosta kaj multimetrite za napon i struja. Vleznata otpornost Ri na voltmetar mo`e da se zgolemi za nekolku reda na golemina so pomo{ na operacionen poja~uva~ za sledewe na naponot.
Za merewe ednonaso~ni ili preodni naponi signalot mo`e da se zema od izlezot na elementot za sledewe.
Za merewe naizmeni~ni naponi so multimer, se vr{i ispravawe taka da multimerot ot~ituva sredna vrednost (slika 29a).Lo{a strana e {to, (1) diodite ne se idealni i (2) vleznata otpornost na mera~ot e relativno niska. Mo`e da se koristi {emata so operacionen poja~uva~ (slika 29b)., kade se koristi mosten ispravuva~ i operacionen zasiluva~, koj idealno gi napojuva diodite, a vleznata otpornost e ekstremno golema.
Slika 29 Merewe na naizmeni~ni naponi a) so dioden ispravuva~; b) so idealen naso~uva~
a) b)
Va-c
Rs
Rsm
Ra-c
Rm
Vleznata otpornost Ri na eden idealen ammetar e nula, no koloto prika`ano na slika 30a mo`e da ne zadovoluva, osobeno za merewe slabi strui kako na primer od fotonaponski element. Osetliv “ammetar” e strujno naponskiot konvertor prika`an na slika 30b.
Optovaruvaweto e minimalno bidej}i energijata za vodewe na izlezot ja dava operacioniot poja~uva~, namesto strujniot izvor. Padot na naponot po “ammetarot” e od redot na 1mV bidej}i a e virtuelna masa. To~nosta na mereweto se poprava za red na golemina.
Slika 30 a) ommetar; b) strujno naponski konvertor
a) b)
Ro
Veg
Rm
+
i if
Veg
Vo+ a
b
Str.9
Mikrosetila i merni sistemi-Predavawa Prof D-r Qup~o Arsov
4.3 POVRZUVAWE NA PASIVNI SETILA Ima razli~ni tipovi pasivni setila kaj koi tipi~no mernata veli~ina mo`e da predizvikuva promena na otpornosta, kapacitivnosta ili induktivnosta . 2.1.1 Otporni~ki setila Ima mnogu tipovi na setila kaj koi za merewe se koristat promeni vo nivnata elektri~na otpornost (magnetni ili hemiski otpornici, termistori itn). Vo slu~aj na linearno otporni~ko setilo, izleznata otpornost Rx mo`e da bide izrazena vo zavisnost na osnovnata otpornost Ro (koga merniot signal e 0) i negovata promena so vrednost X, prika`ano so izrazot (1): R =R (1+X) (1) x o
X idealno zema vrednost od 0 do -1, taka {to izlezot od setiloto prima celosen otporni~ki opseg so otpornost koja pa|a na nula koga vlezniot signal e na maksimum. Vo praktikata linearnite potenciometri vo pozicija na setila pokrivaat idealen opseg od 0 do -1. Taka {to izrabotkata na koloto za povrzuvawe zavisi od o~ekuvaniot opseg na X. Koga imame golemi promeni na otpornosta ednostaven most ili delitel mo`e da bide iskoristen za procesirawe na signalot od setilata.
Sl. 2 Delitelsko kolo (koga x e golemo) Na sl. 2 e prika`an ednostaven potenciometar kade standarden referenten otpornik R e postaven vo serija so setilo so
nepoznata otpornost R . Naponot na izlez V out e vo relacija so R
i e daden so izrazot (2):
ref
x x
Str.10
Mikrosetila i merni sistemi-Predavawa Prof D-r Qup~o Arsov
V out =refx
xref
RRRV
+ (2)
vkupnata funkcija na preobrazba A=x
out
RV
i e pribli`no linearna
koga R <<R i vo ovoj slu~aj se dobiva izrazot (3): x ref
A=refx
ref
RRV+
=refo
ref
RXRV
++ )1( (3)
i ~uvstvitelnosta na naponskiot delitel e dadena so izrazot (4):
S=x
out
dRdV
= 2)( refx
refref
RRRV
+ (4)
^uvstvitelnosta opa|a brzo koga Rx e pribli`no Rref {to e prika`ano na sl. 3. Maksimalna ~uvstvitelnost se dobiva koga Rx<<Rref, no izlezot ne e linearna funkcija koga x e golemo. Za linearni senzori, maksimalnata ~uvstvitelnost se dobiva so ravenkite (1) i (4), pri {to so V =V se dobiva izrazot (5): ref o
S max = 2)2( XRV
o
ref
+ (5)
tamu kade {to parcijalnata promena na X e mala okolu 1%, gre{kata na ~uvstvitelnosta presmetana so ravenkata za S e
prifatliva so grani~na vrednost od 0,5%, no tamu kade {to X e so golema vrednost }e bide potrebno da se koristi golem referenten otpornik ili da se kompenzira nelinearniot izlez na signalot od setiloto.
max
Idealno
Otpornost
^uv
stvi
teln
ost,
S
Sl. 3 ^uvstvitelnost na delitelot Naponskite deliteli se mnogu ednostavni za upotreba, no imaat nekolku nedostatoci: 1. Tie ne se mnogu ~uvstvitelni na mali promeni X. 2. Izlezniot napon V zavisi ne samo od vleznata otpornost na
sledniot ured tuku mnogu pove}e od temperaturata na samoto setilo, no koristej}i aktiven delitel kade referentniot
out
Str.11
Mikrosetila i merni sistemi-Predavawa Prof D-r Qup~o Arsov
element e ist so setilniot element mo`e da se otstranat nedostatocite. Problemot na slaba ~uvstvitelnost mo`e da se otstrani so koristewe na Vitstonov most, koj e prika`an na sl. 4, toj sodr`i konstanten napon V i kolo od ~etiri otpornici R 1 , R , R i R . Mostot obi~no se koristi vo ramnote`a, no mo`e da se koristi i kako neuramnote`en. V out mo`e da se uramnote`uva ra~no ili
avtomatski so otpornost R . R i R go odreduvaat zasiluvaweto
na koloto. Izlezniot napon e daden so izrazot (6):
ref 2 3 x
1 2 3
V out =V ref ])()(
[21
1
3 RRR
RRR
x
x
+−
+ (6)
koga e vo ramnote`a V =0, ottuka out2
1
3 RR
RRx = . ^uvstvitelnosta na
mostot mo`e da bide definirana kako odnos na mostniot izlezen napon i promenata na otpornosta na setiloto, podelena so napon na napojuvawe. Za idealen most ~uvstvitelnosta e dadena so izrazot (7):
S=)2(
1
2
2
1
RR
RRX
++ (7)
so maksimalna vrednost od 4X
koga 2
1
RR
=1.
Sl. 4 Vitstonov most Mostot ~esto se korisi kako neuramnote`en, kako na sl. 5 koga |x|<<1. Vo ovoj slu~aj otpornostite R , R imaat osnovna vrednost
R , a R 1 e slepo setilo. Izlezniot napon e daden so izrazot (8): 2 3
o
Str.12
Mikrosetila i merni sistemi-Predavawa Prof D-r Qup~o Arsov
V out =
21
11(2 X
Vref
−− ) (8)
Izlezniot napon e pribli`no linearen vo odnos na delumnata promena na otpornosta, pa koga X e malo go dobivame izrazot (9):
V out = XVref
4 (9)
Koristeweto na slepo setilo R 1 vo mostot dava odli~na kompenzacija od nelinearno setilo so temperaturnata zavisnost, ova e osobeno va`no za hemiskite setila. Izlezot od takov most mo`e da bide procesiran, na primer so diferencijalen zasiluva~ za postignuvawe na soodveten napon. Izlezniot napon e daden so ravenkata (10) vo slu~aj koga x<<1:
V out =-45
6
5
6 XVRR
VRR
ref−=Δ (10)
Potrebna e golema vlezna impedansa i malata temperaturna
l. 5 Neuramnote`en Vitstonov most so kompenzacionen element
apacitivni setila
o nekoi tipovi na setila za merewe se koristat promeni vo
=
~uvstvitelnost na koloto. S K Vreaktansata (kapacitivnosta ili induktivnosta) na setiloto. negovata otpornost. Kapacitivnosta C na setiloto e dadena so izrazot (11):
VqC (11)
Str.13
Mikrosetila i merni sistemi-Predavawa Prof D-r Qup~o Arsov
Kapacitivnosta na setiloto zavisi od geometrijata na elektrodite i dielektri~niot materijal staven me|u niv. Za plo~est kondenzator va`i izrazot (12):
ε o ε r dAC= (12)
kade e dielektri~na konstanta na vakuumot, e relativna
tri~na konstanta na materijalot pome|u plo~ite, A e
C=
ε o ε r
dielekpovr{inata na plo~ite dodeka d e nivnoto rastojanie. Sekoj fenomen na promena na dielektri~nata konstanta, povr{inata ili rastojanieto na plo~ite }e predizvika promena vo kapacitivnosta δC. Ovaa promena mo`e da se definira so diferencijalna ravenka (13):
dAddC
,εδε + ddA
dC,ε Aδ + Add
dC,ε dδδ (13)
ehani~koto pomestuvawe na edna elektroda vo odnos na druga
erijali varira so
V =
Mmo`e da predizvika ili promena na rastojanie δd ili promena na efektivnata povr{ina δA. Ovoj princip e eksploatiran vo razli~ni mehani~ki mikro setila koi koristat promena na kapacitivnosta vo ednostavno izlezno kolo. Dielektri~nata konstanta na nekoi mattemperaturata i mo`e da se koristi kako funkcija na preobrazba vo setilata. Setilata so promenliva kapacitivnost mo`e da se postavat vo kapacitiven naponski delitel. Izlezniot napon e vo relacija so vlezniot napon V ref , kapacitivnosta na setiloto C x i
referentnata kapacitivnost C i e daden so izrazot (14):
ref
outrefx
xref
CCCV
+
(14)
l. 6 Naponski delitel so kapacitivno setilo
S
Str.14
Mikrosetila i merni sistemi-Predavawa Prof D-r Qup~o Arsov
Na slikata 6 e prika`ana izvedba na kapacitiven naponski delitel.
Sl. 7 Naizmeni~en kapacitiven most Na slikata 7 se prika`ani dve izvedbi na mostovi, edniot vo koj impedansata na kapacitivnoto setilo se ekvivalentira so seriska, a vo drugoto so paralelna vrska na nepoznatiot kapacitet C i otpornosta R . Idealno, R pri seriska vrska e
nula, a pri paralelna vrska e beskone~en, no vo praksa vrednosta mora da se izmeri. I tuka mo`e da se koristi slepo setilo za kompenzacija na temperaturnata promena:
x x x
Serija C =x 14
2 CRR
i R =x 12
4 RRR
Paralela C =x 14
2 CRR
i R =x 14
2 RRR
Problemati~no e koga kapacitivnosta na setiloto e mnogu mala (10 pF/m). Vo toj slu~aj pri izvedbata treba da se reducira efektot na kabelska kapacitivnost, vo slu~aj na siliciumski mehani~ki mikrosenzori kapacitivnosta e mala, pa posebno vnimanie treba da se obrne na tehnologijata. Mo`ni re{enija se so integrirawe na mostnite kola i setilata so ednostaven ~ip so upotreba na CMOS tehnologija za proizvodstvo na FET zasiluva~i, so mala vlezna kapacitivnost i visoka vlezna otpornost. Induktivni setila Induktivnosta na setiloto e dadena so izrazot (15):
L=NdidΦ (15)
Str.15
Mikrosetila i merni sistemi-Predavawa Prof D-r Qup~o Arsov
kade {to N e broj na namotki, F e magneten fluks, a i e struja niz namotkite. Magnetnomotornite sili (mmf) se ednakvi na Ni i taka
induktivnosta e vo relacija so reluktansata R l = ΦNi
i e dadena so
izrazot (16):
L=lR
N 2
(16)
Magnetnata reluktansa na sistemot e analogna so elektri~nata otpornost. Vkupnata reluktansa na namotkata, koja ima napre~en presek A i dol`ina l so μ -magnetna permeabilnost na vozduh, μ -relativna
magnetna permeabilnost na `elezno jadro e dadena so ravenkata (17):
o r
R l =oo
o
ro Al
Al
μμμ+ (17)
kade vtoriot ~len ja vklu~uva dol`inata na magnetnite silovi linii na poleto niz vozduhot l so napre~en presek A .
Najgolemiot del od induktivnite setila ja menuvaat reluktansata vo funkcija od magnetnoto pole. Ima dva tipa na promena kaj setilata:
o o
-edni koi ja menuvaat dol`inata na magnetnata silova linija vo vozduhot l i -drugite koi ja menuvaat magnetnata permeabilnost.
Induktivnite setila najmnogu se koristat pri reducirawe na efektot na rasturni magnetni poliwa i promeni na temperaturata. Induktivnite setila imaat golema linearnost (0,5 %). LVDT-linearen promenliv diferencijalen transformator e baziran na promena na me|usebnata induktivnost me|u primarnata namotka i dvete sekundarni namotki kako i feromagnetnoto jadro koe se nao|a vo niv, primerot e prika`an na slika 8. Izlezniot napon e daden so ravenkata (18):
o
V out =(M -M 2 )1 dtdip (18)
kade razlikata na me|usebnite induktivnosti (M 1 -M ) poka`uva brza i linearna promena na dvete strani na centralnite magnetni pozicii vo jadroto. Vo praktikata izlezniot napon zavisi od frekvencijata na vlezniot napon kako i od vleznata otpornost (10 k Ω ). Izlezniot napon ~esto ne e nula vo centralnata pozicija poradi razlikite vo namotkite i negovata to~nost mo`e da e temperaturno zavisna.
2
Str.16
Mikrosetila i merni sistemi-Predavawa Prof D-r Qup~o Arsov
Sl. 8 Linearen promenliv diferencijalen transformator Kako {to e ka`anao ponapred, elektri~niot izlez od setilata voobi~aeno ima potreba od nekoi formi na procesirawe ili preobrazba pred da se koristat od nekoj drug ured. Modulot za obrabotka na merniot signal pome|u setiloto i sistemot za obrabotka na podatoci se vika interfejs. Glavna uloga na interfejsot e da go zasili neobraboteniot signal vo nivo koe e prakti~no za upotreba. Vtorata uloga na interfejsite e reducirawe na {umot so prikladno filtrirawe.Treto, interfejsite snabduvaat so energija. Karakteristikite na setilata se opredeleni so stabilnosta na interfejsot vo postignuvawe na stabilno napojuvawe. ^etvrto, se koristat za koregirawe na nekoi nedostatoci na setilata, na primer, mo`e da se vovede linearizacija na izlezot od setiloto vo odnos na vlezot. Petto, interfejsite mo`e da imaat sposobnost da proizvedat kontrolen signal odnosno predupreduva~ki signal pri nizok napon. Kone~no, interfejsot mo`e da go podgotvi signalot za prenos kon drug ured. Formite za prenos na podatoci se analogna struja ili napon, frekventna modulacija i digitalen prenos. Prifatlivo e da se upotrebuva signal od (1-10)V za prenos na kratki rastojania, koga analogniot signal ima potreba da patuva na dolgi rastojania, strujnoto kolo e najsoodvetno, (4-20) mA struja e industriski standard i signalot mora da e vo tie ramki. Frekventna modulacija Vo nekoi tipovi setila korisno e da se konvertira signalot od setilata vo frekvencija pred da se izvr{i prenosot. Konverzijata od analogen napon vo frekvencija bara precizno merewe so komercijalni frekvenciski broja~i. Nekoi setila imaat potreba od frekvenciski signal za modulacija, na primer rezonantnoto siliciumsko mehani~ko setilo raboti so osnovni
Str.17
Mikrosetila i merni sistemi-Predavawa Prof D-r Qup~o Arsov
frevencii od kHz do MHz i mo`e da obezbedi visoko nivo na ~uvstvitelnost pri mereweto. Vo slu~aj koga imame pove}e setila upotrebeni zaedno, analogniot vlez mo`e da bide multipleksiran so cel namaluvawe na potrebniot kabel. So toa se reducira kompleksnosta i brojot na interkonekciski kabli, a so toa i tro{ocite. Ovoj sistem mo`e da se upotrebi za procesirawe signali od golema grupa na setila,. iako baraweto za golema brzina na seriskoto procesirawe mo`e da nalo`i koristewe na drugi uredi. Na slikata 9 e prika`an interfejs so preobrazuva~ na napon vo frekvencija.
Vlez
Setilo Preobrazuva~
Frekventen izlez
Sl. 9 Interfejs so preobrazuva~ na napon vo frekvencija
4.3 DIGITALNI TEHNIKI
Digitalnite elementi bi mo`ele da se podelat vo tri grupi: gejtovi, flip-flopovi, i funkcionalni logi~ki elementi.
Digitalnite elementi i tehniki ne mora da se poistovetuvaat so digitalnite smeta~i i elektronski elementi. Tie {iroko se koristat vo industrijata za prekinuvawe, smetawe i upravuvawe. So napredokot na integriranite kola neophodno e samo osnovno znaewe za razbirawe i koristewe na digitalnite tehniki. Problemot se reducira na izbor na soodvetni IC logi~ki komponenti i izbor na kolo za da se ispolni dadena zada~a.
Logi~kite gejtovi selektivno propu{taat daden vlezen signal zavisno od namenata. Postojat tri osnovni logi~ki gejta AND, OR i NOT (slika 31).kako i nivni komplementni NAND, NOR (slika 32)..
Slika 31 AND RDL(I) gejt - a) logika; b) izvedba v) {ematsko ozna~uvawe
R
A
B
CD1
5V
D2
A
V R
BC
AB C
a) b) v)
Str.18
Mikrosetila i merni sistemi-Predavawa Prof D-r Qup~o Arsov
Slika 32 OR RDL NOT(ILI) gejt - a) logika; b) izvedba v) {ematsko ozna~uvawe g) (invertor)
R
A
B
CD1
5V
D2
a) b) v) g)
A
B
V R
CAB C
A
A
A
A
Flip Flopovite se osnovni elementi na digitalnite ma{ini. Osnovna funkcija kaj niv e da storiraat (pamtat) eden bit binarna informacija na logi~ko nivo 1 ili 0. No mo`at da izvr{uvaat niza zada~i kako {to e broeweto i multipleksiraweto. Za op{ta upotreba poekonomi~no e da se koristat IC namesto gejtovi i flip flop diskretni komponenti.
SR flip flopot e prika`an na slika 33a.
D - tip flip flop e daden na slika 33b. Slika 33 a) flip-flop; b) flip-flopSR D
S Q
R Qvlezovi izlezi
S R0 00 11 01 1
QQ01NU
D Q
T Qvlezovi izlezi
QQD
T01
a) b)
Koderi - dekoderi
Koderite slu`at za pretvorawe na analogna koli~ina vo digitalen kod. Dodeka dekoderite imaat obratna funkcija. Na slika 34 e prika`an eden koder na agolot.
Slika 34 Koder na agolotsvetlina foto}elii
1001
1111
Multiplekseri - demultiplekseri
Multiplekserot e selektor. Toj gi selektira podatocite od paralelni vlezovi i gi vodi na seriski izlez. Demultiplekserot
Str.19
Mikrosetila i merni sistemi-Predavawa Prof D-r Qup~o Arsov
e distributer - obraten sistem na multiplekserot. Kru`niot prekinuva~ na slika 35a,b mo`e da slu`i kako multiplekser i demultiplekser.
Slika 35 a) multiplekser; b) demultiplekser; v) elektronski multiplekser
vlezovi
izlez
izlezivlez
a) b) v)
S Q
R Qselektor
kanal 1
kanal 2
izlez
Primer za eden elektronski multiplekser so SR flip flop e daden na slika 35v.
(S/H) kola - ovie kola zemaat i privremeno ~uvaat vrednost na nekoj analogen signal za natamo{no procesirawe, kako vo digitalnite multimeri. Najprost primer e daden na slika 36a.
Sli~no mo`e da se napravi so koristewe FET prekinuva~ na slika 36b.
Slika 36 a) odbira~ ( ); b) kolo ( )sampler sample-hold S/H
vi vo
vo
vi
t
V
vi
vo
C
FET
prekinuva~
vo
samplemode
vi
t
V
a) b)
Koga FET e provoden Vi go polni kondenzatorot, a V0 go prati vlezot. Koga ne e provoden, C ne mo`e da se prazni zaradi mnogu golemata vlezna impedansa na operacioniot poja~uva~. Taka go ~uva sempliraniot napon.
Broja~i Elektronskite broja~i osven vo laboratorija se koristat kako komponenti vo instrumentite, kako primer vo analogno/digitalnite konvertori.
Analogno/digitalni konvertori
Digitalna vo analogna i analogna vo digitalna konverzija slu`i za interfejs pome|u analognite i digitalnite elementi. Postoi {irok spektar so razni performansi kako standardni paketi od
Str.20
Mikrosetila i merni sistemi-Predavawa Prof D-r Qup~o Arsov
mnogu proizveduva~i. Rezolucijata zavisi od brojot na upotrebenite bitovi.
Najmnogu gi ima so 8 i 12 bita.
Slika 37 a) konvertor; b) konvertorD/A A/DVref
Vo
RfR/8
R/4
R/2
R
1
0
1
1
a) b)
impulsen~asovnik
S/H
D/A konvertor
n - bitenbroja~
izlezkomparator
analogensignal
...V2
V1
Start
V2
V1
t
Na slika 37a e daden eden sobira~ koj slu`i kako digitalno-analogen konvertor.
Kaj analogno digitalnite konvertori se koristi sukcesivna aproksimacija kako na slika 37b.
Postojat i alternativni na~ini na A/D konverzija koja mo`e da go poednostavi i podobri sistemot i performansite. Na slika 14 a) e prika`an senzorski sistem so kapacitivno setilo C , kade e
koristen A/D konvertor, koj kako vlez koristi analogen napon, {to ja komplicira izrabotkata. C i C pretstavuvaat parazitni
kapacitivnosti na priklu~nite kabli.
x
1p 2p
Kapacitivnosetilo
Setilo
Referentnosetilo
NaponMikrokont- roler
Mikrokont- roler
16 bitna to~nost
16 bitna linearnost
Period
Kontrola
Elektri~no kolo
Kapacitivenperiodi~enkonvertor
Offset
A/Dkonvertor
Sl. 14 Mo`ni primeri a) konvencionalen b) A/D konvertorot e implementiran vo mikrokontrolerot
Str.21
Mikrosetila i merni sistemi-Predavawa Prof D-r Qup~o Arsov
Promenata na kapacitivniot signal vo napon ne e lesno i bara voveduvawe dodatni prenosni parametri. Mnogu od tradicionalnite vnatre{ni funkcii na A/D konvertorite mo`at da bidat spoeni so onie od drugite potsistemi so mnogu niska cena. Na primer: zemaweto odbiroci, kvantizacijata i digitalnoto filtrirawe mo`at lesno da bidat implementirani vo DSP ili mikrokontrolerot, toa e prika`ano na sl. 14 b). Kapacitivniot konvertor mo`e da bide implementiran so relaksicionen oscilator, ~ija perioda varira linearno so vrednosta na setilata, i taka toj generira periodi~no moduliran izlezen signal. Ovoj signal na oscilatorot se koristi i za napojuvawe na setilata, i taka nikakov oddelen generator na napojuvawe i sinhroniziran detektor ne e potreben. Mikrokontrolerot ili DSP se dobro opremeni da merat frekvencija ili vremenski interval so koristewe vnatre{ni broja~i. Frekvenciski i periodi~en modulator mo`at lesno da bidat realizirani. Sporedeno so frekvenciskata modulacija, periodnata modulacija, dava prednost koga e koristena avtokalibracija so {to efektot na vremensko docnewe e eliminiran. Ova se dol`i na faktot deka avtokalibracijata gi otstranuva efektite na site dodatni gre{ki, vklu~uvaj}i go i vremenskoto docnewe. Sporedeno so alternativata na impulsno-{irinskata modulacija, periodnata modulacija ima prednost vo odnos na efektot na vremenskata konstanta na izleznoto kolo, {to e prika`ano na slika 15. Poradi toa vo se razgleduva periodnata modulacija. Sekoja perioda ili grupa periodi se merat. Za identifikacija potreben e period koj e pokratok od drugite. Ako pri merewe na ovie signali mikrokontrolerot ima vnatre{en ~asovnik toj mo`e da ja digitalizira dol`inata na periodot so koristewe na asinhroni impulsi, {to e prika`ano na slika 16. Denes, brzinata na zemawe na odbiroci na ovie broja~i e vo opseg od 0.1 do 1 μs. Kvantizacioniot {um dobien so digitalizacijata e proporcionalen so brzinata na primerokot, a obratno proporcionalen so periodot Tx. Sl.15
SenzorskisignalAsinhroniimpulsi za zemawe primeroci
Frekvenciskapodelba
A/D konverzija so asinhron sistem za zemawe primeroci
Str.22
Mikrosetila i merni sistemi-Predavawa Prof D-r Qup~o Arsov
Za da se namali kvantizacioniot {um, se koristi vnatre{en frekvenciski razdeluva~ koj se koristi za razdeluvawe ili za reducirawe na izleznata frekvencija so faktor 120 ili 1024.
Sl. 16 Periodi~na modulacija: Detektiraniot signal nema vlijanie od efektot na vremenska konstanta na izleznoto kolo
Interfejsi i merni tehniki za inteligentnite senzorski sistemi Vo inteligentnite senzorski sistemi se integriraat funkciite na setilata i nivnite interfejsi. Ova vklu~uva poja~uvawe i obrabotka na signalot, A/D konverzija, interfejsing i obrabotka na podatoci. Isto taka, se dodavaat i funkcii od povisoko nivo, kako {to se: samotestirawe, avtomatska kalibracija, procenka na podatoci i identifikacija. Vo mnogu fizi~ki i hemiski setila {irina na informaciskiot kanal e prili~no mala, mnogu pomala otkolku vo elektronskiot del na sistemot. Ova ovozmo`uva da se koristi ednostaven elektronski sistem koj }e poddr`uva mnogu setila so cel da izvr{uva mnogukratno merewe. Pokraj toa mo`e da se iskoristi raspolo`ivata {irina na vremenskiot band na elektronskiot del, za da se podobri sistemskata to~nost, doverlivosta i dolgoro~nata stabilnost ili pomala disipacija na mo}nost. Tuka }e se razgledaat mo`nite tehniki na merewe, sistemskite podobruvawa i na~inite za implementirawe na ovie tehniki vo kola na interfejsi za inteligentni senzorski sistemi. ]e bidat prika`ani napredni tehniki na merewe, kako {to se tehnikite za namaluvawe na {um i interferencija, dinami~ko povrzuvawe na elementite i avtokalibracija, koi mo`at da gi re{at tradicionalnite problemi na elektronskite kola kako: offset, {um, interferencija i dolgoro~en drift. Kako {to e ka`ano generalno kaj setilata se javuva problemot na vkrstena ~uvstvitelnost, t.e. pokraj nivnata ~uvstvitelnost na mernata golemina tie isto taka poka`uvaat nepo`elna ~uvstvitelnost za drugi fizi~ki golemini. Pokraj baraniot elektri~en izlezen signal, tie isto taka davaat parazitni elektri~ni efekti, signal na {um. Na slikata 10 e pretstavena mo`na hardverska konfiguracija na senzorski sistem vo koja se upotrebeni razli~ni komponenti kako mikrokontroleri, personalni kompjuteri i interfejsi za setila.
Str.23
Mikrosetila i merni sistemi-Predavawa Prof D-r Qup~o Arsov
Raspolagaweto so memorija na mikrokontrolerot dava mo`nost za sobirawe na podatoci vo podolg period od pove}e setila. Ova ja ovozmo`uva realizacijata na nekolku va`ni sistemski funkcii, kako {to se avtokalibracija, samotestirawe, kompenzacija i filtrirawe na nesakani signali i efekti. A/D konverzijata mo`e da bide izvedena vo mikrokontrolerot. Interfejsot sodr`i elektronika za razli~ni vidovi na setila. Mo`no e soedinuvawe na funkciite na setilata i negoviot interfejs i nivno implementirawe vo ednostaven ~ip, koj rezultira vo t.n. inteligentno setilo. Na toj na~in }e se zgolemi brzinata na obrabotka i }e se namali cenata. Za da se ovozmo`i ova mnogu e va`no da se prepoznaat glavnite karakteristiki i problemi na najkoristenite setila i senzorski sistemi. Kako primer }e se dade prikaz na senzorski sistem so visoka to~nost vo {irok dinami~ki opseg vo koj parazitnite efekti se reducirani.
Sl. 10 Mo`n
a konfiguracija na inteligenten senzorski sistem
Kompjuter
Mikrokontroler
Interfejs
SetiloInteligentnosetilo
Setilo
Minimum sistem
Parazitski efekti kaj setilata Najgolem interes vo praksa e fokusiran na senzorskite sistemi so relativno mal fizi~ki band, pomalku od 10 kHz. Me|utoa i pri vakvo ograni~uvawe treba da se re{at pove}e problemi. Ovie problemi poteknuvaat od kompleksnosta na fizi~ko-elektri~nite efekti i potrebata da se dobie selektivno i to~no merewe na specifi~nite golemini vo prisustvo na mnogu parazitski efekti i signali na pre~ki. Ponatamu vo tekstot se diskutiraat tie problemi i metodite za nivno re{avawe. - Pakuvawe
Str.24
Mikrosetila i merni sistemi-Predavawa Prof D-r Qup~o Arsov
Za skoro site mikrosetilni elementi pakuvaweto e eden od problemite vo izrabotkata, na primer: za ispolnuvawe na osnovnata funkcija kontaktot pome|u setiloto i fizi~kata ili hemiskata sredina mora da e po mo`nost dobar, no od druga strana blizok kontakt mo`e da e pri~ina za degradacija ili o{tetuvawe na setilata. Vo inteligentnite senzorski sistemi ne samo setilnite elementi, tuku i ostatokot od senzorskiot sistem treba da bide dobro za{titen, Na primer: kaj inteligentnite temperaturni setila, ~ipot mo`e da bide pakuvan vo hermeti~ki zatvoreno metalno ku}i{te. Za hemiskite setila pote{ko e da se razvie tehnika na pakuvawe, predhodna preobrazba na hemiskata merna golemina vo fizi~ka mo`e da go re{i problemot so pakuvawe. - Vlijanie na kablite i impedansata na vod So dvoportno merewe mo`e da se otstrani impedansata na priklu~nite vodovi i kabelskoto vlijanie vrz mereweto. Na slikata 11 a) e prika`ana 4-vodna tehnika za merewe kaj setilo so mala impedansa Z . Vo ovoj slu~aj seriskite impedansi
Z ,…,Z na priklu~nite kabli nema da imaat efekti na mereniot
napon V . Primenata na ovaa tehnika ima potreba od interfejsen
~ip koj ja dava eksitacionata struja i merewata na naponot na Z ,
koristej}i struen izvor so visoka impedansa i vlezen zasiluva~ so visoka impedansa.
x
1s 4s
sense
x
Na slikata 11 b) e prika`ana dvo-vodna tehnika na merewe visoko-omska setilna admitansa Y so eksitacionen napon V i struja
I niz Y . Impedansite Y i Y na priklu~nite kabli nemaat
vlijanie vrz mereweto. So ovaa tehnika e mo`no merewe na mali setilni kapacitivnosti C , duri i koga priklu~nite kabli koi se
koristat imaat parazitni kapacitivnosti C i C , so red na
golemina pogolema od C . Implementacijata na ovie tehniki ima
potreba od interfejsen ~ip za naponsko napojuvawe so i merewe na strujata niz Y , so koristewe na naponski izvor so niska
impedansa i vlezen zasiluva~ so niska impedansa.
x force
sense x 1p 2p
x
1p 2p
x
x
l. 11 Dva slu~aja na dvo-portno merewe a) setila so niska
s a vrednost na Y
Svrednost na Z x
b) setila so ni k x
Str.25
Mikrosetila i merni sistemi-Predavawa Prof D-r Qup~o Arsov
- Parazitni efekti kaj setilata
~uvstvitelnost t.e.
ekolku tipi~ni setila i nivnite parazitni elektri~ni
t
etilata go imaat problemot na vkrstenaS
pokraj nivnata ~uvstvitelnost na merenata golemina, tie isto taka poka`uvaat i nepo`elna ~uvstvitelnost za drugi fizi~ki golemini, kako {to e:
temperaturata, mehani~ki vibracii itn.
l. 12 Primeri na ekvivalentno elektri~no kolo modelirano so S
nkomponenti :a)-d) ednostavni elementi :e) kompleksni setila Za taa cel se upotrebuvaat dopolnitelni setila koi
vozmo`uvaat kompenzacija na vkrstuva~kiot efekt. oNa primer, koristewe na dopolnitelni temperaturni setila za kompenzacija na temperaturnata ~uvstvitelnost. Kako dodatok na ova setilata poka`uvaat parazitni elektri~ni efekti koi mo`at da imaat fizi~ko, hemisko i elektri~no poteklo. Na primer: vo kapacitivno setilo za vla`nost se pojavuva struja zaradi parazitnata otpornost R p , na setiloto so kapacitet C x
slika 12 a). Voobi~aeno proizvoditelite ne davaat informacija za ovaa t.n. parazitna otpornost. oradi toa koga se izrabotuvaa elektronski merni kola za kapacitetot C x , treba da se zeme vo
predvid najnepovolnata vrednost na otpornosta R p . Upotrebata na
edna od slednite postapki mo`e da gi re{i ovie problemi: -Koristewe povisoka frekvencija na vozbudniot signal }e rezultira so namaluvawe na relativnoto vlijanie na R p .
P
Str.26
Mikrosetila i merni sistemi-Predavawa Prof D-r Qup~o Arsov
-Koga se koristi sinusoiden eksitacionen signal, so pomo{ na analizator mo`e odvoeno da se merat vrednostite na C x i R . No
efektot na
C R
o
p
koristeweto na sinusni signali }e ja zgolemi slo`enosta na sistemot i potro{uva~kata na energija. -Vo slu~aj na eksitacionen pravoagolen signal, mo`no e vr{ewe serija od merewa so razli~ni frekvencii na eksitacionata struja. Algoritmot na procesirawe na merenite rezultati, zna~ajno }e go namali efektot na parazitnite otpornici. Ovaa metoda bara pove}e vreme, no mo`e da bide realizirana so ednostavni elektronski kola. -Prazneweto na poln kondenzator kolku {to e mo`no pobrzo }e ja reducira disipacijata na mo}nost i so toa i relativniot efekt na t.n. parazitna otpornost. Koga otporni~koto setilo e priklu~eno na dolg kabelski vod vo elektronski signalen procesor, kabelskite kapacitivnosti }e predizvikaat parazitna kapacitivnost C p . Ovoj problem mo`e da
bide re{en so edna od slednite tehniki na merewe: -Koristewe na niskofrekventen eksitacionen signal }e go namali relativniot efekt na C p . Reduciraweto na
niskofrekventen {um i interferencija, }e bide vozmo`no so zgolemuvawe na frekvencijata. -Koga se koristi sinusen eksitaciski signal, so pomo{ na analizator mo`e odelno da se merat vrednostite na i . No p p
koristeweto na sinusen signal zna~ajno }e go uslo`ni sistemot i potro{uva~kata na energija. Kaj setila koi generiraat struja kako {to se fotodetektorite, slika 12d), vlezniot napon i vleznata impedansa na elektronskiot signalen procesor treba da se {to e mo`no pomali za da se reducira efektot na parazitna otpornost. Pod e) e pretstaven pokompleksen model t.n. impedansno setilo. Mo`e da bide koristen za merewe elektri~ni karakteristiki na te~nost. Site elementi C p , R 1x i R 2x sodr`at nekoja interesna
informacija za karakteristikite na te~nostite. Voobi~aeno elementite imaat takvi vrednosti koi mo`at da bidat izdvoeni so koristewe na specijalni frekvencii, {to go komplicira mereweto. Parametrite na modelot mo`at da poka`at frekventno zavisno odnesuvawe, koe }e go napravi mereweto u{te pote{ko. Kako dodatok na ova elektri~no-hemiskiot kontakt pome|u provodnikot vo cvrsta sostojba i te~nosta }e poka`e kompleksno odnesuvawe koe }e bide modelirano so parazitna impedansa Z p .
Za vakvite impedansni setila koi mo`at da se koristat za merewe na karakteristiki kako {to se: vla`nost i sodr`ina na voda vmaterijalot, postoi golem interes. So impedansni setila mo`e da se detektira prisustvoto na mikroorganizmi vo mlekoto bez toa da se otvori. Specijalen interfejs e proektiran za da se meri sostavot na mlekoto vnatre vo {i{e so koristewe na nadvore{ni elektrodi. Za da se napravi razlika pome|u otporni~kite i kapacitivnite komponenti na
Str.27
Mikrosetila i merni sistemi-Predavawa Prof D-r Qup~o Arsov
merenata impedansa, merewata se pravat so koristewe na razli~ni eksitacioni signali i razli~ni konfiguracii na kola. Kako primer, na slikata 13 e prika`ana merena promena na otpornost na mleko vo tekot na test posle infekcija od Salmonela.
Vreme(~asovi)
Promena na otpornost
Elektroda 1
Elektroda 2
Sl. 13 Detekcija na mikroorganizmi vo paket od produkti od hrana so koristewe na impedansno setilo a) plasti~no {i{e so
Eksitacioni signali (napojuvawe) na setilata
kapacitivni ili nduktivni), interfejsot go dava napojuvaweto/eksitacioniot
oagolen, sinusen i impulsen signal,
ni ednonaso~ni pre~ki koi vklu~uvaat zasiluva~ki
lo.
~en odnos signal/{um.
nadvore{ni elektrodi, b) promena na otpornost vo tek na test na infekcija so Salmonela - Vo slu~aj na pasivni setila (otporni~ki, isignal. Ova im ovozmo`uva na proizvoditelite na interfejsi da izberat soodveten tip i golemina na eksitacioniot signal, so cel da go napravat sistemot ednostaven i to~en i so minimalna potro{uva~ka na energija. Branovi formi: Proizvoditelite mo`at da izberat me|u, na primer, ednonaso~en, pravop{to zemeno sekoj od ovie signali ima svoi prednosti i nedostatoci: -Ednonaso~niot signal e ednostaven, no toj ima problem tamu kade postojat sildrift i struen offset, nisko frekventen {um itn. Druga nepogodnost od koristeweto na dc signali mo`e da bide nastanuvaweto na elektrolitski efekti. Poradi ovie pri~ini ovie signali ne se upotrebuvaat. -Pravoagolen signal imaat prednost, tie mo`at da se generiraat so mnogu ednostavno digitalno ko-Sinusnite signali imaat prednost bidej}i so soodvetno izraboteni filtri mo`at da imaat odliKako i da e, sporedeno so pravoagolen signal, sinusniot signal nametnuva kola so zna~ajno povisoka disipacija i kompleksnost.
Str.28
Mikrosetila i merni sistemi-Predavawa Prof D-r Qup~o Arsov
-Impulsnite signali dobro odgovaraat so selektivnosta. So pravilen izbor na vremenskiot interval, korisnite signali mo`at lesno da bidat razlikuvani od reflektiranite sledej}i dolg pat na prenos. Vo pogled na odnosot signal/{um, eksitacioniot signal treba da e {to e mo`no podolg. Od druga strana, nelinearnosta na setilata }e ja limitira optimalnata vrednost na eksitacijata/napojuvaweto. Za da se dobie visoka to~nost, mora da bidat prezemeni
aznovidni merewa za reducirawe ili eliminacija na razli~ni
ajni i gre{ki poradi refleksija
a se javuvaat ri tipa na gre{ki:
ajno sekoj pat koga merewata
ie gre{ki se povtorlivi vo sekoe vreme koga
t da bidat minimizirani so filtrirawe i
adicionalnite
a i nagoduvaweto se izveduvaat
o
. DIGITALEN PRENOS
rtipovi na gre{ki. - Sistematski, slu~ Vo odnos na to~nosta , kaj sistemite so mikrosetilt-slu~ajni gre{ki, predizvikani od: interferencija, {um ili promena, ovie gre{ki variraat slu~se povtoruvaat. -sistematski gre{ki, predizvikani od neto~nosta na sistem parametrite. Ovmereweto e povtoreno. -Gre{ki poradi refleksija na impulsnite napojni signali. Slu~ajnite gre{ki mo`atehnikite za namaluvawe na {um i interferencija. Ima pove}e na~ini za reducirawe na sistematska gre{ka na primer so kalibrirawe i nagoduvawe. Pri trkalibracii se pravi komparacija na test setilo so drugo so povisoka to~nost. Za to~ni merewa podatocite od ovie testovi se stavaat vo kompjuterska memorija ili se ednostavno zapi{uvaat i se koristat pri mereweto. So nagoduvawe, odnesuvaweto na setiloto se menuva so cel da se nagodat karakteristikite {to e mo`no poblisku do nominalnite. Kalibracijata i nagoduvaweto se na~in za podobruvawe na to~nosta. Na primer: kalibracijatpod odredeni uslovi zemaj}i ja predvid temperaturata, naponot na napojuvawe i vremeto, koi mo`at da se razlikuvaat pri razli~ni uslovi na rabota na setiloto. Sistematskite gre{ki mo`e da se menuvaat poradi promenite vo nadvore{nite uslovi i dolgotrajniot drift. Najdobar na~in za spravuvawe so ovie osnovni problemi e eliminacijata na vlijanijata na site parametri na promena osven onie potrebni za bazi~nite merewa. -Gre{ki poradi refleksija se slu~uvaat vo sistemite kade {to e koristen impuls za merewe, na primer: rastojanie, mehani~kdvi`ewe, brzina na letawe itn. Korisnite signali, koi se prenesuvaat po odredena linija se popre~eni od reflektira~ki signal .
7
Str.29
Mikrosetila i merni sistemi-Predavawa Prof D-r Qup~o Arsov
-Seriski interfejs
Zaradi prednostite vo pogled na pogolemi brzini na prenos i na {um, naj~esto od elektronskiot interfejs
°S
pogolemata imunost se obrabotuvaat i prenesuvaat digitalni signali. Vo tabela 5.1 se prika`ani brzinite na prenos kaj nekoi tipovi na kabli za povrzuvawe so elektronskiot interfejs.
Kabel Maks.brzina
Bit/sek
Te`ina
g/m Maks. Temperatura
par 7 MHz 3,2 80
Gumiran kabel 5 MHz 0,1 105
Koaksijalen kabel
20 MHz 48,0 75
Kompjuterskikabel
40 MHz 55,0 80
Opti~ki kabel
-monom
oden 10 GHz
00 GHz
0,13
,21
80-200
0-200 -multimoden
2
0
8
Se gleda deka e kabli se superiorni vo pogled na renesuvawe na golem obem na podatoci so golemi brzini.
~esto koristen
opti~kitpDigitalnata informacija se razmenuva pome|u setiloto i mikrokompjuterot, preku seriski ili paralelen komunikacionen vlez. Teoriski seriskiot digitalen interfejs bara samo edna ili dve `ici i e zna~ajno poeftin od paralelniot interfejs ( 8 `ici). Osven toa za seriska vrska mo`e da se koristat komercijalni komunikacioni uredi , odnosno telefonski kabel.
Standardite za seriski interfejs bea definirani od asocijacijata na elektronskata industrija – EIA. Najkaj kompjuterskite sistemi e standardot RS- 232, dodeka standardite RS-422 i RS-423 se koristat pri podolgi linii na prenos ili pogolemi brzini na prenos. Na sl. 5.1 e prika`ana osnovnata konfiguracija na ovie tri seriski interfejsi.
Str.30
Mikrosetila i merni sistemi-Predavawa Prof D-r Qup~o Arsov
Sl.5.1 a) RS-232 Edno`i~an b) RS-422 c) RS-423 seriski interfjs
Povorkata impulsi e generirana od standardni drajveri (primer Motorola MS1488....) i se prima od standardni priemnici ( primer Motorola MS1489....). Konektorot za RS-232 e 25 pinski D konektor vo najgolem broj liniite se kontrolni. Ovoj dosta kompliciran na~in nastanuva zaradi negovoto koristewe za razmena na informacii so modemi, printeri, crta~i, a ne samo so setila. Ova na nekoj na~in go rasipuva idealot za ednostavna eftina komunikaciona vrska za odale~eno setilo. Vo praksa prepora~anata dol`ina na linijata (zavisna od optovaruvaweto) za RS-232S interfejs iznesuva okolu 100m , a maksimalnata brzina na prenos e 20 kboda (20kbit/sek vo binaren kanal ) . Neizbe`no seriskiot interfejs e proektiran za povrzuvawe na eden ured ( edno setilo ili grupa setila preku multiplekser) na eden mikrokompjuter.
Str.31
Mikrosetila i merni sistemi-Predavawa Prof D-r Qup~o Arsov
Sl. 5.2 Prikaz na instrumentaciona magistrala za op{ta namena
GPIB (IEEE488) interfejs
Proizvoditelite razvija interfejs specijalno za digitalno kontroliranite instrumenti. Komunikacionata i upravuva~ka strategija e nare~ena Instrumentacionen bas za op{ta namena (GPIB) i be{e standardizirana od strana na IEEE vo 1978 god. kako IEEE-488. Ovoj bas ovozmo`uva eden procesor ( eden PS) da kontrolira 20 uredi koristejki samo eden interfejs. GPIB koristi asinhron signal za prenos na podatocite so mnogu pogolemi brzini vo odnos na RS-232 ( do 2Mbit/sek).
Sl.5.3 Interfejs za basot na setiloto
GPIB ima 25 linii, 8 za podatoci, 8 za kontrola i zazemjuvawe. Sekoj ured povrzan na basot mo`e da pra}a ili prima podatoci, no eden ured mora da dejstvuva kako kontroler. Interfejs karticite koi se komercijalno raspolo`ivi, bi mo`ele da sodr`at Intel 8291predajnik/priemnik, 8292 GPIB kontroler i dva 8293 GPIB bas prenosnici. Ova mu dopu{ta na PS da go upravuva bus .sistemot so softver. Ovoj interfejs ovozmo`uva fleksibilnost, setila mo`at lesno da se dodavaat ili odstranuvaat od basot. No interfejs karticite se skapi, taka da ovoj sistem ne e za eftini aplikacii. Toj e za komunikacii do 20 m.
Str.32
Mikrosetila i merni sistemi-Predavawa Prof D-r Qup~o Arsov
8. SISTEMI ZA SOBIRAWE PODATOCI
Sobiraweto podatoci (data acquisition) e sistematsko snimawe i prika`uvawe na podatoci. Pritoa mo`e da bide opfatena i odredena redukcija na podatocite. Sistemot se sostoi od scanner/preobrazuva~ na merni signali, digitalen voltmetar-DVM, logi~ki kola za kontrola i printer kako na slika 38.
Slika 38 Blok {ema na sistem za sobirawe na podatoci
preobrazuva~na mernisignali
naponstrujafrekvencijaotpor
A/D logika,smeta~
izlez
±10VDC
Mikroprocesorot i drugite komponenti se prika`ani poeksplicitno na slika 39.
Mikroprocesorot ja upravuva rabotata na sistemot. Toj ima DATA-BUS za prenos na digitalni podatoci i adresen-BUS za adresirawe.
Memoriskite edinici se ROM i RAM. Parametrite vo poedinite kanali i programite mo`at da se dobijat preku tastaturata. ^esto se koristat verzii na vi{i jazici, kako na primer BASIC. Izlezot se dobiva na printer ili se snima so drugi periferni memoriski edinici. Za digitalna komunikacija se koristat interfejsite RS232 i IEEE - 488. IEEE - 488 mo`e da gi prinesuva digitalnite podatoci vo bilo koj pravec so do 20 instrumenti ~ii {to adresi gi ima.
Slika 39 Detalna blok {ema na mikroprocesorski sistem za sobirawe podatoci
µP
parametri
tastaturakontrola
printer
izbor nakanal
izleznipodatoci
preobrazuva~na signali
vlezovi
displejkontroladisplej
RAM
DVM
ROM RS-232 IEEE-488
adresen BUS
Taka e mo`no da se komunicira so sekoj instrument posebno. Mnogu novi hardverski i softverski proizvodi za sobirawe na podatoci se dobivaat sekoj den. Proizveduva~ite na distribuirani upravuva~ki sistemi ovozmo`ija integracija na PC
Str.33
Mikrosetila i merni sistemi-Predavawa Prof D-r Qup~o Arsov
vo mre`ite za upravuvawe, so razvoj na neophodnite paketi na interfejsi. Softverot mo`e da go preobrazi PC vo procesno-upravuva~ka stanica, namesto sistem za sobirawe podatoci. PC taka mo`e da se koristi za interaktiven nadzor, kontrola, dijagnostika, simulacija ili obuka na operatorite.
PC kako eftini kontroleri na instrumentacijata se pove}e se koristat. Se koristat interfejs kartici za da se preobrazi PC vo digitalen osciloskop, spektralen analizator, ili drugi instrumenti. Toj e isto mnogu funkcionalen za povrzuvawe na instrumentite so ~uvawe/memorirawe, pe~atewe ili prika`uvawe. Mo`e da se koristi kako kontroler so red moduli, kako digitalni multimeri, osciloskopi i multiplekseri. Samostojnite instrumenti se zamenuvaat so ovie moduli i poka`uvaweto odnosno instrument panelot se simulira interaktivno na ekran. So drugi zborovi modulot funkcionira kako tradicionalen instrument. Potrebnite paneli, sistem statusot i drugi podatoci se prika`uvaat simultano. Edna{ povrzani so interfejsi modulite se programabilni. I pove}e, konfiguracijata na instrumentite mo`e da se pamti i da se povikuva za sledni primeni, kako sobirawe podatoci, testovi na proizvodstvoto, nadzor i upravuvawe, i evaluacija i inspekcija na komponentite.
Str.34