Vandaag:

1
Vandaag

• meten van
• ektrische grootheden
• thermische grootheden
• magnetische grootheden
• optische grootheden
• oefenvraagstukken

2
Vandaag

• meten van
• ektrische grootheden weerstand
• thermische grootheden
• magnetische grootheden
• optische grootheden
• oefenvraagstukken

3
problems (1)

• at (very) low resistance values
• at long connecting wires

4
lead resistances
5
solution four-terminal measurement
6
problems (2)

• at (very) low resistance changes

• stability of the current source
• temperature coefficient of R
• range (mismatch to ADC)

7
(2) bridge indicator
measurement of small changes with respect to the
nominal value
in equilibrium all resistances have equal value

• three possibilities
• 1 active element
• 2 active elements (half bridge mode)
• 4 active elements (full bridge mode)

8
bridge sensitivity
single element bridge
half bridge mode
full bridge mode
9
advantages of a bridge configuration

• stable zero (at equilibrium)
• independent of voltage source
• insensitive to CM interference signals
• larger dynamic range
• linear transfer (in differential mode)

10
temperature measurements

• Principles
• sensors

11
(17) fixed calibration points
12
thermometry - methods
contact thermometers
non-contact thermometers (radiation thermometers)
optical output
electrical output
pyrometers
thermocouple (Seebeck effect)
resistance RR(T)
pn-junction (bandgap)
NTC
metals
semiconductors (thermistors)
PTC
13
metal resistance thermometers
R (?)
R0
T (K)
t (?C)
0 ?C
14
example Pt100

• Pt platina
• R R0(1 ?t ) (range about 0 - 100?C)
• R0 100 ?
• ? ? 0.004 K-1 (or ? R0 0,4 ?/K
• for a wider range
• R R0 (1 ?t ?t2 )
• ? 3,90802?10-3 K-1
• ? - 5,8020?10-7 K-2

15
various shapes
16
Pt100 sensor array on chip
17
Pt100 on chip (detail)
18
industrial types (with signal processing)
19
Pt100 used as a temperature standard
20
temperature sensitive semiconductors

• thermistor (thermal resistor)

NTC (negative temperature coefficient)
B 2000 ....5000
so for B3600 and T 300 K sensitivity S
?4/K
21
(No Transcript)
22
temperature sensitive semiconductors
PTC (positive temperature coefficient)
over a limited temperature range
23
thermoelectric sensors
a
T1
Vab f ( T1- T2)
T2
b
Ni-NiCr 40 ?V/K temperature difference
Seebeck coefficient V/K
24
thermoelectric sensors
25
thermoelectric sensors
T3
a
T1
Vo ??
b
T4
26
some types - sensitivity - ranges
27
thermocouple sensitivity curves
28
pn-junction as temperature sensor
2 transistors with current ratio r
PTAT (proportional-to-absolute-temperature)
29
radiation thermometry
30
radiation pyrometer
31
thermopiles
32
examples of infrared images
33
vraagstuk 1
Voor welk type temperatuursensor geldt in goede
benadering R(T) Ro1?T met T de temperatuur
in ?C?

• NTC
• Pt100
• thermistor
• thermokoppel

34
vraagstuk 2
Wat is (ruwweg) het maximale temperatuurbereik
van een PTAT (proportional-to-absolute-temperature
) temperatuursensor?

• kamertemperatuur
• 120 ?C
• 500 ?C
• 1200 ?C

35
Vraagstuk 3

• Voor een temperatuurmeting kiest men een Pt100
  temperatuursensor. De genormaliseerde
  weerstandswaarde van deze sensor luidt R(T)
  R0(1 aT bT2), met
• R(T) de weerstandswaarde bij temperatuur T (in
  ?C),
• R0 100,00 O
• a 3,9?10-3 K-1
• b -5,8?10-7 K-2
• Indien men bij deze meting geen rekening houdt
  met de factor b (men veronderstelt deze gelijk
  0), maakt men een niet-lineariteitsfout. Hoeveel
  bedraagt die fout t.o.v. de correcte waarde bij
  een temperatuur van 200?C?
• -5,95 ?C -2,97 ?C -0,03 ?C -0.023 ?C

36
Vandaag

• meten van
• ektrische grootheden
• thermische grootheden
• magnetische grootheden
• optische grootheden
• oefenvraagstukken

37
meten van H- of B-velden

• Spoeltje
• Hall sensor
• Flux gate sensor

wisselveld spoeltje draaien
38
Hall sensors
Lorentz force on moving charges
Charge displacement ? electric field E ?
electrostatic force
Equilibrium
Silicon Hall sensors 2D 3D
39
Fluxgate sensor
balans-configuratie V(H0) 0
40
comparison of specifications
property fluxgate AMR Hall (Si) unit range 10-
4 10-3 ... 10-2 100 T sensitivity 4104 5 0.1 V
/T t.c. sensitivity 30 600 ppm/K linearity 10-
5 10-2 - offset 0.001...0.01 10 ... 100 1
... 100 mT t.c.offset 0.03 ... 0.2 10 ...
100 nT/K bandwidth 10 ... 106 ... 106 Hz
41
vraagstuk 4
Hieronder staan vier uitspraken over een fluxgate
sensor. Welke daarvan is ONJUIST?

• Een fluxgate sensor berust op het periodiek in
  verzadiging brengen van een ferromagnetische kern
• Een fluxgate sensor bevat in principe twee
  spoelen een aandrijfspoel (excitation coil) en
  een meetspoel (sense coil)
• Een fluxgate sensor is niet geschikt voor het
  meten van statische magneetvelden
• Een fluxgate sensor is gevoelig genoeg om er het
  aardmagnetisch veld mee te meten

42
vraagstuk 5
Welke uitspraak over de Hallsensor is NIET juist?

• Met een Hall sensor kunnen zowel statische
  magneetvelden als wisselvelden worden gemeten
• De gevoeligheid van een Hall sensor is omgekeerd
  evenredig met de elektrische geleidbaarheid van
  het materiaal waaruit deze is opgebouwd
• De Hallspanning is evenredig met de stroom I door
  de sensor
• De gevoeligheid van een Hall sensor is evenredig
  met de dikte d

43
radiometrische grootheden
44
radiant flux radiant intensity - irradiance
45
Radio- ? fotometrische grootheden
46
optical sensors

• photo resistor (LDR - light dependent resistor)
• photovoltaic cell
• photo diode
• photo transistor
• PSD (position sensitive diode)
• camera (CCD, CMOS)

47
PSD (position sensitive diode) 1
opbouw
Model
48
PSD (position sensitive diode) 2
49
PSD-karakterisering

• dimensies
• 1-dimensionaal
• 2-dimensionaal
• totale lengte L
• totale weerstand
• niet-lineariteit

50
interfacing PSD (1)
51
interfacing PSD met terugkoppeling
V(som) V(ref)
52
vraagstuk 6
Een lichtbundel valt op positie x op een
1-dimensionale PSD, en genereert daar een
fotostroom If. De totale effectieve lengte van
de PSD is L. Welke van de volgende uitdrukkingen
voor de uitgangsstromen Ia en Ib is de juiste?
53
vraagstuk 7
Met een PSD en een laserlichtbundel kan men
afstanden contactloos meten. De afstand x vindt
men uit de beide uitgangsstromen I1 en I2 via de
uitdrukking
Nu valt er op de PSD niet alleen de lichtbundel
maar ook een constante hoeveelheid
omgevingslicht, homogeen over het gehele
oppervlak van de PSD. In hoeverre wordt het
meetresultaat hierdoor verstoord?
54
vraagstuk 7 (vervolg)

• omgevingslicht heeft geen invloed
• er wordt een te kleine afstand gemeten
• er wordt een te grote afstand gemeten
• omgevingslicht heeft alleen dan geen invloed als
  de totale intensiteit precies even groot is als
  die van de lichtbundel

55
vraagstuk 8
Met het gegeven thermokoppel wordt het
temperatuurverschil Ty Tz gemeten. De
aanvoerdraden zijn van materiaal 1, de
thermokoppeldraden van materiaal 2 en 3, zoals
aangegeven in de figuur.
56
vraagstuk 8 (vervolg)
De Seebeck coefficienten van de materialen in
deze opstelling zijn ?12 20 ?V/K en ?23 40
?V/K. Hoe groot is de uitgangsspanning, indien
geldt Tx 20?C, Ty 100?C en Tz 0?C?

• 3,6 mV
• 4,0 mV
• 5,2 mV
• 6,0 mV

Optellen Seebeckspanningen langs het draadcircuit
(bedenk dat ?12 - ?21 enz.) V0 ?12Tx
?23Ty - ?23Tz - ?12Tx ?23(Ty Tz) 40 .
10-6 . 100