Senzori Si Traductoare

Senzori si traductoare

Prof. dr. ing. Valer DOLGA, Prof. dr. ing. Valer DOLGA,

Prof. dr. ing. Valer DOLGA 2

Cuprins_1Cuprins_1 Informatii generale Introducere Informatia Semnal Informatie si semnal Elementele componente ale SAD Senzori si traductoare Principii fizice si semnale Etape in dezvoltarea elementelor senzoriale Cerinte privind parametrii elementelor senzoriale Senzori inteligenti

AutotestareAutocalibrareInteroperabilitateCredibilitatea informatieiConfigurare

Obiectul cursului

Informatii generale Introducere Informatia Semnal Informatie si semnal Elementele componente ale SAD Senzori si traductoare Principii fizice si semnale Etape in dezvoltarea elementelor senzoriale Cerinte privind parametrii elementelor senzoriale Senzori inteligenti

AutotestareAutocalibrareInteroperabilitateCredibilitatea informatieiConfigurare

Obiectul cursului


ST- Informatii generale

•CURS – 2h / saptamina: IV mecatronica IV roboti industriali

•LABORATOR - 2h / saptamina: as.ing. Adriana Teodorescu- sala 311

•NOTA_PARCURS = NOTA_LAB x PREZ_CURS / 14

•EXAMEN …..10 subiecte ( 5 subiecte teoretice + 5 probleme)

•NOTA_EXAMEN = Σ(note_subicte)/10

•NOTA_ST= 0.36 x NOTA_PARCURS + 0.64 x NOTA_EXAMEN

Bibliografie:Valer Dolga – Senzori si traductoare, Editura Eurobit, Timisoara, 1999


Introducere

Sistem de control

Vizualizareaprocesului

Reprezentareacunostintelor

Perceptie Planificare / control

Senzor Actuator

Proces mecanic

Mediu

Sistem controlat

Sistem de control

Vizualizareaprocesului

Reprezentareacunostintelor

Perceptie Planificare / control

Senzor Actuator

Proces mecanic

Mediu

Sistem controlat

Structura sistemului mecatronic


Informatia

• din latina – informatio

• cuvintul este polisemantic – poate capata diverse semnificatii functie de domeniile si contextul in care este folosit

• termenul este legat de un proces informational (succesiunea operatiilor / actiunilor prin care se informeaza), rezultatul acestui proces (volum, varietatea de informatie)

• intr-o definire simpla se poate spune că informaţia reprezintă o reprezentare a realităţii printr-un set de simboluri accesibile simţurilor şi raţiunii umane

•intr-o structură organică a sistemului mecatronic, informaţia poate exista sub forma unui semnal (de ex. semnal electric) sau codificată într-un obiect material ( de ex.: mostră de sânge, text scos la imprimantă etc.);

• semnalul se poate defini ca un purtător fizic de informaţie despre varianţa în timp a energiei.


Semnal

Forma purtătoare Parametrii informaţiei Forma semnalului

Semnal mecanic: viteză, forţă, masă, presiune etc.

Semnal geometric: lungime, unghi, grosime, volum, suprafaţă, nivel etc.

Semnal hidraulic: presiune, presiune diferenţială, debit etc.

Semnal pneumatic: presiune,

Semnal acustic:

Semnal termic:

Semnal magnetic:

Semnal electric: curent, tensiune, sarcină

Semnal optic:

Semnal kern..

Semnal chimic: concentraţie, pH

Amplitudine Frecvenţă Fază Număr de impulsuri ....

Semnal analogic Semnal discret Semnal binar Semnal digital ......


Informatie si semnal

mediu

INFORMAŢIE

PRIMARĂ

X

SENZOR

SEMNAL ELECTRIC

Y

mediu

INFORMAŢIE FIZICĂ

PRIMARĂ

X

SENZOR

SEMNAL ELECTRIC

Y

SEMNAL DE INTERFERENŢĂ

X1

SEMNAL PERTURBATOR


• Ce este un traductor ?

• Ce este un senzor ?

• Care este rolul acestora

Fig.1. 1 Schema principială a traductorului

motor curea

dintata

surub

ghidaj

electronicasanie

efector

motor cureadintata

surub

ghidaj

electronicasanie

efector

motor cureadintata

surub

ghidaj

electronicasanie

efector

Sistem de actionare pentru modulul unui RI


Elementele componente ale SAD

1 - senzorii şi traductoarele;2 - cablurile de legătură;

3 - circuitele pentru condiţionarea semnalului;4 - hardware pentru achiziţia datelor;

5 - software-ul aplicativ;6 - computerul de bază.

1 S / Tr – realizeaza conversia informatie primara – semnal electric primar

ACTUATOR

TRADUCTOR

MEDIU

SENZOR

SC

Tr – senzor intern

S – senzor extern


Conveior = sistemul analizat

Autoturism = sistemul analizat

SENZOR

senzorii - dispozitive care sesizează date referitoare privind starea externă a unui sistem


Senzori si traductoare

• S / Tr parametrice = pasive

De ex.:

elemente pasive : rezistoare, condensatoare, inductanţe, elemente magnetoparametrice, optoparametrice, materiale cu proprietăţi fotoelastice etc

Elementul Fenomenul fizic Mărimea măsurată Variaţia lungimii “l” a conductorului

Deplasări liniare sau unghiulare

Dimensiuni ale pieselor

Grosimi de strat Nivelul unor

materiale Variaţia lungimii, secţiunii şi rezistivităţii

Forţă Presiune

rezistor

S

lR

Variaţia rezistenţei cu temperatura

Temperatura


• S / Tr parametrice – necesita surse de alimentare in procesul de conversie

Traductor tensorezistiv = R

F

U

CIRCUIT DE MĂSURARE

!!!!

SURSA DE

ENERGIE !!!!

FENOMEN FIZIC


Schema bloc a senzorului de forţă tensometric


• S / TR generatoare = active

De ex.:Fenomenul fizic Mărimea măsurată

Generarea unei tensiuni electromotoare induse datorită acţiunii mărimii de măsurat

Viteză liniară sau unghiulară Debitul unui fluid Vibraţii / acceleraţii

Polarizarea electrică a unui cristal sub acţiunea mărimii de măsurat

Forţă Presiune

S / Tr generatoare – nu necesita surse de energie pentru conversie informatie – semnal electric !!!!

Schema de principiu a unui senzor piezoelectric

Schema electrică de principiu a unui senzor piezoelectric


Principii fizice si semnale

PRINCIPIU FIZIC

Informaţie Cantitate măsurabilă

Informaţie, principiu fizic şi cantitate măsurabilă

•Teorema lui Ampere – un conductor parcurs de un current I şi aflat în câmpul magnetic B este solicitat de o forţă F

• Principiul lui Archimede: asupra unui corp scufundat într-un lichid acţionează o forţă ascensională egală cu greutatea lichidului deslocuit de acel corp. Greutatea lichidului deslocuit de acel corp este proporţională cu densitatea lichidului.

• Ecuaţia lui Bernoulli: conservarea energiei fluidice este dependentă de presiunea şi viteza particulei.

•Principiul al II-lea (principiul coliniarităţii forţei şi acceleraţiei - Newton): acceleraţia imprimată unui corp este proporţională cu forţa aplicată şi are aceeaşi orientare cu forţa. Realizare: senzorii pentru vibraţie / acceleraţie.


• Legea conducţiei electrice (Ohm): tensiunea electrică la bornele unui circuit pasiv (fără surse) este egală cu produsul dintre intensitatea curentului şi rezistenţa circuitului:

iRuR

• Forţa electromagnetică (Lorentz): dacă într-o regiune din spaţiu aducem un corp de probă încărcat cu sarcină electrică q şi în acea regine există un câmp electromagnetic(E,B), asupra corpului de probă se va exercita forţa electromagnetică

BvqEqF x• Efectul piezorezistiv: o rezistenţă electrică îşi modifică valoarea dacă materialul este supus unei solicitări mecanice. Factorul de proporţionalitate – factorul de tensosensibilitate – se defineşte prin:

21

RR

K

R – este rezistenţa electrică; ε – alungirea relativă a firului; ρ – rezistivitatea

materialului; ν – coeficientul lui Poisson.


• Efectul Poisson: un material suferă o deformaţie specifică în direcţie perpendiculară pe solicitarea mecanică aplicată. Coeficientul lui Poisson se defineşte ca fiind:

allongitudin

ltransversa

)1(2 GEunde: modulul de elasticitate longitudinal E, cel transversal G şi coeficientul lui Poisson.

• Efectul Coriolis (după Gaspard-Gustave Coriolis, 1835) – apariţia unei deviaţii vizibile a mişcării unui obiect de la linia dreaptă dacă este privit dintr-un sistem de referinţă care se roteşte. Acceleraţia Coriolis este definită ca fiind:

vaC x2 unde: ω - este viteza unghiulară a mişcării de transport; v – este viteza relativă.

vmF C x2


• Efect pelicular : Curentul electric alternativ se repartizează neuniform în secţiunea conductoarelor, densitatea de curent fiind maximă pe suprafaţa conductorului şi scăzând spre interiorul acestuia. Fenomenul poartă denumirea de efect pelicular.

• Legea inducţiei electromagnetice: tensiunea electromotoare indusă în lungul unui contur Г este egală cu viteza de scădere a fluxului magnetic prin orice suprafaţă SΓ sprijinită pe această curbă:

dt

dedsE S

• Efectul de ecran : În interiorul unei cavităţi dintr-un corp metalic, introdus într-un câmp, nu pătrunde câmpul exterior.

• Efectul de vecinătate : Comportarea unui conductor parcurs de un curent alternativ diferă de la situaţia când este singur sau situaţia în care este în prezenţa şi a altor conductoare parcurse de curenţi alternativi. Acest efect poartă denumirea de efect de vecinătate.


• Efectul piezoelectric : un cristal de o anumită configuraţie a reţelei cristaline, se va polariza electric după o anumită direcţie dacă este supus unei solicitări mecanice după o direcţie dată. Sarcina electrică ce apare pe feţele cristalului în virtutea acestui fenomen, sunt proporţionale cu efortul mecanic exercitat asupra lui. Există şi efectul piezoelectric “invers”: dacă pe feţele unui cristal se aplică o sarcină electrică rezultă variaţii ale dimensiunilor geometrice ale acestuia.

• Efectul piroelectric: piroelectricitatea este proprietatea unor cristale anizotrope prin care polarizarea electrică spontană depinde de temperatură. Substanţele care prezintă această proprietate se numesc piroelectrice, iar apariţia sarcinilor electrice la suprafaţa unui astfel de material în urma încălzii sau răcirii lui se numeşte efectul piroelectric. Una dintre aplicaţiile piroelectricităţii este în dispozitivele de detecţie a radiaţiilor infraroşii şi milimetrice, folosite de exemplu în detecţia de la distanţă a mişcării oamenilor şi animalelor.

Materialele piroelectrice: cuarţul, turmalina, unele substanţe monocristaline (tantalat de litiu etc.), materiale ceramice etc.


• Efectul thermoelectric : Seebeck a descoperit în 1822 că dacă temperatura contactului dintre două metale diferă de cea circuitului, apare o tensiune electromotoare termoelectrică

dTTSTSVT

T

AB 2

1

)()(

unde: SB şi SA- sunt coeficienţii Seebeck pentru materialele A şi B; T1 şi T2 – sunt temperaturile celor două joncţiuni. Dacă coeficienţii Seebeck sunt de valoare constantă, relaţia anterioară devine:

12 TTSSV AB

Efectul Seebeck


Mărime fizică de bază

Mărimi fizice derivative Elemente sensibile tipice

Deplasare deplasare liniară deplasare unghiulară lungime grosime (strat de acoperire) nivel deformaţie forţă, presiune, cuplu altitudine

rezistive inductive fotoelectrice electrodinamice (de inducţie, selsine, inductosyne)

Viteză viteză liniară viteză unghiulară debit

electrodinamice (de inducţie) fotoelectrice

Forţă efort unitar greutate acceleraţie cuplu presiune vâscozitate

termorezistive termistoare rezistive inductive capacitive piezorezistive magnetorezistive

Temperatură temperatură căldură conductibilitate termică

termorezistenţe termistoare termocupluri

Masă debit de masă complexe (dilatare + deplasare)

Concentraţie densitate componente din amestec de gaze ioni de hidrogen în soluţii

idem forţă termorezistive electrochimice conductometrice

Radiaţie umiditate luminoasă termică nucleară

fotoelectrice detectoare în infraroşu elemente sensibile bazate pe ionizare


Mărimea fizică de măsurat

Efect utilizat Mărime de ieşire

Termoelectricitate Tensiune Temperatura Piroelectricitate Sarcina

Fotoemisie Curent Efect fotovoltaic Tensiune

Flux de radiaţie optică

Efect fotoelectric Tensiune Forţă (dinamic) Piezoelectricitate Sarcină electrică Presiune Piezoelectricitate Sarcină electrică Acceleraţie Piezoelectricitate Sarcină electrică Viteză Inducţie electromagnetică Tensiune Poziţie (magnet) Efect Hall Tensiune

Comportarea în timp a mărimii fizice de măsurat poate fi:• constantă• variabilă:

- staţionar- periodic

-- sinusoidal-- nesinusoidal

- neperiodic (aleatoare) - nestationar


În cazul mărimilor staţionare se pot măsura:• o valoare instantanee;• ansamblul valorilor instantanee într-un interval de timp dat sau un parametru global: valoarea medie, valoarea efectivă, valoare de vârf.

2

1

)(1

12

t

t

med dttxtt

X

Valoarea medie:

2

1

)(1 2

12

t

t

ef dttxtt

X

Valoarea efectiva:

)(max21 ...... txX ttm

Valoarea de virf


În cazul mărimilor nestaţionare se pot măsura de asemenea:

• o valoare instantanee la un moment dat;

• valori instantanee la anumite momente de timp (sau într-un interval de timp dat);

• o valoarea medie pe un interval de timp dat

Un semnal care la rândul său se poate reprezenta în funcţie:

• de timp

• de frecvenţă.


Etape in dezvoltarea elementelor senzoriale

Patru etape în exploaterea elementelor senzoriale:

• Sistemul iniţial (rudimentar) - cunoaşte încǎ o largǎ rǎspîndire.

Eroarea ε rezultatǎ din prelucrarea semnalului de comandǎ şi semnalul senzorului va fi prelucrat de sistemul de reglare.

• Sistemul dezvoltat - cu includere de elemente de condiţionare şi transmitere a semnalelor.

Senzorului îi sunt asociate elemente de condiţionarea semnalului şi de transmisie pentru a putea fi recepţionat şi utilizat la distanţǎ.

• Senzori inteligenţi - asocierea unui procesor cu elementul sensorial.

• Sisteme senzoriale cu procesor dedicat - o formǎ dezvoltatǎ a senzorilor inteligenţi cu procesor de semnal dedicat.

Semnal traductor

U(t) ε


Cerinte pentru parametrii elementelor senzoriale

Condiţii necesare privind caracteristicile şi parametrii senzorilor :• să admită suprasarcină de durată;

• să fie amplasate aproape de locurile de măsurare;

• să asigure o intensitate bună a semnalului primar;

• să execute prelucrarea primară a informaţiilor;

• să posede o construcţie rigidă, rezistentă la şocuri şi protejată contra acţiunilor nefavorabile ale mediului înconjurător;

• să fie proiectate în construcţie modulară;

• să admită înglobarea şi montarea uşoară, comodă în subansamblurile RI şi a echipamentelor periferice;

• să asigure decuplarea influenţelor parazite.


Senzori inteligenti

Avantajele – senzorilor inteligenti:• metrologice (preciziie ridicatǎ);• funcţionale (autostare, autocalibrare, interoperabilitate);• economice (reduceri de stocuri şi timp de etalonare şi calibrare, fiabilitate crescutǎ etc.)

CONVERTOR A / N SENZOR

AMPLIFICATOR

MICROCONTROLER

Se remarcǎ:

•prezenţa elementului de calcul cǎruia îi este asociatǎ o memorie minimǎ necesarǎ;

•circuitele de condiţioare ale semnalului constituie separat sub formǎ clasicǎ;

•structura sistemicǎ dispune de o interfaţǎ pentru conectarea în reţeaua senzorialǎ.


Senzori inteligenti Autotestare

Autotestare / autosupraveghere, prin semnale proprii de autotest:

depistarea eventualelor defecte sau stări care să favorizeze defectarea;

este recunoscută eventuala prezenţă a unor perturbaţii şi anihilată acţiunea ei;

este detectată intervenţia unor perturbaţii noi în procesul de măsurare;

dacă este asigurată redundanţa - elementul parazitat se poate autodecupla din schemă;

gestiune a modului de funcţionare - o evidenţă stocată pe un suport propriu sau extern de memorie nevolatilă:

numǎrul de identificare a elementului senzorial,

data punerii în funcţiune

datele de întreţinere programatǎ

caracteristicile metrologice şi de funcţionare (neliniaritate, histerezǎ, sensibilitate, dependenţǎ faţǎ de temperaturǎ, ecuaţia de corecţie în funcţie de datele transmise etc.).


Senzori inteligenti Autocalibrare

Calibrarea clasicǎ - o serie de acţiuni practice prin care se urmǎreşte:

Definirea mai mult sau mai puţin explicit a valoarii minime şi maxime a domeniului de mǎsurare;

Efectuarea unui numar de cicluri în sens crescǎtor şi descrescǎtor a mǎrimii mǎsurate;

Notarea valorilor rezultate şi verificarea repetabilitǎţii mǎsurǎtorilor.

Calibrarea senzorilor inteligenţi respectǎ algoritmul:

Definirea unei relaţii bijective între ansamblul valorilor mǎsurandului şi valorile semnalului furnizat, asociate unui sistem de unitǎţi de mǎsurǎ;

Definirea limitelor domeniului de mǎsurare;

Definirea acţiunilor care se impun în cazul în care intervalul de mǎsurare este depǎşit;

Definirea şi activarea relaţiei care caracterizeazǎ relaţia între mǎsurǎ şi mǎsurand;

Validarea calibrǎrii senzorului.


Senzori inteligenti Interoperabilitate

Interoperabilitatea “senzorilor inteligenţi” = schimb de informaţii între senzori diferiţi, funcţie denumită “interoperabilitatea” senzorilor inteligenţi.

comunicarea între senzori aflaţi în locuri diferite în scopul obţinerii unor date care să permită funcţionarea optimă.

stabilirea acţiunilor urmǎtoare, a unor decizii care se impun;

estimarea valorilor din proces

Pentru a fi eficace, trebuie îndeplinite o serie de condiţii:

serviciul executat ca răspuns să fie exact cel cerut;

existenţa unor reguli de intercomunicare senzorială, a unor norme, pentru a realiza o comunicare unitară, şi nu haotică;

crearea şi utilizarea unui limbaj de interoperabilitate senzorială, care să permită comunicări între sistem senzoriale destinate unor mărimi diferite;

definirea unor modele corespunzătoare pentru astfel de sisteme senzoriale.


Senzori inteligenti Credibilitatea informatiei

Credibilitatea senzorială se obţine prin:

Validarea informaţiei transmise;

Testare, diagnoză, istoric a operaţiei de măsurare, sistem şi mediu.

VALIDARE TEHNOLOGICĂ

CREDIBILITATE SENZORIALĂ

Autodiagnosticare Autosupraveghere

Autoadaptare Asistarea mentenanţei Comanda la distanţă

Măsurarea mărimilor de influenţă

Credibilitatea – afectata de:

Defecte proprii ale senzorului: deteriorări, modificări ale caracteristicilor.

Defecte datorate circuitelor electrice şi electronice ataşate

Defecte colaterale datorate operaţiei de măsurare: depăsiri ale domeniului de măsurare, factori perturbatori etc.

Erori de transmitere a informaţiei.


Senzori inteligenti Configurare

Funcţia de configurare - adaptarea senzorului la condiţiile impuse de regimul de exploatare ales.

Configurare tehnologicǎ - rezultatul ansamblului de acţiuni care vizeazǎ integrarea senzorului inteligent în mediul de lucru;Configurarea funcţionalǎ - rezultatul unor acţiuni care vizeazǎ operaţia de conversie a informaţiei primare şi comunicarea realizatǎ de sensor cu restul sistemului;Configurarea operaţionalǎ - acţiunile care vizeazǎ dedicarea senzorului pentru o aplicaţie specificǎ.

Schimbul de informaţie - prin intermediul interfeţei senzoriale este posibil datorită a trei coduri:

Domeniul nume (name space)- necesar pentru înţelegerea semnificaţiei valorilor transmise;Domeniul timp (time space) serveşte pentru definirea momentului de existenţă a unui eveniment în comunicaţie;Domeniul valoare (value domain) asigură schema de codificare a valorilor de transmis.

Senzori Si Traductoare

Documents

Transcript of Senzori Si Traductoare