Grunnleggende sensorteknologi Sensorer for bruk i CanSat

Presentasjon om: "Grunnleggende sensorteknologi Sensorer for bruk i CanSat"— Utskrift av presentasjonen:

1 Grunnleggende sensorteknologi Sensorer for bruk i CanSat
Av Nils Kr. Rossing Skolelaboratoriet ved NTNU CanSat – sept. 2017

2 Innhold: Grensesnitt Arduinokort Sensorene på kortet Kalibrering
CanSat – sept 2017

3 Miljø- og Romteknologi (CanSat) – m/sensorteknologi (www. ntnu
Miljø- og Romteknologi (CanSat) – m/sensorteknologi ( Montering og installasjon Oppsett av radio for telemetri Oppskyting eller slipp fra ballong Beregning av fallhastighet Simulering Programmering Behandling av data Elektronikk og sensorer Programeksempler

4 Behandling av informasjon
Sensorer satt i system Behandling av informasjon Aktuatorer Sensorer CanSat – sept. 2017

5 Arduino UNO Digitale porter Rx/Tx Analoge porter CanSat – sept. 2017

6 Blokkdiagram CanSat – Arduino versjon 3
2 1 3 J2 J3 CanSat – sept. 2017

7 Programmering og jumpere
START variable Setup() loop() Les data Beregn verdier Skriv til monitor Skriv til OpenLog Skriv til radio CanSat – sept. 2017

8 Hvor finner vi signalene fra sensorene?

9 Definisjon av sensor og aktuator
Definisjon av sensor: En sensor er en komponent som omdanner en fysisk størrelse (eks. temperatur-, trykk-, lys-, fuktighetssensor …) til en elektrisk målbar størrelse (eks. resistans, spenning, strøm …). Definisjon av aktuator: En aktuator er en komponent som omdanner en elektrisk spenning til en fysisk størrelse som kan utføre en oppgave (eks. lysdiode, lydgiver (buzzer), et relé (elektrisk bryter), en motor….) CanSat – sept 2017

10 Tre typer grensesnitt til sensorer
5V GND Vout GND 5V Rx Tx Fysisk størrelse Rout Fysisk størrelse Dout Fysisk størrelse Seriell digital kommunikasjon Fysisk størrelse Resistans Spenning Fysisk størrelse Lys LDR Temperatur (NTC) Luftfuktighet GPS CO2 Trykk Temperatur

11 Analog inputs Vout Rfast Rvar +5 V Trykk +5 V Lys +0 V GND +0 V GND
1 +5 V +0 V GND 1 3 2 Trykk +5 V +0 V GND Rvar Rfast Lys Temperatur (NTC) Vout CanSat – sept 2017

12 Konvertering fra varierende resistans til varierende spenning (Spenningsdeleren)
VCC = 5V I U =R • I → I =U / R Rfast I =VCC / (Rfast+Rout) = Vout / Rout Rout (Rfast+Rout) VCC Vout = Vout Rout VSS = 0V = GND CanSat – sept 2017

13 Digital inputs and outputs pinMode(3, OUTPUT); pinMode(8, INPUT);
+5 V 10kΩ 330Ω pinMode(8, INPUT_PULLUP); pinMode(8, INPUT); pinMode(3, OUTPUT); CanSat – sept. 2017

14 The analog to digital conversion
Sd(t) = 685 Sb (t) = ADC U(t) Analog voltage from sensor Analog voltage 3,34 V Voltage 5 V (1023) 3,34 V 685 1024 discrete levels 0 V (0) Time S(t) = 685 Digital number rep. the voltage (0 – 1023) Sd(t) 685 U(t) = 5V = 5V = 3,34V 1023 1023 CanSat – sept. 2017 Conversion from dig. number back to voltage

15 Forslag til innledende loddeprosjekter
CanSat – sept. 2017

16 Wetness detector http://www.ntnu.no/skolelab/bestilling-av-byggesett
CanSat – sept. 2017

17 Lie detector http://www.vitensenteret.com/elektroverksted_distrikt
CanSat – sept. 2017

18 Temperature sensors LM35DZ NTC CanSat – sept. 2017

19 Measurement of temperature with a temperature sensitive pn-junction (LM35DZ/TMP37)
Vout En pn-overgang forspent i lederetning og med konstant strøm (1µA) gir en tilnærmet lineær spenningsvariasjon (1 mV/ºK) som funksjon av temperaturen. 0V CanSat – sept. 2017

20 V(T) og T(V) Følsomhet 10 mV/K (LM35)
LM35DZ V 10 mV/K ΔVfeil K T (C) = 100 * V(T) + ΔVfeil Område: ºC Nøyaktighet: ± ¼ºC (romtemp.) Responstid: 120 s (90 % still air) CanSat – sept 2017

21 Resolution (Oppløsning)
Minste spenningstrinn = Vref/1023 = 5V/1023 = 4,89 mV Følsomhet for LM35 = 10 mV/K Oppløsning temperatur = 0,49 ˚K analogReference(INTERNAL); Minst spenningstrinn = Vref/1023 = 1,1V/1023 = 1,07 mV Oppløsning temperatur = 0,11 ˚K Typisk temperaturområde: 5 ‒ 40˚C → 0,05 V – 0,4 V CanSat – sept. 2017

22 Termistorer Temperature sensitive resistor
NTC-resistor (Negative Temperature Coefficient) PTC-resistor (Positive Temperature Coefficient) RH16 (for NTC resistor) NTCLE203E3103FB0 R = T Rr = Reference Tr T = Actual temperature Tr = Referance temperature B25/85 = B-value, constant 25o - 85o C CanSat – sept. 2017

23 Termistors (RH16) Timerespons = 90% in 15 sec. 90% 15sek

24 Temperature measurement with NTC
RS = Rr +5 V +5 V ADC ADC RS RNTC RNTC RS Increasing voltage with falling temperature Increasing voltage with increasing temperature Where to put the NTC-resistor? We have now found R(T), but needs V(T) and T(V) CanSat – sept. 2017

25 Spenning som funksjon av temperatur
Vout ADC Vcc = 5 V NTC Temperatur ˚C Resistans Ohm RNTC Rs Vout Rs (RNTC+Rs) VCC Vout = NTC CanSat – sept 2016 Excel

26 Calibrating the NTC temperature sensor Ønsker å finne en sammenheng mellom avlest digital verdi og virkelig temperatur i ˚C Topunktsformelen: La arduino stå i rommet og les av digital verdi på NTC- motstanden (x1) Les av den samme tempera- turen i ˚C fra LM35 (y1) La utstyret stå kaldt en tid, f.eks. utendørs Les av digital verdi på NTC- motstanden (x2) Mål samme temperatur med i ˚C fra LM35 (y2) Lign. 4 gir oss sammenhengen mellom avleste digitale verdier fra NTC-motstanden og den kalibrerte verdien i ˚C (y – y2)/(x – x2) = (y1 – y2)/(x1 – x2) (lign. 1) y = ((y1 – y2)/(x1 – x2)) * (x – x2) + y2 (lign. 2) y = k * (x – x2) + y2 der k = (y1 – y2)/(x1 – x2) (lign. 3) y = k*x + (y2 – k*x2) (lign. 4) Avlest temperatur LM35 (˚C) y y1 (y – y2) (y1 – y2) y2 (x1 – x2) (x – x2) x2 x1 x Avlest ”temperatur” NTC (digital verdi) CanSat – sept. 2017

27 Calibrating the NTC temperature sensor
TCNTC = ((TCLM1 – TCLM2)/(TdNTC1 – TdNTC2)) * (TdNTC – TdNTC2) + TCLM2 TdNTC1 TdNTC2 TCNTC = ((TCLM1 – TCLM2)/(TdNTC1 – TdNTC2)) * (TdNTC – TdNTC2) + TCLM2 TdNTC TCNTC TCLM1 TCLM2 TdNTC = Målt digital verdi NTC TCNTC = Målt temperatur NTC i ˚C TdNTC1 = Målt digital verdi inne, NTC TCLM1 = Målt temperatur inne, LM35 i ˚C TdNTC2 = Målt digital verdi ute, NTC TCLM2 = Målt temperatur ute, LM35 i ˚C Hopp over

28 Small project for introduction to temperature sensors – a proposal
CanSat – sept. 2017

29 Temporal temperature scanning
Infrarød scanning av huden rett over temporal arterien som kommer opp på framsiden av øret og ligger ca. 1 mm under huden i panna og har stabil blodstrøm uavhengig av ytre press. Den infrarøde strålingen indikerer energitapet fra huden. Siden temperaturtapet avhenger av romtemperaturen, må også den måles samtidig. Infrarød scanning av huden rett over temporal arterien som kommer opp på framsiden av øret og ligger ca. 1 mm under huden i panna og har stabil blodstrøm uavhengig av ytre press. Den infrarøde strålingen indikerer energi-tapet fra huden. Siden temperaturtapet avhenger av rom temperaturen må også den måles samtidig. CanSat – sept. 2017

30 Temperature measurement with IR radiation Exergen TAT-5000
We compared 3 techniques of TA scanning, axillary thermometry, and oral thermometry in critical care patients. Our results indicate that TA scanning methods were, at best, comparable with axillary measurements. In addition, the performance of the TA scanners varied with body mass index, whereas axillary readings did not. Abstract/2009/01000/Temporal_Artery_Scanning_Falls_Short_as_a.10.aspx Conclusion: These results demonstrate that temporal scanning does not track internal temperature, as measured via intestinal temperature, during passive heating. Given these findings, it is recommended that this technique not be used to assess temperature in hyperthermic diaphoretic subjects. Abstract/2007/07000/Temporal_Thermometry_Fails_to_Track_Body_Core.1.aspx CanSat – sept 2016

31 Peltier-Seebeck-effect (Upper scondary school)
+ - IR-sensor CanSat – sept. 2017

32 Pressure sensors MPX4115 CanSat – sept. 2017

33 Pressure measurement with piezo-resistivt elements
Utnytter den piezo-resistive effekten. Lord Kelvin 1856 C.G. Smith 1954 (Ge og Si) Båndgapet endres med mekanisk stress Elementet i skiva inngår i en målebro CanSat – sept. 2017

34 Pressure -Calculations
VP = 5,0 (0,009 P – 0,095) Output voltage as a function of pressure in kPa P = 22,222 • Vp + 10,556 + ΔPkal [kPa]

35 Pressure as a function of the height
34 hPa fra 0 ‒ 300m

36 Resolution in height Minst spenningstrinn = Vref/1023 = 5V/1023 = 4,89 mV Typisk normaltrykk ved havnivå = 101,3 kPa Typisk trykk ved 300 moh. = 97,9 kPa VP = 5,0 V (0,009 P – 0,095) Typisk spenning ved normaltrykk havnivå = 4,08 V Typisk spenning ved 300 moh = 3,93 V Speningsvariasjon over 300 m = 153 mV Kvantiseringsnivå spenning = 4,89 mV Antall spenningsnivåer fra 0 – 300 m = 31 Oppløsning meter = 9,6 m

37 The importance of calibration
980 – 1050 hPa CanSat – sept 2013 CanSat – sept. 2017

38 Pressure measurement with piezo-resistive elements
CanSat – sept. 2017

39 Accelerometer CanSat – sept. 2017

40 Accelerometer MMA7361L Key data: Applications:
Voltage supply VCC = 2,2 to 3,4 V MMA7361L (3 axes) Range: - ±6 g and ± 1,5 g Sensebility 800 ±1,5 g (removed) Sensebility 206 ±6 g Applications: Tilt and motion sensors in 3D play Detection of free fall of HDD MP3 players, Laptops and PC’s Picture stabilisation, electronic compass, calling when mobilephones are in motion Motion sensor in pedometers Motion sensor in robots CanSat – sept. 2017

41 The function of the accelerometer
CanSat – sept. 2017

42 MMA7361L Jumper J1 CanSat – sept 2012

43 Accelerometer Calculations
Supplyspenning VCC = 3,3 V Følsomhet 800 mV/g ved ±1,5g (Sg1,5) 0 g har en typisk utspenning på 1,65 V ± 0,165V + 1 g har en typisk utspenning på 1,65V + 0,80V = 2,45 V ± 0,165V ‒ 1 g har en typisk utspenning på 1,65V – 0,80V = 0,85V ± 0,165V Akselerasjonen (g) = (Målt spenning (V) – 1,65V + ΔV)/0,8 V/g ΔV målt avvikende spenning fra forventet g-verdi

44 Data sheet CanSat – sept. 2017

45 Accelerometer MMA7361L When the shield card lays flat on the table
z x CanSat – sept. 2017

46 Accelerometer Calibration in z-direction
gz Vz = 2,45 V Vz = 0,85 V

47 Accelerometer Calibration in y-direction
gy Vy = 0,85 V Vy = 2,45 V

48 Accelerometer Calibration in x-direction
gx Vx = 2,45 V Vx = 0,85 V

49 Gas-sensor C100 (CO2) CanSat – sept. 2017

50 CO2 - measurements Figur 1. Økning i atmosfærens innhold av CO2 (i ppm) fra Mauna Loa, Hawaii (19°N, blå farge) og Baring Head, New Zealand (41°S, rød farge). Målinger fra ulike stasjoner rundt om på kloden viser alle samme trend. (Keeling og Whorf 2005).

51 CO2 – utslipp i Norge CanSat – sept 2017

52 CO2 sensor (111£ + 34£ (frakt)) NDIR sensor (NonDispersive InfraRead sensor)
Målerområde 0–2 000 ppm Nøyaktighet ± 40 ppm Linearitet: < 1 % av full skala Temperaturområde: -25C – 55C Fuktighetsområde: 0 – 95 % RH Gasstrykk 950 mbar – 1050 mbar Responstid: 9 sek. – 2 min. Oppvarmingstid: < 3 min. Effektforbruk: 100 mW Forskyningsspenning: 3,3 V - 5,5V God immunitet til H2O RS232-grensesnitt Ev. analogt grensesnitt Mer info: CanSat – sept. 2017

53 Integrated 3 axis gyro IMU3000 https://www.sparkfun.com/products/10251
3 akse gyro Vibratory MEMS rate gyroscopes 250 – 2000 grad/sek Registrerer dreining Grensesnitt: I2C Pris: $ 39,95 MEMS – Micro ElektroMechanical Systems

54 GY80 3 akse akselerometer 3 akse gyrometer 3 akse magnetometer
Barometer Termometer CanSat – sept 2015

55 Ressurshefter http://www.ntnu.no/skolelab/sl-bla-bokserie