Técnicas de Medida e Instrumentação

Código:

F4032

Sigla:

F4032

Nível:

400

Áreas Científicas
Classificação	Área Científica
OFICIAL	Física

Ocorrência: 2019/2020 - 1S

Ativa?	Sim
Unidade Responsável:	Departamento de Física e Astronomia
Curso/CE Responsável:	Mestrado em Astronomia e Astrofísica

Ciclos de Estudo/Cursos

Sigla	Nº de Estudantes	Plano de Estudos	Anos Curriculares	Créditos UCN	Créditos ECTS	Horas de Contacto	Horas Totais
M:A_ASTR	0	Plano de Estudos oficial desde_2013/14	1	-	6	49	162
			2
M:F	5	Plano de Estudos Oficial	1	-	6	49	162
M:FM	2	Plano de estudos do Mestrado em Física Médica a partir de 2013.	1	-	6	49	162

Língua de trabalho

Português - Suitable for English-speaking students

Objetivos

Esta unidade curricular pretende desenvolver no estudante a capacidade de concepção e implementação de sistemas de medição e instrumentação que possibilitem a aquisição de competências para o exercício de atividade profissional num ambiente de ciência experimental ou industrial, ou o prosseguimento de estudos mais avançados. Para tal, o estudante irá: apreender conceitos gerais de Medida e técnicas fundamentais de instrumentação; adquirir  conhecimento operacional dos principais tipos de elementos sensores (transdutores) atualmente disponíveis e dos respetivos princípios de funcionamento e características; apreender conhecimentos sobre elementos condicionadores de sinal;  apreender conhecimentos sobre a origem e características das principais fontes de ruído electrónico que afetam os sistemas de medição e instrumentação, e das técnicas normalmente utilizadas na minimização dos seus efeitos; princípios de funcionamento de instrumentação avançada e princípios de medida.

Resultados de aprendizagem e competências

 

• conhecimento dos factores condicionantes do processo da medição.
• capacidade para a concepção e implementação de sistemas de medição e instrumentação.
• competências para trabalhar num ambiente de ciência experimental ou num ambiente industrial.
• obtenção de conhecimentos estruturantes na área da instrumentação dirigida ao processo de medição que possibilitem a aquisição de competências para o exercício de actividade profissional na área, ou o prosseguimento para estudos mais avançados.

Modo de trabalho

Presencial

Programa

A Unidade Curricular está dividida em 3 módulos. Num primeiro módulo é feita uma introdução a vários tópicos importantes para a instrumentação. No segundo módulo é feito um tratamento formal dalguns dos tópicos considerados mais importantes. No terceiro módulo são feitas aplicações dos conhecimentos utilizando alguns sistemas específicos.

Módulo 1

Elementos Gerais de um Sistema de Medida.

Introdução ao ruído eletrónico. Relação sinal-ruído. Fator de ruído de um amplificador. Temperatura de ruído. Ruídos térmico, quântico e de "flicker" (1/f). Ruídos ambientais ou extrínsecos

Teoria de realimentação. Realimentações positiva e negativa. Importância da realimentação negativa na estabilização do ganho. Tempo de estabilização da saída e problemas de auto-oscilação. Amplificador operacional na montagem não-inversora. Amplificador operacional na montagem inversora (amplificador de transresistência). Circuito somador. Circuitos integrador e diferenciador. Influência da realimentação negativa na impedância de entrada de amplificadores de tensão. Influência da realimentação negativa na impedância de saída de amplificadores de tensão. Circuitos com realimentação positiva. Importância da histerese em instrumentação. Circuitos temporizadores e sua importância na instrumentação.

Transdutores e Sensores. O sensor numa cadeia de medida. Classificação e caraterização estática de sensores. Características dinâmicas dos sensores. Ruído em sensores

Conversão digital-analógica. Tipos principais de conversores. Características dos DAC. Conversão analógico-digital. Conversores do tipo “flash” e “half-flash”. Conversores em escada. Conversores de aproximação sucessiva. Conversores de rampa. Conversores de dupla rampa. Conversores tensão-frequência. Utilização de “sample and hold” e multiplexagem.

Filtros passivos simples (RC e RLC). Tipos de filtros (passa-alto, passa-baixo, passa-banda e rejeita-banda). Resposta em frequência e resposta em fase. Concatenação de filtros. Características principais de filtros. Filtros de Butterworth, Chebyshev e Bessel. Filtros ativos, diferenças para os filtros passivos. Fatores de seleção de filtros.

Princípios de controlo. Sistema em malha aberta, impossibilidade de corrigir pequenas alterações. Sistema com realimentação. Sistemas de controlo proporcionais. Controlo "On-Off". Controlo proporcional. Problemas associados com os tempos de resposta dos componentes de um sistema de controlo em malha fechada. Sistemas proporcionais que incorporam resposta integral e diferencial. Sistemas PID. Outros sistemas de controlo. Bases do controlo digital.

Análise de alguns instrumentos.

Contadores. Blocos funcionais. Funcionamento como frequencímetro, medida de intervalo de tempo, e contador. Origem dos principais erros associados a medidas com contadores. Importância do “trigger”.

Funcionamento de osciloscópios de amostragem

Analisadores de espectros elétricos, modelo de funcionamento e especificações.

Lock-In. Função de correlação entre dois sinais. Autocorrelação de sinais eléctricos. Autocorrelação do ruído. Autocorrelação de um sinal periódico. Princípio de funcionamento do “Phase Sensitive Detector”. Modos de funcionamento do Lock-In e importância do tempo de integração (constante de tempo) do filtro de saída

Funcionamento do “Box-Car Averager”. Importância do controlo do tempo atraso e da duração do sinal de “gate”. Complementaridade do “Lock-In” e do “Box-Car Averager”

 

Módulo 2.

Caracterização de sinais e sistemas. Propriedades de funções discretas e contínuas do tempo. Funções exponencial complexa, de Dirac e degrau de Heaviside e suas derivadas.

A operação de correlação entre funções contínuas e discretas. Modo de operar. Propriedades e aplicações.

Para funções discretas e contínuas, estudo das séries de Fourier , transformadas de Fourier, suas propriedades e aplicações.

Funções de transferência associadas a equações diferenciais e às diferenças finitas. Resposta impulsional de um sistema. Resposta ao degrau de Heaviside e suas relações. Resposta a uma entrada arbitrária.

Filtros e associação de Filtros. Diagramas de Bode (módulo e fase).

Modulação em Amplitude e frequência. Amostragem de sinais e formas de amostrar.

 

Módulo 3.

Análise de alguns sistemas de medição com ênfase em sistemas de medição de propriedades óticas e magnéticas.

Bibliografia Obrigatória

Bentley John P.; Principles of measurement systems. ISBN: 0-582-30543-8 (monografia principal)

Bibliografia Complementar

Fraden Jacob; Handbook of modern sensors. ISBN: 1-56396-538-0 (Handbook of Modern Sensors.... )
Davies E. R.; Electronics, noise and signal recovery. ISBN: 0-12-206131-4 (electónica, sinais, e ruído )
Connor F. R.; Noise. ISBN: 0-7131-3306-6 (ruído...)
Johnson Gary W.; LabVIEW graphical programming. ISBN: 0-07-032692-4 (- existem outras refs na biblioteca do DFA em Labview!)

Métodos de ensino e atividades de aprendizagem

Aulas expositivas, teórico-práticas, com resolução de problemas pelos estudantes e discussão.
A unidade curricular propõe o estudo de um conjunto alargado de elementos de transdução de sinais que devem fazer parte da formação de base de profissionais que desenvolvem o seu trabalho com forte componente de instrumentação, em ambientes industriais ou de investigação científica. São também introduzidos de forma consistente aspetos fundamentais de ruído em sistemas electrónicos não cobertos nas unidades curriculares do curso. Por outro lado, os conteúdos programáticos revisitam conhecimentos previamente adquiridos pelos estudantes em unidades curriculares focadas em electrónica, sinais e sistemas, estatística, numa perspetiva integradora, dirigida ao desenvolvimento, caracterização e optimização de soluções de medida e instrumentação eletrónica. Os sistemas de medida são estudados desde a transdução primária de sinal até à geração de uma resposta final, incluíndo a estimativa de erros derivados quer de interferências quer de ruídos intrínsecos aos sistemas.   

 

Software

Matlab
Scilab

Palavras Chave

Ciências Físicas > Física > Física aplicada > Física experimental
Ciências Físicas > Física > Electrónica > Electrónica aplicada
Ciências Físicas > Física > Metrologia

Tipo de avaliação

Avaliação por exame final

Componentes de Avaliação

Designação	Peso (%)
Exame	100,00
Total:	100,00

Componentes de Ocupação

Designação	Tempo (Horas)
Estudo autónomo	113,00
Frequência das aulas	49,00
Total:	162,00

Obtenção de frequência

Participação em pelo menos 2/3 das horas letivas previstas.

Fórmula de cálculo da classificação final

Poderão eventualmente existir um ou dois testes de partes da matéria, a classificação obtida nos testes poderá substituir a parte correspondente no exame final.