Technika Sensorowa Wykładowca : prof. Tadeusz Pisarkiewicz Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji Budynek C1, pokój 316 pisar@agh.edu.pl http://home.agh.edu.pl/~pisar (login: ESA, password: ESA)

1. Wstęp Ilość produkowanych sensorów i ich różnorodność ciągle rosną. Wzrost zapotrzebowania na sensory w dziedzinach: procesy przemysłowe zapewnienie jakości w produkcji (miernictwo) motoryzacja lotnictwo i przestrzeń kosm. medycyna i ochrona zdrowia ochrona środowiska elektronika osobista

Wymagania odnośnie współczesnych sensorów: niskie koszty odporność na uszkodzenia małe rozmiary niezawodność możliwość produkcji wielkoseryjnej Wymagania te spełniają technologie: mikromechanika + mikroelektronika W wyniku wytwarza się tzw. struktury MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)

Rynek MEMS dla motoryacji (WTC,2007) Obroty na rynku akcelerometrów MEMS do poduszek powietrznych w mln dol. i mln sztuk (Frost & Sullivan)

Miejsce czujnika w procesie pomiaru Czujnik (sensor) - blok funkcjonalny (element) odwzorowujący w sposób jednoznaczny wartość wielkości fizycznej jednego rodzaju na sygnał fizyczny innego rodzaju. Inne określenia: przetwornik detektor próbnik sonda

Funkcje monotoniczne Funkcja rosnąca nie odwzorowuje w sposób jednoznaczny

Rodzaje energii przetwarzane w czujniku na sygnał elektryczny

Blok funkcjonalny czujnika Czujnik rzeczywisty realizuje funkcję: - wpływ nie przewidziany przez producenta - wpływ zakłóceń

Czujnik z podwójnym przetwarzaniem Przykład : czujnik światłowodowy

Wpływ zakłóceń można ograniczyć wieloparametrową metodą pomiaru Aby wyznaczyć x1 rozwiązuje się układ równań: y1 = f1(x1...xn) y2 = f2(x1...xn) . ym = fm(x1...xn)

W praktyce trudności związane są bardziej z identyfikacją funkcji przetwarzania fm niż z wektorem zakłóceń . Rozwój techniki mikroprocesorowej sprzyja pomiarom wieloparametrowym zamiast eliminowania wpływu parametrów w czujniku.

Istotne cechy czujnika inteligentnego: integracja z ukł. pom. samotestowanie charakterystyka kształtowana cyfrowo wieloparam. komp. zakłóceń sygn. wyjściowy w standardzie

Bloki funkcjonalne czujnika - przykład OBD – On Board Diagnostics Źródło: Infineon, KP125 Absolute Pressure Sensor, Datasheet rev. 2.14 http://www.infineon.com/dgdl/KP125_V1+0_DS_Rev2+15.pdf

Rodzaj sygnału wyjściowego KLASYFIKACJA CZUJNIKÓW Kryterium 1: Rodzaj sygnału wyjściowego parametryczne (bierne) generacyjne (czynne) sygnał wyjściowy jest wytwarzana jest energia parametrem elektrycznym związana z działaniem związanym ze zmianą wielkości mierzonej wielkości mierzonej np. fotoelektryczne np. fotowoltaiczne pojemnościowe termoelektryczne rezystancyjne piezoelektryczne

Stosowana technika wytwarzania Kryterium 2: Stosowana technika wytwarzania technika konwencjonalna grubowarstwowa półprzewodnikowa i cienkowarstwowa mikromechaniczna światłowodowa biotechnologie

2. Charakterystyki czujników 2.1. Charakterystyki statyczne Określają działanie czujnika w normalnych warunkach otoczenia przy bardzo powolnych zmianach wielkości wejściowej. Istotne zagadnienia: kalibracji histerezy powtarzalności liniowości czułości rozdzielczości selektywności progu działania

Kalibracja

Histereza

Powtarzalność charakterystyki Lepszą miarę uzyskuje się dla dużej ilości cykli

Liniowość charakterystyki Miara zbliżenia charakterystyki rzeczywistej do określonej linii prostej Charakterystykę można kształtować po stronie cyfrowej (przy przetwarzaniu cyfrowym).

Czułość Dla dużej czułości błąd pomiaru D x wielkości X przy danym błędzie D y może być pomijalnie mały. Odwrotność czułości Cx = 1/Sx nazywana jest stałą przyrządu.

Rozdzielczość Jest to wielkość skokowej zmiany na wyjściu w % PZP przy ciągłej zmianie wielkości wejściowej.

Próg Jest to zmiana wielkości wejściowej niezbędna do uzyskania zauważalnej zmiany wielkości wyjściowej.

Dynamiczne charakterystyki czujników J. układ przetwarzający składa się z liniowych elementów dyssypacyjnych i akumulacyjnych, to zależność między pobudzeniem x i sygnałem wyjściowym y można zapisać w postaci A0y + A1y(1) + A2y(2) + ... + Any(n) = k (B0x + B1x(1) + B2x(2) + ... Bmx(m)) (1) y(1) – 1-sza pochodna czasowa k – statyczna czułość przetwornika m ≤ n Równanie (1) można poddać całkowemu przekształceniu Laplace`a (2) gdzie s = σ + jω

Całkując (2) przez części łatwo wykazać, że Poddając równanie (1) przekształceniu Laplace`a i stosując powyższą własność (przy zerowych warunkach początkowych) uzyskuje się transmitancję operatorową czujnika: W rezultacie od równań różniczkowych przechodzi się do równań algebraicznych. Analiza transmitancji operatorowej jest szczególnie dogodna w przypadku, gdy przetwornik tworzy łańcuch pomiarowy. Odpowiedź y(t) uyskuje się stosując odwrotne przekształcenie Laplace`a.

Pobudzenie skokiem jednostkowym Odpowiedź układu sensorowego zależy od jego rodzaju. Może to np. być układ inercyjny, który składa się z elementów akumulacyjnych jednego rodzaju (akumulujących energię kinetyczną lub potencjalną) oraz elementów dyssypacyjnych.

Przykład przetwornika inercyjnego Termometr rezystancyjny wstawiony do cieczy o wyższej temperaturze Analog elektryczny L{1(t)} = X(s) = 1/s element inercyjny I-go rzędu

Element inercyjny I-go rzędu, obliczanie transmitancji operatorowej A zatem

Czasowa odpowiedź elementu inercyjnego I-go rzędu na skok jednostkowy τ - stała czasowa, miara bezwładności sensora; Dla analogu elektrycznego τ = RC 0.63k τ co oznacza dla t = τ 63% wartości ustalonej. Dla t = 3τ mamy 95% wartości ustalonej.

Umieszczenie termometru w osłonie powoduje, że staje się on elementem inercyjnym wyższego rzędu Analog elektryczny elementu inercyjnego 2-go rzędu. Odpowiedź na skok jednostkowy elementu inercyjnego wyższego rzędu t95 - 95% czas odpowiedzi Δt = t90 – t10 – czas narastania τ = t63 – stała czasowa

Odpowiedź układu oscylacyjnego na skok jednostkowy 1 – pseudooscylacje 2 – tłumienie krytyczne 3 – tłumienie nadkrytyczne Przetwornik mający charakter układu oscylacyjnego zawiera elementy akumulacyjne obu rodzajów oraz elementy dyssypacyjne. Analogiem mechanicznym jest tłumione wahadło sprężynowe (sprężyna akumuluje energię potencjalną, masa energię kinetyczną, tarcie energię rozprasza). Analogiem elektrycznym jest obwód RLC.

Analog mechaniczny Analog elektryczny

Transmitancja układu oscylacyjnego Mianownik wyrażenia na transmitancję może mieć: Dwa pierwiastki rzeczywiste tłumienie nadkrytyczne 2) Jeden pierwiastek rzeczywisty tłumienie krytyczne 3) Dwa pierwiastki zespolone drgania tłumione (pseudooscylacje) Po odwrotnym przekształceniu Laplace`a otrzymuje się: