PODSTAWY ELEKTRONIKI i MIERNICTWA

PODSTAWY ELEKTRONIKI i MIERNICTWA 1 Podstawowe pojęcia procesu pomiarowego 2 Jak informacje docierają do obserwatora Źródło zjawiska Pole zjawiskowe Obserwator 1 Pole informacyjne Obserwator 2 Obiektywizacja informacji to wspomaganie obserwacji środkami technicznymi Źródło zakłóceń 3 4 Elementy uczestniczące w procesie pomiarowym Proces pomiarowy obejmuje Źródło zjawiska ZJAWISKO Pole przenoszące zmiany energii Czujnik lub przetwornik Układ dopasowujący Układ porównujący Wskaźnik stanu Obserwator Wzorzec PRZYRZĄD POMIAROWY 5 1. zdefiniowanie cech mierzalnych badanego zjawiska, 2. przyjęcie modelu fizycznego, 3. dobranie metod i przyrządów najodpowiedniejszych do mierzenia cech modelu, 4. zapis wyniku, 5. analiza uzyskanych informacji pod względem zbliżenia do rzeczywistości. 6 1

Pomiary umożliwiają automatyzację produkcji, zmniejszenie kosztów eksploatacji przyrządów, zwiększenie wydajności produkcji, zabezpieczenie właściwej jakości wyrobów. Zalety stosowania elektrycznych przyrządów pomiarowych 1/2 1. możliwość budowy czujników zamieniających wiernie każdą wielkość fizyczną na zmiany U, I, 2. U, I można mierzyć łatwo za pomocą przyrządów jednego rodzaju, o dużej dokładności i czułości, 3. wyniki można przesłać bardzo szybko przewodowo lub bezprzewodowo na dowolną odległość, 4. możliwość kontroli zjawisk niebezpiecznych lub bezpośrednio nie dostępnych dla człowieka, 7 8 Zalety stosowania elektrycznych przyrządów pomiarowych 2/2 5. przyrządy można skupić na jednym pulpicie, do objęcia wzrokiem przez obserwatora, 6. możliwość natychmiastowej korekcji badanych przebiegów zjawisk, 7. możliwość komputerowej analizy danych, 8. duża szybkość reakcji przyrządów na zmiany zachodzące w zjawisku, 9. możliwość miniaturyzacji urządzeń. 9 Pomiary elektryczne charakteryzuje duża dokładność, prostota, możliwość pomiarów zdalnych. 10 Funkcje pełnione przez przyrządy pomiarowe POMIAR Mierniki wyskalowane w jednostkach miary wielkości mierzonej. Rejestratory zapisują przebieg wartości w funkcji innej wielkości, np. czasu. Detektory służą do stwierdzenia istnienia lub zaniku zjawiska. Charakterografy rejestrują charakterystyki elementów elektrycznych. 11 polega na bezpośrednim lub pośrednim porównaniu w układzie pomiarowym, z określoną dokładnością, wartości wielkości mierzonej z wartością danej wielkości przyjętą za jednostkę miary 12 2

Określenie jakości poznania rzeczywistości Δ= X zmierzone X rzeczywiste 13 BŁĄD POMIARU to efekt niedoskonałości pomiaru definicja Δ = x x δ zmierzone definicja = Δ x rzeczywiste rzeczywiste 14 Δ Sposoby wyrażania błędu błąd bezwzględny Nie znamy wartości rzeczywistej dlatego przy szacowaniu błędu przyjmujemy zamiast niej wartość poprawną δ błąd względny 15 lub wartość średnią arytmetyczną z pomiaru 16 Jednak ogólnie: ± Δ - Δ x zmierzone + Δ Zapis wyniku pomiaru x = ±Δ rzeczywiste xzmierzone W tym przedziale spodziewamy się spotkać wartość rzeczywistą 17 1 2 18 3

Zasady zapisu wartości rezultatów stosować zaokrąglenia błędu do 2 lub 3 cyfr znaczących, w wyniku pomiaru i błędzie uwzględnić tę samą liczbę miejsc po przecinku, błędy zaokrąglać w górę, wynik pomiaru zaokrąglać wg innej zasady. Przyrzady pomiarowe Z odczytem analogowym ANALOGOWE Z odczytem cyfrowym CYFROWE 19 20 Przykłady przyrządów pomiarowych Przyrząd analogowy pole odczytowe Przyrząd cyfrowy Właściwości analogowych przyrządów pomiarowych 21 22 Ustrój magnetoelektryczny podstawa amperomierza PRĄDU STAŁEGO wskazówka ramka N S Ustrój magnetoelektryczny 1. szczelina powietrzna 2. nieruchomy rdzeń 3. ruchoma ramka z cewką 4. ośka 5. wskazówka 6. sprężyna 23 24 4

Woltomierz,, amperomierza mperomierz,, omomierz pracują nan bazie czułego detektora d prądu jakim jest GALWANOMETR W o l t o m i e r z Istotne cechy analogowego pola odczytowego Podziałka Działka elementarna Przykład włączenia woltomierza do obwodu pomiarowego Rezystor ograniczający prąd Rezystancja galwanometru Galwanometr Prąd I G płynie przy pełnym wychyleniu wskazówki galwanometru25 10 26 Określenie klasy przyrządu analogowego 27 OKREŚLENIE KLASY PRZYRZĄDU ANALOGOWEGO URZĄDZENIE SPRAWDZANE Δ= x?x zmierzone WZORZEC wzorcowe 28 OKREŚLENIE KLASY PRZYRZĄDU ANALOGOWEGO Δ Δ MAX Δ MAX MAX ZAKRES OKREŚLENIE KLASY PRZYRZĄDU ANALOGOWEGO Δ MAX MAX zakres kl TYPOSZEREG: [ ] % 29 0.05 / 0.1 / 0.2 / 0.5 / 1 / 1.5 / 2 30 5

10 Błąd pomiaru przyrządem analogowym kl zakres Δ= uap = 100 kl zakres δ = wskazanie 31 Δ 1.5 1.0 0.5 0-0.5-1.0-1.5 Jak mierzyć przyrządem analogowym??? kl = 1.5 kl = 0.5 1 [wskazanie] δ 1.5 1.0 0.5 0-0.5-1.0-1.5 kl = 1.5 kl = 0.5 1 [wskazanie] 2/3 zakresu 32 O jakości pomiaru za pomocą przyrządu analogowego decyduje nie tylko kl ale także : BŁĄD ODCZYTU 0 1 2 3 4 2. błąd odczytu 3. błąd paralaksy 4. inne Jaka to wartość??? 33 34 BŁĄD PARALAKSY 10 TAK CZYTAĆ WSKAZÓWKA Błąd paralaksy 35 Właściwości cyfrowych przyrządów pomiarowych 36 6

Istotne cechy cyfrowego pola odczytowego Struktura ogólna cyfrowego przyrządu pomiarowego Najmniejsza wartość określająca rozdzielczość przyrządu cyfrowego Sygnał analogowy Analogowy wejściowy układ dopasowujący Sygnał w postaci cyfrowej Przetwornik AC Układ cyfrowej wkspozycji wyniku 37 Jaka dokładność??? I co??? 38 Sygnał Przetwarzanie AC Poziomy kwantowania Przetwornik AC Kwanty sygnału }?????? }??? }??? }??? Błąd pomiaru przyrządem cyfrowym δ przetwarzania xzmierzone Δ= uap = +Δ 100 dyskretyzacji Sygnał analogowy Sygnał w postaci cyfrowej 39 Δ δ = δ + przetwarzania dyskretyzacji x zmierzone 40 Jak mierzyć przyrządem cyfrowym??? Δ 1.5 1.0 0.5 0-0.5-1.0-1.5 Δ d Δ p 1 [wskazanie] δ 1.5 1.0 0.5 0 1-0.5-1.0 [wskazanie] -1.5 O dokładności pomiaru za pomocą przyrządu cyfrowego decyduje: 1. błąd przetwarzania 2. błąd dyskretyzacji 3. inne 41 42 7

Przyrządy podstawowe do pomiaru podstawowych wielkości elektrycznych AMPEROMIERZ A WOLTOMIERZ V Sposób dołączenia przyrządów pomiarowych do obwodu 43 44 Sposób dołączenia amperomierza do obwodu: SZEREGOWY Sposób dołączenia woltomierza do obwodu: RÓWNOLEGŁY E I E U V A 45 46 MULTIMETR - przyrząd cyfrowy Podstawowe parametry amperomierza lub woltomierza rodzaj mierzonego sygnału zakres wartości dokładność pomiaru rezystancja wewnętrzna R A 0 (pojedyncze ohmy) R V (mega, giga ohmy) 47 48 8

Obliczanie niepewności pomiaru Dzięki odpowiednio dokładnym pomiarom uzyskuje się: wysoki poziom technologii materiałowej, wysoką jakość wyrobów, możliwość nieograniczonej, światowej wymiany handlowej, 49 postęp w naukach technicznych i przyrodniczych. 50 Wynik pomiaru to wiarygodny estymator wartości wielkości mierzonej Klasyfikacja błęb łędów pomiarowych owych oparta na skutku, jaki wywiera dana składowa niepewności przypadkowe systematyczne nadmierne 51 52 Przyczyny błędów przypadkowych Przyczyny błędów systematycznych rozrzut wskazań wynikający z własności przyrządów pomiarowych krótkotrwałe zmiany wartości wielkości wpływających niezauważalne przez obserwatora niedoskonałość zmysłów obserwatora brak wystarczającej koncentracji obserwatora rozrzut cech samego obiektu ograniczona doskonałość wykonania urządzeń pomiarowych ograniczona rozdzielczość przyrządów pomiarowych ograniczona dokładność wielkości wzorcowych niedostateczna znajomość wszystkich okoliczności związanych z badanymi zjawiskami inne inne 53 54 9

BŁĄD i NIEPEWNOŚĆ Błąd jest zmienną losową Niepewność (rozszerzona( rozszerzona) jest parametrem rozkładu prawdopodobieństwa błędu NIEPEWNOŚĆ stosuje się do kontroli i sterowania produkcją przestrzegania zarządzeń i przepisów badaniach w nauce i w technice kalibracji wzorców i urządzeń utrzymywania wzorców 55 56 KATEGORIE NIEPEWNOŚCI Kategorie błędów w pomiaru Typu A - jest miarą wpływu zjawisk losowych określana metoda statystyczną Typu B - aparaturowa określana metodą heurystyczną 57 przypadkowe błędy typu A, oceniane przedziałowo za pomocą niepewności typu A systematyczne o znanych wartościach eliminowane za pomocą poprawki, o nieznanych wartościach błędy typu B, oceniane przedziałowo za pomocą niepewności typu B 58 Wyjaśnienie symbolu niepewności na przykładzie niepewności standardowej typu A niepewność typu A [ u ( U)] A pomiaru S standardowa Oznaczenia niepewności pomiaru (u uncertainty) Standardowa typu A [ u ( U)] Standardowa typu B Złożona Rozszerzona napięcia 59 60 A [ u ( U)] B [ uu ( )] C [ uu ( )] S S 10

Obliczanie niepewności typu A Obliczanie niepewności typu A metoda statystyczna czyli obliczenie odchylenia standardowego [ u ( U)] A S = n i= 1 ( U U) i n( n 1) 2 61 U i n kolejny wynik pomiaru; U średnia; liczba pomiarów 62 Obliczanie niepewności typu B metoda heurystyczna czyli obliczenie wg przepisu u ap Niepewność aparaturowa w warunkach odniesienia dla przyrządu analogowego Δ= kl zakres 100 63 64 Niepewność aparaturowa w warunkach odniesienia dla przyrządu cyfrowego δ przetwarzania xzmierzone Δ= +Δ 100 dyskretyzacji Obliczanie niepewności standardowej typu B metoda heurystyczna czyli obliczenie wg przepisu (założenie: jednostajny rozkład błędu): uap [ ub( U )] S = 3 65 66 11

Obliczanie niepewności złożonej Obliczanie niepewności rozszerzonej na poziomie ufności p [ uu ( )] = [ u ( U)] + [ u ( U)] 2 2 C A S B S 67 [ uu ( )] = k[ uu ( )] C 2dla p = 095, k = 3dla p = 099, 68 Trzy przykłady obliczenia błędów Przykład 1 Obliczenie dokładności pomiaru przyrządem wskazówkowym 69 70 Potrzebne obliczenia DANE Rodzaj przyrządu woltomierz napięcia stałego Zakres pomiarowy 1,5 V ; α max = 75 działek Klasa 0,5 Błąd d odczytu ½ działki Wskazanie α x = 70 działek 71 1. Wartość działki elementarnej α de = 1,5 / 75 = 0,02 V/dz 2. Wartość napięcia U x = 70 * 0,02 = 1,4 V 3. Wartość błędu bezwzględnego Δ kl = (0,5 * 1,5) / 100 = 0,0075 V 4. Wartość błędu bezwzględnego Δ odczytu = 0,5 * 0,02 = 0,01 V 5. Sumaryczna wartość błędu bezwzględnego Δ = 0,0075 +0,01 = 0,0175 V 6. Wartość błędu względnego δ = 0,0175 / 1,4 = 0,0125 = 1,25 % 72 12

Było 1. U x = 1,4 V 2. Δ = 0,0175 V 0,02 V 3. δ = 1,25 % 1,3 % Zapis wyniku pomiaru U x = ( 1,40 ± 0,02 ) V Przykład 2 Obliczenie dokładności pomiaru przyrządem cyfrowym lub U x = 1,40 V ± 1,3 % 1,3 % 73 74 DANE Rodzaj przyrządu woltomierz napięcia stałego Zakres pomiarowy 1,9999 V Błąd przetwarzania 0,05 Błąd dyskretyzacji 3 cyfry Wskazanie 1,4895 V Potrzebne obliczenia 1. Wartość błędu bezwzględnego Δ przetwarz = (0,05 * 1,4895 ) / 100 = 0,0007447 V 2. Wartość błędu bezwzględnego Δ dyskretyzacji = 0,0003 V 3. Sumaryczna wartość błędu bezwzględnego Δ = 0,0007447 + 0,0003 = 0,0010447 V 4. Wartość błędu względnego δ = 0,0010447 / 1,4895 = 0,0007013 = 0,07013 % 75 76 Było 1. U x = 1,4895 V 2. Δ = 0,0010447 V 0,0011 V 3. δ = 0,07013 % 0,07 % Zapis wyniku pomiaru U x = (1,4895 ± 0,0011 ) V Przykład 3 Określenie niepewności pomiaru przyrządem cyfrowym lub U x = 1,4895 V ± 0,07 0,07 % 77 78 13

DANE (z poprzedniego przykładu) Rodzaj przyrządu woltomierz napięcia stałego Wskazanie 1,4895 V Dokładność pomiaru 0,0010447 V ORAZ odchylenie standardowe s = 0,0043 3 V przy wykonanych 25 pomiarach Potrzebne obliczenia 1. Niepewność aparaturowa u ap = 0,0010447 V 2. Niepewność standardowa typu B 0,0010447 [u B(U)] S= = 0,0006031 V 3 3. Niepewność standardowa typu A 0,0043 [u A(U)] S= = 0,00086 V 25 4. Niepewność złożonaona [u(u)] ( ) 2 ( ) 2 C = 0, 00086 + 0, 0006031 = 0,001050395 V 5. Niepewność rozszerzona dla p = 0,95 [u(u)] = 0,001050395 2 = 0,00210079 V 79 80 przy wykonanych 25 pomiarach Było 1. U x = 1,4895 V 2. u(u) = 0,00210079 V 0,0021 V 3. δu(u) = 0,14103 % 0,14 % Zapis wyniku pomiaru U x = (1,4895 ± 0,0021 ) V lub Przykład obliczania dokładności pomiaru rezystancji w dwóch układach (jest na kartce) U x = 1,4895 V ± 0,14 0,14 % 81 82 Błąd pomiaru przyrządem analogowym kl zakres Δ= uap = 100 Błąd pomiaru przyrządem cyfrowym δ przetwarzania xzmierzone Δ= uap = +Δ 100 dyskretyzacji δ = kl zakres wskazanie 83 Δ δ = δ + przetwarzania dyskretyzacji x zmierzone 84 14

Podstawowe elementy elektroniczne Elementy bierne - wybrane elementy układów elektronicznych Rezystor Kondensator Cewka Element, symbol Oznaczenie, jednostka R [Ω] C [F] L [H] Zastosowanie Do polaryzacji elementów, do doboru punktu pracy Do realizacji filtrów 85 Parametry główneg a parametry pasożytnicze 86 Rezystor linowy i jego charakterystyka napięciowo-prądowa prądowa Rezystor nieliniowy i jego charakterystyka napięciowo-prądowa prądowa U 87 88 Kondensator i jego charakterystyka ładunku w funkcji napięcia Cewka i jej charakterystyka strumienia skojarzonego w funkcji prądu 89 90 15

Rodzaj Napięciowe Prądowe Rodzaje źródeł energii Oznaczenie Symbol E I z Parametry źródła Napięcie U [V] Prąd I [A] Rezystancja wewnętrzna R w [Ω] Charakterystyka Stała wydajność napięciowa, niezależnie od wartości pobranego prądu Stała wydajność prądowa, niezależnie od spadku napięcia 91 Źródła sygnałów testujących 92 Źródło napięcia stałego Źródło prądu stałego 93 94 GENERATOR - źródło napięcia zmiennego 95 Parametry generatora 1. rodzaj sygnału 2. zakres wartości napięcia 3. zakres zmian częstotliwości sygnału 4. składowa stała 5. rezystancja wewnętrzna 96 16

I Prawo OHMA Prawa Kirchhoffa R U I U = R I prawo I = I 1 + I 2 II prawo U = U 1 + U 2 97 98 Ilustracja praw Kirchhoffa I 1 I 2 I U 1 U 2 U Twierdzenie Thevenina Dowolny układ dwuzaciskowy składający się z kombinacji źródeł napięcia i prądu oraz liniowych i stacjonarnych rezystorów można zastąpić układem szeregowo połączonych ze sobą pojedynczego rezystora i pojedynczego źródła napięciowego. R zastępcze = R dwójnika (bez źródeł) I = I 1 + I 2 U = U 1 + U E 2 99 zastępcze = U dwójnika (nieobciążonego) 100 Element R C L Łączenie elementów biernych Szeregowe Sposób łączenia R 1 R 2 C 1 C 2 L 1 L 2 Wartość wypadkowa R= R1+ R2 C CC = C C L= L1+ L2 Połączenie 1 2 1+ 2 Równoległe Sposób łączenia R 1 R 2 C 1 C 2 L 1 L 2 Wartość wypadkowa R R1 R2 = R + R 1 2 C = C1+ C2 LL L = L 1 2 1+ L2 101 Własności elektryczne ciał Półprzewodniki 102 17

- Model atomu - - - - - - + - - - - - - - Powłoka walencyjna Elektrony walencyjne Model pasmowy półprzewodnika Energia ΔE - - - - - - - - - - - - - - - Pasmo przewodnictwa Pasmo zabronione Pasmo walencyjne W przewodniku: Półprzewodnik: np. Ge, Si ΔE np. energia cieplna słabo związane elektrony walencyjne wędrują między atomami 103 104 Energia Powstawanie dziur w paśmie walencyjnym - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Pasmo przewodnictwa Pasmo zabronione Pasmo walencyjne 105 Rodzaje przewodnictwa w półprzewodnikach Energia Ruch elektronu - - - - - - - - - - - - Ruch dziury I = I elektronowy + I dziurowy Ruch elektronów w paśmie przewodnictwa 106 Półprzewodniki Złącze p-n p n bez polaryzacji samoistne niesamoistne domieszkowane Obszar ładunku przestrzennego warstwa zaporowa p n + 5 + dodatkowe elektrony n domieszka donorowa + 3 + dodatkowe dziury p domieszka akceptorowa 107 Rozkład potencjału p n 108 18

p - + - + - + - + - + n Rozkład potencjału Polaryzacja złącza 0 U + bez zewnętrznego napięcia Polaryzacja złącza w kierunku zaporowym I Polaryzacja złącza w kierunku przewodzenia I U - przy polaryzacji zaporowej p n p n U + U - przy polaryzacji w kierunku przewodzenia 109 A K A K 110 Charakterystyka prądowo- napięciowa diody idealnej I Kierunek przewodzenia Rzeczywista charakterystyka prądowo-napięciowa złącza p-np I Kierunek przewodzenia - 6V U 0,6V U Kierunek zaporowy 111 Kierunek zaporowy 112 p n p Tranzystor p-n-p p Rozkład potencjału U + p n p U- E B C bez zewnętrznego napięcia B E C Wybrane układy analogowe przy odpowiedniej polaryzacji 113 114 19

Dioda Efekty pracy diody prostowniczej Kierunek przewodzenia I A Kierunek K Kierunek zaporowy Kierunek przewodzenia U Mostek Graetza zaporowy 116 115 Dioda Zenera Fotodioda I Światło U wej U wyj 117 Komputer podczerwień λ = (850 900) nm P = 500 mw/sr α = 30 o l = 1 m U 118 Dioda laserowa służy do generacji światła laserowego B Tranzystor bipolarny (warstwowy) C B baza E E emiter 119 C kolektor 120 20

Tranzystor i dobór punktu pracy TRANSfereable rezistor 121 122 Tranzystor: praca wzmacniacza Tranzystor polowy (unipolarny) złączowy FET (p) D z izolowana bramką MOSFET D 123 G B G S S G bramka S źródło D dren B baza 124 Wzmacniacz operacyjny schemat uproszczony Wzmacniacz operacyjny schemat pełny 125 126 21

Wzmacniacz operacyjny 127 22