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Máster de Física de la Materia
Condensada y Nanotecnología
INSTRUMENTACIÓN CIENTÍFICA Y CONTROL -
Curso 2010-11
Máster de Física de la Materia Condensada y Nanotecnología
INSTRUMENTACIÓN CIENTÍFICA Y CONTROL - Curso 2009-10
Calendario del curso
Profesores:
José Gabriel Rodrigo (jose.rodrigo@uam.es)
José María Gómez (josem.gomez@uam.es)
Jesús Álvarez (jesus.alvarez@uam.es)
Aulas:
Teoría: Módulo 0, Aula 309
Prácticas: Laboratorios C-III
HORARIO:
Miércoles y Viernes: 9:30 - 11:30
Esquema de clases:
Verde, Azul, Amarillo: Teoría
Rojo:
Clases en laboratorio
Morado: Exposiciones y discusión de los trabajos
Página web de la asignatura: www.uam.es/jose.rodrigo/icc
Temario:
1. Planteamiento de experimentos científicos
2. Instrumentos científicos de medida y control
3. Adquisición de datos con ordenador
4. Sistemas de control
5. Componentes eléctricos y electrónicos
6. Filtrado y calidad de señales eléctricas
(12 Enero - JGR )
(14 Enero - JGR)
(19 Enero - JMG)
(21 Enero - JMG)
(26 Enero – JA)
(28 Enero – JA)
Prácticas: ( 2 de Febrero a 18 de Marzo)
•
Las prácticas consisten en el diseño y realización de una serie de
medidas físicas mediante sistemas de control de instrumentos y
adquisición de datos por ordenador. El software de control y medida
es Matlab. Se utilizarán dispositivos de adquisición analógicos y
digitales (bus PCI y USB), e instrumentos controlables mediante el
bus IEEE488 y USB.
CRITERIOS DE EVALUACIÓN
Evaluación continua: realización de las prácticas, exposición y discusión de los trabajos realizados.
Entrega de informes semanales sobre la evolución de la práctica.
Bibliografía:
Tesis Doctorales del Departamento de Física de la Materia Condensada, UAM.
Manuales de instrumentos científicos (Keithley, Tektronix, HP, Standford Research, National Instruments,
Lakeshore, etc)
Libros-Guía de Keithley:
Understanding New Developments In Data Acquisition, Measurement, And Control.
Low level measurement.
Data acquisition and control handbook.
BOLTON, W.: Instrumentation and Control Systems, Newnes, Oxford (2004).
DORF, RICHARD; BISHOP, ROBERT H.: Sistemas de control moderno, Pearson Educación, Madrid (2005) (10ª
edición).
FRANKLIN, GENE F.; POWELL, J. DAVID; EMAMI-NAEINI, ABBAS: Feedback Control of Dynamic Systems,
Addison-Wesley, Reading (1988).
OGATA, K.: Ingeniería de control moderna, Pearson Educación, Madrid (2003) (4ª edición).
OGATA, K.: Sistemas de control en tiempo discreto, Pearson, México (1996) (2ª edición).
PARK, J.; MACKAY, S.: Practical Data Acquisition for Instrumentation and Control Systems, Newnes, Oxford
(2003).
PROAKIS, JOHN G.; MANOLAKIS, DIMITRIS G.: Tratamiento digital de señales, Pearson Educación, Madrid
(2007) (4ª edición).
Moore, Davis, Coplan: Building Scientific Apparatus Instruments, Addison-Wesley.
Paul Horowitz, Winfield Hill The art of electronics. Cambridge University Press.
Bibliografía:
Tesis Doctorales del Departamento de Física de la Materia Condensada, UAM.
Manuales de instrumentos científicos (Keithley, Tektronix, HP, Standford Research, National
Instruments, Lakeshore, etc)
Libros-Guía de Keithley:
Understanding New Developments In Data Acquisition, Measurement, And Control.
Low level measurement.
Data acquisition and control handbook.
¡¡¡ Usad internet !!!
-Google
-www.keithley.com
-www.ni.com
-www.analog.com
-sitio oficial de Matlab, http://www.mathworks.com
Matlab
Tutoriales en inglés:
- http://www.mathworks.es/academia/student_center/tutorials/launchpad.html
- http://www.maths.dundee.ac.uk/~ftp/na-reports/MatlabNotes.pdf
Data Acquisition Toolbox™ 2
Instrument Control Toolbox
Bibliografía:
Los problemas no son nuevos…
Contenidos del curso
Temario:
1. Planteamiento de experimentos científicos
2. Instrumentos científicos de medida y control
3. Adquisición de datos con ordenador
4. Sistemas de control
5. Componentes eléctricos y electrónicos
6. Filtrado y calidad de señales eléctricas
(12 Enero - JGR )
(14 Enero - JGR)
(19 Enero - JMG)
(21 Enero - JMG)
(26 Enero – JA)
(28 Enero – JA)
1. Planteamiento de experimentos científicos
(12 Enero - JGR )
1.1 Planteamiento de un experimento científico.
Fenómeno a estudiar.
Magnitudes que se desean medir.
Parámetros que se desean controlar y variar.
Método y técnicas experimentales a utilizar.
Diseño de un sistema experimental : SPM a bajas temperaturas.
1.2 Medida de magnitudes físicas.
Sensores y transductores: medir y aplicar voltajes y corrientes.
Estimación de la magnitud de las señales de trabajo.
2. Instrumentos científicos de medida y control (14 Enero - JGR)
2.1 Características de los instrumentos científicos.
Aspectos generales: precisión, exactitud, calibración, velocidad, rango, versatilidad, especificidad.
Aspectos específicos de algunos instrumentos: fuentes de corriente y voltaje, multímetro,
osciloscopio, amplificador lock-in, puente de capacidades, puente de resistencias, controlador de
temperatura.
2.2 Sistemas experimentales en los laboratorios del Departamento:
Bajas Temperaturas.
Nuevas Microscopías.
Superficies.
3. Adquisición de datos con ordenador (19 Enero - JMG)
3.1 Introducción.
Señales analógicas y digitales.
Sensores y transductores.
Acondicionamiento de señales.
Hardware y software.
3.2 Tarjetas de adquisición de datos.
Convertidores A/D: resolución, rango dinámico y precisión.
Muestreo de señales analógicas: aliasing y teorema de Nyquist.
Convertidores D/A (DAC).
Señales digitales I/O.
Contadores.
3.3 Comunicaciones y protocolos.
Comunicaciones en serie: el estándar RS-232.
Comunicaciones en paralelo: el estándar IEEE 488.
Comunicaciones mediante USB.
4. Sistemas de control (21 Enero - JMG)
4.1 Sistemas de control.
Introducción y ejemplos de sistemas de control.
Control en lazo abierto y en lazo cerrado.
Tipos de controladores: on-off, proporcional, en derivada, integral, PID.
4.2 Introducción elemental al modelado matemático de control de sistemas dinámicos.
Sistemas dinámicos. Ecuaciones diferenciales.
Transformadas de Laplace. Función de transferencia y de respuesta impulso.
Repuesta en frecuencia. Gráficas de Bode. Diagramas de Nyquist.
4.3 Sistemas de control en tiempo discreto.
Análisis y modelado de sistemas de control digital.
La transformada z. Análisis en el plano z de sistemas de control en tiempo discreto.
Diseño de sistemas de control en tiempo discreto.
Ejemplos y aplicaciones a controladores digitales para microscopía de efecto túnel (STM) y de
fuerzas (AFM).
5. Componentes eléctricos y electrónicos ( 26 Enero – JA)
Componentes pasivos:
Resistencias condensadores
Líneas de transmisión:
Impedancia
Filtros
Componentes activos:
Diodos
Concepto de transistor
FET
Fuentes de alimentación:
Reguladores
Amplificadores
Amplificador operacional
Realimentación, estabilidad y oscilación.
Detección de señal, detección y conteo de pulsos.
Electrónica digital básica, conexión con el mundo analógico
Convertidores analógico digital
Convertidores digital analógico
Conteo de eventos.
6. Filtrado y calidad de señales eléctricas ( 28 Enero– JA)
Filtros pasivos
Paso bajo y paso alto.
Paso banda
Señal en líneas de transmisión.
Tierra y apantallamiento eléctrico
Seguridad eléctrica
Interferencia electromagnética.
Acoplamiento capacitivo e inductivo
Señal y ruido
Relación señal/ruido
Promediado de señal
Detección en fase, el amplificador lock-in
Técnicas de Fourier
1. Planteamiento de un experimento científico
1. Planteamiento de un experimento científico:
• Fenómeno a estudiar.
• Magnitudes que se desean medir.
• Parámetros que se desean controlar y variar.
• Método y técnicas experimentales a utilizar.
Diseño de un sistema experimental : SPM a bajas temperaturas.
AFM-STM BT 4.2 K
STM /STS BT 300 mK
STM /STS BT 300 mK
1. Planteamiento de un experimento científico:
• Fenómeno a estudiar.
• Magnitudes que se desean medir.
• Parámetros que se desean controlar y variar.
• Método y técnicas experimentales a utilizar.
Diseño de un sistema experimental : SPM a bajas temperaturas.
• Fenómeno a estudiar: vórtices en superconductores,
(mediante espectroscopía túnel de barrido)
LBT-UAM
Superconductor y campo magnético
vórtices
Densidad de estados en S
D
densidad de pares
superconductores
campo magnético
EF
densidad de
supercorriente
E
Se pueden ver los vórtices
usando el STM
--- -- - --
d(nm)  50 / H(T)
S
2
d
Red de Abrikosov
H
conductancia
Y axis
N
El flujo que atraviesa un vórtice
es la unidad cuántica de flujo:
 0  h / 2e  2 mT m
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
-3
-2
-1
0
X axis
1
voltaje
2
3
• Fenómeno a estudiar: vórtices en superconductores
•Magnitudes que se desean medir:
•D y JS vs (x,y)
•DOS vs (x,y) del material (curvas dI/dV vs V)
•B(x,y)
dV-V(nm)=50/B(T)1/2
•Parámetros que se desean controlar y variar:
•DOS: espectroscopía túnel: Corriente y voltaje
•Tamaño zona estudiada (10-1000 nm)
•Temperatura: 300K..77K..4.2K..300 mK
•Campo magnético: 0..1 T
1.1 Planteamiento de un experimento científico.
Fenómeno a estudiar.
Magnitudes que se desean medir.
Parámetros que se desean controlar y variar.
Método y técnicas experimentales a utilizar.
Diseño de un sistema experimental : SPM a bajas
temperaturas.
• Fenómeno a estudiar: vórtices en superconductores
•Método y técnicas experimentales a utilizar:
•DOS vs (x,y) del material (curvas dI/dV vs V)
•espectroscopía túnel de barrido: STM
•Un STM a bajas temperaturas (300 mK)
•Zona estudiada (10-1000 nm) : piezoeléctricos,
desplazamiento y posicionamiento controlado.
•Temperatura: 300K..77K..4.2K..300 mK: criostato 3He, control
de temperatura.
•Campo magnético a bajas temperaturas: 0..1 T : bobina
superconductora, fuente de corriente.
•Diseño de un sistema experimental : SPM a bajas temperaturas.
Inverting Amplifier
Non-inverting Amplifier
For an ideal op-amp, the non-inverting amplifier
gain is given by
An op-amp inverting amplifier with a gain
of one serves as an inverting buffer.
Current to Voltage Amplifier
Voltage Follower
The voltage follower with an ideal op amp gives
simply but this turns out to be a very useful
service, because the input impedance of the op
amp is very high, giving effective isolation of
the output from the signal source.
You draw very little power from the signal
source, avoiding "loading" effects. This circuit is
a useful first stage.
The voltage follower is often used for the
construction of buffers for logic circuits.
Rule Application:
Summing Amplifier
The behavior of most configurations
of op-amps can be determined by
applying the "golden rules". For the
summing amplifier by the current
rule the non-inverting input is a
virtual ground. Then the current into
A must be zero. This requires
Hence
¿Cómo se crean “altos” campos magnéticos?
Solenide: SC tipo II (NbTi)
Típicamente: 1 kG/A
Solenoides “caseros” : 200 G/A
www.janis.com
www.oxinst.com
Cableado:
Termometría:
Coaxiales,
Baja conductividad térmica,
Alta conductividad eléctrica,
Bajas temperaturas,
Alto voltaje,
Rango: 300 mK - 300 K
www.lakeshore.com
Sensibilidad
Efecto del campo magnético
1.2 Medida de magnitudes físicas.
Sensores y transductores: medir y aplicar voltajes y corrientes.
Estimación de la magnitud de las señales de trabajo.
What is a sensor?
Formal definition: “A device that receives and responds to a
signal or stimulus” (American Heritage Dictionary of the English
Language)
Informally, a sensor is a device that takes in information from the
outside world. Based on the information, the sensor creates a
signal on which a system can base a decision
A sensor, thus, has an input and an output
Usually, a sensor is tailored to a specific task
1.2 Medida de magnitudes físicas.
Sensores y transductores: medir y aplicar voltajes y corrientes.
Estimación de la magnitud de las señales de trabajo.
Observing the frequency of oscillation of a quartz crystal
covered in a special plastic coating:
The coating absorbs certain chemicals
The added mass changes the frequency of the quartz crystal
www.nintendo.com/controller.jsp
NOISE, SHIELDING, AND SIGNAL PROCESSING FUNDAMENTALS
Un ejemplo de sensores
Termómetros
RTDs
Resistance temperature detectors (RTDs) operate on the principle of changes in electrical
resistance of pure metals and are characterized by a linear positive change in resistance with
temperature. Typical elements used for RTDs include nickel (Ni) and copper (Cu), but platinum
(Pt) is by far the most common because of its wide temperature range, accuracy, and stability.
The resistance/temperature curve for a 100 W platinum RTD, commonly referred to as Pt100,
is shown below:
For <0 °C RT = R0 [ 1 + aT + bT2 +cT3 (T - 100) ]
(Equation 1)
For >0 °C RT = R0 [ 1 + aT + bT2 ]
Where RT = resistance at temperature T
R0 = nominal resistance
a, b, and c are constants used to scale the RTD
Figure 1. Resistance-Temperature Curve
for a 100 Ω Platinum RTD, a = 0.00385
Thermistors
Thermistors (thermally sensitive resistors) are similar to RTDs in that they are electrical resistors whose
resistance changes with temperature. Thermistors are manufactured from metal oxide semiconductor material
which is encapsulated in a glass or epoxy bead.
Thermistors have a very high sensitivity, making them extremely responsive to changes in temperature. For
example, a 2252 W thermistor has a sensitivity of -100 W/°C at room temperature. In comparison, a 100 W
RTD has a sensitivity of 0.4 W/°C. Thermistors also have a low thermal mass that results in fast response
times, but are limited by a small temperature range.
Thermistors have either a negative temperature coefficient (NTC) or a positive temperature coefficient (PTC).
The first has a resistance which decreases with increasing temperature and the latter exhibits increased
resistance with increasing temperature. Figure 2 shows a typical thermistor temperature curve compared to a
typical 100 W RTD temperature curve:
Figure 2. Resistance vs.
Temperature for a Typical
Thermistor and RTD
GR-200 Germanium RTDs
RTD and Thermistor Measurement and Signal Conditioning
Because RTDs and thermistors are resistive devices, you must supply them with an excitation current and then
read the voltage across their terminals. If extra heat cannot be dissipated, I2R heating caused by the excitation
current can raise the temperature of the sensing element above that of the ambient temperature. Self-heating will
actually change the resistance of the RTD or thermistor, causing error in the measurement. The effects of selfheating can be minimized by supplying lower excitation current.
Figure 3. Making a 2-Wire RTD/Thermistor
Measurement
A 3-wire or 4-wire connection method can eliminate the effects of lead
wire resistance.
Figure 4. Making a 4-Wire RTD Measurement
2. Instrumentos científicos de medida y control
2. Instrumentos científicos de medida y control
2.1 Características de los instrumentos científicos.
Aspectos generales: precisión, exactitud, calibración, velocidad, rango,
versatilidad, especificidad.
Aspectos específicos de algunos instrumentos: fuentes de corriente y voltaje,
multímetro, osciloscopio, amplificador lock-in, puente de capacidades, puente
de resistencias, controlador de temperatura.
2.2 Sistemas experimentales en los laboratorios del Departamento:
Bajas Temperaturas.
Nuevas Microscopías.
Superficies.
Figure 2. Resistance vs.
Temperature for a Typical
Thermistor and RTD
GR-200 Germanium RTDs
Figure 4. Making a 4-Wire
RTD Measurement
Systems for Measuring Temperature with RTDs and Thermistors
Figure 5. SCXI Signal Conditioning System
Table 1. SCXI Signal Conditioning Modules for RTDs and Thermistors
SCXI-1121
SCXI-1122
SCXI-1102 w/ SCXI 1581
Number of inputs
4
16 (devices in series)
8 (4-wire scanning mode)
32
Amplifier gains
1 to 2000 – jumper
selectable
1 to 2000 – jumper selectable
1 or 100 – software
selectable per channel
Filtering options
4 Hz or 10 kHz
4 Hz or 4 kHz – software
programmable
2 Hz
Isolation
250 Vrms
480 Vrms
N/A
Excitation Values
3.33 V, 10 V
0.15 mA, 0.45 mA
3.33 V
1 mA
100 µA
Recommended terminal
block for RTDs/Thermistors
SCXI-1320 or SCXI-1322
SCXI-1322
SCXI-1300 or SCXI-1303
Model 370 AC Resistance Bridge
Features
•Resistance measurement ranges from 2 mW to
2 MW
•21 excitation levels from 3.16 pA to 31.6 mA
•Displays real-time sensor excitation power
•One sensor input (16 with scanner)
•PID temperature control
•IEEE-488 and RS-232C interfaces, alarms,
relays, and analog outputs
•Unique noise-reduction elements:
• Patented current source preserves
common mode noise rejection
• Optically isolated measurement
electronics eliminates the potential for
ground loops
Two 16-channel scanners:
•Model 3716 scanner is optimized for low DC
bias current
•Model 3716L scanner is optimized for low
noise
Model 325 Cryogenic Temperature
Controller
Features
•Operates down to 1.2 K with appropriate
sensors
•Two sensor inputs
•Supports diode, RTD, and thermocouple
sensors
•Sensor excitation current reversal
eliminates thermal EMF errors in resistance
sensors
•Two autotuning control loops:
25 W and 2 W maximum
•Control loop 2: variable DC voltage source
from 0 to 10 V maximum
•IEEE-488 and RS-232C interfaces
Lock-in amplifier
A lock-in amplifier (also known as a phase sensitive detector) is a type of amplifier that can
extract a signal with a known carrier wave from extremely noisy environment (S/N ratio can be as
low as -60 dB or even less).
Lock-in amplifiers use mixing, through a frequency mixer, to convert the signal's phase and
amplitude to a DC—actually a time-varying low-frequency—voltage signal.
A lock-in amplifier from Stanford
Research Systems
LIA-MVD-200-H
BNC Connectors for Input and Output Signals
Rugged Aluminium Housing
Dual Phase Detection with X, Y and Magnitude Output
Working Frequency 50 Hz ... 120 kHz, Digital Phase Shifter 0 ... 360°
Parameter Control by local Switches and opto-isolated digital Inputs
Optional Reference Oscillator Module available
Multímetro digital
Analog inputs
Analog outputs