Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Wyszukiwarki naszych partnerów

Wyszukaj w ofercie 200 tys. produktów TME
Proszę, dodaj wyjątek elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Przewodnik po kondycjonowaniu sygnałów analogowych z sensorów

ghost666 13 Kwi 2015 00:43 3021 7
  • Wstęp

    W wielu aplikacjach pomiarów parametrów środowiskowych lub strukturalnych, takich jak temperatura czy natężenie wibracji, stosuje się dedykowane sensory tych własności. Sensory te z kolei wymagają różnego rodzaju kondycjonowania sygnałów analogowych, zanim możliwe jest podłączenie ich do układów akwizycji danych, pozwalających na efektywny i precyzyjny pomiar sygnału. Kondycjonowanie sygnału jest niezwykle istotnym elementem toru analogowego, umożliwiającego digitalizację sygnału analogowego. Bez analogowej optymalizacji rzeczywistych sygnałów, systemy cyfrowe nie osiągałyby wymaganej od nich precyzji pomiaru. Kondycjonowanie sygnałów wymaga szerokiego zakresu funkcjonalności, zależnych od rodzaju wykorzystywanego sensora, zatem nie może istnieć uniwersalny układ do kondycjonowania sensorów analogowych. Na przykład termopara - wymaga linearyzacji i wzmocnienia niewielkiego sygnału napięciowego, jaki generuje. Z kolei sensory takie jak tensometry czy akcelerometry wymagają źródła sygnału wzbudzającego. Inne sygnały wymagać mogą innych zabiegów w torze analogowym. Podstawa poprawnie działającego systemu pomiarowego to zrozumienie jakie wymagane są elementy w torze analogowym, aby możliwy był precyzyjny pomiar wartości mierzonej przez sensor.

    Poniższy artykuł omawia specyfikę kondycjonowania sygnałów pochodzących z najczęściej wykorzystywanych rodzajów sensorów analogowych, a także omawia w dalszej części kluczowe zagadnienia związane z opracowywaniem i utrzymaniem tego rodzaju systemów pomiarowych.

    Podstawy kondycjonowania sygnałów analogowych

    Większość sygnałów analogowych wymaga przed digitalizacją jakiegoś rodzaju obróbki analogowej. Sygnał zbierany z termopary na przykład, ma bardzo niskie napięcie i musi zostać wzmocniony, inne sensory wymagają wzbudzenia, linearyzacji etc. Wszystkie tego rodzaju działania są formami kondycjonowania sygnałów analogowych. Poniższa lista zbiera i pokrótce opisuje różne podstawowe rodzaje kondycjonowania sygnałów oraz przedstawia przykładowe ich realizacje w celu ułatwienia zrozumienia jak dana technologia działa.

    Wzmocnienie

    Wzmacniacze służą do zwiększenia napięcia do poziomu który pozwala na lepsze dopasowanie go do zakresu napięć wejściowych konwertera analogowo-cyfrowego (ADC) w systemie. Przekłada się to na zwiększenie rozdzielczości i czułości układu pomiarowego. Dodatkowo, umieszczając aktywne komponenty wzmacniacza blisko sensora czy przetwornika, poprawia się stosunek sygnału do szumu w mierzonym sygnale elektrycznym, poprzez wzmocnienie sygnału z sensora zanim środowisko będzie miało okazję wprowadzić do sygnału różnego rodzaju zakłócenia.

    Typowymi sensorami wymagającymi wzmacniania są termopary i tensometry.

    Tłumienie

    Tłumienie, przeciwnie do wzmacniaczy, konieczne jest gdy napięcie którego wartość ma być digitalizowana jest większe niż maksymalne napięcie wejściowe przetwornika ADC. Tego rodzaju kondycjonowanie sygnału zmniejsza amplitudę napięcia z sensora do zakresu, który pozwala na połączenie go z przetwornikiem.





    Tłumiki potrzebne są zazwyczaj gdy mierzymy napięcie (niezależnie jaki sensor jest jego źródłem) powyżej 10 V.

    Filtrowanie

    Filtry to układy pozwalające na usuwanie szumu w pewnym, zdefiniowanym zakresie częstotliwości. Bardzo często stosuje się filtry dolnoprzepustowe do filtracji szumu w systemach pomiarowych - na przykład zakłóceń o częstotliwości równej 50 Hz, pochodzących z sieci energetycznej. Innym, bardzo popularnym zastosowaniem dla filtrów analogowych jest zapobieganie aliasingu sygnałów o wysokiej częstotliwości na przetworniku ADC. Wykorzystuje się do tego tak zwany filtr anty-aliasingowy, który tłumi sygnały powyżej tak zwanej częstotliwości Nyquista, zależnej od częstotliwości próbkowania układu ADC.

    Filtry anty-aliasingowe i inne stosuje się najczęściej z sensorami, których pomiary analizuje się w przestrzeni częstotliwości - są to mikrofony i akcelerometry - w aplikacjach do pomiaru dźwięku lub np. wibracji.

    Izolacja galwaniczna

    Sygnały napięciowe znajdujące się sporo poza zakresem wejściowym układów odpowiedzialnych za digitalizację sygnału mogą uszkodzić system pomiarowy lub być niebezpieczne dla użytkownika. Z uwagi na ten fakt, systemy tłumienia wysokich napięć często wykorzystuje się w układach, zapewniających izolację galwaniczną. Zabezpiecza to układ i osobę go obsługującą przed wysokim napięciem. Systemy izolacji wykorzystuje się także, gdy sensor znajduje się na potencjale innej masy niż masa systemu pomiarowego. Na przykład jeśli termopara przyczepiona jest do uziemionej obudowy silnika.

    Generacja wzbudzenia

    Sygnały wzbudzające wymagane są przez wiele rodzajów przetworników do poprawnej pracy. Przykładem tego mogą być tensometry, akcelerometry czy termistory, które wymagają wzbudzenia w postaci stałego prądu o znanej wartości. Pomiary z wykorzystaniem termistora realizuje się dzięki temu, że przy stałym prądzie, zmienny opór tego elementu przekłada się na mierzalną zmianę napięcia. Akcelerometry bardzo często mają wbudowany wzmacniacz, który wymaga wzbudzenia prądem w celu poprawnej pracy. Tensometry, które bardzo często są układami o niewielkim oporze, są zazwyczaj wykorzystywane w formie mostka Wheatstona (patrz rysunek pierwszy), który wymaga wzbudzenia stałym napięciem.

    Przewodnik po kondycjonowaniu sygnałów analogowych z sensorów
    Rys.1. Mostek Wheatstona wymagający wzbudzenia napięciowego


    Linearyzacja

    Linearyzacja to proces, który jest wymagany, jeśli dany sensor nie generuje sygnału napięciowego o napięciu proporcjonalnym do fizycznej wartości, która jest w ten sposób mierzona. Linearyzacja może być zaimplementowana w układzie w postaci bloku w torze analogowym, albo w sekcji cyfrowej w postaci odpowiednich procedur w oprogramowaniu.

    Typowym sensorem wymagającym linearyzacji jest termopara.

    Kompensacja zimnego złącza

    Kompensacja zimnego złącza (CJC) to zabieg wymagany do poprawnej pracy termopary. Tego rodzaju sensor mierzy różnicę napięć pomiędzy dwoma różnymi metalami. To samo zjawisko powoduje, iż pomiędzy drucikami termopary, a terminalami systemu pomiarowego tworzy się inne napięcie. Procedura kompensacji zimnego złącza polega na pomiarze temperatury terminali, co pozwala na wprowadzenie odpowiednich poprawek do zmierzonej temperatury. Przekłada się to na zwiększenie dokładności pomiaru temperatury z wykorzystaniem termopary.

    Kompletowanie mostka

    W przypadku korzystania z ćwierć- i półmostków sensorowych, konieczne jest ich kompletowanie w celu przeprowadzenia pomiaru w takim samym trybie jak w czteroelementowym mostku Wheatstona. Dedykowane do kompletowania mostków układy zawierają w sobie precyzyjne rezystory oraz inne potrzebne elementy aktywne. Rezystory kompletujące mostek pozwalają na detekcję bardzo niewielkich zmian napięcia na sensorach. Przykład tego rodzaju mostka pokazano na rysunku drugim, gdzie układu kompletuje półmostek złożony z dwóch tensometrów Rg.

    Przewodnik po kondycjonowaniu sygnałów analogowych z sensorów
    Rys.2. Przykład układu kompletującego półmostek złożony z tensometrów.


    Tego rodzaju układy bardzo często stosuje się do sensorów tensometrycznych.

    Metoda próbkowania

    Zazwyczaj w cyfrowych systemach pomiarowych, najdroższym elementem jest system akwizycji danych. Wykorzystanie multipleksowania pozwala w istotny sposób zmniejszyć efektywne koszty poprzez efektywne, sekwencyjne kierowanie różnych sygnałów do pojedynczego układ digitalizującego, co pozwala zwiększyć liczbę kanałów pomiarowych przy jednoczesnym zachowaniu kosztów. Jedynie gdy istotne dla pomiaru jest symultaniczne przetwarzanie cyfrowe dwóch (lub więcej) wartości w czasie, rekomendowane jest wykorzystanie kilku osobnych przetworników ADC w systemie.



    W dalszej części artykułu (dostępnej pod linkiem poniżej) opisano jakiego rodzaju sensory wymagają którego rodzaju obróbki w analogowym torze sygnałowym, a także na co koniecznie trzeba zwrócić uwagę projektując systemy kondycjonowania sensorów analogowych. Dalszy opis jest też poświęcony systemom kondycjonowania i digitalizacji danych firmy National Instruments w oparciu o systemy CompactDAQ oraz PXI.

    Źródło:

    http://download.ni.com/evaluation/signal_cond...ing/20712_Benefits_of_Integrated_SC_WP_HL.pdf

    Jeśli ktoś jest zainteresowany przeczytaniem dalszej części artykułu w języku Polskim proszę o informacje w komentarzach poniżej :).


    Fajne!
  • #2 13 Kwi 2015 09:11
    walbe
    Poziom 12  

    Ja chętnie przeczytałbym pozostałą część artykułu w j. polskim.

  • #3 14 Kwi 2015 17:57
    Top Gun
    Poziom 20  

    Ja również chętnie bym resztę przeczytał.

  • #4 17 Kwi 2015 12:40
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    Dodałem drugą część artykułu, można znaleźć go tutaj: https://www.elektroda.pl/rtvforum/artykuly.php?p=3021392

  • #5 30 Kwi 2015 15:36
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    Dodałem trzecią część artykułu, można ją znaleźć tutaj - https://www.elektroda.pl/rtvforum/artykuly.php?p=3027596

    [Przepraszam moderatora za post pod postem ;) ]

  • #6 02 Maj 2015 13:11
    walbe
    Poziom 12  

    Już ją przeczytałem, dziękujemy bardzo :-)

  • #7 10 Maj 2016 12:42
    cammeelo
    Poziom 11  

    Witam,
    Mam problem z otworzeniem tych linków z 2 i 3 części. Czy byłaby możliwość jakiegoś dostępu do tych materiałów?

  • #8 10 Maj 2016 12:51
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    cammeelo napisał:
    Witam,
    Mam problem z otworzeniem tych linków z 2 i 3 części. Czy byłaby możliwość jakiegoś dostępu do tych materiałów?


    Najprościej: https://www.elektroda.pl/rtvforum/find.php?q=P...nowaniu+sygna%B3%F3w+analogowych+z+sensor%F3w

 Szukaj w ofercie
Zamknij 
Wyszukaj w ofercie 200 tys. produktów TME