Sensorer och brus Introduktions föreläsning

Transkript

1 Sensorer och brus Introduktions föreläsning Administration Schema Kurslitteratur Föreläsningar Veckobrev Övningsuppgifter Laborationer Tentamen Kommunikation Kursens Innehåll Mätsystem Biasering Brus Sensorer (Dag Winkler) Fig. 1

2 Schema Datum Tid Kapitel, innehåll Lör 29/ Introduktions-föreläsning Administration + överblick över kursen Besök lablokal Sensorer, Brus i sensorer, Biasering Lokal: FL10 Mån 31/3 Brev 1 Kap. 1,2: Filosofi om mätningar, olika signaler, varför mäter vi elektronisk. Dator interface Mån 7/4 Brev 2 Kap. 3, 4, (5 översiktligt): Funktioner, biasering, specifikationer Påskveckan Tis 22/4 Brev 3 Kap. 6: Sensorer, teori, och exempel, översiktligt på "transdoktorer" Mån 28/4 Brev 4 Kap. 7,8: Offset, drift, guardning och skärmning Lör 3/ Föreläsning Störningar, Lockin, Brus i förstärkare, Anpassning till förförstärkare, extrema sensorer. Lokal: FL10 Mån 5/5 Brev 5 Kap. 9, 10: Brusbeskrivning, källor till brus, lock-in Mån 12/5 Brev 6 Kap. 11 (12 översiktligt) Anpassning av förförstärkaren till sensorn Lör 17/ Laboration Lokal : ET-labbet Mån 19/5 Brev 7 Extremt känsliga och kvantbegränsade sensorer Lör 24/ Laboration Lokal : ET-labbet Tis 27/ Frågetimme Frågetimme och genomgång av gamla tentor Lokal : FL12 Lör 31/ Tentamen Lokal:?

3 Kurslitteratur Boken är på engelska och heter : Electronic Measurement Systems, Theory and Practice. Författaren heter A F P van Putten. Finns på Cremona Pris: ca 600kr Fig. 3

4 Vilka delar av boken är r viktiga Kapitel 1 Ingår Kapitel 2 Ingår Kapitel Ingår 3.10 Ingår Ingår ej Kapitel 4 Ingår Kapitel 5 Kursivt Kapitel 6 Ingår, Sensorer viktigt, Aktuatorer kursivt Kapitel 7 Ingår, viktigt Kapitel 8 Ingår, viktigt Kapitel 9 Ingår, viktigt Kapitel 10 Ingår, viktigt Kapitel 11 Ingår ej Fig. 4

5 Föreläsningar Lör 29/3, Introduktionsföreläsning Administration, Kursens innehåll, Sensorer, Brus i sensorer, Biasering Lör 3/5, Föreläsning 2 Störningar och störningsundertryckning, Lock-in, Brus i förstärkare, Anpassning till förförstärkare, extrema sensorer Tis 27/5, Frågetimme och gamla tentor Fig. 5

6 Veckobrev Veckobrev läggs upp på webben eller skickas ut varje måndag enligt det bifogade schemat. Information om kursen hittar du på web-adress: Veckobrevet innehåller anvisningar till vika delar av kurslitteraturen som ska läsas, vilka övningsuppgifter som ska lösas, och vilka delar som vi fäster särskilt stor vikt vid. Fig. 6

7 Övningsuppgifter Ett antal övningsuppgifter ingår i varje veckobrev. En del av uppgifterna är obligatoriska. Dessa ska lösas och returneras inom en vecka. Dom bedöms och måste vara godkända för att hela kursen ska bli godkänd. Dessutom kommer vi att ange ett antal övningsuppgifter som ni rekommenderas att lösa men som inte behöver skickas in. Fig. 7

8 Laborationer: Två obligatoriska labbar ingår i kursen. Den ena labben behandlar bl.a. Lock-in- förstärkaren och störningar. Den andra labben behandlar brus i förförstärkare och optimering av sensorer till förförstärkaren. Varje labb tar 8 timmar (inklusive lunch), det finns 2 olika labbtillfällen, den 17/5 och den 24/5. Information om laborationerna och instuderingsfrågor finns på hemsidan. Före laborationen ska instuderings frågor lösas och skickas in, senast en vecka före labbtillfället Efter laborationen ska en labbrapport skrivas och lämnas in senast två veckor efter labben. Fig. 8

9 Examination Kursen ger totalt 5 poäng fördelat på 2p på labbdelen och 3p på kursdelen. Skriftlig tentamina anordnas preliminärt den 31/5 i sal?, kl För att bli godkänd på hela kursen krävs förutom godkänt på tentan att alla inlämnings uppgifter och labbrapporter lämnats in och godkänts. Hjälpmedel: Ett A4 blad med egna handskrivna anteckningar och formler, Physics Handbook, TEFYMA, Standard Math Tables, el. liknande, valfri kalkylator. Typ av uppgifter: Sex uppgifter, 3poäng på varje. Flertalet av uppgifterna kommer att vara räkneuppgifter, en eller En till två av uppgifterna kan vara beskrivande. För godkänt prov fordras minst 8.5 poäng uppgifterna. Väl godkänt fordrar 13.5 poäng. Max 18 poäng. Fig. 9

10 Kommunikation Vi kommer att försöka lägga upp så mycket av informationen som möjligt, på web-adressen: Den som inte har tillgång till internet och skrivare kan få materialet hemsänt med vanlig post. Lättast når ni oss med frågor via e-post, eller telefon. Tel: Dag Winkler Tel: Jonas Bylander Tel: Inlämningsuppgifter, instuderingsfrågor och labbrapporter vill vi dock ha insända med vanlig post till: Inlämningsuppgifter: Fysik och Teknisk Fysik Chalmers / Göteborgs Universitet Göteborg Instuderingsfrågor och labbrapporter Jonas Bylander Fysik och Teknisk Fysik Chalmers / Göteborgs Universitet Göteborg Fig. 10

11 FY0350: Sensorer och Brus Noggrannheten hos en mätning beror i huvudsak på de två första delarna i ett mätsystem. I de flesta mätsystem omvandlas en fysikalisk storhet till en elektrisk signal av en sensor och förstärks sedan av en förförstärkare. Kursen i Sensorer och brus behandlar hur man på bästa sätt väljer och designar dessa båda komponenterna i ett mätsystem. Dels behandlas olika typer av sensorer, deras egenskaper och begränsningar. Vad begränsar sensorns känslighet, är det brus, drift eller fysiken som sensorn bygger på. Hur uppstår bruset i sensorn och hur kan man minimera det. Olika exempel på sensorer som kommer att behandlas Dels behandlas hur man anpassar efterföljande förförstärkare för att utnyttja känsligheten hos sensorn på bästa möjliga sätt. Vilken typ av förförstärkare ska man använda beroende på sensorns egenskaper. Kursen omfattar också störningsundertryckning och brus reducering. Kursen är riktar sig både till fysiker som i sitt framtida arbete i industrin kommer att göra avancerade mätningar och till blivande doktorander Fig. 11

12 Kursens Innehåll Kursen behandlar optimering av de första f stegen i ett mätsystemm Experiment Sensor Förförstärkare Lock-in förstärkare A/D omvandlare Dator Fig. 12

13 Exempel på p sensorer Trycksensorer lämpliga t ex mätning av vakuum, tryck, flöde, nivå, höjd, djup mm Enelektrontransistor n: ett exempel på en kvantbegränsad laddningssensor Kapacitiv fuktsensorelement för mätning av luftfuktighet Temperatursensor som lämnar ut en spänning som är pro-portionell mot temperaturen Halvledarsensor för detektering och mätning av gaser. T.ex. CO, Tobaksrök, propan, butan, bensen, alkoholer, bensinångor mm PT-100: Liten temperaturgivare med korta svarstider. Tillverkad i tunnfilmsteknik, keramisk platta med glastäckt platina-film. Fig. 13

14 Sensorns egenskaper Energityper Elektriska egenskaper Biasering Strålnings Mekanisk Termisk Elektrisk Magnetisk Kemisk Känslighet Frekvensomfång Brus Offset Impedans Temperatur Ström bias Spänningsbias Bland bias Brygg biasering Fig. 14

15 Ström eller spännings bias Biasering av sensorer En modulerande sensor behöver biaseras. På vilket sätt sensorn biaseras kan ibland vara avgörande för resultatet Ibland behöver man skicka en konstant ström genom sensorn, och mäta spänningen Ibland behöver man lägga på en konstant spänning och mäta strömmen. Ibland är varken ström eller spänning konstant man talar då om blandbias. Bryggkoppling Med en bryggkoppling kan man subtrahera en stor grund signal och bara titta på avvikelser från ett konstant värde. Symmetrisk biasering Ibland kan det vara mycket fördelaktigt att biasera symmetriskt, man kan då minska parasitiska effekter. Fig. 15

16 Olika typer av brus i sensorer Termiskt brus (kallas också Johnsonbrus eller Nyquistbrus) Detta brus beror direkt på temperaturen och dess densitet är oberoende av frekvens, man säger att det är vitt. Beror även på impedansen hos sensorn. Hagelbrus (på engelska Shotnoise) Detta brus beror på att laddningsbärarna (elektronerna) har en välbestämd (kvantiserad) laddning och uppträder när laddningen passerar en energibarriär, t.ex. en p-n övergång eller en tunnelbarriär. Hagelbrus är också vitt. Lågfrekvensbrus (kallas även 1/f brus) Detta brus uppstår på olika sätt när laddningsbärare transporteras i en komponent vars egenskaper ändrar sig i tiden. Detta kan t.ex. bero på fasta laddningar som hoppar mellan två stabila lägen och därmed ändrar ledningsförmågan i komponenten. Detta brus ökar med minskande frekvens med ett beroende som är relativt nära 1/f. Fig. 15

17 v n [nv/ Hz] Brus i förförstärkarerkare LT 1028 OP 27/37 AD 743 OPA 627/637 OPA 111 OPA mk 4.2 K 300 K v n vs. R 10Hz R s (Ω) v n = e n 2 + 4k B TR + i n 2 R 2 Fig. 16