ITPZ20130004A1 - SYSTEM FOR ACQUISITION OF DATA FROM NOISY SENSORS - Google Patents

SYSTEM FOR ACQUISITION OF DATA FROM NOISY SENSORS Download PDF

Info

Publication number
ITPZ20130004A1
ITPZ20130004A1 IT000004A ITPZ20130004A ITPZ20130004A1 IT PZ20130004 A1 ITPZ20130004 A1 IT PZ20130004A1 IT 000004 A IT000004 A IT 000004A IT PZ20130004 A ITPZ20130004 A IT PZ20130004A IT PZ20130004 A1 ITPZ20130004 A1 IT PZ20130004A1
Authority
IT
Italy
Prior art keywords
sensors
analog
fact
low cost
branch
Prior art date
Application number
IT000004A
Other languages
Italian (it)
Inventor
Giovanni Polimeni
Original Assignee
Stmg S R L
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Stmg S R L filed Critical Stmg S R L
Priority to IT000004A priority Critical patent/ITPZ20130004A1/en
Publication of ITPZ20130004A1 publication Critical patent/ITPZ20130004A1/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D3/00Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups
    • G01D3/028Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups mitigating undesired influences, e.g. temperature, pressure
    • G01D3/036Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups mitigating undesired influences, e.g. temperature, pressure on measuring arrangements themselves

Description

DESCRIZIONE DESCRIPTION

Nel mondo scientifico, con particolare riferimento a quello che si occupa del monitoraggio territoriale ed ambientale, ma non necessariamente limitatamente a questo, si utilizzano normalmente sensori con un range dinamico piuttosto elevato che sono però particolarmente costosi. Questo è dovuto al fatto che la qualità si ottiene di regola tramite sensori di tipo elettro-meccanico, si pensi ad esempio agli accelerometri a bilanciamento di forza, che sono conseguentemente costosi da produrre. In the scientific world, with particular reference to that which deals with territorial and environmental monitoring, but not necessarily limited to this, sensors with a rather high dynamic range are normally used which are however particularly expensive. This is due to the fact that quality is usually obtained by means of electro-mechanical sensors, such as force-balanced accelerometers, which are consequently expensive to produce.

In anni recenti sono stati resi disponibili tutta una serie di sensori a bassissimo costo, i MEMS, Micro Electro-Mechanical Systems, che hanno costi dell’ordine di un millesimo di quello dei sensori tradizionali. Essi tuttavia sono in genere caratterizzati da una forte rumorosità, che aumenta inoltre aH'aumentare della frequenza di campionamento considerata, normalmente secondo un legge del tipo cosi. (Hz,/2). Esistono in effetti sul mercato sensori MEMS caratterizzati da rumorosità sensibilmente più basse. Essi tuttavia, non essendo prodotti in quantità industrialmente rilevanti, raggiungono costi non dissimili a quelli dei sensori tradizionali, senza eguagliarne totalmente le prestazioni. Vi è quindi la necessità di soddisfare un segmento di mercato intermedio che permetta di fornire prestazioni soddisfacenti senza portare ai costi elevati degli attuali strumenti, che rappresentano di conseguenza un grosso limite alla diffusione di questi sensori. Nel caso degli accelerometri, ad esempio, il Dipartimento della Protezione Civile dispone di poche centinaia di sensori mentre in Italia vi sono ben 8.000 comuni ed un numero ancora più rilevante di centri urbani. Strumenti che costino il 5 od il 10% di quelli attuali potrebbero potenzialmente coprire l'intero territorio. In recent years, a whole series of very low cost sensors have been made available, MEMS, Micro Electro-Mechanical Systems, which have costs in the order of one thousandth of that of traditional sensors. However, they are generally characterized by a strong noise level, which also increases as the sampling frequency considered increases, normally according to a law of the type thus. (Hz, / 2). In fact, there are MEMS sensors on the market characterized by significantly lower noise levels. However, since they are not produced in industrially significant quantities, they reach costs not dissimilar to those of traditional sensors, without completely equaling their performance. There is therefore the need to satisfy an intermediate market segment that allows satisfactory performance to be provided without leading to the high costs of current instruments, which consequently represent a major limit to the diffusion of these sensors. In the case of accelerometers, for example, the Civil Protection Department has a few hundred sensors while in Italy there are 8,000 municipalities and an even more significant number of urban centers. Instruments that cost 5 or 10% of the current ones could potentially cover the entire territory.

Lo scopo della presente invenzione è quello di fornire un sistema a costo relativamente basso, che, utilizzando i nuovi sensori MEMS, possa permettere un monitoraggio di qualità sufficiente per utilizzi di tipo tecnico-scientifico. Tali sensori forniscono un segnale analogico, in termini di variazione di voltaggio di una corrente positiva, proporzionale al segnale misurato. The object of the present invention is to provide a relatively low cost system which, by using the new MEMS sensors, can allow a monitoring of sufficient quality for technical-scientific uses. These sensors provide an analog signal, in terms of voltage variation of a positive current, proportional to the measured signal.

Il sistema oggetto della presente invenzione si basa sul principio di utilizzare numerosi sensori a basso costo. Una procedura di somma dei segnali che escono da tali sensori, assicura una forte riduzione della rumorosità elettrica presente in essi, nella fattispecie la soglia viene abbassata di un fattore N dove N è il numero di sensori. Se tuttavia il flusso di dati analogici che tali sensori generano venisse immediatamente digitalizzato e poi sommato, sarebbe necessario prevedere un filtro hardware anti-aliasing ed un canale del convertitore analogicodigitale per ciascun canale del sensore e tali componenti sono, a loro volta, molto costosi. In particolare, date le caratteristiche ad alta frequenza del rumore, i filtri devono essere molto sofisticati per poter troncare efficacemente le frequenze più alte che consistono essenzialmente di rumore. La soluzione quindi è uno strumento che utilizzi un certo numero di sensori MEMS in parallelo, i cui segnali vengano prima sommati in modo analogico e poi filtrati e digitalizzati. Per essere l'invenzione efficiente e di semplice realizzazione, è necessario che le tensioni presenti nel circuito rimangano molto basse. Tramite opportune resistenze, il voltaggio del segnale analogico viene pertanto abbassato prima della somma analogica. Il principio quindi e di dividere per 1/N il voltaggio proveniente da ciascun sensore e poi di sommarlo analogicamente. The system object of the present invention is based on the principle of using numerous low-cost sensors. A procedure for summing up the signals coming out of these sensors ensures a strong reduction of the electrical noise present in them, in this case the threshold is lowered by a factor N where N is the number of sensors. However, if the flow of analog data that these sensors generate were immediately digitized and then summed, it would be necessary to provide a hardware anti-aliasing filter and an analog-to-digital converter channel for each sensor channel and these components are, in turn, very expensive. In particular, given the high-frequency characteristics of the noise, filters must be very sophisticated in order to effectively cut off the higher frequencies that consist essentially of noise. The solution is therefore a tool that uses a certain number of MEMS sensors in parallel, whose signals are first summed in an analog way and then filtered and digitized. To be efficient and simple to make the invention, the voltages present in the circuit must remain very low. By means of suitable resistors, the voltage of the analog signal is therefore lowered before the analog sum. The principle therefore is to divide the voltage coming from each sensor by 1 / N and then add it analogically.

L’invenzione viene descritta con riferimento alla Figura 1 annessa, che illustra un esempio non limitativo di alcun modo di realizzazione dell'invenzione, per mezzo dello schema elettrico della sola porzione dello strumento oggetto della presente invenzione, quindi solamente di un modo per realizzare la somma analogica del segnale: a valle di questo bisogna prevedere sia la presenza di un sistema di filtraggio anti-aliasing che di un conertitore analogico-digitale. The invention is described with reference to the attached Figure 1, which illustrates a non-limiting example of any embodiment of the invention, by means of the electrical diagram of only the portion of the instrument object of the present invention, therefore only of a way to implement the analogue sum of the signal: downstream of this it is necessary to foresee both the presence of an anti-aliasing filtering system and an analog-digital converter.

Facendo riferimento alla Figura I, si illustra lo schema elettrico del sommatore analogico del segnale proveniente dai sensori MEMS. Con (1) si indicano una serie di sensori MEMS alimentati con tensione positiva (2) e con relativa messa a terra (3). Il segnale analogico in uscita dai sensori (1) incontra poi una resistenza (4) e, tramite un nodo (5), viene ripartito fra un ramo caratterizzato da una resistenza (6) di feedback che, essendo di valore inferiore a quello della resistenze (4), ha l'effetto di ridurre l'ampiezza del segnale, ed un altro ramo che, tramite un amplificatore operazionale (7), sì ricollega al primo ramo nel nodo (8) per poi uscire verso un sistema di filtri anti-aliasing ed il convertitore analogico digitale, non illustrati. L'amplificatore operazionale (7) viene alimentato con tensione negativa (9) ed è dotato di relativa messa a terra (10). La resistenza (11) viene dimensionata in modo tale da minimizzare le correnti parassite provenienti dall'ingresso invertente. Eventuali variazioni della tensione di alimentazione (9) vengono bilanciate con un condensatore polarizzante (12), dotato di relativa messa a terra (13). La tensione in uscita dall'amplificatore operazionale (7) sarà ovviamente negativa e dovrà essere successivamente essere invertita. Referring to Figure I, the electrical diagram of the analog adder of the signal coming from the MEMS sensors is illustrated. With (1) we indicate a series of MEMS sensors powered with positive voltage (2) and with relative grounding (3). The analog output signal from the sensors (1) then encounters a resistance (4) and, through a node (5), is divided between a branch characterized by a feedback resistance (6) which, being of a lower value than that of the resistors (4), has the effect of reducing the amplitude of the signal, and another branch which, through an operational amplifier (7), is reconnected to the first branch in the node (8) and then exits towards a system of anti- aliasing and the analog to digital converter, not shown. The operational amplifier (7) is supplied with negative voltage (9) and is equipped with relative grounding (10). The resistor (11) is sized in such a way as to minimize the eddy currents coming from the inverting input. Any variations in the supply voltage (9) are balanced with a polarizing capacitor (12), equipped with relative grounding (13). The output voltage from the operational amplifier (7) will obviously be negative and must subsequently be inverted.

Claims (4)

RIVENDICAZIONI 1. Un sistema per l'acquisizione dì dati da sensori ad elevato rumore elettrico e a basso costo caratterizzato dal fatto di essere costituito da numerosi sensori posti in parallelo nel quale il segnale analogico proveniente da ciascun sensore modulato in termini di variazioni di voltaggio viene prima abbassato e poi sommato analogicamente. CLAIMS 1. A system for the acquisition of data from sensors with high electrical noise and low cost characterized by the fact of being made up of numerous sensors placed in parallel in which the analog signal coming from each sensor modulated in terms of voltage variations is first lowered and then added analogically. 2. Un sistema per l’acquisizione di dati da sensori ad elevato rumore elettrico e a basso costo in accordo al punto 1 caratterizzato dal fatto che i sensori alimentati con tensione positiva e dotati di relativa messa a terra danno un segnale analogico in uscita che tramite una resistenza viene convogliato in un nodo a cui afferiscono tutti i segnali analogici provenienti da ciascun sensore e che a sua volta si divide in due rami in uscita dove il primo ramo in uscita dal nodo consiste in una resistenza di valore inferiore alle resistenze poste immediatamente dopo i sensori e il secondo ramo consiste in un amplificatore operazionale la cui uscita si ricollega al primo ramo tramite un nodo che ha un ramo in uscita verso un sistema di filtraggio hardware anti-aliasing ed un convertitore analogico digitale caratterizzato inoltre dal fatto che operazionale è alimentato da un circuito con tensione negativa e con relativa messa a terra e stabilizzata da un condensatore polarizzato con relativa messa a terra nel quale le correnti parassite dell'ingresso invertente dell'amplificatore operazionale vengono minimizzate tramite una resistenza posta prima dell'ingresso non-ìnvertente. 2. A system for acquiring data from sensors with high electrical noise and low cost in accordance with point 1 characterized by the fact that the sensors powered with positive voltage and equipped with relative grounding give an analog output signal which through a resistance is conveyed to a node to which all the analog signals coming from each sensor refer and which in turn is divided into two outgoing branches where the first outgoing branch from the node consists of a resistance with a value lower than the resistances placed immediately after the sensors and the second branch consists of an operational amplifier whose output is reconnected to the first branch through a node that has an output branch towards an anti-aliasing hardware filtering system and an analog to digital converter also characterized by the fact that the operational is powered by a circuit with negative voltage and relative grounding and stabilized by a polarized capacitor with relativ grounded in which the eddy currents of the inverting input of the operational amplifier are minimized by means of a resistor placed before the non-inverting input. 3. Un sistema per l’acquisizione di dati da sensori ad elevato rumore elettrico e a basso costo in accordo ai punti 1 e 2 caratterizzato dal fatto che i sensori sono preferibilmente di tipo MEMS. 3. A system for acquiring data from sensors with high electrical noise and low cost in accordance with points 1 and 2 characterized by the fact that the sensors are preferably of the MEMS type. 4. Un sistema per l'acquisizione di dati da sensori ad elevato rumore elettrico e a basso costo in accordo ai punti 1, 2 e 3 caratterizzato dal fatto che i sensori sono preferibilmente accelerometri.4. A system for acquiring data from sensors with high electrical noise and low cost according to points 1, 2 and 3 characterized in that the sensors are preferably accelerometers.
IT000004A 2013-05-10 2013-05-10 SYSTEM FOR ACQUISITION OF DATA FROM NOISY SENSORS ITPZ20130004A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
IT000004A ITPZ20130004A1 (en) 2013-05-10 2013-05-10 SYSTEM FOR ACQUISITION OF DATA FROM NOISY SENSORS

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
IT000004A ITPZ20130004A1 (en) 2013-05-10 2013-05-10 SYSTEM FOR ACQUISITION OF DATA FROM NOISY SENSORS

Publications (1)

Publication Number Publication Date
ITPZ20130004A1 true ITPZ20130004A1 (en) 2013-08-09

Family

ID=48703721

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
IT000004A ITPZ20130004A1 (en) 2013-05-10 2013-05-10 SYSTEM FOR ACQUISITION OF DATA FROM NOISY SENSORS

Country Status (1)

Country Link
IT (1) ITPZ20130004A1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4300101A (en) * 1980-01-03 1981-11-10 Nancy Flowers Multiple parallel input noise reduction system
US4801838A (en) * 1986-06-23 1989-01-31 Institut Francais Du Petrole Method and device for improving the sensitivity and the signal to noise ratio of piezo-electric transducers having a plurality of sensors combined in parallel
US20100092020A1 (en) * 2008-10-14 2010-04-15 Knowles Electronics, Llc Microphone Having Multiple Transducer Elements
WO2011095180A1 (en) * 2010-02-02 2011-08-11 Aktiebolaget Skf Arrangement of piezo-sensors in accelerometer

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4300101A (en) * 1980-01-03 1981-11-10 Nancy Flowers Multiple parallel input noise reduction system
US4801838A (en) * 1986-06-23 1989-01-31 Institut Francais Du Petrole Method and device for improving the sensitivity and the signal to noise ratio of piezo-electric transducers having a plurality of sensors combined in parallel
US20100092020A1 (en) * 2008-10-14 2010-04-15 Knowles Electronics, Llc Microphone Having Multiple Transducer Elements
WO2011095180A1 (en) * 2010-02-02 2011-08-11 Aktiebolaget Skf Arrangement of piezo-sensors in accelerometer

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2647593A3 (en) Noise reduction method for mems sensors using chopping circuits
WO2016158469A1 (en) Signal detecting method for capacitance detection type sensor, mems sensor, and system
FI3172581T3 (en) Circuit architecture for mode switch
US9667233B2 (en) Compensation circuit for offset voltage in a measurement amplifier and/or for DC-signal component in a measurement signal
JP2014185937A5 (en) Detection device, sensor, gyro sensor, electronic device, and moving object
EP2797230A3 (en) Chopper amplifier
WO2008094626A3 (en) Common-mode insensitive sampler
ES2571053T3 (en) Measuring device with a microelectromechanical capacitive sensor
CN104781679A (en) Voltage detection device
JP2013076610A (en) Acceleration sensor circuit
EP3214760A3 (en) Feed-forward filtering device and associated method
WO2008120663A1 (en) Signal amplifier for optical receiving circuit
GB2538924A (en) Driving circuit for a conductivity sensor
US10574259B2 (en) Continuous-time sensing apparatus
ITPZ20130004A1 (en) SYSTEM FOR ACQUISITION OF DATA FROM NOISY SENSORS
ITPZ20130003U1 (en) SYSTEM FOR ACQUSITION OF DATA FROM NOISY SENSORS
WO2010086348A3 (en) Method and system for measuring a time constant of an integrated circuit, and integrated circuit provided with such a system
RU2631019C1 (en) Compensation accelerometer
CN104569610B (en) A kind of tiny differential capacitance measuring circuit
WO2015138485A3 (en) Hydrophone response compensation filter derivation, design and application
EP2629105A3 (en) Method for performing a tri-state comparison of two input signals and window comparator circuit
WO2015075657A1 (en) Capacitance processing circuit and a mems device
CN104660236A (en) Automatic removal circuit for inter-channel interference and direct current drift
KR20140123258A (en) Circuit for measuring acceleration of three-axis acceleration sensor
RU2016125127A (en) INDUCTIVE MEASURING PROBE AND METHOD OF OPERATION OF INDUCTIVE MEASURING PROBE