Na ³amach ReAV

wielokrotnie pisaliœmy

o ró¿nego rodzaju

czujnikach _ m.in.

temperatury, wilgotnoœci,

przyspieszenia,

oœwietlenia. Ten artyku³

zawiera podstawowe,

ogólne wiadomoœci

o czujnikach _ o ich

klasyfikacji, dziedzinach

zastosowañ i budowie.

Czujnik _ podstawowe definicje

Zwiêkszaj¹ca siê produkcja czujników dla

przemys³u wi¹¿e siê z automatyzacj¹ proce-

sów przemys³owych oraz d¹¿eniem do wye-

liminowania cz³owieka z udzia³u w procesie

produkcji. Dotyczy to zw³aszcza procesów

przebiegaj¹cych w atmosferze wybuchowej,

wysokiej temperaturze lub ska¿onych œrodo-

wiskach chemicznych. Czujniki produkowa-

ne w wersjach przemys³owych ró¿ni¹ siê za-

bezpieczeniami mechanicznymi, chemiczny-

mi i elektrycznymi. Wynika to z warunków oto-

czenia, jak: zapylenie, wibracje, wilgotnoϾ,

temperatura _ wartoœci tych wielkoœci s¹ okre-

œlone odpowiednimi normami.

Mo¿na wyró¿niæ dwa podstawowe rodzaje

pomiarów, a co za tym idzie metod identyfika-

cji wartoœci mierzonej: pomiary stykowe (czuj-

nik styka siê bezpoœrednio z obiektem) oraz

bezstykowe, w których czujnik analizuje pe-

wien skutek oddzia³ywania obiektu. Ze wzglê-

du na sposób identyfikacji wielkoœci mierzonej

mo¿na mówiæ o pomiarach poœrednich (przed

pomiarem wielkoϾ mierzona jest zamieniana

8

CZUJNIKI WIELKOŒCI

NIEELEKTRYCZNYCH

r

ELEKTRO

NIKA W PRZEMYŒLE i LABORATORIACH

na inn¹ wielkoœæ) oraz bezpoœrednich. We-

d³ug takich zasad budowane s¹ te¿ czujniki.

W przemyœle podstawowe zastosowania czuj-

ników dotycz¹:

q

robotyki, uk³adów napêdowych, sterowania

maszynami do ciêcia i obrabiarkami, sortowania

produktów, ustalania pozycji podnoœników i urz¹-

dzeñ transportowych, monitorowania umieszcza-

nia etykiet na opakowaniach, detekcji po³o¿enia

i identyfikacji ró¿nego rodzaju obiektów i mediów,

np. czêœci metalowych, wody;

Budowa czujników

W czujniku mo¿na wyró¿niæ bezpoœredni ele-

ment wra¿liwy na okreœlone zjawisko (kon-

densator, rezystor, cewka, pó³przewodnik, ter-

moelement lub kompozycje tych elementów)

oraz przetwornik o ró¿nym stopniu z³o¿onoœci.

Przetworniki zaœ mo¿na podzieliæ na trzy pod-

stawowe grupy:

q

analogowe do zmiany wspó³czynnika ska-

li lub wyboru wyjœcia napiêciowego, pr¹do-

wego lub czêstotliwoœciowego;

q

wyposa¿one w interfejs komunikacyjny do

wspó³pracy z innymi czujnikami i urz¹dzeniami;

q

wyposa¿one w mikroprocesor, dziêki które-

mu realizuj¹ pewien zadany algorytm pomia-

rowy. Mówimy wówczas, ¿e czujnik jest inte-

ligentny _ lepsza jest jego komunikacja wza-

jemna oraz jednoczesna komunikacja wielo-

kana³owa, mo¿na w nim równie¿ korygowaæ

charakterystykê przetworników.

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 3/2001

Czujnik (sensor)

_ element uk³adu pomiaro-

wego s³u¿¹cy do odbierania informacji o wielko-

œci mierzonej na zasadzie zachodz¹cych w nim

pod jej wp³ywem procesów polegaj¹cych na

przetworzeniu wielkoœci mierzonej (sygna³u wej-

œciowego), np. temperatury na inn¹ wielkoœæ

(sygna³ wyjœciowy), np. napiêcie elektryczne.

Wielkoœæ wyjœciowa powinna nadawaæ siê albo

do bezpoœredniego wykorzystania albo do dal-

szego przetwarzania podczas pomiaru.

Przetwornik pomiarowy

_ narzêdzie s³u¿¹-

ce do przetwarzania, z okreœlon¹ dok³adno-

œci¹ i wed³ug okreœlonego prawa, sygna³u po-

miarowego, tj. sygna³u zawieraj¹cego informa-

cjê o wartoœciach mierzonej wielkoœci

fizycznej. Czasem czujnik z przetwornikiem

jest tak¿e nazywany czujnikiem (sensorem).

Rys. 1. Zrobotyzowane stanowisko monta¿owe

z czujnikami indukcyjnymi jako czujnikami

po³o¿enia (Pepperl+Fuchs)

Rys. 2. Wysoko specjalizowane czujniki ciœnienia

i temperatury wykorzystywane w pomiarach prze-

p³ywu (Rosemount, Yokogawa)

Rys. 3. Indukcyjne czujniki po³o¿enia do pracy

w ekstremalnych warunkach (Turck)

q

przesy³ania obiektów, gazów i cieczy, np. ta-

œmy produkcyjne i monta¿owe, paliwa;

q

nadzoru nad procesami wytwórczymi, np.

spawaniem, wytopem;

q

badañ rozwojowych, np. wytrzyma³oœci me-

chanicznej.

Podstawowe zastosowania pozaprzemys³o-

we czujników to:

q

ujêcia i przesy³anie wody pitnej _ prze-

p³yw i jakoœæ;

q

kanalizacja i oczyszczalnie œcieków _ prze-

p³yw i sk³ad;

q

przetwarzanie odpadków i œmieci _ wiel-

koœæ, sk³ad i kolor;

q

rejestracja warunków meteorologicznych _

ciœnienie, temperatura, wiatr;

q

obs³uga handlu _ czytniki paskowe i wagi

elektroniczne;

q

pomiary w rolnictwie i przetwórstwie rol-

nym _ parametry gleby i ¿ywnoœci, pH, konduk-

tywnoϾ, wilgotnoϾ;

q

uk³ady nadzorczo-pomiarowe w œrodkach

transportu: samolotach, samochodach, na ko-

lei i statkach _ przyspieszenie, prêdkoœæ obro-

towa, temperatura;

q

pomiary w medycynie _ analizy fizykoche-

miczne, temperatura, sygna³y biologiczne;

q

grzejnictwo _ przep³yw, ciep³omierze, wo-

domierze;

q

pomiary ha³asów komunikacyjnych i prze-

mys³owych _ natê¿enie dŸwiêku;

q

zabezpieczanie obiektów _ ruch;

q

wspomaganie pracy ró¿nych urz¹dzeñ _

stany przegrzañ.

Zastosowanie coraz tañszych mikroproceso-

rów wp³ywa na obni¿enie ceny czujnika, gdy¿

eliminuje drogie uk³ady korekcji analogowej. Mi-

niaturowe czujniki temperatury, np. LM74 Na-

tional Semiconductor lub DS1820 Dallas Se-

miconductor oprócz dok³adnego czujnika tem-

peratury, wewn¹trz struktury maj¹ procesor, pa-

miêæ RAM i ROM oraz przetwornik analogowo-

cyfrowy. Dodatkowo DS1820 dziêki minimal-

nemu poborowi mocy mo¿e pracowaæ wyko-

rzystuj¹c tylko liniê dwuprzewodow¹ , gdzie

zmiany stanu s³u¿¹ do zasilania i do transmi-

sji danych (wyniku pomiaru).

Klasyfikacje czujników

Istnieje wiele kryteriów podzia³u czujników,

np. budowa mechaniczna i elektryczna, dostêp

nywanymi pomiarami œrodowiskowymi s¹ po-

miary wilgotnoœci wzglêdnej i bezwzglêdnej

oraz punktu rosy, pomiary ciœnienia, oœwietle-

nia oraz przewodnoœci w³aœciwej.

Pomiary wilgotnoœci s¹ wa¿ne w przemyœle

chemicznym, materia³ów budowlanych, prze-

twórstwie oraz w sk³adowaniu ¿ywnoœci. Wy-

konuje siê je za pomoc¹ czujników wilgotno-

œci do monta¿u naœciennego lub kana³owego.

Komercyjne wykorzystanie pomiarów wilgot-

noœci dotyczy g³ównie systemów klimatyzacji.

Klimatyzacja oprócz pomiarów temperatury

i wilgotnoœci wykorzystuje pomiary przep³ywu

anemometrami turbinkowymi, termoanemo-

metrami, bolometry lub testery szczelnoœci

instalacji wentylacyjnych. Do pomiarów spe-

cjalnych przep³ywu powietrza wykorzystuje

siê rurki Pitota i kratownice Wilsona.

W transporcie i sk³adowaniu cieczy stosuje siê

przetworniki poziomu zanurzeniowe i wkrêca-

ne czujniki obecnoœci, zaniku i zmian natê¿e-

nia przep³ywu cieczy. S¹ one wytwarzane do

bardzo zró¿nicowanych mediów ciek³ych, ta-

kich jak: oleje, substancje ¿r¹ce, alkohole

i benzyny.

Czujniki fotoelektryczne, s³u¿¹ce najczêœciej do

identyfikacji optycznej, mog¹ pracowaæ w ró¿-

nych trybach pracy, np. jako: dyfuzyjne, o sta³ym

polu zbie¿nym i przeciwsobnym (z pojedyncz¹

wi¹zk¹ lub kurtyn¹ œwietln¹), refleksyjne lub

do wyniku pomiaru, zakresy parametrów pra-

cy (np. czu³oœæ), parametry mechaniczne (np.

rozmiar czujników) i elektryczne (np. zakres za-

silania i sygna³u wyjœciowego).

Podstawowy podzia³ czujników to oczywiœcie

podzia³ ze wzglêdu na identyfikowan¹ wiel-

koœæ. Nale¿y zwróciæ uwagê, ¿e tak jak trud-

no w przyrodzie rozdzieliæ wspólne wystêpo-

wanie pewnych zjawisk fizyko-chemicznych

tak i trudno jest zbudowaæ czujnik reaguj¹cy

bezpoœrednio tylko na jedn¹ wielkoœæ fizyczn¹,

szczególnie w szerokim zakresie zmian in-

nych wielkoœci.

Ze wzglêdu na sposób przetworzenia wielko-

œci fizycznej na inn¹, ³atwo mierzon¹ innymi

metodami, g³ównie elektrycznymi, czujniki

mo¿na podzieliæ na:

q

stykowe (w³¹czniki i wy³¹czniki, potencjo-

metry itp.),

q

pojemnoœciowe (kondensatory),

q

indukcyjne (cewki, solenoidy, transformatory),

q

ultradŸwiêkowe (piezoelementy),

q

ciœnieniowe (piezorezystory, tensometry),

q

fotoelektryczne (fotoelementy),

q

magnetyczne (hallotrony, magnetorezystory),

q

optyczne (CCD),

q

mikrofalowe (elementy b. w. cz).

Budowa czujników dzia³aj¹cych na tak wielu

zasadach przetwarzania musi byæ nie tylko

dostosowana do identyfikowanych obiektów

i mediów, ale tak¿e materia³y, z których wyko-

nano czujniki, musz¹ mieæ odpowiednie para-

metry wytrzyma³oœciowe, elektryczne itd.

9

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 3/2001

Ze wzglêdu na kszta³ty obudów i dostosowa-

nie do zastosowañ, np. jako czujniki po³o¿enia,

mo¿na wyró¿niæ nastêpuj¹ce typy obudów:

cylindryczne, krañcowe, powierzchniowe, przy-

krêcane, przelotowe, pierœcieniowe, szczelino-

we, prostopad³oœcianowe, w tym o zmiennym

k¹cie ustawienia czo³a (VariKont) i o sta³ym k¹-

cie ustawienia czo³a.

Ze wzglêdu na sposób zasilania, czujniki mo¿-

na podzieliæ na zasilanie tylko napiêciem sta-

³ym (VDC) lub tylko zmiennym (VAC) oraz za-

silanie napiêciem sta³ym lub zmiennym.

Innym kryterium podzia³u jest rodzaj sygna³ów

wyjœciowych z czujnika (ogólnie mog¹ byæ to

sygna³y pr¹dowe, napiêciowe lub czêstotliwo-

œciowe). I tak mo¿na wyró¿niæ czujniki o wyj-

œciach: przekaŸnikowych (normalnie otwar-

tych _ N.O. i normalnie zamkniêtych _ N.C.),

tranzystorowych (n-p-n i p-n-p), analogowych

(pr¹dowych i napiêciowych), cyfrowych (rów-

noleg³ych _ 8 bitów lub wiêcej bitów _ szere-

gowych _ RS-232 i zliczaj¹cych _ liczniki) oraz

typu NAMUR z mo¿liwoœci¹ kszta³towania za-

kresu sygna³u wyjœciowego.

Ze wzglêdu na rodzaj materia³u, z którego wy-

konano obudowê, mo¿na wyró¿niæ czujniki:

metalowe, plastykowe, silikonowe, PVC i kom-

pozytowe. Obudowy mog¹ byæ ¿aro- i kwaso-

odporne oraz przeznaczone do œrodowisk wy-

buchowych (Ex _ explosive), o du¿ym poziomie

zak³óceñ (G/Ex) oraz do specjalnych stref

(ZONE 0/10). Na przyk³ad obudowy z tworzy-

wa Rayton umo¿liwiaj¹ ci¹g³¹ pracê czujnika do

150

o

C w ró¿nych warunkach œrodowiskowych.

Niektóre inteligentne przetworniki przemys³owe

mog¹ siê komunikowaæ za pomoc¹ specjal-

nych interfejsów i protoko³ów transmisji, takich

jak np. HART, LONWORKS i RS-232, jak rów-

nie¿ mierzyæ jednoczeœnie kilka wielkoœci, sta-

j¹c siê ma³ymi podsystemami pomiarowymi.

Wybrane przyk³ady

Do najczêœciej wykonywanych pomiarów na-

le¿¹ pomiary temperatury. Mo¿na je przepro-

wadzaæ sondami zanurzeniowymi, przylgowy-

mi i penetruj¹cymi, a tak¿e pirometrami _ me-

tod¹ bezstykow¹. Innymi, coraz czêœciej wyko-

Rys. 4. Stanowisko do pomiaru przyspieszenia

drgañ i ugiêæ w samochodzie (Dateppli Inc.,

National Instruments)

Rys. 5.

Aparatura do kontroli

i monitorowania

œcieków _ tlenomierz,

pH-metr, konduktometr

i jonometr (WYW)

Rys. 6. Segregacja œmieci

(Baumer Electric)

Rys. 7. Refraktometr _ przyrz¹d do pomiaru cukru

w produktach spo¿ywczych (Maselli)

Rys. 8. Pomiary pH w wielu dziedzinach (Yokogawa)

10

r

ELEKTRO

NIKA W PRZEMYŒLE i LABORATORIACH

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 3/2001

œwiat³owodowe. S¹ one najczêœciej wykorzy-

stane w œrodowisku o du¿ych zak³óceniach

elektromagnetycznych i w strefach Ex (œrodowi-

ska wybuchowe). Inne zastosowania to wykry-

wanie obiektów, ich kszta³tów, krawêdzi, otwo-

rów a tak¿e zliczanie obiektów.

Czujniki ultradŸwiê-

kowe, czêsto te¿

u¿ywane do iden-

tyfikacji obiektów,

s¹ synchronizowa-

ne aby nie zak³ócaæ

siê wzajemnie, two-

rzone z nich bariery

ultradŸwiêkowe

mog¹ mieæ progra-

mowany zasiêg.

Detekcja czujnika-

mi ultradŸwiêkowy-

mi jest niezale¿na

od koloru obiektu _

wykrywane s¹ tak-

¿e obiekty przezro-

czyste.

Inne czujniki iden-

tyfikacji obiektów to czujniki indukcyjne, pojem-

noœciowe i magnetoindukcyjne typu NAMUR.

Czujniki pojemnoœciowe zbli¿eniowe reaguj¹

na materia³y przewodz¹ce lub nie. Czujniki in-

dukcyjne mog¹ byæ wykorzystywane do iden-

tyfikacji szystkich metali z jednakow¹ czu³o-

œci¹, a brak ferromagnetyków w czujnikach

zmniejsza ich podatnoœæ na zak³ócenia zewnê-

trzne. Czujniki magnetoindukcyjne dzia³aj¹ tyl-

ko w ustalonym zakresie _ zadanym i ograniczo-

nym polu _ nie s¹ wiêc wra¿liwe na silne pola

magnetyczne z innych kierunków. Wykorzysty-

wane jest to w miejscach o bardzo silnych, sta-

³ych i zmiennych polach elektromagnetycz-

nych, np. stacjach trafo, przy wytopie metali

(przede wszystkim aluminium), w piecach induk-

cyjnych, a tak¿e przy spawarkach sterowanych

tyrystorowo.

Jednym ze z³o¿onych zastosowañ tak komer-

cyjnych, jak i przemys³owych czujników s¹ in-

dywidualne systemy grzewcze z niezale¿n¹ re-

gulacj¹ temperatury. Dziêki temu, ¿e w po-

szczególnych pomieszczeniach znajduj¹ siê

programowalne indywidualnie adresowalne

regulatory temperatury (tzw. system IRC) mo¿-

liwe jest kontrolowanie zu¿ycia ciep³a i wody,

a tak¿e po³¹czenie z jednostk¹ centraln¹ przez

modem lub komputer PC. Poza obni¿eniem

kosztów eksploatacji, system taki sygnalizuje

krytyczne warunki pracy oraz wypadki, jak po-

¿ar czy zalanie.

Ciekawe jest wykorzystanie czujników optycz-

nych do identyfikacji. Mo¿na tu wymieniæ:

q

optyczne skanery kontrastu rozró¿niaj¹ce

stopnie szaroœci _ najczêœciej granice miê-

dzy czerni¹ a biel¹;

Rys. 9. Mierniki wilgotnoœci zbó¿

(Grouno-Gemahlen)

Rys. 11. Elektroniczne ciep³omierze dla indywidual-

nych i zbiorowych odbiorców energii cieplnej (KFAP)

Rys. 12. Pomiary ha³asu (Bruel & Kjaer)

Rys. 14. Przemys³owe, specjalne czujniki

temperatury (KFAP)

q

skanery luminancji, reaguj¹ce na odbite

œwiat³o substancji luminescencyjnych i oce-

niaj¹ce jego natê¿enia (kolory opakowañ);

q

czujniki koloru, reaguj¹ce na zasadzie

oœwietlenia obiektu trzema barwami i oceny

œwiat³a odbitego (wyznaczanie wspó³rzêdnych

chromatrycznych).

S¹ te¿ czujniki odleg³oœci wykorzystuj¹ce pod-

czerwieñ i œwiat³o laserowe, dzia³aj¹ce na za-

sadzie oceny natê¿enie œwiat³a odbitego, wy-

korzystywane g³ównie do pozycjonowania.

Jednym z dobrze znanych obiektów coraz

bardziej wyposa¿anych w czujniki jest samo-

chód. Mamy tu do czynienia z czujnikami:

q

poziomu cieczy dla paliwa,

q

temperatury na wra¿liwych elementach, jak

silnik czy temperatura przy jezdni,

q

przyspieszenia dla uk³adów ABS, czy podu-

szki powietrznej,

q

opadu dla automatycznego w³¹czania wy-

cieraczek i sterowania szybkoœci¹ ich pracy,

q

ultradŸwiêkowymi po³o¿enia, u³atwiaj¹cymi

np. parkowanie w trudnych warunkach,

q

do pomiaru prêdkoœci obrotowej silnika,

q

temperatury w uk³adach klimatyzacji,

q

w uk³adach ochrony i zabezpieczeñ (ró¿no-

rakimi jak mikrofalowe, ultradŸwiêkowe).

Obecnie nawet do segregacji œmieci u¿ywane

ju¿ s¹ najnowoczeœniejsze czujniki oparte na

cyfrowym przetwarzaniu danych, pochodz¹-

cych z kamery (tzw. machine vision).

Dalszy rozwój czujników

Konstruktorzy czujników pracuj¹ nad zwiêksze-

niem niezawodnoœci czujników, a przede wszy-

stkim ulepszeniem zabezpieczeñ elektrycz-

nych przed przeci¹¿eniem, zwarciem wyjœcia,

odwrotnym do³¹czaniem zasilania i ochron¹

przed przepiêciami na wyjœciu, np. dla obci¹-

¿eñ indukcyjnych.

Nale¿y pamiêtaæ, ¿e g³ówni odbiorcy czujników,

szczególnie o specjalnych parametrach, to woj-

sko (np. pomiary przyspieszeñ do 50 000 G)

i badania kosmiczne. W najbli¿szym czasie pra-

ce nad czujnikami bêd¹ koncentrowa³y siê na:

q

dalszej miniaturyzacji, np. czujniki ciœnienia

barometrycznego czy przyspieszenia stosowa-

ne w zegarkach maj¹ rozmiar typowych ele-

mentów SMD (ok. 1 x 0,5 mm) lub s¹ jeszcze

mniejsze (Micro SMD);

q

rozpoznawaniu i identyfikacji nowych zjawisk

(np. zapachy, choroby);

q

produkcji czujników odnawialnych, wykorzy-

stuj¹c osi¹gniêcia biotechnologii.

n

Miros³aw Gieroñ

Rys. 10. Pomiar wilgotno-

œci w budynkach _ Proti-

meter (Grouno-Gemahlen)