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感測與轉換 (ch-0)

感測與轉換 (ch-0). 第 0 章 感測器漫談 1. 何謂感測器 ? 能把物理量或化學量變化轉換成電氣量變化的零件 . 2. 物理量有溫度 、 壓力 、 重量 、 長度 、 速度 、 加速度 、 角度 、 濕度 、 光譜 、 光強度 … 等 . 3. 電氣量有電阻 、 電流 、 電壓 、 電容 、 電感 … 等. 感測與轉換 (ch-0). * 較常用的電氣量為電阻 、 電流 、 電壓 . 物理量變化時 , 感測器可能以電阻 、 電流 、 電壓其中之一代表物理量的大小 . * 以溫度感測器為例 : 1. 感溫電阻 Pt100 R(T)=R(0)+ α T

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感測與轉換 (ch-0)

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  1. 感測與轉換(ch-0) 第0章 感測器漫談 1.何謂感測器? 能把物理量或化學量變化轉換成電氣量變化的零件. 2.物理量有溫度、壓力、重量、長度、速度、加速度、角度、濕度、光譜、光強度…等. 3.電氣量有電阻、電流、電壓、電容、電感…等.

  2. 感測與轉換(ch-0) *較常用的電氣量為電阻、電流、電壓. 物理量變化時,感測器可能以電阻、電流、電壓其中之一代表物理量的大小. *以溫度感測器為例: 1.感溫電阻Pt100 R(T)=R(0)+αT 其中R(0)為0℃時的電阻、α為溫度係數單位是Ω/℃. 表示不同的溫度時，Pt100會有不同的電阻值.

  3. 感測與轉換(ch-0) 2.感溫IC AD590 I(T)=I(0)+βT 其中I(0)為0℃時的電流、β為溫度係數單位是uA/℃. 表示不同的溫度時，AD590會有不同的電流. 3.感溫半導體LM35 V(T)=V(0)+γT 其中V(0)為0℃時的電壓、γ為溫度係數單位是mV/℃. 表示不同的溫度時，LM35會有不同的電壓.

  4. 感測與轉換(ch-1) ΔVB 類比電表指示 感測元件 (物理量變化) F ΔVA 放大電路 轉換電路 數位電表指示 參考電源 Vref,Iref 控制單元介面 感測電路之系統架構

  5. 感測與轉換(ch-1) 感測電路之系統架構包含: • 感測器 • 轉換電路 • 放大電路 • 指示器與控制單元介面 5. 參考電源(Vref,Iref)

  6. 感測與轉換(ch-1) 第一章 物理量變化的轉換—電流與電壓 1-1電流變化的轉換 物理量變化時感測器會產生相對的輸出電流變化. *此種電流變化的感測器如: 光電二極體、光電晶體、感溫IC AD590…等. *此種電流變化的感測器之轉換電路有: 1. 壓降法 2. 分流法

  7. 感測與轉換(ch-1) 1-1-1壓降法 電流轉換為電壓的基本原理: V(F)=I(F) x RL I(F)代表物理量改變而改變其電流的感測器. RL代表I(F)的負載. I(F) V(F) I(F) x RL F F *若I(F)與物理量變化呈線性關係且RL為常數則V(F)亦呈線性輸出變化. 1-1-1壓降法

  8. 感測與轉換(ch-1) I(T)＝I(0)＋βT ＝273.2μA＋1μA／℃ × T(℃) 1.若RL＝1KΩ V(T)＝I(T) × RL ＝[(I(0)＋βT)] × RL ＝[(273.2μA＋1μA／℃ × T(℃))] × RL ＝273.2μA × RL＋1μA／℃ × T(℃) × RL ＝273.2μA × 1KΩ＋1μA／℃ × T(℃) × 1KΩ ＝273.2 ×10^-3V＋1× 10^-3V／℃ × T(℃) ＝273.2mV＋1mV／℃ × T(℃) 1-1-1壓降法

  9. 感測與轉換(ch-1) 甲. T＝0℃時 V(0)＝273. 2mV 乙. T＝10℃時 V(10)＝273.2mV＋1mV／℃ × 10℃ ＝273.2mV＋10mV ＝283.2 mV 丙. T＝-10℃時 V(-10)＝273.2mV－10mV ＝263.2 mV 丁. T＝100℃時 V(100)＝273. 2mV＋100mV ＝373.2mV 1-1-1壓降法

  10. 感測與轉換(ch-1) 2.若RL＝10KΩ V(T)＝[273.2μV＋1μA／℃ × T(℃)] × 10KΩ ＝273.2μV × 10KΩ＋1μA／℃ × T(℃) × 10KΩ ＝2732mV＋10 mV／℃ × T(℃) 甲. T＝0℃時 V(0)＝2732mV ＝2.732V 乙. T＝10℃時 V(10)＝2732mV＋100mV ＝2832mV ＝2.832V 丙. T＝-10℃時 V(-10)＝2732mV－100mV ＝2632mV ＝2.632V 1-1-1壓降法

  11. 感測與轉換(ch-1) 1-1-2分流法 利用OP Amp虛接地的特性，達到使用一個OP Amp就能調整到待測物理量的下限時，使輸出電壓等於0V的一種電流對電壓的轉換方法。 1-1-2分流法

  12. 感測與轉換(ch-1) 工作原理： ∵OP Amp的虛接地特性，V-＝V+＝0V、Ii＝0 又依克希荷夫電流定理(KCL) I(T)＝I1＋I2，I(T) ＝I(0)＋βT I(0)＋βT＝I1＋I2 I2＝I(0)＋βT－I1 若令I1＝I(0)＝273. 2μA → I2＝βT 再依克希荷夫電壓定理(KVL) Vo(T)＝I2 × R2 ＝β× T × R2 ，若R2=10kΩ Vo(T)＝1μA／℃ × T(℃) × 10kΩ ＝10mV／℃ × T(℃) 1-1-2分流法

  13. 感測與轉換(ch-1) 1-2 電壓變化的轉換 ●太陽電池，霍爾感測器 Hall Device ●熱電耦 Thermal- Coupler ●人體感測器 (焦電型的紅外線 sensor)

  14. 感測與轉換(ch-1) 熱電耦 => 熱電效應 Thermal Effect K型(Type)，CA型 測溫範圍： -200℃ ~ 1200℃ 輸出電壓： -5.891mV ~ +48.828mV V(T)=V(0)+rT 電壓的溫度係數r： 電壓的溫度係數r： 電壓的溫度係數r： =0.039mV/℃ = 39μV/℃ 1-2 電壓變化的轉換

  15. 感測與轉換(ch-1) 1-3-4 差值放大器 高的CMRR (共模互拒比, Common Mode Rejection Ratio ) Rin低

  16. 感測與轉換(ch-1) 1-3-5 儀器(錶)放大器 Instrument Amp

  17. 感測與轉換(ch-1) 1-4 運算放大器的選用 OP Amp特性: 電壓的雜訊(Noise) 電流的雜訊 偏壓電流(Bias Current) 抵補電壓(Offset Voltage) 轉動率(Slew Rate) 快/慢(大信號放大時) 單位增頻寬 Rin高 Ro 低 CMRR 高 AD公司(Analog Device) NS 公司(National Semiconductor)

  18. 感測與轉換(ch-1) 1-4 運算放大器的選用

  19. 感測與轉換(ch-1) 1-4 運算放大器的選用

  20. 感測與轉換(ch-1) 1-4 運算放大器的選用

  21. 感測與轉換(ch-1) 1-5 OP Amp 的抵補調整 由於製造中少許的偏差，導致OP Amp輸入級有不對稱的差異存在，使得其輸入出現抵補現象。其狀況為當Vi = 0V 時，理應Vo = 0V，但實際上卻是Vo ≠ 0V。

  22. 感測與轉換(ch-1) 內部抵補調整: 1. 觀察OP Amp的抵補電壓(Offset Voltage): 以(非)反相放大器做觀察:a. OP Amp為741，R2= 1KΩ時， Vo = ~mV ?b. OP Amp為741， R2 = 10KΩ時， Vo = ~mV ?c. OP Amp為OP07， R2 = 1KΩ時， Vo = ~mV ?d. OP Amp為OP07， R2 = 10KΩ時， Vo = ~mV ? 1-5 OP Amp 的抵補調整

  23. 感測與轉換(ch-1) 2. 以內部抵補調整方式，調整OP之抵補電壓: 調整10kΩ SVR，使Vo=0.000V 1-5 OP Amp 的抵補調整

  24. 感測與轉換(ch-3) 第三章 物理量變化的轉換 ─ 電阻 電阻變化型的sensor 1. 熱敏電阻T => R(T) PTC，NTC，CTR 2. 白金感溫電阻 (電阻式溫度檢知器， RTD ) 3. 光敏電阻CdS 光線強弱(照度) ， R(λ) 4. 磁阻 磁場強度 5. 應變計(Strain Gauge)重量、壓力Sensor 轉換電路: 1. 分壓法 2. 電阻電橋法 3. 定電流法 4. 有源電橋法 5. 頻率改變法f(F)

  25. 感測與轉換(ch-3) 3-1 分壓法 R(F) = R(0) +αF =>R(T) = R(0) +αT 分母含有變數會產生非線性 若R(T) = R(0) +αT R(0) = 200Ω，α= 20Ω/℃，且 Vref = 10V R = 1KΩ 或 10KΩ 與R(T)串聯做分壓

  26. 感測與轉換(ch-3) 3-2 電阻電橋法(又稱惠斯登電橋) 當電橋平衡時， R4=R(T)=R(0)+αT R1=R2=R , R3=R(0) 差值(動)信號 單端信號 單端信號

  27. 感測與轉換(ch-3) 3-2 電阻電橋法(又稱惠斯登電橋)

  28. 感測與轉換(ch-3) 3-3 定電流法(一)：負載接地型 R(T)= R(0) +αT = 100Ω + 0.385Ω/℃ × T(℃) V(T)= Iref × R(T) = Iref × [R(0) +αT] = Iref × R(0) + Iref ×αT = 1mA × 100Ω +1mA × 0.385Ω/℃ × T(℃) = 100mV +0.385mV/℃ × T(℃) 參考電路: Iq：參考電壓IC之靜態工作電流會隨環境溫度而變。

  29. 感測與轉換(ch-3) 3-4 定電流法(二)：負載浮接型 ∵OP虛接地特性 V- = V+ =0V，Ii = 0 ∴Iref = I1 又依KVL V(T) = Iref × R(T) +V- = Iref × R(T)

  30. 感測與轉換(ch-3) 3-5 有源電橋法 為定電流法(二)負載浮接型之改良 ∵OP虛短路(接地)特性 V- = V+，Ii = 0 ，I1= Iref 依KVL V(T) = Iref × R(T) + V- = Iref × R(T) + V+ 若令 若令 ∴ 當T =0 ℃時 = 0V

  31. 感測與轉換(ch-3) 3-5 有源電橋法

  32. 感測與轉換(ch-3) 3-6 電阻之非線性補償 採取”並聯”方式 R’(T)=R(T)//R 3-7 頻率改變法 f(T) » 1 / R(T)xC

  33. 感測與轉換(ch-5) AD590規格表

  34. 感測與轉換(ch-5) AD590 IC內部電路圖

  35. 感測與轉換(ch-5) AD590 V – I 特性曲線

  36. 感測與轉換(ch-5) AD590 溫差測量電路

  37. 感測與轉換(ch-5) 工作原理說明 電路分析： ∵OP Amp的虛接地特性V- = V+ = 0V，Ii = 0 依KCL定理得知I(T2) = I(T1) + IaIa = I(T2) - I(T1) = I(0) + βT2 -﹝I(0) + βT1﹞ = β(T2 - T1) 又依KVL定理Vo(T) = Ia × R5 + V- =β(T2 – T1) × R5 = 1μA/℃(T2 – T1) × 20kΩ = 20mV/℃ × (T2 – T1) 溫差量測之用途： 如冰箱隔熱材料的評估 1.初始： T2 – T1 = 25℃-(-20℃) = 45℃ 2. 1 hr. 後： T2 – T1 = 20℃-(-10℃) = 30℃ AD590 溫差測量電路

  38. 感測與轉換(ch-5) AD590 串聯與並聯之應用

  39. 感測與轉換(ch-5) AD590 簡易的溫控電路

  40. 感測與轉換(ch-5) • 電路分析： • 7812穩壓IC，產生Vref = +12V • 感溫IC AD590，利用壓降法產生V(T) =I(T) ×R4= 2.732V + 10mV/℃ × T(℃)V(0) = 2.732V (T = 0℃)V(100) = 3.732 (T = 100℃) • 利用R2(VR)調整範圍2.732V～3.732V • 利用LM311電壓比較器做溫控判斷當V+ > V- => Vo = +Vsat ≒ +Vcc V+ < V- => Vo = -Vsat ≒ 0V又LM311為集極開路(O.C.) ，故需提升電阻 . • 若溫度T比設定溫度Tset低時，即T < Tset時V+ > V- = V(T) => Vo = +Vsat ≒ +Vcc 例如：Tset = 50℃ ， V+= 3.232V，T = 20℃，V(20) = 2.932V=>Vo≒ +Vsat ≒ + Vcc => Q1及Q2 ON (飽和區工作)=> Relay ON => 加熱器ON (使T上升) • 若溫度T比設定溫度Tset高時，即 T> Tset時V+ < V- => Vo ≒ 0V => Q1 及 Q2 OFF (截止區)=> Relay OFF => 加熱器OFF (使T下降) AD590 簡易的溫控電路

  41. 感測與轉換(ch-5) 0~100℃電子溫度計(分流法)

  42. 感測與轉換(ch-5) ㄧ、工作原理： ∵OP Amp的虛接地特性，V-＝V+＝0V、Ii＝0 又依克希荷夫電流定理 I(T)＝I1＋I2，I(T) ＝I(0)＋βT I(0)＋βT＝ I1＋I2 I2＝I(0)＋βT－I1 若令I1＝I(0)＝273. 2μA → I2＝βT 再依克希荷夫電壓定理 Vo(T)＝I2 × (R3＋R4) ＝β× T × (R3＋R4) Vo(T)＝1μA／℃ × T(℃) × (R3＋R4) 又Vo(T)＝10mV／℃ × T(℃) 10mV／℃ × T(℃)＝1μA／℃ × T(℃) × (R3＋R4) R3＋R4＝10mV÷1μA＝10 × 10-3 × 106Ω ＝10×103Ω ＝10kΩ 若R3選擇9.1kΩ＋390Ω≒9.5k R4為精密多轉(10轉以上)半可變電阻(SVR)1kΩ →R3＋R4≒9.5kΩ〜10.5KΩ

  43. 感測與轉換(ch-5) I1＝(Vref－V-) ÷ (R1＋R2) →R1＋R2＝2.5V÷273. 2μA＝9.15kΩ 若R1＝8. 2kΩ＋680Ω＝8.9KΩ R2為精密多轉半可變電阻(SVR) 0〜500Ω R1＋R2：8.9kΩ〜9.4kΩ

  44. 感測與轉換(ch-5) 二、電路測試方法： 1.測量Vz＝2.500V ? (±Vcc：± 5V〜± 10V) 2.測量Vref＝Vz＝2.500V ? 3.測量OP2之V-＝0.000V ? 4.任意調整R2、R4觀察Vo(T)＝150mV〜350mV？ 5.以手指接觸AD590的外殼，觀察Vo(T)是否會上升？

  45. 感測與轉換(ch-5) 三、溫度校正步驟： 1.設定溫度校正爐，使T＝0℃ 調整R2(500，SVR)，使Vo(0)＝0.000V。 2. 設定溫度校正爐，使T＝100℃ 調整R4(1k，SVR)，使Vo(100)＝1.000V。 3.設定溫度校正爐，使T＝50℃ 不調整任何元件，觀察Vo(50)＝0. 500V。

  46. 感測與轉換(ch-6) 第六章 白金感溫電阻 Pt100 正溫度係數(電阻) 負溫度係數(電阻) 6-1 白金感溫電阻的特性 電阻式的溫度檢測器(RTD) Resistance Temperature Detector 是以金屬製的感溫電阻，通常以金屬細線繞製而成 均具有正溫度係數 材質有銅、鎳及白金等金屬或合金 其中以白金細線所製成者精確度與安全性最高

  47. 感測與轉換(ch-6) Pt100：0℃時，電阻值為100Ω 即R(T) = R(0) +αT R(0) = 100Ω 為RTD中的標準規格 低溫用，0.15級( -200℃~ +100℃) ±0.06Ω、±(0.15 + 0.0015t)℃ 中溫用，0.2級( 0℃~ +350℃) ±0.06Ω、±(0.15 + 0.002t)℃ 高溫用，0.5級( 0℃~ +500℃) ±0.12Ω、±(0.3 + 0.005t)℃ Pt100的工作電流不可太大，應低於2mA以下，以免造成自體發熱 Pt100國際的標準： 歐規標準：溫度係數 3850PPm/℃  0.385Ω/℃ R(T) = R(0) +αT = R(0)(1+ ) = 100Ω(1 + (℃)) α= 0.385Ω/℃ 6-1 白金感溫電阻的特性

  48. 感測與轉換(ch-6) 白金感溫電阻除了 Pt100外，另有: Pt25，R(0) = 25Ω Pt50，R(0) = 50Ω Pt500，R(0) = 500Ω Pt1000 = Pt102，R(0) = 1000Ω 6-1 白金感溫電阻的特性

  49. 感測與轉換(ch-6) 6-3 Pt100引線的處理 Rs：接觸電阻，非常小 Rp：引線電阻，會受環境溫度影響 L1、L2引線(數米到數十米長) Pt100依引線數的不同，，可分成3種，分別為: 兩線式、參線式、四線式

  50. 感測與轉換(ch-6) 兩線式: 電橋平衡時 = R2 = R3 兩線式修正後的線路: L3 L4 加入L3、L4 使L1 = L2 = L3 = L4 6-3 Pt100引線的處理

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