Podstawy Metrologii
”Przetworniki,
czujniki"
Podstawy Metrologii
”Przetworniki,
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”- Peter K. Stein [17]
- według tej definicji pomiaru
czujnik
pomiarowy jest niezbędnym elementem
każdego systemu pomiarowego
, tym
elementem,
który decyduje o jakości
wykonywanego pomiaru.
W każdym okresie rozwoju nauki i techniki
czujniki determinowały możliwości
poznawcze i wytwórcze człowieka.
W dobie elektroniki, komputerów i
wirtualnej rzeczywistości, również i czujniki
przyjęły nową postać. Tę postać określają
atrybuty:
-
inteligentny i zintegrowany
, 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
(obecnie psychologowie
wyróżniają często 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:
czujnik ruchu
czujnik przyspieszenia
czujnik temperatury
czujnik ciśnienia
czujnik wilgotności
czujnik punktu rosy
czujnik natężenia światła
czujnik pehametryczny
czujnik promieniowania jonizującego
zasadę działania (chociaż w
zasadzie są to przetworniki):
czujnik indukcyjny
czujnik indukcyjnościowy
czujnik magnetoindukcyjny
czujnik pojemnościowy
czujnik ultradźwiękowy
czujnik mikrofalowy
czujnik fotoelektryczny
Jak działają
czujniki?
Czujnik (sensor) jest częścią systemu
pomiarowego która reaguje na określoną
wielkość fizyczną.
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
Po co czujnikom
inteligencja?
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)”
- (urządzenie o tak zdefiniowanych cechach jest,
ściśle mówiąc, przetwornikiem inteligentnym).
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 zmierzała w
dwóch kierunkach:
-
poprawy parametrów metrologicznych,
- funkcjonalności oraz obniżenia ceny wyrobu.
To ostatnie osiągnięto przez zmniejszenie liczby
operacji produkcyjnych i zautomatyzowanie
procesu testowania - głównie dzięki
wprowadzeniu tzw. interfejsu produkcyjnego,
umożliwiającego równoczesne wykonywania
najbardziej czasochłonnych operacji na wielu
czujnikach połączonych równolegle.
Trendy w rozwoju środków
pomiarowych
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 -
„dajesz mi dwa czujniki za cenę jednego, ja
potrzebuję tylko jeden, ale za pół ceny”.
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
WIELKOŚCI WEJŚCIOWEJ
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
Stosowane są różne 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 0C (1760 0C)
2 - K (Ni Cr - Ni Al) T = - 200 . 1000 0C (1370
0C)
3 - J (Fe - CuNi) T = - 200 . 700 0C (1200 0C)
4 - T (Cu - CuNi) T = - 200 . 400 0C
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 . 850 0C
miedź α = 4,25 10-3 K-1 T = -50 . 150 0C
nikiel α = 6,4 10-3 K-1 T = -60 . 180 0C
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
UKŁADY MOSTKOWE
PRZETWORNIKÓW
WEJŚCIOWYCH
Schemat mostka Wheatstone’a
Mostek symetryczny:
Z
1
= Z
2
; Z
3
= Z
4
lub
Z
1
= Z
3
; Z
2
= Z
4
Warunek równowagi mostka ( I
g
= 0 )
Rodzaje mostków
Mostek prądu stałego
- mostek zasilany
prądem stałym,
Mostek prądu zmiennego
- mostek zasilany
prądem przemiennym.
Układ półmostkowy
- przetwornik stanowi 1
lub 2 gałęzie mostka,
Układ pełnego mostka
- przetwornik
stanowi wszystkie 4 gałęzie mostka.
Schemat umieszczenia
przetwornika w układzie
półmostkowym
Fotorezystywność
k
f
=k
f
(Pp,T,λ,r,wym.)
Gaussotron
Wysokotemperaturowe
rezystancyjne czujniki
chemiczne
Działają w temperaturach sięgających
900oC.
U podstaw działania leży zależność σ od
ciśnienia cząstkowego tlenu p(O
2
):
gdzie: A,n - stałe, E
a
-energia aktywacji.
Półprzewodniki stosowane na
WRCC
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),
• ktowego (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
szybki liniowy przetwornik przemieszczeń,
Zasilanie prądem przemiennym 100 kHz
Przetworniki o zmiennej
indukcyjności -
transformatorowe
Przetwornik o zmiennej indukcyjności wzajemnej (LVDT)
ang. Linear Variable Differential Transformer
liniowo zmienny transformator różnicowy
Zasilanie prdem 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 !