Sensor Signal Conditioning Joon Hyub Kim 010-5176-5789 [email protected].

Sensor Signal Conditioning

Joon Hyub Kim

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Introduction to Sensor Signal Conditioning

Chapter One

Joon Hyub Kim

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CIEN346 Sensor Signal Conditioning Nam Ki Min 02-3290-3991 [email protected]

Chapter One 3

Sensors Sensor Technology


Chapter One 4

transducer

one form of energy

another form of energy

Sensors 센서 (sensor) 란 ?

sensor

physical or chemical input

electrical output


Chapter One 5

Sensors

Physical sensors : Pressure sensors, Accelerometers, Photodiodes Chemical sensors : Gas sensors, Biosensors : Glucose sensors, Immunosensors, DNA sensors

센서 종류

MASS SPRING

Cs1 Cs2

Cs1 = Cs2

전자정공


Chapter One 6

Optical, Mechanical, Thermal, Magnetic, Chemical energy

Physi-cal ef-fects

Chemi-cal ef-fects

Biologi-cal ef-fects

Photodiode Pressure sen-sor Thermocouple

Electrical signal

input energy

output energy

Gas sensors Humidity sen-sors

Biosensors

sensor

Sensors

Physical sensors : Pressure sensors, Accelerometers, Photodiodes Chemical sensors : Gas sensors, Biosensors : Glucose sensors, Immunosensors, DNA sensors

센서 종류


Chapter One 7

Seeing(CCD)

Hearing(microphone)

Touch(tactile arrays)

Smell(Electronic nose )

Taste (Electronic tongue)

Human Sensor

Sensors


Chapter One 8

external stimulus

five senses

brain

muscle

sensors

computer

actuator

Man-Machine Analogy

Sensors


Chapter One 9

Automation has three phases

Third Industrial Revolution : Sensorization

Mechanization ( 기계화 ) Informatization ( 정보화 ) Sensorization ( 센서화 )

⇒ Humans have always tried to extend their capabilities.


Chapter One 10

Automation has three phases

Third Industrial Revolution : Sensorization

• Firstly, Humans extended their mechanical powers.

• They invented the steam engine, the combustion engine, the electric motor, and the jet engine.

• Mechanization thoroughly changed society. The first industrial revolution was born.

Mechanization


Chapter One 11

• Secondly, they extended their brains.• They invented means for artificial logic

and communication: the computer and the internet. This informatization phase is changing society again, where we cannot yet fully predict the end result.

• Informatization refers to the extent by

Third Industrial Revolution : Sensorization Automation has three phases Informatization

which a geographical area, an economy or a society is becoming information-based, i.e., increase in size of its information labor force.


Chapter One 12

• By inventing sensors, humans are now learning to artificially expand their senses.

• Sensorization together with mechanization and informatization will bring about the third industrial revolution of full automation or robotization.

Third Industrial Revolution : Sensorization Automation has three phases Sensorization

< 구글카 자동운전시스템 >

현 위치 파악 후 목적지와 비교해 핸들

조정

GPS 비디오 카메라

교통신호 , 근거리 , 작은 물체 인지

레이저 스케너

전파 탐지기를 통해 물체 식별 & 거리 계산

구글 컴퓨터

모든 운전 정보 종합 & 분석하여 운전 지시

수동 조작 전환 장치

돌발상황 시 자동운전에서 수동으로

전환


Chapter One 13

Sensorization - Examples

It includes many sensors to monitor the flight. The computers process the signals, compare them with the designed values, and provide control signals for the engines, rudders( 방향타 ), and flaps that move the plane.

This triptych of mechanics, computers, and sensors allows the plane to fly on autopilot.

Automated Flight Control System : Autopilot


Chapter One 14


The sensor system for an autodriver still weighs too much, is too bulky, and too costly to manufacture.

So before we can apply sensorization to smart cars, smart homes, and industrial production

http://www.100mirror.com/1585#.U-iaCU3lodU

This effort is the subject of our present challenge to develop Integrated Smart Sensors, as shown in Table below.

machines, we must reduce the costs, size, and weight of the sensor system.

Autodriver ?


Chapter One 15

Autodriver ? Intelligent(smart) Car


http://www.motorgraph.com/news/articleView.html?idxno=3262


Chapter One 16

Domestic appliances still do not take over all the housework. But the time will come when the vacuum cleaner will automatically move from its socket once a week and vacuum the rooms, without running over a cat or knocking over a vase.

It will vacuum until the carpet is clean and no longer, and will automatically return to its socket for recharging.

The refrigerator will detect when the supply of certain items is running low and will communicate this, so that it can be refurnished.

The washing machine will determine how much detergent is needed to clean the laundry and use no more than that. It will rinse until no soap is left in the laundry – not a second longer.

It will immediately start rinsing if a red sweater threatens to turn the laundry pink.

There may be a time when every house comes with a robotic butler( 집사 ), supplying the needs of the family members . Only integrated smart sensors can enable this.

Smart Domestic Appliances



Chapter One 17

Toys can become lifelike if they are given sensors. An example is the Sony AIBO.

Sensors used in virtual-reality gloves can monitor our movements so that the virtual reality we see can be adapted to it.

A racing simulator may be used for play or driving instructions.

Smart Toys



Chapter One 18

If we are also able to integrate a wireless power source and wireless communication, a whole new concept of ambiguous sensors will appear.

Many sensors could then be used in cars, homes, clothes, and fields to obtain valuable information.

Our Final Dream



Chapter One 19

Signal Conditioning( 신호조정 ) 의 목적

Signal Conditioning & Processing

< General structure of measurement system >

General structure of measurement system

sensing el-ement

signal con-ditioning

data pre-sentation element

input outputsignal pro-cessing

• 피측정 물질의 변화에 따라 센서에 의해 측정된 전기적 신호를 관찰자가 이해할 수 있는 수치로 변환하여 제공하는 것

• 센서에 의해 측정된 전기적 신호가 최대 효율로 표현되기 위해 도움을 주는 것

Signal Conditioning( 신호조정 ) 의 필요성• 센서로부터 나오는 출력 신호는 일반적으로 매우 작으며 , 확도를 감소시키는 잡음이

포함되어 있음 .

• 센서 신호 조정기술의 핵심 – 센서 신호를 다른 요소와 인터페이스 하는데 적합한 형태로 변환하는 것

– 센서 측정 시스템이나 데이터 획득 시스템의 성능과 확도를 명확히 향상시키는 것

ex) 아날로그 센서는 피측정량의 변화에 따라 전기적 특성 ( 저항 , 정전용량 , 전압 등 ) 이 변한다 . 이러한 전기적 특성의 변화는 디지털 신호로 변환하기 전에 아날로그 회로에 의해서 조정되어야 함 .


Chapter One 20

Signal Conditioning 의 역할 분류

< General structure of measurement system >

General structure of measurement system

sensing el-ement

signal con-ditioning

data pre-sentation element

input outputsignal pro-cessing

• 신호 레벨 조정 (level changes) ( 신호증폭 또는 감쇠 )

• 분리 (isolation)

• 필터링 (filtering)

• 구동 (excitation)

• 선형화 (linearization)

• 브리지 회로 완성 (bridge completion)

• 냉접점 보상 (cold-junction compensation)

• 임피던스 정합 (impedance matching)

Signal Conditioning & Processing

• Analog-to-digital conversion (ADC)

• Digital-to-analog conversion (DAC)

• Signal averaging to reduce noise (i.e. evoked response)

• Transformation (time domain to frequency domain)

• Compensation for undesirable sensor characteristics

Signal Conditioning 의 세부 역할


Chapter One 21

Level changes

Signal Conditioning 의 세부 역할Signal Conditioning & Processing

• 사용목적 : 센서의 출력전압 레벨을 ADC 동작 범위와 더 잘 일치시키기 위한 것⇒ 측 정 resolution & sensitivity

증가ex ) 일반적으로 센서의 출력 값 ( 전압 ) 에 대한 span 은 ADC 입력전압 span 과 일치하지 않음 .

↓ 센서 데이터가 상실되거나 ADC 의 동적 range 를 충분히 활용하지 못하게 됨 .

• 방법 :

• 주의점 :

• 특징 : 가장 간단한 형태의 신호 조정 방법

센서의 출력신호를 증폭시키거나 감소시켜 ADC 의 범위와 일치하도록 신호 레벨을 변화시키는 것

< Example of spans that require correction >

외 부 signal conditioner 를 가 능 한 센 서 에 근 접 해 서 위 치 시 키 면 센 서 신 호 가 환경으로부터 발생하는 잡음에 의해서 영향을 받기 전에 전압 레벨을 증폭할 수 있어 측정신호 / 잡음비 (S/N ratio) 를 향상시킬 수 있음 .


Chapter One 22

< Example of spans that require correction >

Level changes


• Level Changes 방법의 예– 그림 (a) : 레벨 이동 (level shifting)

센서의 출력 span 과 ADC 입력 span 은 같지만 서로 다른 전압 레벨에서 시작함 . 센서의 출력전압을 1V 만큼 위로 이동시켜 두 span 을 일치 .

– 그림 (b) : 증폭 (amplification)span 이 동일 전압에서 시작하지만 range 다름 . span 을 일치시키기 위해서는 센서 출력 증폭시켜야 함 .

– 그림 (c) : 감쇠 (attenuation)센서의 출력 span 이 디지털로 변환되어야 할 전압이 ADC 입력 범위를 초과하는 경우에 사용 .

– 그림 (d) : 레벨 이동과 증폭span 도 서로 다르고 시작하는 전압 레벨도 다름 . 두 span 을 일치시키기 위해서는 센서신호를 증폭하고 레벨도 이동시켜야 함 .


Chapter One 23

< 그림 (a) : Improper grounding of the system >

Isolation ( 분리 )


• 사용 목적 : 측정 시스템의 부적절한 접지로 인해 발생되는 문제점 해결 ( 잡음 , DAQ 보드 손상 등 )

• 신호원 접지와 측정 시스템 접지가 분리되지 않을 경우 ( 그림 (a))

• 신호원 접지와 측정 시스템 접지를 분리한 경우 ( 그림 (b))

⇒ 신호원 접지와 측정 시스템 접지 노드 사이를 직접 접속 → 접지 루프 (ground loop) 가 형성됨 . → 접지 간에 전위차 존재하게 됨 . ( 접지 잡음 ) → 접지 잡음은 신호 경로에 나타나게 됨 .

– 접지 전위차에 의해서 일어나는 공통모드전압 (common-mode voltage) 오차 제거 .

– 고압 서지 (surge) 를 차단할 수 있음 .

DAQ 계측 장치와 측정자 보호

< 그림 (b) : The Isolation removes common-mode voltage errors, typically caused by differ-ences in ground potentials. >


Chapter One 24

< Optical filter >

Inputselected frequencies out

Filtering ( 필터링 )


• 사용 목적 : 센서에서 나오는 불필요한 신호 ( 잡음 등 ) 을 제거하기 위해 사용• 종류 : low pass filter, Optical filter 등

< Low pass filter >

Excitation ( 구동 )

• 사용 목적 : 외부로부터 전압 혹은 전류를 인가하여 센서를 동작시키기 위해 사용

• 예시– 온도 센서 ( 서미스터와 RDT 등 ) 는 저항 변화를 전압으로 변환하기 위해서 전류원을 사용하여 구동 .

– 스트레인 게이지와 같이 매우 저항값이 낮은 센서는 휘트 스토운 브리지를 구성하고 전압원으로 구동 .

– 가속도계는 종종 측정 디바이스에 의해 제공되는 전류 구동을 사용하는 통합 증폭기를 가지고 있음 .


Chapter One 25

Linearzation ( 선형화 )


• 사용 목적 : 피측정량에 대한 센서 출력이 직선적으로 변화지 않을 때 사용ex ) 열전대 센서

• 선형화 방법– 신호 조정 회로 사용 :

– 소프트웨어 사용 :

전통적으로 오랫동안 사용되어 옴 .설계가 어려움 .좁은 범위 내에서만 동작

최 근 에 비 선 형 센 서 신 호 를 컴 퓨 터 에 입 력 하 여 소프트웨어를 사용해 선형화를 수행


Chapter One 26

Bridge completion ( 브릿지 구성 )


• 사용 목적 : 고정밀 저항 변화 측정이 필요할 때 사용• 종류

– 1/4 브리지 : 1 개의 센서를 사용한 회로– 1/2 브리지 : 2 개의 센서를 사용한 회로– 완전 브리지 : 4 개의 센서를 사용한 회로

VinVin

VinVin

𝑅1=𝑅2=𝑅3=𝑅𝑔=𝑅로설계한다고가정 게이지를 1 개 사용

𝑉 𝑂=𝑉 𝑂2−𝑉 01=(𝑅4

𝑅2+𝑅4−

𝑅3𝑅1+𝑅3

)𝑉 𝑖𝑛𝑉 𝑂

𝑉 𝑖𝑛

= 𝑅4𝑅2+𝑅4

−𝑅3

𝑅1+𝑅 3

𝑉 𝑂

𝑉 𝑖𝑛

= 𝑅𝑔𝑅2+𝑅𝑔

−𝑅3

𝑅1+𝑅3= 𝑅𝑔𝑅+𝑅𝑔

+ 𝑅𝑅+𝑅

¿𝑅𝑔−𝑅2(𝑅+𝑅𝑔)

=𝑅+Δ𝑅−𝑅2(𝑅+𝑅+Δ𝑅)

=Δ𝑅

2(2𝑅+Δ 𝑅)≈14Δ𝑅𝑅

𝑅𝑔=𝑅+Δ 𝑅 게이지를 2 개 혹은 4 개 사용

𝑉 𝑂

𝑉 𝑖𝑛

≈12Δ𝑅𝑅

𝑉 𝑂

𝑉 𝑖𝑛

≈Δ𝑅𝑅

2 개 : 4 개 :


Chapter One 27

Amplifica-tion

Isolation Filtering ExcitationLineariza-

tionBridge

Completion

Thermocouple Thermistor

RTD Strain Gage

Load, Pressure, Torque (mV/V)

Load, Pressure, Torque (±5 V, ±10

V, 4-20 mA)

Accelerometer Microphone

Proximity Probe LVDT

Summary



Chapter One 28

Wireless Sensor Networks (WSN)

Sensors + microprocessor + radio

Wireless sensor node

Wireless sensor networks


Chapter One 29

Wireless Sensor Networks (WSN)

Wireless Body-Area Network (WBAN)

Wireless sensor node

Wireless Body Area Network of Intelligent Sensors in the telemedical environment


Chapter One 30

Wireless Sensor Networks (WSN) Smart Home

Many sensors have been built-in in the ‘home of the future’.

Like cars, houses can only accommodate many sensors if a distributed bus system is used instead of a point-to-point network.

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