fundamentals of instrumentation and measurement

Fundamentals of Instrumentation and Measurement

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Fundamentals of

Instrumentation

and Measurement

Edited by

Dominique Placko

First published in France in 2000 by Hermès Science Publications in two volumes entitled

“Mesure et Instrumentation”

Published in Great Britain and the United States in 2007 by ISTE Ltd

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© ISTE Ltd, 2007

© HERMES Science Europe Ltd, 2000

The rights of Dominique Placko to be identified as the author of this work have been asserted

by him in accordance with the Copyright, Designs and Patents Act 1988.

Library of Congress Cataloging-in-Publication Data

[Mesure et instrumentation. English]

Fundamentals of instrumentation and measurement/edited by Dominique Placko.

p. cm.

Includes index.

ISBN-13: 978-1-905209-39-2

1. Mensuration. 2. Engineering instruments. 3. Scientific apparatus and instruments.

4. Detectors. I. Placko, Dominique.

T50.M394 2006

620'.0044--dc22

2006020964

British Library Cataloguing-in-Publication Data

A CIP record for this book is available from the British Library

ISBN 13: 978-1-905209-39-2

Printed and bound in Great Britain by Antony Rowe Ltd, Chippenham, Wiltshire.

Table of Contents

Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii

Chapter 1. Measurement Instrumentation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

Mustapha NADI

1.1. General introduction and definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2. The historical aspects of measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3. Terminology: measurement, instrumentation and metrology. . . . . . . 4

1.4. MIM interactions: measurement-instrumentation-metrology. . . . . . . 4

1.5. Instrumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.6. Is a classification of instruments possible? . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.6.1. Classification of instruments used in cars . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.7. Instrument modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.7.1. Model of a measurement instrument. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.7.2. Load effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.7.3. Estimating load effects. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.7.4. Effort and flow variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.7.5. Features and operating points of a system . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.7.6. Generalized impedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.7.7. Determining the load effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.7.8. Measurement with a car battery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.7.9. Determining impedances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.7.10. Generalized admittance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.8. Characteristics of an instrument. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.8.1. Components of static transfer functions. . . . . . . . . . . . . . . . . 21

1.8.2. Dynamic characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.8.3. Instrument performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.8.4. Combining transfer functions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.9. Implementing measurement acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.9.1. Principles and methodology of measurement . . . . . . . . . . . . . 23

vi Fundamentals of Instrumentation and Measurement

1.9.2. Field measurement constraints: instrumentation on the road . . . . 26

1.10. Analyzing measurements obtained by an instrument. . . . . . . . . . . 26

1.10.1. Error reduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

1.10.2. Base definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

1.11. Partial conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

1.12. Electronic instrumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

1.13. Electronic instrumentation functionality . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

1.13.1. Programmable instrumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

1.13.2. Example of an electronic instrument: how a piezoelectric

sensor detects rattle in a combustion engine . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

1.14. The role of instrumentation in quality control. . . . . . . . . . . . . . . 34

1.15. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

1.16. Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

1.17. Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

Chapter 2. General Principles of Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

François LEPOUTRE

2.1. General points . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.1.1. Basic definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.1.2. Secondary definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

2.2. Metrological characteristics of sensors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

2.2.1. Systematic errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

2.2.2. Random uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

2.2.3. Analyzing random errors and uncertainties. . . . . . . . . . . . . . . 45

2.2.3.1. Evaluating random uncertainties. Standard deviations. Variances 45

2.2.3.2. Decisions about random uncertainties. . . . . . . . . . . . . . . . 47

2.2.3.3. Reliability, accuracy, precision. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

2.3. Sensor calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.3.1. Simple calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.3.2. Multiple calibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

2.3.3. Linking international measurement systems . . . . . . . . . . . . . . 50

2.4. Band pass and response time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

2.4.1. Harmonic response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

2.4.2. Response time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

2.5. Passive sensor conditioners . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

2.5.1. The effect of polarization instabilities. . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

2.5.2. Effects of influence variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

2.5.3. Conditioners of complex impedance sensors. . . . . . . . . . . . . . 63

2.6. Conditioners for active sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

2.6.1. Direct reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

2.6.2. Using operational amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

2.7. Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

Table of Contents vii

Chapter 3. Physical Principles of Optical, Thermal and

Mechanical Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

François LEPOUTRE

3.1. Optical sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

3.1.1. Energetic flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

3.1.2. Luminous flux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

3.1.3. The relative luminous efficiency curve V(そ) of the human eye . . . 73

3.1.4. The black body: a reference for optical sensors . . . . . . . . . . . . 76

3.1.4.1. Black body radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

3.1.4.2. Realization of black bodies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

3.1.5. Radiation exchanges between a source and a detector . . . . . . . . 81

3.1.6. Definitions relating to optical sensors. . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

3.1.6.1. Darkness currents. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

3.1.6.2. Spectral and total sensitivities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

3.1.6.3. Sources of fundamental noise sources in optical sensors. . . . . 82

3.1.6.4. Specific detectivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

3.1.7. Semiconductors: the bases of optical sensors . . . . . . . . . . . . . 85

3.1.7.1. Molecular and crystalline bands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

3.1.7.2. Band structures in solids. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

3.1.8. Current expression in a material containing free charges . . . . . . 91

3.1.9. Photoconductor cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

3.1.10. P-N junction and photodiodes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

3.1.10.1. Non-polarized junctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

3.1.10.2. P-N junction with direct bias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

3.1.10.3. P-N junction in reverse bias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

3.1.10.4. Diode equation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

3.1.10.5. Illuminated P-N junctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

3.1.10.6. Principle of photodiode fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . 103

3.1.10.7. Photodiode equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

3.1.10.8. Electrical schema for a diode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

3.2. Force and deformation sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

3.2.1. Resistive gauges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

3.2.2. Piezoelectric effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

3.2.2.1. Electrostriction, piezoelectricity and pyroelectricity . . . . . . . 111

3.2.2.2. The case of quartz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

3.2.2.3. Constraint tensors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

3.2.2.4. Other piezoelectric materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

3.2.2.5. Construction of piezoelectric sensors . . . . . . . . . . . . . . . . 117

3.2.2.6. Using piezoelectric sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

3.3. Thermal sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

3.3.1. Concepts related to temperature and thermometry . . . . . . . . . . 119

3.3.2. Thermodynamic temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

viii Fundamentals of Instrumentation and Measurement

3.3.3. Temperature scales currently in use and widely used

measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

3.3.4. Heat transfers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

3.3.4.1. Conduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

3.3.4.2. Convection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

3.3.4.3. Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

3.3.4.4. Contact temperature measurement of solids . . . . . . . . . . . . 127

3.3.5. Contact thermometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

3.3.5.1. Resistive thermometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

3.3.5.2. The Seebeck effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

3.3.5.3. The Peltier effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

3.3.5.4. The Thomson effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

3.3.5.5. The Seebeck electromotive force. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

3.3.6. Features and uses of thermocouples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

3.4. Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

Chapter 4. Analog Processing Associated with Sensors. . . . . . . . . . . . . 137

Eduardo SANTANDER and Bernard JOURNET

4.1. Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

4.2. The problem of electronic noise. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

4.2.1. The origin of electronic noise. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

4.2.2. Noise in an electronic chain. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

4.2.3. Signal-to-noise ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

4.3. Amplifiers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

4.3.1. Operational amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

4.3.1.1. Feedback and counter-feedback in currents and tensions . . . . 148

4.3.1.2. Principle features of operational amplifiers . . . . . . . . . . . . 153

4.3.2. Instrumentation amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

4.3.3. Isolation amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

4.3.4. Logarithmic amplifiers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

4.3.5. Multipliers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

4.4 Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

Chapter 5. Analog Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

Paul BILDSTEIN

5.1. Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

5.2. Technological constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

5.3. Methods of analog filter calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

5.3.1. Attenuation functions of standard low pass prototype filters . . . . 172

5.3.2. Transfer functions of common prototype low pass filters . . . . . . 174

5.3.3 Transfer functions of derived filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

5.3.4. Filter synthesis carried out from the transfer function . . . . . . . . 175

Table of Contents ix

5.4. Passive filter using inductors and capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . 177

5.4.1. Sensitivity; Orchard’s theorem and argument . . . . . . . . . . . . . 178

5.4.2. Low pass ladder filters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

5.4.2.1. Structures of basic low pass filters. . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

5.4.2.2. The Darlington analytic synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

5.4.2.3. Examples of synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

5.4.2.4. Direct digital synthesis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

5.4.3. L-C filters derived from a pass band. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

5.4.4. Conversions of L-C filters; optimization . . . . . . . . . . . . . . . . 190

5.5. Active filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191

5.5.1. Second order or biquadratic cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

5.5.2. Biquadratic cells with one operational amplifier . . . . . . . . . . . 192

5.5.3. Universal biquadratic cells with three or four amplifiers. . . . . . . 195

5.5.4. Elevated order active filters (elevated by putting biquadratic

cells in cascade). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

5.5.5. Simulating an L-C filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

5.6. Switched capacitor filters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202

5.6.1. Integrators without sensitivity to stray capacitances . . . . . . . . . 205

5.6.2. Analysis of switched capacitor integrators . . . . . . . . . . . . . . . 206

5.6.3. Synthesis of switched capacitor filters . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

5.6.4. Operational simulation of an L-C filter (leapfrog simulation). . . . 208

5.6.5. Switched capacitor biquadratic cells. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211

5.7. Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212

Chapter 6. Real-time Data Acquisition and Processing Systems . . . . . . . 215

Dominique MILLER

6.1. Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215

6.2. Electronic devices for signal sampling and quantification . . . . . . . . 216

6.2.1. Nyquist sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216

6.2.2. Quantification noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217

6.2.3. Over-sampling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219

6.2.3.1. Acquisition over-sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219

6.2.3.2. Over-sampling and reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222

6.2.4. Under-sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224

6.3. Analog-to-digital converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

6.3.1. Features of SINAD and ENOB converters . . . . . . . . . . . . . . . 230

6.3.2. ぇ - 〉 converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231

6.4. Real-time digital analysis by a specialized processor . . . . . . . . . . . 242

6.4.1. Fixed point and floating point analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . 243

6.4.1.1. Fixed point notation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243

6.4.1.2. Floating point notation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243

6.4.1.3. Comparison between the two notations . . . . . . . . . . . . . . . 245

x Fundamentals of Instrumentation and Measurement

6.4.2. General structure of a DSP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246

6.4.2.1. Multiplication/accumulation structure. . . . . . . . . . . . . . . . 247

6.4.2.2. Time lag structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250

6.4.2.3. Reframing structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252

6.4.2.4. Resource parallelization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254

6.4.3. Using standard filtering algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256

6.4.3.1. General structure of a real-time filtering program. . . . . . . . . 256

6.4.3.2. The FIR filter and simple convolutions . . . . . . . . . . . . . . . 258

6.4.3.3. IIR filters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260

6.5. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264

6.6. Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265

Chapter 7. The Contribution of Microtechnologies . . . . . . . . . . . . . . . 267

François BAILLIEU and Olivier VANCAUWENBERGHE

7.1. Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267

7.1.1. The vehicle: a system of complex, interdependent parts . . . . . . . 267

7.1.2. Microtechnologies and microsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268

7.1.3. Appropriate architectures for electronic microsystems . . . . . . . . 269

7.1.4. Which examples should be chosen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270

7.2. Microtechnologies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270

7.2.1. Technologies derived from microelectronics. . . . . . . . . . . . . . 275

7.2.1.1. Si substrate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275

7.2.1.2. Si epitaxy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275

7.2.1.3. Si thermal oxidation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276

7.2.1.4. Photolithography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277

7.2.1.5. Polycrystalline silicon layer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277

7.2.1.6. Etching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277

7.2.1.7. Doping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279

7.2.1.8. Deposit of thin metallic and dielectric layers. . . . . . . . . . . . 280

7.2.2. Technologies specific to microstructures . . . . . . . . . . . . . . . . 281

7.2.2.1. Double face photolithography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281

7.2.2.2. Volume micromachining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281

7.2.2.3. Surface micromachining. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284

7.2.2.4. Micromaching by deep anisotropic dry etching . . . . . . . . . . 286

7.2.2.5. Heterogenous assemblies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287

7.2.3. Beyond silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288

7.3. Electronic architectures and the effects of miniaturization . . . . . . . . 289

7.3.1. Overall trends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289

7.3.2. Conditioning electronics for capacitive cells that are sensitive to absolute

pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291

7.3.2.1. Measurement principle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292

7.3.2.2. The analog version . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293

Table of Contents xi

7.3.2.3. Basic first order ぇ-〉 modulator with a one-bit quantifier . . . . 297

7.3.3. Electronic conditioning for piezoresistive cells sensitive

to differential pressure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307

7.3.4. Electronic conditioning for cells sensitive to acceleration . . . . . . 310

7.3.4.1. Direct applications of first-order ぇ-〉 modulators to

1 bit quantifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310

7.3.4.2. Producing an accelerometer in true open loop by

eliminating the effects of electrostatic forces . . . . . . . . . . . . . . . . 312

7.3.4.3. Servo-control of an accelerometer using balanced

mechanical forces through electrostatic forces. . . . . . . . . . . . . . . . 316

7.3.5. Energy sources in microsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322

7.4. Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323

Chapter 8. Instruments and Measurement Chains . . . . . . . . . . . . . . . 325

Bernard JOURNET and Stéphane POUJOULY

8.1. Measurement devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325

8.1.1. Multimeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326

8.1.1.1. Measurement principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326

8.1.1.2. Input resistance influence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326

8.1.1.3. Intensity measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327

8.1.1.4. Resistance measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327

8.1.1.5. Two types of multimeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328

8.1.1.6. Measurement accuracy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329

8.1.2. Frequency meters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329

8.1.3. Oscilloscopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331

8.1.3.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331

8.1.3.2. Input impedance and measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . 332

8.1.3.3. Measurements done by an oscilloscope . . . . . . . . . . . . . . . 334

8.1.4. Spectrum analyzers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334

8.1.4.1. Sweeping analyzers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334

8.1.4.2. FFT analyzers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336

8.1.4.3. Principles of possible measurements . . . . . . . . . . . . . . . . 338

8.1.5. Network analyzers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339

8.1.5.1. S parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339

8.1.5.2. Measuring S parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340

8.1.6. Impedance analyzers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342

8.1.6.1. Method using a self-equilibrated bridge . . . . . . . . . . . . . . 342

8.1.6.2. RF 1-V method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343

8.1.6.3. Measurement with a network analyzer . . . . . . . . . . . . . . . 344

8.1.7. Synchronous detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345

8.2. Measurement chains. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347

8.2.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347

xii Fundamentals of Instrumentation and Measurement

8.2.2. Communication buses PC/instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . 348

8.2.2.1. The parallel bus IEEE488 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348

8.2.2.2. Serial buses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351

8.2.3. Internal acquisition cards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354

8.2.3.1. Description of inputs/outputs and associated conditioning . . . 355

8.2.3.2. Description of PC buses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356

8.2.4. External acquisition cards: the VXI system . . . . . . . . . . . . . . 357

8.2.4.1. Functions of the VXI bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357

8.2.4.2. Description of the VXI bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357

8.3. Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359

Chapter 9. Elaboration of Models for the Interaction Between the Sensor

and its Environment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361

Michel LECOLLINET

9.1. Modeling a sensor’s interactions with its environment . . . . . . . . . . 361

9.1.1. Physical description of the model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361

9.1.2. Phenomenological approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362

9.1.3. Adjustment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362

9.2. Researching the parameters of a given model. . . . . . . . . . . . . . . . 363

9.2.1. The least squares method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363

9.2.2. Application to estimate a central value . . . . . . . . . . . . . . . . . 364

9.2.3. Introduction to weighting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366

9.3. Determining regression line coefficients. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368

9.3.1. A proportional relation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368

9.3.2. Affine relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370

9.3.3. Weighting application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378

9.3.3.1. Calculation hypotheses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378

9.3.3.2. Weighting and proportional relations . . . . . . . . . . . . . . . . 378

9.3.3.3. Weighting and affine relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380

9.3.4. The least measured-squares line: when two measured

variables contain uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384

9.4. Example of a polynomial relation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390

9.4.1. A simple example. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390

9.4.2. An example using weighting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394

9.4.3. Examples with correlated variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395

9.5. A simple example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398

9.5.1. Linearizing the function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398

9.5.2. Numerical search for the minimum of the function of

the sum of the squared gaps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401

9.6. Examples of multivariable models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402

9.7. Dealing with constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405

9.7.1. Presentation of the method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405

Table of Contents xiii

9.7.2. Using Lagrange multipliers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406

9.8. Optimizing the search for a polynomial model . . . . . . . . . . . . . . . 407

9.8.1. System resolution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407

9.8.2. Constructing orthoganal polynomials using Forsythe’s method . . 410

9.8.3. Finding the optimum degree of a smoothing polynomial . . . . . . 411

9.9. Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413

Chapter 10. Representation and Analysis of Signals . . . . . . . . . . . . . . 415

Frédéric TRUCHETET, Cécile DURIEU and Denis PRÉMEL

10.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415

10.2. Analog processing chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416

10.2.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416

10.2.2. Some definitions and representations of analog signals. . . . . . . 416

10.2.2.1. Deterministic signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416

10.2.2.2. Random signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421

10.3. Digital processing chain. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422

10.3.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422

10.3.2. Sampling and quantization of signals . . . . . . . . . . . . . . . . . 423

10.3.2.1. The Fourier transform and sampling . . . . . . . . . . . . . . . . 423

10.3.2.2. Quantization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427

10.4. Linear digital filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429

10.4.1. The z transform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429

10.4.2 Filtering applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430

10.4.3. Synthesis of IIR filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433

10.4.3.1. Methods using an analog reference filter . . . . . . . . . . . . . 433

10.4.3.2. Methods of synthesis by optimization . . . . . . . . . . . . . . . 434

10.5. Examples of digital processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436

10.5.1. Matched filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436

10.5.2. Optimum filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437

10.5.2.1. Wiener filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437

10.5.2.2. Matched filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439

10.5.2.3. Kalman filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439

10.6. Frequency, time, time-frequency and wavelet analyses . . . . . . . . . 441

10.6.1. Frequency analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443

10.6.1.1. Continuous transforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443

10.6.1.2. Discrete Fourier transform. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444

10.6.1.3. Algorithm of the fast Fourier transform . . . . . . . . . . . . . . 446

10.6.2. Sliding window or short-term Fourier transform. . . . . . . . . . . 447

10.6.2.1. Continuous sliding window Fourier transform . . . . . . . . . . 447

10.6.2.2. Discrete sliding window Fourier transform . . . . . . . . . . . . 449

10.6.3. Wavelet transforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449

10.6.3.1. Continuous wavelet transforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450

xiv Fundamentals of Instrumentation and Measurement

10.6.3.2. Discrete wavelet transforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452

10.6.4. Bilinear transforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456

10.6.4.1. The spectogram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456

10.6.4.2. The scalogram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457

10.6.4.3. The Wigner-Ville transform. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457

10.6.4.4. The pseudo-Wigner-Ville transform . . . . . . . . . . . . . . . . 459

10.7. A specific instance of multidimensional signals . . . . . . . . . . . . . 459

10.8. Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461

Chapter 11. Multi-sensor Systems: Diagnostics and Fusion . . . . . . . . . . 463

Patrice AKNIN and Thierry MAURIN

11.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463

11.2. Representation space: parametrization and selection. . . . . . . . . . . 465

11.2.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465

11.2.2. Signal parametrization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466

11.2.3. Principle component analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468

11.2.4. Discriminate factorial analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471

11.2.5. Selection by orthogonalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474

11.3. Signal classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476

11.3.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476

11.3.2. Bayesian classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477

11.3.2.1. Optimum Bayes classifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477

11.3.2.2. Parametric Bayesian classification . . . . . . . . . . . . . . . . . 480

11.3.2.3. Method of the k-nearest neighbor . . . . . . . . . . . . . . . . . 480

11.3.2.4. Parzen nuclei. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481

11.3.3. Decision trees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482

11.3.4. Neural networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484

11.3.4.1. Basic neurons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484

11.3.4.2. Mulilayered perceptrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486

11.3.4.3. Radial base function networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488

11.3.4.4. Neural networks and classification . . . . . . . . . . . . . . . . . 489

11.4. Data fusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490

11.4.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490

11.4.1.1. Modelizing imperfections and performances . . . . . . . . . . . 490

11.4.1.2. Different fusion techniques and levels. . . . . . . . . . . . . . . 491

11.4.2. The standard probabilistic method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492

11.4.2.1. Modelization, decision and hypothesis choice . . . . . . . . . . 492

11.4.2.2. Multisensor Mayesian fusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494

11.4.3. A non-standard probabilistic method: the theory of evidence . . . 495

11.4.3.1. Mass sets of a source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495

11.4.3.2. Example of mass set generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497

11.4.3.3. Credibility and plausibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498