Practica 02: Acondicionamiento de sensores resistivos

Transcripción

Practica 02: Acondicionamiento de
sensores resistivos
M. en C. Edgardo Adrián Franco Martínez
http://www.eafranco.com
[email protected]
@edfrancom
edgardoadrianfrancom
1
• Introducción
• Objetivos
• Lista de Materiales
• Actividades
• Observaciones
• Reporte
• Fecha de Entrega
Instrumentación
Prof. Edgardo Adrián Franco Martínez
Contenido
2
• El acondicionamiento de una señal consiste en la
manipulación electrónica de dicha señal, con los dispositivos
adecuados, para obtener rangos de voltajes o corrientes
adecuados a las características del diseño.
Instrumentación
Introducción
3
Instrumentación
• La flexibilidad en el diseño de los acondicionadores
de señal para sensores resistivos, junto con la
abundancia de mecanismos y variables que pueden
modificar la resistencia eléctrica de un material,
hacen que los sensores resistivos sean el grupo de
sensores más numeroso.
4
• Un fotoresistor está hecho de un semiconductor de alta
resistencia como el sulfuro de cadmio, CdS. Si la luz que incide
en el dispositivo es de alta frecuencia, los fotones son
absorbidos por la elasticidad del semiconductor dando a los
electrones la suficiente energía para saltar la banda de
conducción. El electrón libre que resulta, y su hueco asociado,
conducen la electricidad, de tal modo que disminuye la
resistencia. Los valores típicos varían entre 1 MΩ, o más, en la
oscuridad y 100 Ω con luz brillante.
Instrumentación
• Una fotoresistencia es un componente electrónico cuya
resistencia disminuye con el aumento de intensidad de luz
incidente. Puede también ser llamado célula fotoeléctrica o
resistor dependiente de la luz (LDR).
5
• El puente de Wheatstone se utiliza para medir resistencias
desconocidas mediante el equilibrio de los brazos del
puente. Estos están constituidos por cuatro resistencias que
forman un circuito cerrado, siendo una de ellas la resistencia
bajo medida.
Instrumentación
• El puente de Wheatstone es un instrumento de gran
precisión que puede operar en corriente continua o alterna y
permite la medida tanto de resistencias óhmicas como de
sus equivalentes en circuitos de corriente alterna en los que
existen otros elementos como bobinas o condensadores
(impedancias).
6
• Los amplificadores operacionales se pueden conectar
según dos circuitos amplificadores básicos: configuración
inversor y no inversor. Casi todos los demás circuitos con
amplificadores operacionales están basados, de alguna
forma, en estas dos configuraciones básicas. Además,
existen variaciones estrechamente relacionadas de estos
dos circuitos, más otro circuito básico que es una
combinación de los dos primeros (amplificador diferencial).
Instrumentación
• El amplificador operacional es un circuito electrónico que
tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de
las dos entradas multiplicada por un factor G( ganancia):
Vout = G (V+ − V−)
7
• Su utilización es común en aparatos que trabajan con señales muy
débiles, tales como equipos médicos (por ejemplo, el
electrocardiograma), para minimizar el error de medida.
Instrumentación
• Un amplificador de instrumentación es un dispositivo creado
a partir de amplificadores operacionales. Está diseñado para
tener una alta impedancia de entrada y un alto rechazo al
modo común (CMRR). Se puede construir a base de
componentes discretos o se puede encontrar encapsulado (por
ejemplo el INA114, INA122, AD623AN). La operación que realiza es la resta
de sus dos entradas multiplicada por un factor.
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• Utilizar un sensor resistivo (LDR) y analizar sus respuestas de
salida según diversas configuraciones para comparar y
determinar un circuito de acondicionamiento adecuado para
este sensor.
• Comparar los distintos tipos de configuraciones y analizar las
respuestas de salida del acondicionamiento para determinar
de manera experimental las configuraciones más adecuadas
para este tipo de sensor.
• Graficar y analizar la linealidad de la señal de salida una vez
que se agrega una configuración de acondicionamiento a un
sensor resistivo.
Instrumentación
Objetivos
9
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
1 Fotorresistencia
3 LM324
3 LM741
3 Resistencias de 1MΩ
3 Resistencias de 10KΩ
3 Resistencias de 1KΩ
3 Resistencias de 330Ω
3 Resistencias de 100Ω
Resistencias varias
Multímetro
Fuente de alimentación
Instrumentación
Lista de Materiales
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1. Realizar la medición de la resistencia dada por la
fotorresistencia para las 5 condiciones siguientes:
Luz directa
lámpara
(Aprox. 5000 lux)
Luz ambiente
(Luz amanecer
aprox. 2,000 Lux)
Luz sobre la mesa
de trabajo (Aprox.
600 lux)
Semi-obscuridad
(Aprox. 40 lux)
Obscuridad
(Aprox. 0 lux)
2. Indicar si es el valor esperado según la hoja de datos del
dispositivo, con base en los luxes aproximados de cada
condición.
Instrumentación
Actividades
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Luz directa
lámpara
(Aprox. 5000 lux)
Luz ambiente
(Luz amanecer
aprox. 2,000 Lux)
Luz sobre la mesa
de trabajo (Aprox.
600 lux)
Semi-obscuridad
(Aprox. 40 lux)
Obscuridad
(Aprox. 0 lux)
Donde R1=R2=R3 y R4 es la fotorresistencia
El voltaje de alimentación será V=5 Volts
Medir para cada configuración los puntos A y
B el valor de voltaje bajo las 5 condiciones
Instrumentación
3. Realizar cinco configuraciones distintas del puente de
Wheatstone (1MΩ, 10KΩ, 1KΩ, 330Ω, 100Ω) y probar de
manera practica las 5 condiciones siguientes.
Calcular de manera teórica y comparar con
los resultados experimentales
12
• Cada configuración del puente de Wheastone mantiene los valores de
resistencia R1=R2=R3, probar con valores de 1MΩ, 10KΩ, 1KΩ, 330Ω,
100Ω .
• Medir entre A y B el voltaje, sometiendo a R4 (Fotoresistencia) a las 5
condiciones mencionadas.
Observaciones
• V=5Volts
• R1=R2=R3
• R4= Fotoresistencia 10MΩ o 1MΩ
Instrumentación
• Observaciones de la actividad 3
13
• Graficar la respuesta de voltaje de cada configuración vs. los luxes
aproximados de cada condición de luminosidad, tomando como base
los luxes de la siguiente tabla:
Luz directa
lámpara
(Aprox. 5000 lux)
*Tomar 5000 luxes
Luz ambiente
(Luz amanecer
aprox. 2,000 Lux)
*Tomar 1500 luxes
Luz sobre la mesa
de trabajo (Aprox.
600 lux)
*Tomar 500 luxes
Semi-obscuridad
(Aprox. 40 lux)
Obscuridad
(Aprox. 0 lux)
*Tomar 50 luxes
*Tomar 1 lux
Lux vs. V
Instrumentación
• Llenar una tabla de mediciones para cada configuración indicando los
valores de resistencia del puente de Wheatstone.
3
2
1
0
-500
V
0
-1
-2
-3
500
1000
1500
2000
2500
14
• Código de MATLAB para realizar aproximación por mínimos cuadrados
y=[5.7121 5.4756 5.161984 4.937284 4.84 4.227136 4.028049 3.61];
x=[1.425 1.39 1.32 1.235 1.205 1.105 1.05 0.9];
n=3;
p=polyfit(x,y,n)
xi=linspace(0.72,1.45,1000);
z=polyval(p,xi);
figure(1);
plot(x,y,'o',xi,z,'-'),grid;
ylabel('f(x)');
xlabel('x');
title('Ajuste de mínimos cuadrados');
• Código de SCILAB para realizar aproximación por mínimos cuadrados
x = [0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2]';
y = [4.8 6.2 6.8 7.2 7.8 9.2 8.8 9.2 8.8 9.2 7.8]';
m = size(x,1);
t = (x(1):0.01:x(m))';
n = 1;
A = zeros(m, n+1);
for i=0:n
A(:,i+1) = x.^i;
end
cf = A\y;
p = poly(cf, 'x', 'c');
ft = horner(p, t);
clf()
plot2d(t, ft)
p
Instrumentación
• Encontrar para cada uno de los resultados experimentales un
polinomio que se ajuste al comportamiento obtenido, determine el
grado según su percepción sobre el mejor ajuste y muestre su grafica.
15
• Utilizar el LM324, con alimentación de una sola fuente de 5V
• Utilizar el LM741, con alimentación de +12V y -12V.
• El Vref=5V para todos los casos
Luz directa
lámpara
(Aprox. 5000 lux)
Luz ambiente
(Luz amanecer
aprox. 2,000 Lux)
Luz sobre la mesa
de trabajo (Aprox.
600 lux)
Semi-obscuridad
(Aprox. 40 lux)
Obscuridad
(Aprox. 0 lux)
Instrumentación
4. Construir la siguiente configuración con cada modelo de
OPAM solicitado y con cada uno de los 5 puente de
Wheatstone del punto 3 y probar de manera practica las 5
condiciones.
16
valores de resistencia del puente de Wheatstone.
• Graficar la respuesta en voltaje de cada configuración vs. los luxes
aproximados de cada condición de luminosidad, tomando como base los
luxes de la siguiente tabla:
Luz directa
Luz ambiente
Luz sobre la mesa
Semi-obscuridad
lámpara
(Luz
amanecer
desobre
trabajo
(Aprox. Semi-obscuridad
(Aprox. 40 lux)
Luz
directa
Luz
ambiente
Luz
la mesa
(Aprox. 5000 lux) (Luz
aprox.
2,000 Lux) de600
lux) (Aprox. (Aprox. 40 lux)
lámpara
amanecer
trabajo
*Tomar
5000lux)
luxes aprox.
*Tomar
1500
luxes 600
*Tomar
*Tomar 50 luxes
(Aprox.
5000
2,000
Lux)
lux) 500 luxes
Obscuridad
(Aprox. 0 lux)
Obscuridad
(Aprox. 0 lux)
*Tomar 1 lux
• Cada configuración genera una grafica de respuesta en voltaje.
(Total 5
Instrumentación
graficas)
Lux vs. V
3
2
1
0
-500
-1
-2
-3
V
0
500
1000
1500
2000
2500
17
Instrumentación
• Al igual que en el punto 3 encontrar para cada uno de los resultados
experimentales un polinomio que se ajuste al comportamiento
obtenido en voltaje, determine el grado según su percepción sobre el
mejor ajuste y muestre su grafica.
18
•
•
•
•
Utilizar el LM324, con alimentación de una sola fuente de 5V
Utilizar el LM741, con alimentación de +12V y -12V.
Vc=5V para todos los casos
Medir el voltaje en Vo
Luz directa
lámpara
(Aprox. 5000 lux)
Luz ambiente
(Luz amanecer
aprox. 2,000 Lux)
Luz sobre la mesa
de trabajo (Aprox.
600 lux)
Semi-obscuridad
(Aprox. 40 lux)
Obscuridad
(Aprox. 0 lux)
Instrumentación
5. Construir la siguiente configuración con cada uno de los 5
valores resistivos utilizados en la parte 1 del puente de
Wheatstone y probar de manera practica las 5 condiciones.
19
valores de resistencia seleccionados.
Luz ambiente
(Luz amanecer aprox.
800 a 5000 Lux)
Luz directa lámpara
(Aprox. 1000 a 2000
lux) *Tomar 1500
Luz sobre la mesa de
trabajo (Aprox. 600 400 lux) *Tomar 500
*Tomar 2000 luxes
luxes
luxes
Semi-obscuridad
(Aprox. 10 - 60 lux)
Obscuridad Total
(Aprox. 0 – 10 lux)
*Tomar 40 luxes
*Tomar 5 luxes
• Cada configuración genera una grafica de respuesta en voltaje.
graficas)
Instrumentación
(Total 5
Lux vs. V
3
2
1
0
-500
-1
-2
-3
V
0
500
1000
1500
2000
2500
20
Instrumentación
• Al igual que en el punto 3 y 4 encontrar para cada uno de los
resultados experimentales un polinomio que se ajuste al
comportamiento obtenido en voltaje, determine el grado según su
percepción sobre el mejor ajuste y muestre su grafica.
21
Instrumentación
6. Construir
dos
versiones
del
amplificador
de
instrumentación con ayuda del LM324 y el LM741 y probar
las 5 configuraciones del puente de Wheatstone.
22
• Conectar el amplificador de instrumentación al las 5 configuraciones
del puente de Wheatstone y probar de manera practica las 5
condiciones.
• Utilizar el LM324, con alimentación de una sola fuente de 5V
• Utilizar el LM741, con alimentación de +12V y -12V.
• V=5V para el puente de Wheatstone en todos los casos
• Medir el voltaje en Vo
• R2=2R1
Instrumentación
23
Luz ambiente
(Luz amanecer aprox.
800 a 5000 Lux)
Luz directa lámpara
(Aprox. 1000 a 2000
lux) *Tomar 1500
Luz sobre la mesa de
trabajo (Aprox. 600 400 lux) *Tomar 500
Semi-obscuridad
(Aprox. 10 - 60 lux)
Obscuridad Total
(Aprox. 0 – 10 lux)
*Tomar 40 luxes
*Tomar 5 luxes
luxes
• Cada configuración
genera luxes
una grafica de respuesta en voltaje.
(Total 5
*Tomar 2000 luxes
graficas)
Instrumentación
• Llenar una tabla de mediciones para cada configuración indicando
los valores de resistencia seleccionados.
Lux vs. V
3
2
1
0
-500
-1
-2
-3
V
0
500
1000
1500
2000
2500
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Instrumentación
• Al igual que en el punto 3, 4 y 5 encontrar para cada uno de
los resultados experimentales un polinomio que se ajuste al
comportamiento obtenido en voltaje, determine el grado
según su percepción sobre el mejor ajuste y muestre su
grafica.
25
• Justificar las respuestas y comparaciones de la manera más
técnica posible, evite suposiciones o hipótesis, investigue las
características de los dispositivos y el funcionamiento de las
configuraciones realizadas.
• Explique el funcionamiento y la utilidad del puente de
Wheatstone.
• Explique el funcionamiento y la utilidad del amplificador de
instrumentación.
• Explique los conceptos de acoplamiento y linealización de
sensores.
• Explique porque existe la necesidad de un acondicionamiento
de la señal después de un circuito basado en un sensor
resistivo.
• Describa los posibles errores de medición en las actividades
realizadas.
Instrumentación
Observaciones
26
• Portada (Incluir foto del equipo)
• Introducción (Marco teórico)
• Actividades y resultados (Incluir fotos de los circuitos)
• Conclusiones (Por cada integrante del equipo)
• Anexo (Diagramas, especificaciones técnicas de los dispositivos)
• Bibliografía (En formato IEEE)
Instrumentación
Reporte
27
*Se entregará antes del día Domingo 28 de septiembre de
2014 (23:59:59 hora limite)
*Se revisará redacción (coherencia y ortografía)
*No olvidar cumplir con las observaciones de las
actividades y reportarlas.
Instrumentación
Fecha de entrega
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Practica 02: Acondicionamiento de sensores resistivos

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