SENZORY A SNÍMAČE

Úvod do metrologie
- 49 -
9. ČIDLA A PŘEVODNÍKY
(V.LYSENKO)
Čidlo – (senzor, detektor, receptor) je převodníkem jedné fyzikální veličiny na jinou
fyzikální veličinu.
Snímač – (senzor + obvod pro zpracování signálu) je to člen pro sběr informací.
Rozdělení snímaných veličin
Typ veličiny
Skupina veličin
Elektrické
Napětí, proud, odpor, kapacita, indukčnost,...
Indukce, intenzita, magnetický tok, magnetický
odpor, ...
Délka, dráha, rychlost, zrychlení, hmotnost, síla,
mechanické napětí, otáčky, výška hladiny, ...
Magnetické
Mechanické
Optické
Zářivá energie, intenzita, jas, ...
Tepelné
Teplo, teplota, tepelný tok, tepelný odpor, tepelná
kapacita, …
Pneu – hydraulické
tlak, tlaková diference, prùtok, ...
Akustické
hlučnost, akustický tlak, akustický odpor, ...
Nukleární
intenzita záření, ...
Chemické
koncentrace, pH, ...
Biologické
Rozdělení snímačů podle
principu funkce
– aktivní (generátorové)
– pasivní (parametrické)
fyzikálních jevů
– fyzikálně chemické
– termoelektrické
– magnetoelektrické
– piezoelektrické
– radiační ,
vstupní veličiny
– elektrické, magnetické, mechanické, termické, optické, akustické, hydraulické,
jaderné, chemické, biologické,..
styku s měřeným objektem
– bezdotykové (proximitní)
– dotykové ( taktilní)
– nitrotělní (invazní)
Úvod do metrologie
- 50 tvaru výstupního signálu
– analogový (spojitý)
– digitální (číslicový, nespojitý)
– impulzní
– frekvenční (kmitočtový)
přesnosti
– nižší - pro všeobecná použití
– vyšší - pro vědecké nebo kosmické účely
typu provedení
– diskrétní
– hybridní
– integrované (monolitické)
generace
– 1. generace (využívají základní fyzikální jevy )
– 2. generace (polovodičové)
– 3. generace (mikroelektronické - inteligentní )
Vlastnosti a parametry
Statická charakteristika popisuje chování v ustáleném stavu.
Dynamická charakteristika popisuje chování při rychlých změnách měřené veličiny.
Linearita je odchylka skutečné charakteristiky od ideální (přímkové).
Přesnost – vlastnost charakterizující přesnost konverze snímaného signálu.
Fyzikální jevy použité u čidel a snímačů na bázi křemíku
Neelektrický
signál
Fyzikální jev
Realizace
mechanický
Piezoelektrický jev
piezorezistor, ...
tepelný
SEEBECKÙV jev
termorezistor, termoelektrický
článek
zářivý
fotoefekt
fotorezistor, fotodioda, ...
magnetický
HALLŮV jev, GAUSSŮV
jev
magnetorezistor,
magnetotranzistor
chemický
Galvanoelektrický jev
ISFET k měření koncentrace
Fyzikální jevy využívané v senzorice
Termoelektrické jevy
– teplotní závislost odporu polovodiče
– teplotní závislost PN přechodu v propustném směru
– teplotní závislost odporu tenkých vrstev
– pyroelektrický jev
– termoelektrický jev
– bolometrický jev
Piezoelektrické jevy
– piezoodporový jev
– piezoelektrický jev
Úvod do metrologie
–
- 51 -
akustickoelektrický jev
Magnetoelektrické jevy
– Hallův jev
– magnetoodporový jev
– magnetodiodový jev
– magnetotranzistorový jev
– nábojový doménový jev
Radiační jevy – neionizující elektromagnetické záření
– fotovodivost
– fotonapěťový jev
– laterární fotojev
– obrazové snímání s prvky CCD ( s přenosem el. náboje)
Radiační jevy – ionizující záření
– absorpce ionizujících částic
– ionizace
– sběr generovaných nosičů náboje
– polovodičové detektory ionizujícího záření
Fyzikálně chemické jevy
– adsorpce vyvolané generací elektrochemického potenciálu
– sorpce vyvolaná změnou výstupní práce
– sorpce vyvolaná změnou vlastností dielektrik
Mechanické jevy
– mechanická deformace (tenzometry)
– vibrační rezonance (akcelerometry)
V současné době se již využívají snímače 3. generace, vyvinuté na aktuální technologické
úrovni mikroelektroniky.
Měřicí řetězec
Spojitý (analogový) řetězec
neelektrická
veličina
senzor
propojení
měřidlo
Nespojitý (digitální) řetězec bez
PC
zesilovač
Nelektrická
veličina
A-Č
převodník
Zobrazovač
(displej)
propojení
Senzor
data
unifikace
signálu
Úvod do metrologie
- 52 -
Měřicí řetězec
s mikropočítačem
A-Č
převodník
zesilovač
Nelektrická
veličina
k PC
propojení
Senzor
data
mikropočítač
data
unifikace
signálu
Měřicí řetězec s PC
Snímač
zesilovač
Nelektrická
veličina
PC
Senzor
unifikace
signálu
monitor
Zásuvná jednotka
měřicí
zesilovač
A-Č
převodník
Tenzometr
Je převodník změny mechanické deformace na změnu elektrického odporu.
Vysvětlení principu činnosti na vetknutém nosníku
Elektrický odpor homogenního vodiče je dán vztahem R = ρ
l
, kde ρ je měrný odpor, l
S
je délka a S průřez vodiče.Celková změna odporu je
 ∂R 
 ∂R 
dR = 
 dl +
 dS .
 ∂l 
 ∂S 
H A L L Ů V senzor
Je destička z polykrystalického křemíku se dvěma páry vývodů, proudového a napěťového,
viz obr.
I
B
+
UH
-
Úvod do metrologie
- 53 -
G
K
G G
Senzor využívá LORENTZOVU sílu Fm = Q v × B , kterou působí magnetické pole B na
G
pohybující se elektrický náboj, resp. proud I . Při konfiguraci podle obr. se na jedné boční
straně čidla hromadí kladný a na druhé boční straně záporný náboj.
(
)
+
+
B
+ +
+
I
-
-
-
-
-
HALLOVO napětí – U H = RH BI , kde RH je tzv. HALLOVA konstanta.
Aplikace: bezdotykové měření magnetické indukce B , bezdotykové měření proudu.
Inteligentní senzor (smart sensor)
Struktura
senzor 1
měřicí
zesilovače
a
multiplexor
senzor 2
senzor 3
Smart sensor
=
obvody
autokalibrace
a kompenzace
A-Č
převodník
mikropočítač
vlastní sensor ( zajišťuje fyzikální převod )
+ obvody pro unifikaci signálu
+ obvody pro zpracování
+ obvody pro přenos dat
Složení :
vstupní část
vstupní převod, zesílení,
linearizace charakteristiky,
autokalibrace, kompenzace,
vnitřní část
A-Č převod, číslicová linearizace,
autodiagnostika,
výstupní část
mikropočítač,
aritmetické a logické operace,
stykové obvody
data