Podstawy Metrologii
Wykład 4
Przetworniki i czujniki
Podstawy Metrologii
Wykład 4
Przetworniki i czujniki
WSPÓŁCZESNY ŚWIAT NIE
MOŻE FUNKCJONOWAĆ BEZ
CZUJNIKÓW
„Pomiar jest pobieraniem informacji
o aktualnie zachodzącym procesie,
któremu w sposób nierozłączny
towarzyszy przepływ energii”.
- ta informacja może być później wyrażona
liczbowo”,
- według tej definicji pomiaru czujnik pomiarowy
jest niezbędnym elementem każdego systemu
pomiarowego, tym elementem, który
decyduje o jakości wykonywanego pomiaru.
W dobie elektroniki, komputerów i
wirtualnej rzeczywistości, również
i czujniki przyjęły nową postać.
Tę postać określają atrybuty:
-
inteligentny i zintegrowany
i
najczęściej
półprzewodnikowy
.
Inteligentny
- oznacza programowalny,
działający autonomicznie, adaptacyjnie, z
możliwością komunikacji z innymi
urządzeniami.
Zintegrowany
- bo może łączyć
kilka różnych czujników lub wiele czujników
jednego rodzaju, a ponadto i różne układy
analogowe lub cyfrowe, w tym mikroprocesor -
wszystko w jednej strukturze scalonej (chipie).
Półprzewodnikowy
- wykonywany
najczęściej z krzemu, z wykorzystaniem
technologii aktualnie stosowanych w
elektronice.
Do czego służą
czujniki?
Człowiek komunikuje się ze światem
zewnętrznym za pomocą swoich pięciu
naturalnych zmysłów:
wzroku, słuchu,
dotyku, węchu i smaku
również
zmysł
równowagi i czucia
, np. temperatury)
Rozszerzeniem ludzkiej percepcji i
intelektu są urządzenia pomiarowe,
służące do obiektywnego obserwowania i
pomiarów zjawisk fizycznych. W
urządzeniach technicznych funkcję
receptorów spełniają
czujniki pomiarowe
.
Czujniki
są konstrukcjami fizycznymi
dostarczającymi informacje o stanie
różnych obiektów, naturalnych i
wytworzonych przez człowieka, o stanie
otaczającego je środowiska oraz o
przebiegu zachodzących w nich procesów
fizycznych i chemicznych.
Odbiorcami
tych informacji są wszystkie,
szeroko rozumiane
systemy pomiarowo-
sterujące
, od najprostszych po bardzo
skomplikowane
W obiektywnym poznawaniu świata
zewnętrznego
czujniki
nie tylko zastępują
zmysły człowieka, ale często umożliwiają
również znaczne ich udoskonalenie oraz
uzupełnienie.
Dzięki czujnikom człowiek może uzyskiwać
informacje ze znacznie lepszą czułością i
znacznie szybciej
niż umożliwiają to jego
zmysły, a także uzyskiwać informacje o
wielkościach będących w ogóle poza
zasięgiem działania zmysłów (np. wielkości
magnetyczne, ultradźwięki itp.).
Czujniki można dzielić ze względu
na
rodzaj wielkości fizycznej
:
Czujnik
ruchu
Czujnik przyspieszenia
Czujnik temperatury
Czujnik ciśnienia
Czujnik wilgotności
Czujnik punktu rosy
Czujnik natężenia światła
Czujnik pehametryczny
Czujnik promieniowania jonizującego
Ze względu na
zasadę działania
-
(chociaż w zasadzie są to
przetworniki
):
Czujnik indukcyjny
Czujnik magnetoindukcyjny
Czujnik pojemnościowy
Czujnik pojemnościowy
Czujnik ultradźwiękowy
Czujnik mikrofalowy
Czujnik fotoelektryczny
Czujnik
Czujnik (
sensor
) jest częścią systemu
pomiarowego która reaguje na
określoną wielkość fizyczną.
Def.:
Jest to układ fizyczny, fizyko-
chemiczny lub nawet biologiczny,
którego podstawowym zadaniem jest
dostarczanie pierwotnej informacji o
wielkości mierzonej.
Najczęściej
wiąże się z tym przemiana jednej
formy energii w inną
- jako że w świecie
materialnym nośnikiem informacji jest energia.
Czujnik
Używane jest również pojęcie
przetwornika
(transducer),
jako elementu przetwarzającego
różne formy energii zawierającej informację.
Czujnik najczęściej współpracuje z jakimś
układem przetwornikowym, dlatego też w
większości przypadków nazwa
przetwornik
pomiarowy
jest określeniem bardziej
precyzyjnym niż
czujnik.
Wielkością wejściową i wyjściową czujnika może
być sygnał o postaci każdej z sześciu
podstawowych form energii:
-
mechanicznej
(przemieszczenie, prędkość, siła),
-
cieplnej
(temperatura, ilość ciepła, właściwości
cieplne substancji),
-
promieniowania
(w całym widmie
promieniowania),
-
elektrycznej
(prąd, napięcie, rezystancja,
pojemność, indukcyjność),
-
magnetycznej
(natężenie pola, indukcja
magnetyczna)
-
chemicznej
(struktura materii, stężenia substancji)
Jako wielkość wyjściowa najbardziej pożądany
jest sygnał elektryczny
- ze względu na
kompatybilność ze współczesnymi
urządzeniami pomiarowymi i informatycznymi.
Niektóre czujniki bezpośrednio pod wpływem
działania wielkości mierzonej wytwarzają na
swym wyjściu sygnał elektryczny. Są to
czujniki
generacyjne
(inaczej:
bezpośredniego działania
)
Drugi rodzaj czujników to czujniki
parametryczne
(inaczej:
pośredniego
działania
)
,
które pod działaniem wielkości
mierzonej zmieniają swój stan, jeden ze
swoich parametrów. Wymagają one pewnego
pobudzenia, zasilania dodatkową energią.
Przestrzeń przemian energetycznych w czujnikach
promieniowania
mechaniczna
cieplna
elektryczna
magnetyczna
chemiczna
promieniowania
mechaniczna
cieplna
elektryczna
magnetyczna
chemiczna
energia wyjściowa
energia
modyfikująca
promieniowania
mechaniczna
cieplna
elektryczn
a
magnetyczna
chemiczna
energia
wejściowa
Termo-
element
hallotr
on
Uogólniony model czujnika
f
z
f
m,z
f
m,p
f
p
wejście
pożądane
(wielkość mierzona)
p
składowa
od wielkości mierzonej
wyjście
składowa
od
zakłóceń
wejścia
zakłócające
z
wejście
modyfikujące
m
Uogólniony model czujnika
Inteligencja
czujników
Czujnikom stawiane są nowe zadania:
wymaga się od nich samodzielnego i
skutecznego działania
, często w
ekstremalnych warunkach pracy,
zbierania informacji wielowymiarowych
,
konieczne jest w tym celu
strukturalne
wzmocnienie możliwości czujników
, np.
przez użycie matrycy czujników lub
połączenie czujników różnych typów.
Stąd zapotrzebowanie na czujniki inteligentne
oraz inteligentne systemy czujnikowe.
Na czym polega
inteligencja czujnika?
Jedna z definicji czujnika inteligentnego (
intelligent
sensor, smart sensor
) brzmi:
„Czujnik sam w sobie spełnia funkcje
przetwarzania danych oraz funkcje kalibracji /
automatycznej kompensacji, w których sam
czujnik wykrywa i eliminuje wartości
nienormalne lub wyjątkowe. Zawiera
algorytm, który może być zmieniany oraz
pełni w pewnym stopniu funkcję pamięci.
Może współpracować z innymi czujnikami,
adaptuje się do zmian warunków otoczenia i
ma funkcję rozróżniania (rozeznawania)”
Potencjalne usprawnienia oferowane
użytkownikom przez czujniki
inteligentne, w porównaniu do
rozwiązań klasycznych, są
następujące:
- lepsza dokładność, teoretycznie ograniczona
tylko niestabilnością czujnika,
- możliwość jednoczesnej kalibracji i kompensacji
wielu czujników w procesie wytwarzania,
- zwiększona odporność na zakłócenia i
możliwość komunikacji na duże odległości,
- wykrywanie błędów i diagnostyka,
- zdolność podejmowania decyzji,
- możliwość lokalnego zbierania,
przetwarzania i dystrybucji informacji,
- dwustronne komunikowanie się z innymi
urządzeniami,
- rozwiązywanie konfliktów, np. kolejność
dostępu do sieci komunikacyjnej,
- programowalna wiedza, np. o czasach
oczekiwanych transmisji danych,
- samotestowanie lub samokalibracja,
- zdolność uczenia się, np. optymalizowanie
zakresu pomiarowego,
- możliwość programowej zmiany
wykonywanych operacji.
Ewolucja czujników inteligentych
zmierza w dwóch kierunkach:
-
poprawy parametrów
metrologicznych,
- funkcjonalności oraz obniżenia
ceny wyrobu.
Dewizą współczesnych pomiarów jest:
taniej, lepiej, szybciej
.
Taniej
-
oznacza nie tylko niższy koszt
wyprodukowania, ale również użytkowania danego
urządzenia.
Lepiej
-
oznacza lepszą jakość, niezawodność i
odporność. Dzięki temu można zawęzić granice
bezpieczeństwa i poprawić wydajność. Sprzęt
pomiarowy powinien umożliwiać to czego się od niego
oczekuje .
Szybciej
-
oznacza zwiększenie szybkości uzasadnione
jakością, wydajnością i ceną.
Jedną z najistotniejszych czynności w
wytwarzaniu i użytkowaniu czujników jest
ich kalibracja, która nadaje im wartość
użytkową narzędzia pomiarowego.
Podstawowe znaczenie ma zdolność czujnika
inteligentnego do
samokalibracji
w
aktualnych warunkach pomiaru.
Korzystnym rozwiązaniem jest czujnik
umożliwiający
pomiar metodą
bezwzględną
PRZETWORNIKI - pojęcia
Przetwornik pomiarowy
- urządzenie, w
którym jest realizowany proces
przetwarzania sygnału pomiarowego.
Proces przetwarzania
- proces zamiany
jednego sygnału na inny mu równoważny,
w celu dogodnego wykorzystania
informacji zawartej w sygnale.
Występujące w praktyce
procesy
przetwarzania
dzielimy na:
- przetwarzanie
rodzaju
sygnału,
- przetwarzanie
wartości
sygnału,
- przetwarzanie
formy
sygnału.
PRZETWORNIKI WIELKOŚCI
WEJŚCIOWEJ
Przetwornik wejściowy
- na wejście
przetwornika jest doprowadzona mierzona
wielkość fizyczna
KLASYFIKACJA
PRZETWORNIKÓW
Kryteria podziału przetworników
pomiarowych:
1. Kryterium
: sposób przetwarzania sygnału
pomiarowego
:
• przetworniki rodzaju sygnału;
• przetworniki wartości sygnału;
• przetworniki formy sygnału.
2. Kryterium:
złożoność procesu przetwarzania
:
• przetworniki proste;
• przetworniki złożone.
c -> p
- przetwarzanie zewnętrzne (energii
kinetycznej na potencjalną),
p -> s
- realizowany za pomocą elementu
sprężystego (np. membrana),
s -> e
- przetwornik elektryczny (np.
tensometryczny, pojemnościowy).
Realizacja przetwornika złożonego X
> Y przy użyciu różnych
przetworników prostych
3. Kryterium:
struktura przetwarzanych wielkości
fizycznych
:
Wielkość analogowa
–
wielkość ciągła
- może
przyjmować nieskończenie wiele wartości,
różniących się od siebie o nieskończenie małe
przyrosty.
Wielkość dyskretna
-
nieciągła
- przyjmuje tylko ściśle
określone wartości przyrostu różniące się między
sobą o skończone wartości. Najmniejszy możliwy
przyrost – elementarny kwant (ziarno) wielkości
dyskretnej.
4. Kryterium:
rodzaj wielkości fizycznej
otrzymanej na wyjściu:
•
przetworniki mechaniczne;
• przetworniki pneumatyczne;
• przetworniki optyczne;
• przetworniki elektryczne;
• …..
5. Kryterium:
źródło energii
zaangażowanej
w procesie przetwarzania:
•
generacyjne
(czynne); Y = f (X)
•
parametryczne
(bierne). Y = f (X, e)
Przetworniki
mechaniczne
Energia -
e
- z sygnału pomiarowego
Zastosowanie:
pomiary statyczne i
wolnozmienne.
Mechaniczne przetworniki siły i
ciśnienia
Mechaniczne przetworniki siły i
ciśnienia
Mechaniczny przetwornik momentu
obrotowego
Równanie przetwarzania:
Mechaniczny przetwornik częstości
obrotów
Równanie przetwarzania:
s = f (n)
Przetworniki pneumatyczne i
hydrauliczne
Zastosowanie:
układy automatyki
pneumatycznej i hydraulicznej
.
Przetwornik prędkości płynu na
ciśnienie
Przetwornik prędkości płynu
(strumienia masy) na ciśnienie
Zwężki pomiarowe:
Przetwornik częstości obrotów
Przetwornik
przemieszczenie -> ciśnienie
(układ dysza - przesłona )
Przetwornik sygnału
elektrycznego (prądu)
na sygnał pneumatyczny
(ciśnienie)
Elektryczne przetworniki
generacyjne
Zjawiska fizyczne wykorzystywane w budowie
przetworników:
• indukcji elektromagnetycznej,
• piezoelektryczne,
• termoelektryczne,
• fotoelektryczne,
• elektrochemiczne,
• ...
Przetworniki indukcyjne
Przemieszczenie kątowe
Przetworniki indukcyjne
Przemieszczenie liniowe
Przetworniki piezoelektryczne
Zjawisko piezoelektryczne
-
pojawianie się
ładunków elektrycznych na ścianach kryształu w
wyniku działania sił przyłożonych do kryształu.
Materiały piezoelektryczne:
-
sól
Seignette’a
,
- tytanian baru,
- cyrkonian ołowiu,
- turmalin,
- kwarc
Przetworniki
piezoelektryczne
Ładunki elektryczne powstają w
momencie zmiany wartości siły F, w
przypadku statycznego działania siły
ładunki nie powstają, zaś te które
pojawiły się w momencie jej przyłożenia
znikają.
Przykład
zastosowania
Przetworniki
termoelektryczne
Zamknięty obwód termoelektryczny
STE = e = e(T1) - e(T2)
Układ pomiarowy:
Zakres stosowania:
1 - S (
Pt Rh10 - Pt
) T = 0 - 1200 °C (
1760 °C
)
2 - K (
Ni Cr - Ni Al
) T = - 200 - 1000 °C (
1370 °C
)
3 - J (
Fe - CuNi
) T = - 200 - 700 °C (
1200 °C
)
4 - T (
Cu - CuNi
) T = - 200 - 400 °C
Charakterystyki statyczne
termoelementów
Elektryczne przetworniki
parametryczne
Wymagają
doprowadzenia energii pomocniczej
;
(są włączane w obwód elektryczny zmieniając
jego parametry pod wpływem sygnału
wejściowego).
gdzie:
R
- oporność czynna,
L
- indukcyjność,
X
- oporność bierna,
C
- pojemność,
Z
- oporność
pozorna,
f
- częstotliwość.
Klasyfikacja elektrycznych
przetworników
parametrycznych
opornościowe
(rezystancyjne),
indukcyjnościowe,
pojemnościowe
.
Przetworniki opornościowe
Oporność przewodników stałych
Schemat blokowy
Zmiana oporności może wynikać
ze zmiany:
- długości
l
, -
potencjometry
- przekroju
A
, -
tensometry metalowe
- oporności właściwej
ρ
, -
tensometry
półprzewodnikowe
Przykład
zastosowania
TENSOMETRY
Zasada pracy:
zmiana oporności pod
wpływem naprężeń (odkształceń)
mechanicznych.
lub w wartościach skończonych
Klasyfikacja
tensometrów
Metalowe
-
drutowe
- wężykowe
- kratowe
-
Foliowe
Półprzewodnikowe
- dyskretne
- wdyfundowane
Budowa tensometrów
drutowych
1 - drut oporowy, 2 - przewody przyłączeniowe, 3 -
podkładka izolacyjna, 4 - nakładka
Tensometry foliowe
proste membranowy
złożony
Opornościowe przetworniki
temperatury
Zmiana oporności przewodnika z temperaturą
α - temperaturowy współczynnik zmiany oporu
R
T
= R
0
[1 + α (T - T
0
)]
R
T
= f (T) przy R
0
, α, T
0
= const.
Materiały do budowy opornościowych
przetworników temperatury:
platyna
α = 3,92
·
10
-3
K
-1
T = - 200 do 850
o
C
miedź
α = 4,25 · 10
-3
K
-1
T = - 50 do 150
o
C
nikiel
α = 6,4 · 10
-3
K
-1
T = - 60 do 180
o
C
Charakterystyki statyczne termometrów opornościowych
Elementy półprzewodnikowe
(termistory)
K, K
1
-
stałe
Przetworniki
indukcyjnościowe
Przetworniki indukcyjnościowe i ich charakterystyki
a -
z przesuwnym rdzeniem
, b -
ze zmienną szczeliną
powietrzną
, c -
z indukowaniem się prądów wirowych
Przetworniki
indukcyjnościowe w układzie
różnicowym
Układ transformatora
różnicowego
Przykład zastosowania
Przetworniki
pojemnościowe
a)
kondensator płaski
b)
kondensator
cylindryczny
Przykłady przetworników
pojemnościowych i ich
charakterystyki
Układy różnicowe
przetworników
pojemnościowych
Przykład zastosowania
Fotorezystywność
k
f
= k
f
(Pp,T,λ,r,wym.)
Gaussotron
Wysokotemperaturowe
rezystancyjne czujniki
chemiczne
Działają w temperaturach sięgających
900°C
.
U podstaw działania leży zależność
σ
od
ciśnienia cząstkowego tlenu
p(O
2
)
:
gdzie:
A, n - stałe, E
a
- energia aktywacji
.
Materiały (półprzewodniki)
stosowane na
Wysokotemperaturowe
rezystancyjne czujniki chemiczne
Przetworniki analogowo-
cyfrowe i cyfrowo-
analogowe
Przetwornik cyfrowo-analogowy
(ang.
Digital-to-Analog Converter) jest to
układ
przetwarzający dyskretny sygnał cyfrowy
na równoważny mu sygnał analogowy
.
Przetwornik ma n wejść i jedno wyjście.
Liczba wejść zależy od liczby bitów słowa
podawanego na wejście przetwornika (np.
dla słowa trzybitowego – trzy wejścia a
1
, a
2
,
a
3
).
Napięcie na wyjściu przetwornika jest
proporcjonalne do napięcia odniesienia
oraz do liczby (n-bitowe słowo) zapisanej w
kodzie dwójkowym.
Wartość tego napięcia można obliczyć
korzystając ze wzoru:
n
n
odn
wy
a
a
a
U
U
2
2
2
2
2
1
1
Charakterystyka przejściowa przetwornika
C/A.
1 – idealna, 2 – rzeczywista
Pomiar przemieszczenia i
prędkości
Pomiary przemieszczenia:
• liniowego (
m
),
• kątowego (
rad
)
Rodzaje przetworników przemieszczenia:
• analogowe,
• binarne,
• cyfrowe.
Analogowe przetworniki
przemieszczenia
Wielkość fizyczna (
mechaniczna np. zmiana
położenia lub elektryczna np. zmiana mocy
)
przetwarzana jest na sygnał elektryczny
napięciowy lub prądowy.
Rodzaje:
•
przetworniki potencjometryczne stykowe,
• przetworniki potencjometryczne bezstykowe,
• przetworniki indukcyjne (np. z rdzeniem ferrytowym),
• przetworniki pojemnościowe,
• przetworniki ultradźwiękowe,
• przetworniki optyczne.
Przetworniki
potencjometryczne stykowe
Potencjometr liniowy
Potencjometr obrotowy
Przetworniki
potencjometryczne stykowe
Indukcyjne przetworniki z
rdzeniem ferrytowym
Zmiana położenia
rdzenia względem
uzwojeń, powoduje
zmianę ich
indukcyjności –
impedancji.
Wyznaczania zmian
impedancji odbywa się
za pomoc
pomiarowego mostka
prądu przemiennego
Przetworniki o zmiennej
indukcyjności -
transformatorowe
Przetwornik o zmiennej indukcyjności własnej (FLDT)
ang.
Fast Linear Displacement Transducer
Zasilanie prądem przemiennym 100 kHz
Przetworniki o zmiennej
indukcyjności -
transformatorowe
Przetwornik o zmiennej indukcyjności wzajemnej
(LVDT)
ang.
Linear Variable Differential Transformer
Zasilanie prądem przemiennym 20 kHz
Przetworniki o zmiennej
indukcyjności -
transformatorowe
Optyczne przetworniki
położenia
Optyczny przetwornik położenia
wykorzystujący metodę triangulacyjną
Akcelerometry
Czujnik radiacyjny
1 - zbiornik z cieczą lub ciałem sypkim; 2 - źródło
promieniowania; 3 - odbiornik promieniowania; 4 -
wzmacniacz z przełącznikiem; 5 - silnik.
Koniec wykładu !