1 Grup colar Lazr Edeleanu Lucrare pentru obinerea certificrii profesionale Nivel 3 ruta direct Specializarea : Tehnician n instalaii electrice ndrumtor: Elevul: Profesor inginer: Bnescu DoinaNstase Ciprian Clasa a XII-a C An absolvire:2012 2 3 Argument.. pag.4 1.Senzoripag.5 1.1.Ce este senzorul?....................................................................pag 5 1.2.Clasificri. pag.7 1.3.Clasificare-Soluii de montare.. pag.10 2.Senzori de poziie/deplasare analogici.. pag.12 2.1.Principiul msurrii analogice a deplasrilor. pag.12 Traductoare capacitive 3.Traductoare de deplasare........................................ pag.13 3.1.Traductoare rezistive............................................................... pag.13 3.2.Traductoare inductive.............................................................. pag.14 3.3.Traductoare capacitive...pag.17 3.4.Traductoare piezoelectricepag.19 4.Traductori pentru aparatur medical pag.19 4.1.Traductori si sisteme de msurare...pag.20 4.2.Caracteristici statice ..pag.22 4.2.1.Sensibilitatea, rezolutia si reproductibilitatea .pag.22 4.2.2.Elementele sensibile ale traductoarelor (ES)..pag.24 4.2.3.Domeniul de masura...pag.24 4.2.4.Liniaritate si neliniaritate ....pag.25 4.3.Caracteristicile i performanele traductoarelor..pag.26 4.3.1.Caracteristici i performane n regimstaionar..pag.26 Msuri de protecie a muncii la utilizarea instalaiilor iechipamentelor electricepag.29 Bibliografiepag.32 4 Dicionarele din prima parte a anilor '70 nu cuprind cuvntul "senzor". Acesta a aprut odat cu dezvoltarea microelectronicii, mpreun cu alte noiuni de mare impact, cum ar fi cele de microprocesor, microcontroller, transputer, actuator etc., adugnd o noiune nou unei terminologii tehnice avnd o anumit redundan. Astfel, o mare parte din elementele tehnice senzitive sunt ncadrate n categoria de traductor. Un traductor este un dispozitiv care convertete efecte fizice n semnale electrice, ce pot fi prelucrate de instrumente de msurat sau calculatoare. n unele domenii, n special n sfera dispozitivelor electro-optice, se utilizeaz termenul de detector (detector n infrarou, fotodetector etc.). Traductoarele introduse ntr-un fluid sunt denumite, uneori, probe. O categorie larg o constituie sistemele terminate n "-metru": de exemplu, "accelerometru" pentru msurarea acceleraiei, "tahometru" pentru msurarea vitezei unghiulare. DisciplinadeSenzoriiTraductoareoferstudenilor,delaprofilurile electrice,cunotinelenecesarenelegeriiprincipiilordefuncionareimoduluide realizareconstructivpentrucelemaiutilizatetraductoarencadrulsistemelorde reglare (sau conducere) a proceselor industriale. Uurinaasimilriiconinutuluiacestuicurs,completatculucrrile practicede laborator,estecondiionatdepregtireaanterioarastudenilorladisciplinele: Fizic, Bazele Electrotehnicii, Msurri Electrice i Electronic. ntructaceastdisciplin(SenzoriiTraductoare)esteprecedatilogicconectat de Msurrile Electrice, n cele ce urmeaz se vor reaminti cteva noiuni generale referitoare la: Procesul de msurare Importana msurrilor n tehnic Unitile de msur. 5 1.Senzorul 1.1.Consideraii generale; ce este senzorul? Ce este senzorul? Trebuie spus c nu exist o definiie unitar i necontestat a senzorului, motiv care las mult spaiu pentru interpretri, ambiguiti i confuzii. Muli autori prefer s foloseasc sintagma senzori i traductoare, n cadrul creia, fie pun pe picior de egalitate senzorul i traductorul, utiliznd, alternativ sau preferenial, unul dintre termeni, fie consider c unul reprezint o categorie ierarhic superioar, incluzndu-l pe cellalt. De multe ori se mai utilizeaz i noiunea de captor, care amplific semnele de ntrebare, ntruct n limba francez, termenul capteur este utilizat pentru a desemna elementele tehnice, care n aceast carte au fost numite senzor.Denumirea senzorului provine din cuvntul latin sensus, care nsemn sim i nainte de a fi adoptat pentru sisteme tehnice, a fost i este utilizat pentru a desemna capacitile organelor de sim ale oamenilor i ale organismelor vii, de a culege i prelucra informaii din mediul nconjurtor i a le transmite creierului. n acest proces mrimile fizice,neelectrice, sunt convertite n semnale electrice, pe care creierul le poate prelua i interpreta i pe baza crora coordoneaz aciunile muchilor. Modelul din biologie l ntlnim, n mare msur, la sistemele mecatronice, astfel c nu este inutil o scurt trecere n revist a sistemelor senzoriale ale omului, cu unele comentarii privind contribuia acestora n supervizarea proceselor de producie de ctre om: Cea mai solicitat i important funcie senzorial este cea vizual, care asigur cantitatea preponderent de informaie, avnd i cea mai mare vitez de transfer (cc.3.106 bii/s).Vederea faciliteaz omului cvasi-totalitatea aciunilor de investigare a mediului -identificarea obiectelor i a configuraiei, poziiei i orientrii lor, aprecierea distanelor.Extraordinara perfecionare a simului vizual explic, poate, absena altor senzori de investigare la om, cum ar fi cei ultrasonici, cu care sunt dotate specii de animale, ca lilieci, delfini, balene .a. Funcia ochiului nu se rezum la simpla preluare a unei imagini pe retin i transmiterea ei ctre creier, ci presupune i o serie de reglri inteligente, prin intermediul muchilor optici, ale cristalinului i irisului, precum i o prelucrare i compresie a datelor transmise.Simul auzului permite omului recepionarea undelor sonore din domeniul "audio", avnd frecvene cuprinse 6 ntre aproximativ 16 Hz i 16 kHz. Rata de transfer a informaiei auditive este de circa 2.104 bii/s. Acest sim st la baza comunicaiei dintre oameni; asigur i funcii de investigare a mediului, prin receptarea unor sunete, precum i funcii de supraveghere a procesului de producie, n baza unor semnale sonore provenite de la sisteme de avertizare, a unor zgomote anormale.Foarte important, inclusiv n procesele de producie, este sensibilitatea cutanat a omului, asigurat de multipli receptori implantai n piele. Au fost identificate urmtoarele forme de sensibilitate cutanat: sensibilitatea tactil, sensibilitatea termic i sensibilitatea dureroas. Cele trei feluri de sensibilitate cutanat nu sunt rspndite uniform pe suprafaa pielii. Sensibilitatea tactil este dezvoltat, n special, pe pielea de pe faa volar a vrfurilor degetelor, iar sensibilitatea termic este mai accentuat pe faa dorsal a mnii, unde exist i o sensibilitate dureroas accentuat. Receptorii cutanai sunt specializai. Simul mirosului (olfactiv) (102 bii/s) i cel gustativ (10 bii/s) sunt extrem de utile omului n viaa de zi cu zi, dar utilizate de om ntr-un numr restrns de procese de producie, din industria alimentar, cea cosmetic etc. Fig.1.1 Structuri ale sistemelor senzoriale Nivelul de dezvoltare a capacitilor senzoriale ale unui sistem mecatronic se determin, n general, dup modul n care acesta reuete s realizeze funcii de recunoatere similare cu cele ale omului. ntre sistemele de recunoatere ale omului si ale unui sistem mecatronic exist ns dou mari deosebiri: -omul are posibiliti multiple de recunoatere, fiind dotat cu organe de sim complexe, care i asigur capacitile de vedere, auz, miros, gust i percepie tactil; la un system mecatronic acest lucru nu este nici necesar i nici posibil, 7 tinzndu-se spre limitarea funciilor senzoriale la cele strict necesare impuse de utilizrile concrete ale acestuia; -un sistem mecatronic poate fi dotat cu faciliti senzoriale pe care nu le ntlnim la om, asigurate, de exemplu, de senzorii de proximitate inductivi, capacitivi, fluidici, sau cei de investigare, bazai pe radiaii ultrasonice sau radiaii laser i funcionnd pe principiul radarului. 1.2.Clasificri Exist astzi senzori pentru mai mult de 100 de mrimi fizice, iar dac se iau n considerare i senzorii pentru diferite substane chimice, numrul lor este de ordinul sutelor. Se pot pune n eviden circa 2000 de tipuri distincte de senzori, oferite n 100.000 de variante, pe plan mondial [ROD03]. Datorit marii diversiti a principiilor de conversie a mrimilor fizice n mrimi electrice, precum i a soluiilor de implementare a acestor principii, exist i o multitudine de criterii de clasificare a senzorilor, dintre care vor fi enumerate cteva dintre cele mai importante: Senzorii pot fi clasificai n funcie de tehnologiile utilizate pentru realizarea lor: -Tehnologii ale materialelor feromagnetice; -Tehnologii ale materialelor piezo-ceramice; -Tehnologii ale microeelectronicii i microsistemelor; -Tehnologii ale staturilor subiri; -Tehnologii ale staturilor groase; -Tehnologii pentru materiale sinterizate; -Tehnologii ale foliilor etc. n funcie de tipul mrimii fizice de intrare senzorii pot fi clasificai n: -absolui, cnd semnalul electric de ieire poate reprezenta toate valorile posibile ale mrimii fizice de intrare, raportate la o origine (referin) aleas; -incrementali, cnd nu poate fi stabilit o origine pentru toate punctele din cadrul domeniului de msurare, ci fiecare valoare msurat reprezint originea pentru cea urmtoare. Foarte important este clasificarea n funcie de tipul mrimii de ieire, n: -senzori analogici, pentru care semnalul de ieire este n permanen proporional cu mrimea fizic de intrare; 8 -senzori numerici (digitali), la care semnalul de ieire poate lua numai un numr limitat de valori discrete, care permit cuantificarea semnalului fizic de intrare. Privind problema semnalului de ieire din punctul de vedere al numrului de valori posibile, pot fi puse n eviden alte dou clase distincte: -senzori binari, care prezint la ieire numai dou valori distincte; -senzori cu un numr mare de valori, pentru msurarea unei mrimi ntr-o anumit plaj; pot fi analogici sau numerici. Un alt criteriu de clasificare ine cont de numrul elementelor traductoare i de numrul de dimensiuni atribuite valorilor msurate i clasific senzorii n scalari (un traductor, o dimensiune), vectoriali (msurri dup trei direcii ortogonale) i matriciali (un anumit numr de traductoare dispuse dup o matrice mono-, bi- sau tridimensional).Combinarea ultimelor dou criterii de clasificare permit clasificri mai complexe, de tipul celei prezentate n figura 1.2. Fig.1.2 Clasificarea senzorilor dup dou criterii combinate Senzorii pot fi clasificai i n funcie de domeniul n care sunt utilizai: -n industrie - Robotic (vezi exemplele din capitolul 2), fabricaie flexibil, controlul calitii, activiti de birou etc. -n protecia mediului -n transporturi -n automatizarea cldirilor i locuinelor Dac analiza se extinde la nivelul diferitelor domenii de utilizare, pot fi utile i pertinente noi criterii de clasificare. De exemplu, n cazul senzorilor utilizai n 9 robotic, una dintre principalele clasificri are al baz sistematizarea proprietilor i parametrilor robotului i mediului din figura 1.3 Fig.1.3 Variant de clasificare a senzorilor din dotarea roboilor Cele dou ramificaii principale permit gruparea senzorilor n dou categorii mari: -Senzorii interni (denumii de unii autori i intero-receptori), care servesc la obinerea unor informaii legate de funcionarea robotului, cum ar fi poziia relativ a elementelor cuplelor cinematice, vitezele i acceleraiile liniare i unghiulare, deformaiile elementelor lanului cinematic .a. -Senzori externi (denumii de unii autori i extero-receptori), utilizai pentru culegerea unor informaii asupra mediului nconjurtor i asupra interaciunii robot/mediu; servesc la identificarea prezenei i stabilirea tipului, poziiei, orientrii, culorii sau a altor proprieti ale obiectelor din mediu, la identificarea unor obstacole, la determinarea forelor de interaciune robot/mediu. Un criteriu care poate permite clasificarea senzorilor externi este cel referitor la contactul cu obiectele din mediu (fig.1.4). Un senzor care msoar poziiile/deplasrile n cuplele cinematice este un senzor intern, un senzor de investigare, care baleiaz mediul nconjurtor pe principiul radarului, este un senzor extern fr contact, un senzor tactil este un senzor extern cu contact direct, iar un senzor de for/moment este un senzor extern cu contact indirect, ntruct forele de 10 interaciune cu mediul nu sunt exercitate direct asupra senzorului, ci sunt resimite de acesta prin propagarea lor de-a lungul unor elemente intermediare. Fig.1.4 Clasificarea senzorilor externi 1.3.Clasificare; Soluii de montare Clasificarea acestor senzori se poate face dup mai multe criterii, astfel: Dup modul de exprimare a mrimii deplasrii: -senzori de poziie (absolui) care furnizeaz valoarea absolut a deplasrii, ce corespunde poziiei curente a elementului mobil al cuplei cinematice considerat fa de originea unui sistem de coordonate ataat cuplei; -senzori de deplasare (relativi) care dau mrimea relativ a deplasrii, rezultat ca o diferen a valorilor corespunztoare coordonatelor finale i iniiale ale elementului mobil. Dup natura semnalului furnizat de senzor: -senzori numerici incrementali care transform deplasarea real, care este o mrime continu, ntr-o succesiune de impulsuri; -senzori numerici absolui la care deplasarea real este exprimat cu ajutorul unui grup de semnale binare ce corespund unui numr codificat n binar; -senzori analogici la care deplasarea real este transformat ntr-o mrime continu, modulat n amplitudine sau n faz. 11 Dup natura mrimii de intrare: -senzori liniari pentru msurarea deplasrilor rectilinii; -senzori rotativi care msoar deplasrile unghiulare. O schem a principalelor tipuri de senzori de poziie/deplasare este redat n figura 1.5 a iar n figura 1.5 b sunt prezentate formele semnalelor de ieire aferente. Fig.1.5 Clasificarea senzorilor de poziie/deplasare. 12 2.Senzori de poziie/deplasare analogici 2.1 Principiul msurrii analogice a deplasrilor Principiul msurrii analogice a deplasrii este prezentat n figura 2.1. a)b) Fig. 2.1.Principiul msurrii analogice a deplasrilor; a) semnale liniare; b) semnale sinusoidale Senzorul emite un semnal electric dependent de deplasare, materializat printr-o tensiune electric, avnd o variaie liniar (fig.2.1, a) sau sinusoidal (fig.2.1, b). Dac se consider amplitudinea semnalului pornind din punctul d0 (fig.2.1, a) i pn n punctul df , se constat c exist o coresponden biunivoc ntre deplasare i mrimea tensiunii la ieirea senzorului; n mod similar se petrec lucrurile i n cazul sinusoidei din fig.2.1, b, n condiiile n care se lucreaz cu arcele de sinusoid corespunztoare domeniului -T/4 - T/4, sau T/4 - 3T/4. n fiecare asemenea domeniu, unei anumite mrimi a tensiunii i corespunde un singur punct pe axa deplasrilor i numai unul (metoda analogic-absolut). Ca urmare senzorul funcioneaz ca senzor de poziie. n cazul n care mrimea deplasrii ce trebuie msurat o depete pe cea corespunztoare perioadei T, semnalul la ieirea senzorului va repeta dreapta sau sinusoida din figura 2.1 de mai multe ori, pn la acoperirea distanei de msurat. Astfel tensiunea U1 determin poziia punctului d1i numai dac se cunoate numrul, i, de perioade pe care le-a furnizat senzorul pn n acel moment (metoda ciclic absolut). n aceste condiii senzorul funcioneaz ca senzor de deplasare. 13 3.Traductoare de deplasare Pentrumasurareadeplasarilorseutilizeazaoseriedetraductoarecumarfi: traductoarelerezistive(potentiometrice),inductive,capacitive,selsinele,traductoare piezoelectrice, cu radiatii, numerice, de proximitate, s.a. 3.1.Traductoare rezistive Dupa cum se cunoaste, variatia rezistentei e data de: (3.3) unde: r -rezistivitateaelectrica;l-lungimeaconductorului;S-sectiunea conductorului.Modificndlungimeaconductorului,practicsevamodificarezistenta electrica R. Pentrumasurareadeplasarilorliniareseutilizeazacuprecadere potentiometrul liniar, figura 2.4. care se realizeaza prin bobinarea pe un suport izolant aunuifirrezistivpecaresedeplaseazauncursorceesustinutdeopista decontact. Rezistentadeiesireapotentiometruluisemodificaproportionalcu deplasarea cursorului. (2.4.) U

unde:R-rezistentaelectricaapotentiometrului;l-lungimeapotentiometrului,x- deplasarea cursorului. Deoarece masurarea rezistentei este greoaie, se alimenteaza potentiometrul cuotensiunecontinuastabilizataUtensiuneadeiesireaacestuiaUx depinznd numai de x, U si l fiind constante. Numaincazulncaretensiuneadealimentareeste stabilizatasivaloareacurentuluicestrabatepotentiometrul este redusa, traductorul reproduce corect caracteristicile. 14 Pentru deplasari unghiulare se utilizeaza un potentiometru de forma circulara, obtinutprinbobinareapeunsuportizolantcircularaunuifirrezistivpestecare aluneca un cursor, conform figura 3.5. Rezistenta la iesirea potentiometrului si tensiunea de iesire cnd acesta este alimentat la o tensiune continua stabilizata, depind numai de unghiul dupa relatia: si(3.6) 3.2.Traductoare inductive Functionareatraductoarelorinductivearela bazavariatiageometrieicircuitului(cuplajului) magneticnfunctiedemasurnd,caresetraduce ntr-ovariatiedeinductivitatepropriesau mutualaPentrucazuldeplasarilorliniaremici(