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2.º Ano |
2005/2006 |
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Objectivos
Gerais A disciplina de Sistemas de Instrumentação visa apresentar os meios (i.e. componentes que compõe uma cadeia de instrumentação e medida para aquisição de dados) através dos quais os sinais físicos (de acordo com as suas características no tempo e na frequência) podem ser medidos, graças à sua conversão para sinais eléctricos e, posteriormente para o formato digital adequado à apresentação e processamento num sistema computacional (ex.: PC). Os objectivos gerais desta disciplina visam também, a verificação da convergência de resultados obtidos através da análise teórica, da simulação e da experimentação. Os alunos do curso de Engenharia de Sistemas e Informática, ficam com os conhecimentos fundamentais, que lhes permitam a compreensão do funcionamento e a interacção com os equipamentos fortemente baseados em circuitos electrónicos (hardware) utilizados nos sistemas de instrumentação. O aluno deverá ser capaz perante um conjunto de sinais físicos (eléctricos e/ou não eléctricos), de efectuar o planeamento e concepção dum sistema de instrumentação, que permita a aquisição de dados para um formato apropriado, para o processamento por um sistema computacional. Para o efeito, o aluno deverá adquirir o domínio de:
Para que o aluno, tenha uma visão que lhe permita especificar e, se necessário implementar algum hardware electrónico de condicionamento de sinal (ex. amplificação, filtragem, excitação, conversão de sinal, etc.), no âmbito desta disciplina apresentam-se alguns conhecimentos de Electrónica. Esses conhecimentos debruçam-se sobre o funcionamento de alguns circuitos electrónicos, baseados em:
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1 O que é um sistema de instrumentação 1.1. Função dum sistema de instrumentação e medição 1.2. Modelo conceptual 2 Tipos de sistemas de instrumentação 2.1. Medição de grandezas eléctricas
2.1.2. Osciloscópio
2.2. Medição de grandezas não eléctricas 2.2.1. Sistemas de aquisição de dados
2.2.2. Elementos dum sistema de aquisição de dados
2.3. Sistemas baseados em PC 2.3.1. Sistemas internos: Placas DAQ 2.3.2. Sistemas externos: locais e remotos 2.3.3. Instrumentação Virtual 4 Exemplos de sistemas de instrumentação |
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1 Medição 1.1. O que é? Porquê? 1.2. Sistema de medição genérico. 2 Definições e terminologia 2.1. Validade da medição: erros e qualidade 2.1.1. Erros de Medição e definições relacionadas
2.1.2. Exactidão e Precisão 2.1.3. Histerese 2.1.4. Resolução 2.1.5 Repetibilidade 2.1.6. Linearidade 2.1.7. Offset 2.1.8. Sensibilidade 3 Calibração 3.1. Unidades e Standards 3.1.1. Padrões de calibração: massa, comprimento, tempo, temperatura e corrente eléctrica 3.1.2. Organizações 3.2. Processo de calibração estática 4 Comportamento dinâmico dos sistemas de medição 4.1. Ordem dum sistema dinâmico de medição 4.1.1. Sistemas de ordem zero 4.1.2. Sistemas de 1.ª ordem 4.1.3. Sistemas de 2.ª ordem |
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1 Introdução 1.1. Função do Condicionamento de Sinal 2 Construção de sistemas de condicionamento de sinal 2.1.1. Introdução 2.1.2. Sinais 2.1.3. Espectro de frequência 2.1.4. Sinais analógicos e digitais 2.1.5. Teoremas básicos dos circuitos
2.1.6. Amplificadores
2.1.7. Modelos de circuitos e resposta em frequência de amplificadores
2.1.8. Resposta em frequência dum amplificador
2.2.1. Princípio de funcionamento duma junção PN 2.2.2. Díodo de Junção
2.2.3. Circuitos Limitadores e Fixadores
2.2.4. Circuitos Rectificadores
2.2.5. Estabilização de Tensão
2.3.1. Transístor bipolar
2.3.2. Transístor PNP 2.3.3. Convenções e Simbologia 2.3.4. Representação gráfica das características dos transístores 2.3.5. Análise de circuitos com transístores em CC: Exemplos 2.3.6. Características estáticas completas
2.3.7. O transístor como amplificador
2.3.8. Modelos equivalentes para pequenos sinais
2.3.9. Análise gráfica 2.3.10. Polarização
2.3.11. Configurações amplificadoras básicas
2.3.12. Transístor como interruptor: corte e saturação
2.4. Circuitos com Transístores de Efeito de Campo (FETs) 2.4.1. Estrutura e princípio de funcionamento do MOSFET de enriquecimento
2.4.2. Características tensão-corrente do MOSFET enriquecimento
2.4.3. MOSFET de deplexão 2.4.4. Transístor de Efeito de Campo de Junção (JFET)
2.4.5. Circuitos com FETs em CC
2.4.6. O FET como amplificador
2.4.7. Polarização de FETs
2.4.8. Configurações básicas de amplificadores com FETs
2.5. Circuitos com Amplificadores Operacionais (OpAmp) 2.5.1. Amplificadores Diferenciais
2.5.2. Modelo Ideal dum Amplificador Operacional
2.5.3. Características Comerciais (Reais) dum Amplificador Operacional
2.5.4. Funcionamento Linear
2.5.5. Funcionamento Não Linear
2.5.6. Amplificador de Instrumentação 2.5.7. Resposta em frequência
2.6. Filtragem 2.6.1. Aspectos gerais 2.6.2. Tipos e características
2.6.3. Filtros de Butterworth usando OpAmps 2.7. Utilização de pontes de Medida 2.7.1. Princípio de funcionamento da ponte de Wheatstone 2.7.2. Efeito de carga 2.7.3. Circuitos em Ponte de Wheatstone 2.7.4. Aplicações de Medida 2.8. Transmissão de sinais 2.8.1. Aspectos gerais 2.8.2. Sinais analógicos
2.8.3. Sinais digitais 2.9. Circuitos de Condicionamento de sinal 2.9.1. Atenuação de Sinal 2.9.2. Conversão Tensão-Corrente 2.9.3. Amplificadores de Isolamento
2.9.4.
Conversão dum sinal PWM num sinal AM 2.10. Módulos de condicionamento de sinal para sistemas baseados em PC 2.10.1. Módulos típicos
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1 Introdução 1.1. Papel do sensor/transdutor 1.2. Sensor vs Transdutor 1.3. Classificação dos sensores/transdutores 1.3.1. Activos 1.3.2. Passivos 2 Especificações 2.1. Desempenho estático 2.1.1. Exactidão 2.1.2. Resolução 2.1.3. Repetibilidade 2.1.4. Offset 2.1.5. Linearidade 2.2. Desempenho dinâmico 2.2.1. Sensores de 1.ª e 2.ª ordem 2.2.2. Tempo de subida 2.2.3. Constante de tempo 2.2.4. Tempo de estabelecimento 2.2.5. Coeficiente de amortecimento 2.2.6. Resposta em frequência 3 Sensores para aplicações de aquisição de dados 3.1. Categorias de sensores quanto à variável em medição 3.2. Medição de temperatura 3.2.1. Tipos de transdutores/sensores
3.2.2. Termopares
3.2.3. RTD
3.2.4. Termistores
3.2.5. Semicondutores
3.2.6. Critérios de escolha 3.3. Medição de Força e Aceleração 3.3.1. Sensores Resistivos
3.3.2. Sensores Piezoeléctricos
3.4. Medição de Posição e Velocidade (linear e angular) 3.4.1. Sensores Resistivos
3.4.2. Sensores Indutivos (acoplamento magnético)
3.4.3. Sensores Capacitivos
3.4.4. Sensores ópticos
3.4.5. Sensores ultra-sónicos
3.4.6. Medição de velocidade
3.5. Medição de Pressão 3.5.1. Sensores piezoeléctricos 3.5.2. Sensores capacitivos 3.5.3. Estensómetros e células de carga 3.6. Outros sensores 3.6.1. Medição de Humidade, Fluxo e Nível 3.7. Sensores inteligentes |
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1 Introdução 1.1. Arquitectura geral 1.2. Computador Pessoal 1.2.1. CPU, RAM, ROM (BIOS) 1.2.2. Memória e mapeamento dos ports 1.2.3. Interrupções 1.2.4. Controlo do Hardware 1.2.5. DMA 1.2.6. Barramento de expansão (Bus) 1.3. Configurações de sistemas de aquisição baseados em PC 1.3.1. Configuração no próprio PC, ou muito próxima
1.3.2. Configuração local próxima do PC
1.3.3. Configuração remota
2 Conversão de sinal 2.1. Sinais contínuos (analógicos) e sinais discretos (digitais) 2.2. Necessidade da conversão A/D e D/A 2.3. Codificação digital: códigos binários 2.3.1. Códigos unipolares
2.3.2. Códigos bipolares
2.3.3. Conversão de códigos 3 Conceitos de amostragem 3.1. Análise espectral 3.1.1. Sinais periódicos e aperiódicos 3.1.2. Série de Fourier 3.1.3. Transformada de Fourier 3.1.4. DFT - Discret Fourier Transform 3.1.5. FFT - Fast Fourier Transform 3.1.6. Analisadores de espectro 3.2. Teorema da amostragem - Nyquist 3.2.1. Teorema da amostragem - demonstração 3.2.2. Selecção da taxa de amostragem 3.2.3. Aliasing 3.2.4. Utilização de filtragem para limitar a taxa de amostragem 3.2.5. Filtros anti-aliasing 3.3. Interpolação 3.3.1. Reconstrução dum sinal contínuo (analógico) a partir dum sinal digital 3.3.2. Filtros de Interpolação 4 Conversão Analógico - Digital 4.1. Aspectos gerais da conversão A/D 4.1.1. Operações de conversão
4.1.2. Relação Entrada/Saída dum conversor 4.1.3. Erro de quantização 4.2. Circuitos de Sample-and-Hold 4.3. Circuitos de Multiplexagem 4.4. Características dum conversor A/D 4.4.1. Conversores unipolares e bipolares 4.4.2. Resolução 4.4.3. Exactidão (Accuracy): absoluta e relativa 4.4.4. Erros do conversor
4.4.5. Tempo de conversão 4.4.6. Entradas e Saídas
4.5. Técnicas de conversão A/D 4.5.1. Conversor de Aproximações Sucessivas 4.5.2. Conversor de Rampa (Contador) 4.5.3. Conversor de Integração
4.5.4. Conversor Flash 4.5.5. Conversor Tensão-Frequência 4.5.6. Conversor Sigma-Delta 4.6. Orientações de selecção dum conversor A/D 5 Conversão Digital - Analógico 5.1. Aspectos gerais da conversão D/A 5.1.1. Princípio de funcionamento dum conversor D/A 5.1.2. Técnicas de conversão D/A
5.2. Características dum conversor D/A 5.2.1. Conversores unipolares e bipolares 5.2.2. Resolução 5.2.3. Factor de multiplicação/Tensão de referência 5.2.4. Exactidão (Accuracy): absoluta e relativa 5.2.5. Tempo de estabelecimento (Settling time) 5.2.6. Slew rate 5.2.7. Monoticidade 5.2.8. Erros do conversor
5.3. Orientações de selecção dum conversor D/A 6 Hardware de aquisição de Dados para PC 6.1. Configurações baseadas em PC 6.2. Placas DAQ - Data AQcquisition Boards 6.3. Placas de Entradas Analógicas - (Analógico para Digital) 6.4. Placas I/O - Digital 6.5. Placas de Saídas Analógicas 6.6. Placas de Interface 6.6.1. IEEE-488 (GPIB) 6.6.2. Série (RS-232 e RS-423, RS-422-A e RS-485) 6.7. Placas de condicionamento de sinal 6.7.1. Digital 6.7.2. Analógico 6.8. Placas acessórias 6.8.1. Sample-and-Hold 6.8.2. Terminais 6.8.3. Multiplexadores 6.9. Placas de instrumentação: multímetros, osciloscópios, geradores de sinal 6.10. Configurações autónomas inteligentes 6.10.1. Data loggers 6.10.2. Módulos de aquisição de dados remotos 7 Sistemas internos: Placa DAQ 7.1. Escolha da placa de aquisição de dados (DAQ) 7.1.1. Factores a ter em conta
7.1.2. Taxas de amostragem
7.1.3. Resolução 7.1.4. Gama dinâmica 7.1.5. Número de canais 7.2. Determinação da taxa de amostragem 7.2.1. Separação do ruído do sinal principal 7.2.2. Escolha da taxa de amostragem adequada 7.2.3. Requisitos de resolução 7.3. Ligação do sinal ao hardware de aquisição de dados 7.3.1. Tipo de cabo 7.3.2. Redução do ruído externo 7.3.3. Utilização de filtros 8 Sistemas externos: Interface Série 8.1. Interfaces EIA RS-232C e RS-423A 8.2. Interfaces EIA RS-422 e RS-485 9 Sistemas externos: GPIB 9.1. Conceito de automação laboratorial 9.2. Funcionamento do GPIB (IEEE-488) 9.2.1. Aspectos gerais 9.2.2. Componentes 9.2.3. Estrutura do sinal do barramento IEEE-488 9.2.4. Comandos GPIB universais 9.2.5. Linhas de controlo 9.2.6. Linhas de Handshake 9.3. O PC como controlador IEEE-488 9.4. Conversor externo RS232 para IEEE-488 10 Sistemas Remotos 10.1. Introdução 10.2. Distância entre o PC e a aplicação 10.3. Técnicas de aquisição de dados remotos 10.3.1. Utilização de módulos de aquisição de dados 10.3.2. Utilização de Crates de aquisição de dados inteligentes 10.3.3. Utilização de Modems 10.3.4. Aplicações 10.4. Orientações de selecção |
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1.1. Drivers: interface entre a placa DAQ e computador pessoal 1.2. Introdução ao processamento e análise de dados 1.2.1. Apresentação dos dados 1.2.2. Técnicas de Análise 1.2.3. Processamento de formas de onda(estatísticas, FFT, etc.) 2.1. Aquisição de dados: analógicos e digitais 2.1.1. Exemplos de programação em LabVIEW 2.2. Análise e processamento dos dados 2.3. Plataforma VISA (Virtual Instrument Software Architecture) 2.3.1. Gestor de recursos 2.3.2. Objecto INSTR 2.3.3. Comunicação por mensagens e eventos 2.3.4. Exemplos de programação em LabVIEW |
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Viseu, 23 de Setembro 2005.O Docente responsável,
Manuel A. Esteves Baptista, Eng.º
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Última revisão:
Outubro 31, 2005.