MTR 2009 Wstep do mechatr cz 2 (2)

Politechnika Wrocławska

W y d z i a ł M e c h a n i c z n y

Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji

Kierunek studiów:

Mechatronika

Studia I-stopnia, rok I, sem. 2, rok akad. 2008/09

Materiały do wykładu „

Wst

p do

Wst

p do

mechatroniki

mechatroniki”

Sygnały i sensory

Dr in

. Zbigniew Smalec (p. 3.19 B-4)

ęść

2 (1 – 91)

Wrocław, 2009

nym problemem w fazie projektowania wyrobu mechatronicznego jest transmisja

sygnałów analogowych i cyfrowych. Wymaga to od pracowników realizuj

cych taki projekt

znacznej wiedzy i do

wiadcze

w tym zakresie. Z zagadnieniami komunikacji cyfrowej lub

sieciowymi systemami komunikacyjnymi mechatronicy s

stale konfrontowani. Dlatego te

konieczne jest zapoznanie si

takimi wa

nymi zagadnieniami jak np. rodzaje sygnałów,

kodowanie danych, transmisja danych, własno

ci ró

nych interfejsów, czy budowa i działanie

sieciowych systemów komunikacyjnych.

Sygnały analogowe i cyfrowe

W obecnie stosowanych systemach automatyzacji coraz wi

cej urz

dze

pracuje w sposób

cyfrowy. Komputerowe sterowniki wraz z sensorami i aktuatorami wypieraj

wcze

niej

stosowane w automatyzacji procesów urz

dzenia analogowe. Jest to spowodowane post

pem

technologicznym i korzy

ciami wynikaj

cymi z techniki cyfrowej. Równie

transmisja cyfrowa

wypiera standardowe sygnały analogowe, takie jak np.: 0 do +10 V, -5 do +5 V, lub 4 mA do
20 mA.

Systemy techniczne mo

na klasyfikowa

na podstawie sygnałów wyst

puj

cych na ich

wej

ciach i wyj

ciach. Sygnały ró

dzy sob

natur

techniczn

. Sygnał jest to

dowolna wielko

ść

fizyczna wyst

puj

ca (przebiegaj

ca) w czasie, która słu

y do

przekazywania informacji. Czyli sygnał jest no

nikiem informacji (np. temperatura,

nienie, napi

cie, pr

d, droga, pr

dko

ść

itp.).

Sygnały, w zale

ci od ich warto

ci i przebiegu czasowego, mo

na podzieli

na ró

rodzaje. I tak np. mog

sygnały ci

głe i dyskretne, a tak

e analogowe i cyfrowe (w tym

binarne).

W sygnałach analogowych zakres warto

ci mo

e si

zmienia

w sposób ci

gły.

Sygnały

Sygnały analogowe i cyfrowe

Sygnał

Sygnał jest fizyczn

wielko

zmieniaj

w czasie, która przenosi zawart

w nim informacj

czyli sygnał jest no

nikiem informacji. Fizyczna wielko

ść

nazywana jest parametrem informacyjnym.

Zarówno parametr informacyjny jak i przebieg czasowy sygnału mog

głe lub dyskretne.

Przykład: parametrami informacyjnymi w urz

dzeniach elektronicznych mog

: napi

cie, cz

stotliwo

ść

d, szeroko

ść

impulsu.

Sygnał analogowy jest ci

gły amplitudowo (warto

ciowo), tzn. parametr informacyjny mo

e (w ramach

okre

lonych granic) przyjmowa

dowolnie wiele warto

ci. Rozdzielczo

ść

teoretycznie jest niesko

czenie

wysoka. Sygnał analogowy mo

e by

gły lub dyskretny w czasie.

Sygnał cyfrowy jest dyskretny amplitudowo i zwykle dyskretny w czasie. W cyfrowej technice układów s

stosowane prawie wył

cznie sygnały dwuwarto

ciowe (binarne) o niskim (ang. Low) i wysokim (ang. High)

poziomie.

Sygnał binarny:

Wysoki poziom wody

Informacja analogowa:

Stan poziomu wody

Niski poziom wody

Analogowe i dyskretne przebiegi sygnału

W praktyce coraz cz

ęś

ciej stosowana jest technika cyfrowa przetwarzania i transmisji

informacji, która w porównaniu z technik

analogow

zapewnia znaczne korzy

ci. Na

szerokie i bardzo skuteczne obszary zastosowania techniki cyfrowej wskazuj

przykłady stale

rosn

cej liczby komputerów PC, sieci komunikacyjnych oraz stacji do bezpo

redniego

sterowania cyfrowego DDC (ang. Direct Digital Control).

W przeciwie

stwie do techniki analogowej, w technice cyfrowej nie pracuje si

z sygnałami

o przebiegu ci

głym, lecz z informacjami kodowanymi w dyskretne warto

ci sygnałów. Je

eli

w sygnale cyfrowym rozró

nia si

tylko dwa stany, to wtedy jest to sygnał binarny.

Pojedynczy znak binarny jest okre

lany jako bit (skrót pochodzi z j

zyka angielskiego -

binary digit).

Sygnał binarny ze swoimi tylko dwoma ró

nymi stanami, w porównaniu z sygnałem

analogowym, ma bardzo mał

zawarto

ść

informacji. Je

eli obrazowana w postaci cyfrowej

wielko

ść

wymaga wi

kszego zakresu warto

ci, to musi by

ona zapisana za pomoc

wielu

bitów (bajty, słowa).

gły przebieg

sygnału

Dyskretny

przebieg sygnału

Sygnały analogowe i cyfrowe

Analogowa

cyfrowa

reprezentacja informacji:

Sygnał ci

gły warto

ciowo i w czasie

Sygnał ci

gły w czasie i dyskretny

warto

ciowo

Sygnał dyskretny w czasie i ci

gły

warto

ciowo

Dyskretny w czasie i dyskretny

warto

ciowo sygnał cyfrowy

Rodzaje sygnałów

Sygnały analogowe

- ci

głe warto

- ci

głe w czasie

- ci

głe warto

- dyskretne w czasie

Sygnały cyfrowe

- dyskretne warto

- ci

głe w czasie

- dyskretne warto

- dyskretne w czasie

Rodzaje sygnałów - sygnały cyfrowe c.d.

Sygnał binarny (dwuwarto

ciowy)

Sygnał trójwarto

ciowy

-100%

100%

Zakresy warto

ci wielko

ci (danych) cyfrowych

1 bit

⇒

stanów

= 2 warto

2 bity

⇒

stanów

= 4 warto

3 bity

⇒

stanów

= 8 warto

4 bity

⇒

stanów

= 16 warto

8 bitów

⇒

stanów

= 256 warto

10 bitów

⇒

stanów

= 1.024 warto

12 bitów

⇒

stanów

= 4.096 warto

16 bitów

⇒

stanów

= 65.536 warto

20 bitów

⇒

stanów

= 1.048.576 warto

itd.

1 bit

⇒

stanów

= 2 warto

2 bity

⇒

stanów

= 4 warto

3 bity

⇒

stanów

= 8 warto

4 bity

⇒

stanów

= 16 warto

8 bitów

⇒

stanów

= 256 warto

10 bitów

⇒

stanów

= 1.024 warto

12 bitów

⇒

stanów

= 4.096 warto

16 bitów

⇒

stanów

= 65.536 warto

20 bitów

⇒

stanów

= 1.048.576 warto

itd.

Sygnały analogowe i cyfrowe

Obecnie preferowane jest

cyfrowe przetwarzanie

informacji:

Cyfrowy (ang. Digital, łac. Digitus - palec) w sensie
przeno

nym, to odliczanie za pomoc

palców.

Analogowe przetwarzanie sygnałów

wzgl.

informacji

opiera

na manipulowaniu informacjami ci

głymi warto

ciowo.

Jest zwarte, ale podatne na wiele wpływów i zakłóce

Cyfrowe przetwarzanie sygnałów

wzgl.

informacji

opiera si

na manipulacji informacjami dyskretnymi warto

ciowo

i w czasie.

Jest ono szczególnie zwarte i korzystne w realizacji
przetwarzania poszczególnych sygnałów binarnych lub
grup sygnałów binarnych.

Cała dynamika sygnału jest do dyspozycji dla sygnałów
binarnych (regeneracja, odporno

ść

na zakłócenia).

Przetwarzanie sygnałów analogowych na cyfrowe

Aby mo

na było wielko

ci (sygnały) analogowe przetwarza

w sposób cyfrowy, musz

one

najpierw zamienione na warto

ci cyfrowe. Poniewa

jednak wielko

ść

analogowa mo

przyjmowa

dowolnie wiele warto

ci po

rednich, a zakres warto

ci wielko

ci cyfrowej jest

ograniczony, to wskutek tej zamiany (przetwarzania) na dyskretne warto

ci cyfrowe powstaj

bł

dy kwantyzacji. Im wi

cej bitów zostanie wykorzystanych do tego zobrazowania i im cz

ęś

ciej

próbkowany jest sygnał analogowy, tym te bł

dy s

mniejsze.

Sygnał analogowy

Sygnał

cyfrowy

Amplituda

sygnału

Bł

[bit]

1/2

-1/2

1 bit

Bł

dy kwantyzacji wskutek ograniczonej rozdzielczo

i dyskretnego próbkowania

Analogowy zakres pomiarowy: 0 do 300 mm

1. Zakres warto

ci 8-bitowej zmiennej: 256

Bł

d kwantyzacji: (300/256) mm = 1,2 mm

2. Zakres warto

ci 12-bitowej zmiennej: 4096

Bł

d kwantyzacji: (300/4096) mm = 0,073 mm

Porównanie bł

dów kwantyzacji przy

Porównanie bł

dów kwantyzacji przy

pomiarze długo

ci dla ró

nych rozdzielczo

pomiarze długo

ci dla ró

nych rozdzielczo

przetworników analogowo

cyfrowych A/C

Ze wzrostem liczby bitów rosn

jednak nakłady

zwi

zane z przetwarzaniem i transmisj

danych.

Aby zapewni

liwie mał

utrat

informacji

powstaj

wskutek przetwarzania A/C

i równocze

nie nie wybiera

niepotrzebnie du

ego

zakresu zobrazowania binarnego, zakres warto

nale

y dopasowa

do ka

dorazowego zadania.

Za stosowaniem sygnałów binarnych przemawiaj

nast

puj

ce wzgl

dy:

- du

y odst

p sygnału od zakłóce

- mo

liwe s

ksze tolerancje w poziomie reprezentowanych wielko

ci fizycznych,

- łatwe w realizacji,
- wymagaj

mało obwodów podstawowych.

Porównanie sygnałów analogowych z cyfrowymi

Zaletami techniki analogowej s

Tania (np. realizacja układów cyfrowych z elementami dyskretnymi wymaga wi

kszych nakładów ni

odpowiedni

układ analogowy),

sto jest prostsza,

Dla jednakowej transmisji sygnał analogowy ma mniejsze wymagania dla kanału ni

sygnał cyfrowy,

głe przetwarzanie amplitudowe i w czasie (?!),

sto nie jest wymagane przekształcanie przetwarzanej wielko

ci,

Zwarta, równie

przy przekroczeniu wyspecyfikowanych zakresów sygnału.

Zalety techniki cyfrowej:

Jest tania przy zastosowaniu układów o wysokiej skali integracji,

liwa dowolna dokładno

ść

Odporno

ść

na zakłócenia, niezawodno

ść

Sygnały s

liwe do zapami

tania.

Transmisja równoległa zobrazowanie parametru informacyjnego (z 2 n mo

liwymi warto

ciami) – warto

ci sygnału

przenoszone (transmitowane) przez n kanałów. Zalety: natychmiast jest kompletna warto

ść

, ci

głe w czasie,

odporne na zakłócenia.
Transmisja szeregowa – warto

ci n-bitowego parametru informacyjnego s

kolejno po sobie transmitowane przez

1 kanał w n chwilach czasu. Zalety: małe nakłady techniczne (?!).

Dane i sygnały

Dane

Zobrazowanie (przedstawienie)
rzeczy, koncepcji, wyobra

i instrukcji w sposób
sformalizowany.

Sygnał

Fizyczne zobrazowanie danych
przez charakterystyczne
przestrzenne i/lub czasowe
zmiany warto

ci wielko

fizycznych.

Zatem sygnały s

rzeczywist

fizyczn

reprezentacj

zobrazowa

abstrakcyjnych:

danych.

Przedmioty naszego my

lenia

Przedmioty naszego my

lenia

Dane jako sformalizowane

zobrazowanie

Dane jako sformalizowane

zobrazowanie

Sygnały jako rzeczywiste

zobrazowanie danych

Sygnały jako rzeczywiste

zobrazowanie danych

wiat

abstrakcyjny

Konwencje do

zobrazowania tre

lenia

Konwencje do

zobrazowania

danych

wiat

fizyczny

Przetwarzanie analogowo-cyfrowe (A/C) sygnału

analogowy

cyfrowy

– okres próbkowania

n - liczba bitów

Zapis bitowy, bajtowy i heksadecymalny

W technice cyfrowej najcz

ęś

ciej nie pracuje si

z najmniejszymi mo

liwymi wielko

ciami

(bitami), ale prawie wył

cznie z 8 bitowymi, tzn. byte (bajty). Dlatego te

wielko

ci 8-, 16-, lub

32-bitowe s

okre

lane jako 1-, 2-, lub 4-byte’owe.

1 byte = 8 bit

Binarny sposób zapisu z zerami i jedynkami dla du

ych zakresów warto

ci staje si

bardzo

szybko nieprzejrzysty, jak np. 2-byte’owej zmiennej: 01101001 00001101.

Dlatego te

dla uzyskania tej przejrzysto

ci wprowadzony został zapis heksadecymalny

(16-kowy). W tym systemie liczbowym ka

dy znak mo

e przyjmowa

16 ró

nych warto

ci: 0...9

i A...F.

Binarny i heksadecymalny zapis wielko

ci 4-bitowej

Heksade-

cymalnie

1111

1110

1101

1100

Binarnie

1011

1010

1001

1000

Binarnie

0011

0010

0001

0000

Binarnie

0111

0110

0101

0100

Heksade-

cymalnie

Heksade-

cymalnie

Binarnie

Heksade-

cymalnie

Przykład:

- zapis binarny: 01101001 00001101

- zapis heksadecymalny: 690D

Zalety techniki cyfrowej

Cyfrowe zobrazowanie i przetwarzanie (analogowych) informacji, w porównaniu ze zobrazowaniem analogowym, wydaje

pocz

tkowo rozwi

zaniem wymagaj

cym znacznych nakładów. Ka

da wielko

ść

analogowa musi by

w odpowiedni

sposób kodowana, aby mogła by

zapisana w postaci wielu sygnałów binarnych. Jednak pozorne wady, które powstaj

wskutek takiego post

powania s

w wielu obszarach zastosowa

kompensowane przez takie zalety techniki cyfrowej

jak:

a odporno

ść

na zakłócenia,

liwe proste zapami

tywanie danych,

elastyczne dalsze przetwarzanie oraz

ró

norodne mo

liwo

ci przesyłania (transmisji).

Wysoka odporno

ść

na zakłócenia. Podczas gdy sygnał (informacja) analogowy zmienia si

wskutek ka

dego zakłócenia

(tak

e małego), to cyfrowo zakodowana informacja zostanie dopiero wtedy zafałszowana, je

eli impuls zakłócaj

cy jest

kszy ni

odst

p zakłóce

dorazowego poziomu cyfrowego. Odst

p sygnału od zakłóce

uzyskuje si

z ró

nicy

poziomu nadawania i odbierania. Okre

la on, jak du

e musz

indukcyjnie lub pojemno

ciowo sprz

gane zakłócenia

(oscylacje napi

cia sieci, piki z zał

cze

), lub wahania napi

cia zasilania, aby sygnał cyfrowy został zakłócony.

liwo

ść

krótkotrwałego i długotrwałego zapami

tywania. Dane cyfrowe mog

w bardzo prosty sposób

zapami

tywane na ró

nych, cz

sto bardzo tanich mediach. Mo

e si

to odbywa

krótkotrwale za pomoc

ulotnych pami

półprzewodnikowych RAM (ang. Random Access Memory), albo długotrwałe za pomoc

magnetycznych lub optycznych

mediów.

Elastyczno

ść

i dalsze przetwarzanie. Sterowane programowo przetwarzanie danych za pomoc

mikroprocesorów

umo

liwia to,

e nawet bardzo zło

one algorytmy – z du

ym stopniem elastyczno

ci - mog

wykonywane (obliczane)

w krótkim czasie.

Ró

norodne mo

liwo

ci transmisji. Oba stany sygnału binarnego (tzn. 0 i 1) daj

bardzo prosto w ró

ny sposób

kodowa

. Ta mo

liwo

ść

otwiera szerokie spektrum zastosowa

. I tak np. przy transmisji danych na du

e odległo

ci, ze

wzgl

du na małe zapotrzebowanie mocy (energii) i du

żą

odporno

ść

na zakłócenia s

sto stosowane

wiatłowody.

Sygnałom binarnym mo

na bezpo

rednio przyporz

dkowa

stany ZAŁ/WYŁ sygnału

wietlnego, natomiast sygnał

analogowy daje si

przesyła

przez

wiatłowód tylko z zastosowaniem wymagaj

cej du

ych nakładów linearyzacji

i wnosz

cej bł

dy ocenie intensywno

ci.

Odst

p sygnału cyfrowego od zakłóce

Poziom sygnałów układu TTL

Poziom niski (L, LOW):

- gwarantowany poziom nadawania:

max. 0,5 V

- gwarantowany poziom odbierania:

max. 0,8 V

- statyczny odst

p od zakłóce

0,3 V

Poziom wysoki (H, HIGH):

- gwarantowany poziom nadawania:

min. 2,7 V

- gwarantowany poziom odbierania:

min. 2,0 V

- statyczny odst

p od zakłóce

0,7 V

0,1 mW

8 mW

Aktywny pobór pr

10 MHz

33 MHz

Maks. cz

stotliwo

ść

zał

czania

-0,02 mA

0,0001 mA

-0,4 mA

0,02 mA

4,95 V

3,5 V

2,7 V

2,0 V

Napi

cie

Stan 1 (High)

0,5 mA

-0,0001 mA

8 mA

-0,4 mA

0,05 V

1,5 V

0,5 V

0,8 V

Napi

cie

Stan 0 (Low)

Wyj

cie

Wej

cie

Wyj

cie

Wej

cie

-0,02 mA

-100 mA

Maksymalny pr

5 - 15 V

4,75 - 5,25 V

Napi

cie zasilania

CMOS

TTL

Ogólne własno

ci układów TTL i CMOS

Napi

cie wej

ciowe

[V]

Masa

Low

High

Napi

cie wyj

ciowe

[V]

Masa

Low

High

TTL

Napi

cie wej

ciowe

[V]

Masa

Low

High

Napi

cie wyj

ciowe

[V]

Masa

Low

High

CMOS

TTL (ang.Transistor-Transistor Logic)

CMOS (ang. Complementary Metal Oxide Semiconductor)

Transmisja równoległa sygnałów cyfrowych

Transmisja sygnałów cyfrowych pomi

dzy dwoma lub wieloma urz

dzeniami lub uczestnikami

(stacjami, w

złami) komunikacyjnymi mo

e si

odbywa

albo równolegle albo szeregowo.

Transmisja równoległa

W transmisji równoległej wszystkie bity okre

lonej informacji (danych) s

przenoszone

równocze

nie, tzn. równolegle przez odpowiedni

liczb

przewodów danych (magistral

Nakłady instalacyjne s

tutaj odpowiednio wysokie i do zaakceptowania tylko w przypadkach

krótkich dróg (odległo

ci) transmisji. Do transmisji jednego bajta (tzn. 8-bitów) pomi

dzy stacj

nadawcz

i odbiorcz

wymagane jest minimum 9 przewodów (8 bitów i potencjał odniesienia).

Dlatego te

ta technika jest stosowana prawie wył

cznie w magistralach urz

dze

. S

tutaj –

przy krótkich poł

czeniach – bez zaawansowanych metod przetwarzania uzyskiwane wysokie

szybko

ci transmisji.

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.

9 przewodów

Nadajnik

Odbiornik

Znak

bitowy

Znak

bitowy

Transmisja szeregowa

W przypadku du

ych odległo

ci zalecana jest transmisja szeregowa, w której tylko przez jeden

przewód danych poszczególne bity s

kolejno przenoszone (transmitowane) w czasie. Chocia

ten sposób transmisji informacji jest zwi

zany z odpowiednio wi

kszymi nakładami czasu, to ze

wzgl

du na znacznie mniejsze nakłady instalacyjne i koszty jest on cz

sto stosowany. Poniewa

wszystkie informacje (bity) musz

tworzone co najmniej równolegle, to nadajnik musi

realizowa

równoległo-szeregowe, a odbiornik szeregowo-równoległe przetwarzanie danych. Te

funkcje s

realizowane przez specjalnie wł

czone rejestry przesuwne, które s

zintegrowane

w dost

pnych na rynku mikrokontrolerach i modułach komunikacyjnych.

2 przewody

Nadajnik

Odbiornik

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.

8. 7. 6. 5. 4. 3. 2. 1.

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

8, 7, 6, 5,

4, 3, 2, 1

Transmisja szeregowa sygnałów cyfrowych

Istniej

zatem dwa mo

liwe rodzaje transmisji danych:

Transmisja szeregowa polega na przesłaniu sekwencyjnym (bit po bicie) danych. Urz

dzeniem transmisji

szeregowej jest np. modem. Dane s

przesyłane za pomoc

kabla szeregowego (np. RS-232) ł

cego np.

komputer z modemem, a stamt

d, po modulacji bit po bicie s

przesyłane do sieci telefonicznej.

Transmisja równoległa polega na jednoczesnym przesyłaniu wi

kszej liczby bitów informacji (przewa

nie

miu, czyli jednego bajtu). Przykładem tego rozwi

zania jest transmisja znaków do drukarki za pomoc

kabla

typu Centronics.

Szybko

ść

transmisji okre

la natomiast liczb

bitów przesyłanych w jednostce czasu. Jednostk

szybko

transmisji jest bit na sekund

(bit/s) lub bps (z ang. bit per sek.)

Natomiast podczas transmisji
synchronicznej, dzi

ki okre

lonemu

impulsowi taktuj

cemu, utrzymywane jest

stałe tempo przekazywania informacji. Nie
wyst

puj

tutaj przerwy spowodowane

konieczno

synchronizacji

pojedynczych porcji informacji, a wi

uzyskuje si

lepsze wykorzystanie linii

cych.

Rozró

niamy dwie metody transmisji

danych: asynchroniczn

i synchroniczn

Podczas transmisji asynchronicznej
wyst

puj

kolejno po sobie wycinki czasu

zawieraj

ce i nie zawieraj

ce informacji.

Aby przygotowa

odbiorc

na przyj

cie

sygnału zawieraj

cego informacje, s

wysyłane sygnały startu oraz sygnały
stopu, rozpoczynaj

ce i ko

przesyłanie porcji informacji.

Cyfrowa transmisja danych

Sygnał

startu

Sygnał

startu

Sygnał

stopu

Porcja

informacji

Porcja

informacji

Transmisja asynchroniczna

Sygnał taktuj

Dane

Transmisja synchroniczna

Metody rozpoznawania bł

dów transmisji danych

Transmisja danych cyfrowych z jednego miejsca do drugiego mo

e spowodowa

powstanie

bł

dów. Mog

one wynika

z tego,

e odbiornik z powodu działania zakłóce

sygnałów

elektrycznych podczas transmisji nie odbiera tego samego sygnału, który został wysłany
przez nadajnik. Impuls zakłócaj

cy mo

e niekiedy w okre

lonym punkcie by

wystarczaj

eby spowodowa

zmian

logicznego poziomu sygnału. I tak np. wysłany ci

g 1001

bitów mo

e by

odebrany jako 1101. Aby rozpozna

tego rodzaju bł

dy, cz

sto stosowany

jest bit parzysto

ci. Bit parzysto

ci jest dodatkowym bitem 0 lub 1, który jest

przyporz

dkowywany jednej grupie kodowej. W prostej metodzie parzysto

ci warto

ść

tego

bitu jest dobierana w taki sposób,

eby całkowita liczba jedynek w grupie kodowej, ł

cznie

z bitem parzysto

ci, była liczb

parzyst

. I tak np. podczas transmisji 1001 bit parzysto

wynosi 0, a w wyniku otrzymuje si

01001 i tym samym liczba jedynek jest parzysta. Podczas

transmisji 1101 warto

ść

bitu parzysto

ci wynosi 1, a wynik 11101 i tym samym ł

czna liczba

jedynek jest parzysta.

W przypadku zastosowania nieparzysto

ci, warto

ść

bitu parzysto

ci jest dobierana w taki

sposób,

eby całkowita liczba jedynek, ł

cznie z bitem parzysto

ci, była liczb

nieparzyst

eli w odbiorniku liczba jedynek w grupie kodowej nie daje wymaganej parzysto

ci, to

odbiornik rozpoznaje,

e wyst

pił bł

d i mo

e za

żą

ponownej transmisji.

Rozszerzeniem kontroli parzysto

ci jest suma kontrolna, w której bloki kodowe mog

sprawdzane w taki sposób,

e transmitowanych jest szereg bitów, które tworz

sum

binarn

. Sprawdzanie parzysto

ci i sumy kontrolnej pozwala tylko na rozpoznanie

pojedynczych bł

dów w kodowanych blokach, natomiast podwójne bł

dy nie s

wykrywane.

Dlatego te

konieczny jest rozwój i zastosowanie innych metod wykrywania i usuwania

bł

dów transmisji.

Istnieje wiele metod rozpoznawania bł

dów w systemach pomiarowych, sterowania i komunikacyjnych (transmisji

danych):

Kontrola powtórzenia – ta metoda polega na kopiowaniu wzgl. powtórzeniu działania i porównaniu wyników.
Je

eli nie wyst

pi bł

d, to przyjmuje si

e wyniki powinny by

jednakowe. W przypadku krótkotrwałych bł

dów

e to oznacza

e przebieg musi by

dwukrotnie powtórzony i porównane wyniki, albo te

zastosowane dwa

układy i porównane wyniki obu tych układów. Jednak jest to rozwi

zanie kosztowne.

Sprawdzanie warto

ci oczekiwanej – bł

dy programowe s

sto wykrywane wówczas, gdy nast

sprawdzenie, czy przy wprowadzaniu okre

lonej danej numerycznej uzyskiwana jest warto

ść

oczekiwana. Je

eli

nie uzyskuje si

oczekiwanej warto

ci, to stwierdza si

bł

Sprawdzanie czasu – w tej metodzie sprawdza si

, czy w

le okre

lonym czasie została wykonana

przewidziana funkcja. Tego rodzaju kontrol

nazywa si

zwykle nadzorowaniem czasu przebiegu (ang. Watchdog

Timer). I tak np. w sterownikach PLC na pocz

tku operacji (cyklu) uruchamiany jest zegar (ang. Timer) i je

eli

operacja nie zostanie zako

czona w przeci

gu zadanego czasu, to przyjmuje si

e wyst

pił bł

d. Wówczas

Watchdog Timer reaguje w ten sposób,

e powoduje wywołanie alarmu i wył

czenie całej instalacji lub jej cz

ęś

ci.

Kontrola zwracania. Je

eli istnieje bezpo

rednia relacja pomi

dzy warto

ciami wej

ciowymi i wyj

ciowymi, to przy

pomocy warto

ci wyj

ciowej mo

na obliczy

warto

ść

wej

ciow

, która spowodowała t

warto

ść

wyj

ciow

Nast

pnie otrzyman

warto

ść

na porówna

z warto

wej

ciow

Kontrola parzysto

ci i rozpoznawanie bł

dów – te metody sprawdzania s

sto stosowane do stwierdzania

bł

dów pami

ci i transmisji danych. Kanały komunikacyjne s

sto nara

one na zakłócenia, które mog

wpływa

na bł

dy nadawania. Aby stwierdzi

, czy dane nie zostały zafałszowane, do przenoszonych danych jest wstawiany

bit parzysto

ci. Bit parzysto

ci jest dobierany w taki sposób,

eby suma jedynek w grupie była parzysta

(sprawdzanie parzysto

ci) lub nieparzysta (sprawdzanie nieparzysto

ci). W przypadku nieparzysto

ci mo

na po

transmisji sprawdzi

słowo, aby stwierdzi

czy jest ono ci

gle jeszcze nieparzyste. Inne metody kontroli zawieraj

kody, na których opiera si

transmisja danych, aby rozpozna

zafałszowane bity.

Kontrola diagnostyczna – jest stosowana do sprawdzania przebiegu (zachowania si

) składowych systemu. Do

składnika wprowadzane s

wielko

ci wej

ciowe, a uzyskiwane wielko

ci wyj

ciowe s

porównywane z

oczekiwanymi wynikami.

Metody rozpoznawania bł

dów danych

Interfejsy komputerowe

Istniej

ró

ne mo

liwo

ci przył

czenia (interfejs) urz

dze

automatyki. W wielu systemach automatyzacji

stosowane s

rozwi

zania zapewniaj

ce integracj

przepływu informacji z wykorzystaniem sieci

komunikacyjnych (np. Ethernet). W poszczególnych urz

dzeniach lub małych modułach, a tak

programowaniu i piel

gnacji, w zale

ci od realizowanych zada

, s

stosowane równie

inne rodzaje

interfejsów (magistral, sieci).

Magistrala PCI jest systemem ł

cym moduły wewn

trz komputera PC. Z jej pomoc

pracuj

wbudowane

w komputer urz

dzenia (karty).

Interfejs sieciowy Ethernet umo

liwia przył

czenie dowolnie wielu urz

dze

przy pomocy standardowych

metod. W du

ych, silnie obci

ąż

onych sieciach nie mo

na zapewni

okre

lonego czasu transmisji.

Interfejs szeregowy (V.24, RS 232, COM) jest ju

nieco przestarzałym, ale bardzo rozpowszechnionym

interfejsem, którego nie mo

e ignorowa

aden u

ytkownik.

Szeregowy interfejs RS-485 jest prosty, odporny na zakłócenia i uniwersalny w zastosowaniach. Tworzy on
podstaw

wszystkich systemów sieci miejscowych (ang. Fieldbus), ale niestety nie jest standardowo

przewidziany prawie w

adnym komputerze. Pracuje on z przetwornikiem interfejsu.

USB (ang. Universal Serial Bus) jest wielostronny, szybki i samo-konfiguruj

cy si

, tak

e nadaje si

szczególnie dobrze dla ci

gle wymienianych urz

dze

Firewire (iLink, IEEE 1392) jest odpowiedni szczególnie dla szybkich aplikacji (video, przetwarzanie obrazów,
szybkie pomiary).

Karta PC jest wsuwana w odpowiednie gniazdo (zł

cze) komputera. W takiej karcie mo

e si

znajdowa

cała

elektronika urz

dzenia (np. modem, przetwornik A/C).

Magistrala IEC (GPIB, IEC-625, IEEE-488) znajduje zastosowanie przede wszystkim w laboratoryjnej technice
pomiarowej. Dysponuje ona takimi funkcjami, które ułatwiaj

sterowanie urz

dzeniami pomiarowymi (Trigger,

wywoływanie u

ytkownika, globalne informacje).

Interfejs na

wiatło podczerwone IrDa umo

liwia prac

bezprzewodow

na małe odległo

ci. Jest on stosowany

sto w przeno

nych urz

dzeniach do programowania i testowania.

Nieczuły na

zakłócenia,

bardzo szybki

Nieczuły na

zakłócenia,

z magistral

niezawodna

transmisja danych

Nieczuły na

zakłócenia,

z magistral

niezawodna

transmisja danych

Nieczuły na

zakłócenia,

z magistral

niezawodna

transmisja danych

Nieczuły na

zakłócenia,

z magistral

niezawodna

transmisja danych

Własno

Urz

dzenia

peryferyjne PC

Urz

dzenia

peryferyjne PC.

Sieci Fieldbus

w automatyzacji

Urz

dzenia

peryferyjne PC i

do automatyzacji

Urz

dzenia

peryferyjne PC i

do automatyzacji

Urz

dzenia

pomiarowe

Zastosowania

2 Mbit/s

10 Mbit/s

19,2 kbit/s

Maksymalna
szybko

ść

transmisji

Nadajnik/odbiornik

Nadajnik/ odbiornik

1/15

1/10

1/1

Liczba uczestników
dla interfejsu

16:

8 - dane,

3 - Handschake,

5 - kontrola

2 (3):

2 - dane,
1 - masa

4 (5):

2 - nadawanie,

2 - odbieranie

(1- masa)

Min. 3:

2 - dane,
1 - masa

Liczba przewodów

2 m ... 30 m

1200 m

30 m

1000 m

Maksymalna długo

ść

przewodów

Asynchroniczna,

pełny duplex

Asynchroniczna,

pełny duplex

Asynchroniczna,

pełny duplex

Asynchroniczna,

pełny duplex

Asynchroniczna,

pełny duplex

liwe rodzaje

transmisji

+5 V/ - 5 V

+15 V/ -15 V

Stany sygnału 0/ 1

5 V/ 0 V

+3 V .../ -3 V

20 mA/ 0 mA

IEEE488

RS485

RS422

RS232 (V.24)

TTY (20 mA)

Interfejs

równoległy

Interfejsy szeregowe

Własno

ci standardowych interfejsów

Rozwój cyfrowych układów scalonych

Wzrost stopnia integracji układów scalonych

> 10

ULSI

1990 -

Kompletne układy mikroprocesorowe, układy
specjalne

< 10

VLSI

1980 -

Mikroprocesor, pami

ci RAM, ROM

300 - 3000

LSI

1970 - 1980

Liczniki, sumatory, . . .

30 - 300

MSI

1966 - 1970

Bramki, przerzutniki, . . .

3 - 30

SSI

1960 - 1965

Lampy elektronowe/ przeka

niki/ tranzystory

dyskretna

1940 - 1960

Zespół, moduł, wyrób

Stopie

integracji

(bramek/ chip)

Technika

Okres czasu

(rok)

Generacje układów i g

sto

ść

upakowania

... 10

Układy scalone o du

ej skali integracji

10 ... 10

Płytki, poł

czenia na chip’ie

Proste układy scalone

-1

... 10

Płytki, dyskretne

Tranzystor

-3

... 10

-1

Chassis, dyskretne

Lampy elektronowe, przeka

niki

Ilo

ść

elementów/cm

Wykonanie

Układ (element)

Układ scalony małej skali integracji
SSI (ang. small scale of integration)

Układ scalony

redniej skali integracji

MSI (ang. medium scale of integration

)

Układ scalony du

ej skali integracji

LSI (ang. large scale of integration)

Układ scalony wielkiej skali integracji
VLSI (ang. very large scale of integration)

Układ scalony ultrawielkiej skali integracji
ULSI (ang. ultra large scale of integration)

Pomiar sygnałów

Wielko

ci charakterystyczne układów pomiarowych

Sygnały elektryczne z elementów czujnikowych (sensorów) s

dostarczane dalej do urz

dze

przetwarzaj

cych (sterowników, regulatorów, komputerów itp.), lub te

przekazywane jako dane np.

przez sie

komunikacyjn

. W zale

ci od rodzaju sygnałów rozró

nia si

wej

cia urz

dze

• wej

cia analogowe,

• wej

cia cyfrowe (w tym binarne),

• wej

cia licznikowe lub wej

cia impulsowe.

Wej

cia analogowe

Oprócz mierzonej wielko

ci (napi

cie, pr

d, oporno

ść

, ładunek, pojemno

ść

) nale

y równie

uwzgl

dni

liwe zakresy pomiarowe, oporno

ść

wewn

trzn

(własn

), czuło

ść

, rozdzielczo

ść

i dokładno

ść

. Je

eli stosowane s

czujniki z jednostk

przetwarzaj

, to uzyskiwane sygnały

standardowe mo

na wykorzysta

w ró

nych urz

dzeniach.

Wej

cia cyfrowe

Sygnały cyfrowe s

opisywane ich szeroko

(= liczba bitów) i poziomem sygnału (0V/ +10V, TTL,

CMOS, +/-12V). Za pomoc

jednego bita mo

na np. okre

stan przeł

cznika (inicjatora). Je

eli

wej

cie jest zorganizowane w byte (= 8 bit), to warto

ść

sygnału przekazywana jest najcz

ęś

ciej jako

liczba dziesi

tna lub heksadecymalna..

Wej

cia impulsowe

Jako impuls okre

la si

krótkotrwał

zmian

pomi

dzy dwoma stanami poziomu sygnału (napi

cia).

Wej

cie impulsowe reaguje na tak

zmian

. Ka

dy impuls nadaje (zmienia) warto

ść

liczbow

wewn

trznego licznika. Nale

y uwzgl

dni

niezb

szybko

ść

zmiany oraz to, czy licznik reaguje na

zbocza dodatnie (narastanie) sygnału czy na zbocza ujemne (spadek), jak równie

maksymalnie

dopuszczaln

stotliwo

ść

impulsów.

Komponenty
Poniewa

sensory, aktuatory i procesory z oprogramowaniem przyczyniaj

do tego,

z „czystego” układu mechanicznego tworzony jest system mechatroniczny, to s

one okre

lane jako

komponenty (składniki) mechatroniczne. Jednak nie zawsze wszystkie te komponenty musz

zawarte w systemie mechatronicznym.

Sensory (czujniki)
Wyraz „sensor” pochodzi od łaci

skiego terminu „sensus” (czucie, wra

liwo

ść

) i okre

la technicznie

czujnik, którego zadaniem jest uzyskiwanie informacji. Sensory dostarczaj

nych, mierzalnych

informacji o procesie i tym samym stanowi

poł

czenie z procesem do przetwarzania informacji.

Zadaniem sensorów w systemach mechatronicznych jest pomiar istotnych, opisuj

cych system

fizycznych (nieelektrycznych) wielko

ci mierzonych i przetwarzanie ich na sygnały elektryczne.

Uzyskiwane sygnały elektryczne pozostaj

przy tym z wielko

ciami mierzonymi w znanej,

najcz

ęś

ciej liniowej zale

ci. Ze wzgl

du na szeroki zakres zastosowa

sensorów, a szczególnie

ró

norodno

ść

mierzonych wielko

ci, s

one klasyfikowane

Podstaw

klasyfikacji s

mierzone

wielko

ci, zasady działania sensorów, technologie wytwarzania, postacie sygnału, a tak

e koszty.

Komponenty systemów mechatronicznych - sensory

Sygnał

wyj

ciowy

wyj

ciowy

Sensor inteligentny

Sensor zintegrowany

Sensor elementarny (prosty)

Czujnik

Przetwornik

sygnału

Przetwarzanie

sygnału

Procesor z

przetwornikiem

A/C

Nieelektryczny

sygnał mierzony

Elektryczny

sygnał mierzony

Normowany

analogowy

sygnał mierzony

Czujnik (sensor) jest urz

dzeniem, w którym wielko

ść

fizyczna na wej

ciu oddziałuje na

elektryczn

wielko

ść

na wyj

ciu. Je

eli pomi

dzy wielko

ciami fizycznymi i wielko

elektryczn

istnieje

cisła relacja (zale

ść

), to wtedy za pomoc

sensora mo

elektrycznie mierzy

ró

ne wielko

ci fizyczne. Inne okre

lenia czujnika to sensor,

przetwornik pomiarowy, dajnik sygnału.

Czujniki (sensory)

Czujnik

(sensor)

Wielko

ść

mierzona

Sygnał

wielko

mierzonej

Przykłady:

Temperatura

Termoelement

Napi

cie

Temperatura

Pt100

Oporno

ść

nienie

Czujnik ci

nienia

Pojemno

ść

Siła

Czujnik piezoelektryczny

Ładunek

dko

ść

obrotowa

dnica tachometryczna

Napi

cie, cz

stotliwo

ść

Jasno

ść

Fotodioda

Znaczenie sensorów (czujników)

Stosowane w systemach automatyzacji urz

dzenia do sterowania (regulacji) procesów takie jak

np. sterowniki (regulatory) mog

spełnia

swoje zadania tylko wtedy, gdy otrzymaj

wymagane

dane (informacje) o stanie zespołów roboczych maszyny, urz

dzenia lub procesu, takie jak np.

temperatura, poło

enie, pr

dko

ść

obrotowa.

Te Informacje (sygnały) wyst

puj

najcz

ęś

ciej jako wielko

ci nie elektryczne, lecz np. jako droga,

t, ci

nienie, czy poziom cieczy, a wi

c wielko

ci fizyczne. Dlatego te

, aby mogły by

wykorzystane w sterowaniu, musz

one przetworzone na sygnały elektryczne. Do tego celu

słu

żą

sensory (czujniki). Sensory mierz

nieelektryczne wielko

ci fizyczne i przetwarzaj

je na

sygnały elektryczne, np. napi

cie.

Fizyczne wielko

mierzone

Przejmo-

wanie

Przetwarzanie

Długo

ść

, odległo

ść

Odkształcenie

Czas

Masa

Temperatura

Nat

ęż

enie

wiatła

dko

ść

liniowa

dko

ść

towa

Moment

nienie

Grubo

ść

warstwy

Zdawanie

Wielko

ci elektryczne

Napi

cie

Energia

Oporno

ść

Pojemno

ść

Nat

ęż

enie pola

elektrycznego

Sensory dla systemów mechatronicznych

Sensory i zwi

zane z nimi układy pomiarowe dostarczaj

systemom mechatronicznym wa

nych, mierzalnych

bezpo

rednio informacji o procesie. Dlatego te

one istotnymi członami ł

cymi pomi

dzy procesem

a cz

ęś

przetwarzaj

informacje, tzn. urz

dzeniem mikroelektronicznym. Szczególnie interesuj

ce s

tego

rodzaju sensory, które zbieraj

np. wielko

ci mechaniczne lub termiczne i tworz

elektryczne sygnały mierzone.

Dlatego te

z szerokiej dziedziny techniki pomiarowej zostanie dokonany tylko krótki przegl

d istotnych dla

systemów mechatronicznych własno

ci, rodzaju sygnałów i zasad działania sensorów.

Postacie sygnałów i interfejsy
Dostarczany przez sensor rodzaj sygnału zale

y po pierwsze od zasady działania czujnika, a po drugie od dalszej

transmisji i przetwarzania sygnału. Rozró

nia si

nast

puj

ce postacie sygnałów:

• analogowe amplitudowe sygnały mierzone,

• analogowe cz

stotliwo

ciowe sygnały mierzone,

• cyfrowe sygnały mierzone.

W analogowych amplitudowych sygnałach amplituda jest proporcjonalna do wielko

ci mierzonej, natomiast

w analogowych cz

stotliwo

ciowych sygnałach cz

stotliwo

ść

jest proporcjonalna do wielko

ci mierzonej,

a w sygnałach cyfrowych wielko

ść

mierzona jest kodowana w postaci sygnałów binarnych szeregowych lub

równoległych.

Własno

ci ró

nych postaci sygnałów dla pomiaru wielko

proste, z mikrokomputerem

ograniczone

bardzo ograniczone

Operacje obliczeniowe

proste

proste (licznik impulsów)

przetwor. analog.-cyfrowy

Dopasowanie do komputera

prosta (optoizolator)

prosta (przy transmisji)

e nakłady

Separacja galwaniczna

mała

rednia/ du

Wra

liwo

ść

na zakłócenia

ogranicz. przez próbkow.

ograniczony przez przetwarz.

bardzo szybki

Przebieg dynamiczny

ogranicz. długo

słowa

Dokładno

ść

statyczna

Cyfrowy

Analogowy-cz

stotliwo

ciowy

Analogowy - amplitudowy

Sensory (czujniki) – budowa, działanie, przykład

Sensory (czujniki) przetwarzaj

mierzone wielko

ci fizyczne lub chemiczne w sygnały elektryczne.

Sygnał w tym sensie jest zale

od czasu fizyczn

lub chemiczn

wielko

stanu (np. ci

nienie,

temperatura, siła, itp.) jako no

nik informacji.

Funk

cjonalnie

sensor składa si

• elementu czujnikowego, który zamienia wielko

ść

mierzon

na sygnał elektryczny oraz

• układu przetwarzania sygnału, który dostarcza znormalizowanego sygnału wyj

ciowego.

Układom elektronicznym do przetwarzania sygnałów stawia si

wysokie wymagania. Realizuj

one zwykle

nast

puj

ce funkcje: wzmacnianie, linearyzacja, kompensacja temperatury, powi

zanie sygnałów oraz

przetwarzanie sygnału na posta

analogow

lub cyfrow

Element

czujnikowy

Przetwornik

Sygnał

pomiarowy

Wielko

ść

mierzona

Sygnał

elektryczny

Znormalizowany

sygnał wyj

ciowy

Sensor elementarny

Przetwarzanie sygnału

Membrana

Przetwornik

piezo-

elektryczny

Wzmacnianie

Kompensacja

Linearyzacja

Funkcje

samotestowania

Korekcje

Interfejs

nienie

Odkształcenie

membrany

Sygnał

elektryczny

Znormalizowany

sygnał wyj

ciowy

Czujnik ci

nienia - przykład

Sensor elementarny

Podział sensorów ze wzgl

du na sygnały i informacje

Sygnał

analogowy

Sygnał

binarny

Sygnał

cyfrowy

Rodzaj sygnału

Sensor z interfejsem

sieciowym

liwo

ci systemu

Sensor

elementarny

Sensor

zintegrowany

Sensor

inteligentny

Funkcjonalno

ść

Sensor bez interfejsu

sieciowego

Kryterium

Własno

Rodzaje sensorów (czujników)

Ze wzgl

du na du

żą

ró

norodno

ść

sensorów konieczna jest ich klasyfikacja.

W zale

ci od stopnia integracji elementu czujnikowego z przetwarzaniem sygnału rozró

nia si

sensory elementarne (proste),

sensory zintegrowane,

sensory zaawansowane (inteligentne).

Elektryczna

wielko

ść

wyj

ciowy

Sensor

elementarny

Element

czujnikowy

Przygotowanie

sygnału

(np. wzmacnianie,

filtracja, przetwarzanie

analogowo-cyfrowe)

Jednostka

przetwarzaj

(np. mikroprocesor)

Sygnał

wej

ciowy

Wielko

ść

elektryczna

Sygnał

elektryczny

Przetwor-

nik

Ogólna budowa sensora

Sensor zintegrowany

Element czujnikowy

Przygotowanie sygnału

Jednostka

przetwarzaj

Sygnał

elektryczny

Elektryczna

wielko

ść

wyj

ciowa

Sygnał

wej

ciowy

Element czujnikowy

z przetwornikiem

Sensor zintegrowany

Przygotowanie sygnału

Sygnał

wej

ciowy

Elektryczna

wielko

ść

wyj

ciowa

Element czujnikowy

z przetwornikiem

Sensor zaawansowany (inteligentny)

Jednostka przetwarzaj

Przygotowanie sygnału

Stopnie rozwoju sensorów

Sensor elementarny

Sensor zintegrowany

Sensor inteligentny

Zbieranie

sygnału

Przetwarzanie

sygnału

Ocena

sygnału

Przetworzenie

wielko

ci fizycznych

w elektryczne

Kondycjonowanie

Linearyzacja

Filtrowanie

Diagnostyka bł

dów,

Nadzorowanie max, min,

Przeliczanie,

Przył

czenie magistrali

Budowa czujnika inteligentnego (zaawansowanego)

EPROM

Element

czujnikowy

Przetwornik

analogowo-

cyfrowy

(A/C)

Mikrokom-

puter

Interfejs

sieciowy

Wyj

cie

analogowe

Zasilanie

Przetwarzanie

wielko

mierzonej

Zbieranie

wielko

mierzonej

Poł

czenie

Poł

czenie

systemowe

Przebieg sygnału w sensorze charakteryzuj

nast

puj

ce etapy:

Przebieg sygnału w sensorze charakteryzuj

nast

puj

ce etapy:

1. Przekształcanie sygnału mierzonej wielko

ci fizycznej w jedn

z wielko

ci po

rednich (np. siły na odkształcenie).

2. Przetworzenie mechaniczno-elektryczne na sygnał elektryczny za

pomoc

elementu przetwornikowego, przy wykorzystaniu ró

nych

zjawisk fizycznych (opór elektryczny, indukcyjno

ść

, piezoelektryczno

ść

3. Przetworzenie elektrycznego sygnału za pomoc

układu

elektronicznego w celu: wzmocnienia sygnału, kompensacji waha

punktu zerowego (dryft zera), odfiltrowania sygnałów zakłócaj

cych,

linearyzacji sygnału pomiarowego, dopasowania zakresu pomiarowego
oraz normowania sygnału wyj

ciowego.

4. Przetworzenie analogowego sygnału pomiarowego na posta

cyfrow

za pomoc

przetwornika analogowo-cyfrowego.

5. Zintegrowanie komputera w obudowie inteligentnego sensora pozwala

na dalsz

obróbk

sygnału pomiarowego w celu: nadzorowania danych

pomiarowych, wyzwalania alarmów przy stanach granicznych sygnału,
komunikacji z innymi urz

dzeniami (np. sterownik) itp.

Etapy przetwarzania sygnału w sensorze

Ogólne wymagania dotycz

ce sensorów:

Ogólne wymagania dotycz

ce sensorów:

jednoznaczne odwzorowanie wielko

ci wej

ciowej w wielko

ść

wyj

ciow

nieczuło

ść

na oddziaływania innych czynników ni

mierzona

wielko

ść

, w tym na zakłócenia elektromagnetyczne,

liniowo

ść

charakterystyki pomiarowej,

normalizacja sygnału wyj

ciowego (sygnały analogowe: 0 ...

+5 V, -5 ... +5 V, -10 ... +10 V oraz p

tla pr

dowa 0 ... 20 mA lub

4 ... 20 mA; sygnały cyfrowe z interfejsami: Centronics, RS232,
RS485; lub systemy sieciowe: Profibus, Interbus, CAN, ASI,
Ethernet, ...),

łatwe zasilanie pr

dem (np. +5 V, +24 V),

liwo

ść

kontroli sprawno

ci działania (np. dioda

wiec

ca,

zdalne odpytywanie, własne nadzorowanie sensora).

Wymagania stawiane sensorom

Wielko

ci do pomiaru

Wielko

ci do pomiaru

(wej

ciowe):

(wej

ciowe):

Długo

ść

dko

ść

Przyspieszenie

Siła

nienie

Nat

ęż

enie przepływu

Temperatura

Wilgotno

ść

Promieniowanie

Koncentracja (st

ęż

enie)

Nat

ęż

enie pola magnetycznego

Wielko

ci uzyskiwane

Wielko

ci uzyskiwane

w pomiarach (wyj

ciowe):

w pomiarach (wyj

ciowe):

Pojemno

ść

Indukcyjno

ść

Oporno

ść

elektryczna

Czas

stotliwo

ść

Napi

cie

Sensory – pomiar sygnałów

Zamiana wielko

ci fizycznych na elektryczne

E R Q dt C E dt F U

E U

R U

mechaniczne

chemiczne

termiczne

magnetyczne

optyczne

p l v

ωω

pH %

B, H

γγγγ

1 2 3

4 5 6

Wielko

ci wej

ciowe:

p - ci

nienie

l - droga, odległo

ść

v - pr

dko

ść

liniowa

ωω

- pr

dko

ść

towa

(obrotowa)
pH - koncentracja jonów
% - st

ęż

enie,

koncentracja
T - temperatura
B - g

sto

ść

przepływu

H - nat

ęż

enie pola

magnetycznego

γγγγ

- kwant

wiatła

Uzyskiwana wielko

ść

elektryczna:

C – pojemno

ść

E – nat

ęż

enie pola

Q – sprz

ęż

enie

obwodu drgaj

cego

R – oporno

ść

dt – odcinek czasu
U – napi

cie

W – energia
elektryczna

Zjawisko lub równanie

1 – zjawisko
piezoelektryczne
2 – tensometry
3 – oporno

ść

wskutek

dów wirowych

4 – pomiar drogi/ czasu
5 – pomiar pojemno

6 – pomiar nat

ęż

enia

pola Lorenz’a
7 – pomiar drogi/ czasu
8 – pomiar zjawiska
Doppler’a

przetwarzania:

9 – zasada
indukcyjno

10 – zmodyfikowane
równanie Nerntsche’a
11 – równanie
Nerntsche’a
12 – metale
13 – termoelement
14 – zjawisko
magnetostrykcji
15 – zjawisko Hall’a
16 – równowa

ść

energii i masy

Klasyfikacja sensorów wg wielko

ci fizycznych

- czujnik bezwładno

ciowy (np.

yroskop, czujnik przyspiesze

)

Kierunek

- detekcja fotoelektryczna, wył

czniki kra

cowe, bariery

wietlne

- odbiorniki mikrofalowe dla nawigacji satelitarnej (GPS)

Poło

enie

- tarcze kodowe

- rozwi

zania potencjometryczne/ indukcyjne dla sygnałów analogowych

- rozwi

zania przyrostowe/ bezwzgl

dne dla sygnałów cyfrowych

- mechaniczne, indukcyjne lub pojemno

ciowe czujniki zbli

eniowe, sondy optyczne

- pomiary czasu przebiegu sygnału (radar, nawigacja satelitarna)

Długo

ść

/ droga

Sensory do pomiaru wielko

ci geometrycznych

- tensometry, zjawisko piezoelektryczne, zjawisko przyspieszenia na

yroskopie

Przyspieszenie

- pomiar amplitudy za pomoc

mikrofonu, przebiegi cz

stotliwo

ci/ czasu z licznikami

Drgania

- tachometr (zjawisko pr

dów wirowych), optyczne pomiary długo

ci w powi

zaniu z

pomiarem czasu przebiegu sygnału, zjawisko Doppler’a, rurka Pito (gazy)

dko

ść

(liniowa)

- pr

dnica tachometryczna (pr

dnica pr

du stałego)

dko

ść

obrotowa

- sondowanie zmiany oddziaływania magnetycznego aktywne (ruchomy magnes) lub bierne

(zmiana pola o wysokiej cz

stotliwo

ci)

Impulsy

Sensory do pomiaru wielko

ci zwi

zanych z ruchem

- pomiar momentu oporu przy stałej pr

dko

ci obrotowej lub pr

dko

ci elementu

mechanicznego w strumieniu cieczy

Lepko

ść

- pływak, pojemno

ciowe, indukcyjne i ultrad

kowe sondy poziomu

Poziom napełnienia

- przepływomierze (Coriolisa, ultrad

kowe), liczniki obj

ci, cykliczne wa

enie

Strumie

/ nat

ęż

enie

przepływu

- urz

dzenia wagowe, pomiary wolumetryczne

sto

ść

Sensory do pomiaru wielko

ci zwi

zanych z mas

- tensometry, rozety tensometryczne

Napr

ęż

enie

- membrany, ugi

cie beleczek

- p. tak

e czujniki do pomiaru siły

nienie

- pomiar momentu z zastosowaniem tensometrów, wykorzystanie zjawiska

magnetostrykcyjnego, pomiar przesuni

cia fazowego itp.

Moment
obrotowy

- ugi

cia spr

ęż

yste, tensometry, zjawisko piezorezystancyjne (półprzewodniki), zjawisko

piezoelektryczne (kwarc, ceramika piezoelektryczna)

Siła

Sensory do pomiaru wielko

ci zwi

zanych z sił

- detekcja promieniowania w pa

mie podczerwieni (diody na podczerwie

), układy CCD

(Charge couples devices), pirometry

Promieniowanie

- poł

czenie pomiarów nat

ęż

enia przepływu z pomiarem ró

nicy temperatur

Ilo

ść

ciepła

- termoelementy (siła termoelektryczna STE)

- termometr oporowy

- termostat, zabezpieczenia termiczne z efektem bimetalicznym itp.

Temperatura

Sensory do pomiaru wielko

ci zwi

zanych z ciepłem

Klasyfikacja sensorów wg wielko

ci fizycznych c.d.

- wymienione wy

ej sensory w kombinacji ze spektrometrem, zestawami filtrów

Widmo

- ogniwa fotoelektryczne, ogniwa słoneczne, reakcje chemiczne (np. papier fotoczuły),

wzmacniacz

wiatła, CCD, kamery TV

Energia

wietlna

Sensory do pomiaru wielko

ci zwi

zanych z e

wiatłem

Systematyka sensorów wg technologii

Sensory w

mechatronice

Stykowe

Bezstykowe

Siła/ moment

• Wieloskładowy sensor

siły/ momentu

• Sensor pomiaru siły

chwytania

• Aktywne chwytaki

monta

owe

• RCC

• IRCC

Dotykowe

• Wył

cznik

• Pomiar odległo

• Sonda wierszowa

• Sonda macierzowa

• Wył

cznik

powierzchniowy

• Sensor po

lizgu

Wideo

optyczne

• Sensor wierszowy

• Przetwarzanie obrazów

(binarne, poziom
szaro

ci)

• Przetwarzanie obrazów

3D (stereo)

• Przetwarzanie obrazów z

aktywnym o

wietleniem

Optyczne

• Bariery

wietlne

• Odbicia

wiatła

• Pomiar odległo

• Skaner 2D

• Skaner 3D

• Sensor przekroju

wietlnego

• Optyczny sensor korelacji

Ultrad

kowe

Ultrad

kowe

• Wył

cznik zbli

eniowy

• Bariery d

kowa

• Pomiar odległo

• Skaner

• Akustyczny sensor

korelacji

Indukcyjne, pojemno

ciowe,

Indukcyjne, pojemno

ciowe,

magnetyczne

i piezoelektryczne

• Wył

cznik zbli

eniowy

• Pomiar odległo

• Rozpoznawanie spoiny

• Analiza drga

Pozostałe

• Mikrofalowe

• Pneumatyczne

• Radioaktywne

• Chemiczne

Pomiary sygnałów

Wielko

fizyczne

Sygnał

elektryczny

Sygnał

standardowy

Kod cyfrowy

sygnału

Pakiet

danych

cyfrowo

analogowo

temperatura

0 ... 10 V

protokół Modbus

binarnie

TCP/IP

4 ... 20 mA

napi

cie

siła

stotliwo

ść

sygnału

10 mV/ K

liczba stałoprzec.

protokół Profibus

ASCII

ładunek

dko

ść

obrotowa

4 ... 20 mV

10010010

NIC

Adr. Data Check

Czujnik

podstawowy

Kondycjono-

wanie sygnału

Przetwornik

analogowo-

cyfrowy

Interfejs

magistrali lub

sieciowy

Przykłady:

mechan. wył. kra

filtr

dwójkowy

Bluetooth

sterownik magistrali

przetwornik Flash

wzmacnianie

termoelement

piezokryształ

dopasowanie

przetwornik stopniowy

karta interfejsu

adapter sieci

8-bitowy A/C

ograniczanie

tensometry

Sensory

Sensory mo

klasyfikowa

wg ró

nych

kryteriów

kryteriów. Takimi kryteriami mog

np.:

rodzaj mierzonej wielko

ci,

wykorzystane zjawisko fizyczne,

rodzaj sygnału wyj

ciowego,

zakres pomiarowy,

rozdzielczo

ść

wymiary itp.

Sensory mog

pracowa

na zasadzie

stykowej

stykowej lub

bezstykowej

bezstykowej, mog

one by

czynne

(aktywne) lub

bierne

bierne (pasywne).

W sensorach aktywnych elektryczny sygnał wyj

ciowy powstaje bez dostarczania

dodatkowej energii pomocniczej (zasilania) dzi

ki samemu działaniu wielko

mierzonej. Natomiast sensory bierne wymagaj

dostarczania dodatkowej energii, aby

uzyska

z nich sygnał elektryczny.

Sensory mog

mie

ró

odporno

ść

na działanie warunków

rodowiska (mediów,

zakłóce

, itp.).

Aby na podstawie sygnałów wej

ciowych (pokazanych wcze

niej) uzyska

sygnały

wyj

ciowe, stosowane s

ró

ne zjawiska (efekty) fizyczne. Dlatego te

rozró

nia si

sensory: pojemno

ciowe, indukcyjne, rezystancyjne (oporowe), piezoelektryczne,

magnetooporowe, termoelektryczne, piezoelektryczne, ultrad

kowe,

wykorzystuj

ce zjawisko Hall’a itd.

Sensory – pomiar sygnałów

Ogólny podział czujników wg zasady działania

Potencjometrycznie - przez przesuwanie suwaka potencjometrycznego zmienia si

oporno

ść

W ten sposób mo

na mierzy

np. drog

, przemieszczenie, k

t, lub poziom napełnienia.

Tensometry mierz

na zasadzie zmiany oporno

ci małe odkształcenia (spr

ęż

yste) obci

ąż

onego

elementu. W ten sposób mo

na mierzy

np. sił

, ci

nienie, przyspieszenie i napr

ęż

enia

w materiałach.

Rezystancyjnie - szczególnie materiały półprzewodnikowe zmieniaj

swoj

oporno

ść

w zale

od działaj

cych wielko

ci fizycznych. W ten sposób mo

na mierzy

np. temperatur

, pole

magnetyczne i elektryczne, promieniowanie

wietlne i radioaktywne.

Pojemno

ciowo - zmiany odległo

ci płytek (okładzin) kondensatora lub własno

ci dielektryka

powoduj

zmian

pojemno

ci. Na tej zasadzie mo

na mierzy

poło

enie, grubo

ść

warstwy,

nienie lub wilgotno

ść

Indukcyjne - indukcyjno

ść

cewki lub sprz

ęż

enia pomi

dzy cewkami mo

na zmienia

przez

przesuwanie rdzenia ferromagnetycznego. Przy szybkich ruchach mo

na wykorzysta

indukowane

napi

cie. W ten sposób mo

na mierzy

np. poło

enie, pr

dko

ść

, drgania lub d

ki.

Efekt piezoelektryczny - okre

lone kryształy przy

ciskaniu lub rozci

ganiu wytwarzaj

na swojej

powierzchni ładunek elektryczny. Na tej zasadzie mo

na mierzy

np. sił

, ci

nienie

i przyspieszenie, przede wszystkim przy szybkich zmianach (dynamicznych) wielko

ci.

Efekt Seebeck’a - w miejscu styku dwóch ró

nych przewodników elektrycznych powstaje napi

cie

(STE) zale

ne od temperatury. To zjawisko jest podstaw

budowy termoelementów i pirometrów.

Zjawisko fotoelektryczne - metale i półprzewodniki reaguj

na padaj

na nie wi

wiatła

uwalnianiem elektronów. Na tej zasadzie mierzy si

promieniowanie elektromagnetyczne (

wiatło),

tak

e w zakresie niewidzialnym.

Sensory aktywne (czynne) i pasywne (bierne)

Sensory aktywne

Przetwarzanie energii

Efekt
termoelektryczny

Efekt
fotoelektryczny

Efekt
piezoelektryczny

Zasada
elektrodynamiczna

Sensory pasywne

Zmiana własno

ci elektrycznych

Oporno

ść

Indukcyjno

ść

Sprz

ęż

enie

indukcyjne

Pojemno

ść

Tensometry – czujniki oporowe

Osłona

Obwód pomiarowy

nik

Przył

cze

Aktywna

długo

ść

R +

∆∆∆∆

R -

∆∆∆∆

Rozci

ganie

ciskanie

Budowa tensometru

ττττ

(+)

εεεε

ττττ

- napr

ęż

enia styczne

(rozci

ganie)

ττττ

- napr

ęż

enia styczne

(

ciskanie)

M – moment obrotowy

(+)

εεεε

(-)

εεεε

- odkształcenie

wzgl

dne

(-)

εεεε

R+

∆∆∆∆

R-

∆∆∆∆

R+

∆∆∆∆

R-

∆∆∆∆

Pełny mostek

Kontaktrony

Rurka szklana

Ferromagnetyczna

płytka

cówka

Wewn

trz gaz

oboj

tny lub pró

nia

Styk przeł

cznika

Budowa kontraktronu

Dane techniczne kontaktronu (przykład):

- moc znamionowa

0 do 50 W

- napi

cie zał

czania (DC)

0 do 500 V

- pr

d zał

czania

0 do 1.5 A

- pr

d stały

0 do 2.5 A

- napi

cie niszcz

ce (DC)

100 do 700 V

Przeł

czanie magnesem

Przeł

czanie cewk

d stały DC (ang. Direct current)

Wył

czniki kra

cowe

Zastosowanie

Nadzorowanie:
drzwi, okien, klap, obrabiarek
(wykrywanie skrajnych
poło

zespołów roboczych)

Termostat bimetaliczny i dwustanowa regulacja temperatury

Nastawianie

temperatury zadanej

Przył

cza

elektryczne

Magnes

Rdze

elazny

Paski bimetalowe

Z materiału o mniejszej
rozszerzalno

ci cieplnej

Z materiału o wi

kszej

rozszerzalno

Termostat bimetaliczny

Binarne sensory (czujniki) temperatury s

sto

budowane jako termostaty bimetaliczne. Przy
nagrzewaniu paska zło

onego z dwóch metali o ró

nej

rozszerzalno

ci cieplnej nast

puje jego wygi

cie i

rozł

czenie styku. Magnes umo

liwia uzyskanie

histerezy – styk otwiera si

przy innej temperaturze ni

zamyka.

Przykład termobimetalu: FeNi36 (inwar) - FeNi20Mn6
Jednostkowe odkształcenie: 28,5 10

-6

-1

Dopuszczalne napr

ęż

enie zginania: 200 N/mm

Przewodno

ść

cieplna:

13 W/ m K

Jednostkowa oporno

ść

elektryczna: 0,78 10

-6

Ω

sto

ść

: 8,1 10

kg/m3

Zadajnik temperatury

Magnes

Bimetal

Grzałka

Ciepło

Binarne sensory temperatury s

stosowane do regulacji

temperatury w elektrycznych urz

dzeniach grzewczych

(płyty grzejne,

elazka, ogrzewanie mieszka

) oraz

ochrony termicznej np. silników elektrycznych.

a ró

nica

przeł

czania

Mała ró

nica

przeł

czania

ϑϑϑϑ

Bezwładno

ść

cieplna

Czas t

Tarcza kodowa

Liniał kreskowy

Resolwer

Potencjometr

Potencjometr liniowy

Suwak

cie

oporowa

Sonda

pomiarowa

Liniał kodowy

Zasada budowy przetworników pomiaru poło

enia

Przetworniki pomiarowe zamieniaj

elektryczne analogowe amplitudowe sygnały z wyj

cia sensora na

odpowiednie inne sygnały elektryczne. Nale

żą

do nich nie wzmacniaj

ce obwody pomiarowe takie jak np.:

• przetwornik pr

d-napi

cie z opornikiem pomiarowym,

• dzielnik napi

cia, dzielnik pr

du,

• przetwornik oporno

ść

-pr

• układy kompensacyjne do pomiaru napi

cia, pr

du lub oporno

ci (mostki pomiarowe) z dodatkowymi

ródłami

napi

cia (zasilania).

Wzmacniacze pomiarowe słu

żą

do tego,

eby najcz

ęś

ciej słabe energetycznie analogowe sygnały wyj

ciowe

z sensorów zamieni

na sygnały o wy

szej energii, która jest niezb

dna dla dalszych składników obwodu

pomiarowego, takich jak np. układy do transmisji, filtry, urz

dzenia wska

nikowe, lub mocniejszych sygnałów

standardowych (np. 0...10 V, 0...20 mA).

Pomiar drogi
Czujniki rezystancyjne s

oparte na zale

nej od drogi zmianie oporno

ci elektrycznej. S

one wykonywane jako

potencjometry na bazie przewodz

cych pr

d elektryczny tworzyw sztucznych (cz

ęś

ciowo tak

e potencjometry

drutowe) i wł

czane jako dzielniki napi

cia.

Oferowane s

ró

ne rodzaje rozwi

liniowych

i obrotowych czujników rezystancyjnych (równie

wieloobrotowych, np. 10 obrotowe). W sensorach liniowych
zakres pomiarowy zawiera si

od kilku mm do ok. 2 m.

Hermetyczna obudowa umo

liwia ich zastosowanie

równie

w surowych warunkach otoczenia. Prowadnice

zapewniaj

konieczny, wolny od działania siły poprzecznej,

ruch suwaka. Rozdzielczo

ść

sensora wykonanego

z przewodz

cego tworzywa jest bardzo du

a (np. 0,01 mm

dla 100 mm odcinka pomiarowego). Dla zapewnienia
dokładno

ci wa

ne jest bardzo dokładne napi

cie zasilania.

Sensory rezystancyjne – pomiar drogi

cie

oporowa

Suwak

cie

stykowa

cie

ka stykowa

cie

oporowa

Rowki
korek-

cyjne

Czujniki indukcyjne

Zmiany indukcyjno

ci własnej lub wzajemnej w zale

ci od poło

enia dajnika s

wykorzystywane

w sensorach indukcyjnych. W rozwi

zaniach dławikowych czujników indukcyjnych wskutek zmian szczeliny

powietrznej ulega zmianie indukcyjno

ść

dławika. Aby uzyska

zbli

do liniowej charakterystyk

stosowane

dławiki ró

nicowe w układach mostkowych.

Indukcyjny czujnik drogi

Transformatory ró

nicowe wykorzystuj

zmian

indukcyjno

ci wzajemnej pomi

dzy cewk

pierwotn

i wtórn

wywołan

przesuni

ciem

elaznego rdzenia.

Uzwojenie pierwotne jest zasilane sygnałem
z cz

stotliwo

, a ró

nica napi

cia

w uzwojeniu wtórnym tworzy sygnał wyj

ciowy zale

od drogi. Czujniki indukcyjne pracuj

ce w sposób

bezstykowy maj

zakres pomiarowy od ułamków mm

do ok.1 m. Ponadto s

stosowane rozwi

zania

czujników do pomiaru poło

enia k

towego (resolwery

indukcyjne).

Cewka

Rdze

ferrytowy

t mosi

ęż

Cewki ró

nicowe

Demodulator

≈≈≈≈

Ruchomy

rdze

Oscylator

Czuło

ść

Punkt

zerowy

Cewki

Integracja indukcyjnego czujnika

drogi w układzie pomiarowym

Resolwer – pomiar poło

enia k

towego

Sygnał stojana

Sygnał wirnika

t obrotu

Stojan

Wirnik

Resolwery s

stosowane do dokładnego

pomiaru k

ta obrotu i s

one zbudowane

podobnie do małych elektrycznych silników
synchronicznych. Uzwojenia statora s

zasilane napi

ciem przemiennym u

i u

Podczas obrotu wirnika w jego uzwojeniach
indukowany jest sygnał u

x’

który jest

przesuni

ty w fazie o k

wzgl

dem

sygnału zasilania.

Przykłady przetworników obrotowo-impulsowych

(enkoder’ów optycznych)

Budowa i działanie enkodera optycznego

Wałek

cie

ka/ kanał

Do tyłu

Do przodu

Zero

cie

ka A

cie

ka B

Ło

yska

Fotoelementy

Tarcza kodowa

LED

Znak odniesienia

Siatka formuj

Czujniki pojemno

ciowe i kodowane

W czujnikach pojemno

ciowych wskutek zmian

odległo

ci płytek (okładzin), powierzchni płytek

lub dielektryka zmienia si

pojemno

ść

kondensatora. Układ pomiarowy, podobnie jak
w czujnikach indukcyjnych, zwykle składa si

z mostka zasilanego pr

dem przemiennym,

który ze wzgl

du na mał

pojemno

ść

jest

zasilany sygnałem o wysokiej cz

stotliwo

nej (0,5 ... 1 MHz).

Pojemno

ciowy czujnik drogi z mostkiem zasilanym pr

dem

przemiennym

Czujniki poło

enia z kodowaniem

W kodowanych metodach pomiaru drogi na liniale kodowym
lub tarczy kodowej s

umieszczone dyskretne informacje

o poło

eniu. Przyporz

dkowanie to jest bezwzgl

dne

(absolutne).
Do kodowania s

sto stosowane kody jednokrokowe (np.

kod Gray’a), które s

najcz

ęś

ciej odczytywane optycznie.

Nakłady zwi

zane z budow

takich czujników s

wzgl

dnie

e, poniewa

koniecznych jest n

cie

ek pomiarowych,

aby mo

rozró

2n ró

nych dyskretnych poło

Praktyczne zastosowanie takie sensory maj

głównie

w technikach wytwarzania, np. obrabiarkach sterowanych
numerycznie.

Tarcza kodowa 12-bitowego sensora do

pomiaru poło

enia k

towego (kod Gray’a)

Izo-

lacja

Metal

Droga

Kod dwójkowy (binarny)

Kod Gray’a

Optyczne metody pomiaru przemieszcze

Liniały kodowe do pomiaru

przemieszcze

liniowych

Przyrostowy układ pomiaru długo

Tarcza przyrostowego przetwornika

obrotowo-impulsowego

Tarcza kodowa bezwzgl

dnego

przetwornika poło

enia k

towego

Tarcza enkodera absolutnego do pomiaru

poło

enia k

towego

Ultrad

kowy czujnik odległo

Ultrad

kowy czujnik odległo

ci jest cz

sto stosowany np. do pomiaru poziomu paliwa

w baku samochodów. Krótkie impulsy (niesłyszalne) d

kowe (np. f=150 kHz) s

wysyłane,

odbijaj

od powierzchni paliwa i s

znowu odbierane przez czujnik. Na podstawie pomiaru

czasu pomi

dzy wysłaniem i odbiorem impulsu (czas przebiegu) jest okre

lana odległo

ść

Odbijaj

ca powierzchnia powinna by

liwie gładka. Ciecze nadaj

do tego bardzo

dobrze, natomiast materiały sypkie cz

sto nie odbijaj

tak dobrze sygnałów ultrad

kowych

oraz powoduj

ich rozpraszanie w ró

nych kierunkach. Warto

ść

mierzona zale

y od pr

dko

rozchodzenia si

ku w medium (np. powietrze, para) pomi

dzy czujnikiem i powierzchni

odbijaj

fal

ultrad

kow

i dlatego te

jest ona równie

zale

na np. od temperatury,

nienia i wilgotno

ci.

Ultrad

kowe czujniki drogi s

np. stosowane do automatycznego pomiaru odległo

w aparatach fotograficznych i kamerach (dalmierz) , a tak

e do wspomagania parkowania

w samochodach (sonary).

Pier

cie

aluminiowy

Powierzchnia
odbijaj

ca fale

Przedmiot

Impuls ultrad

Kryształ
piezo-
elektr.

Cechy ultrad

kowych czujników odległo

Zalety:

Wykrywaj

cej rodzajów obiektów ni

którykolwiek z pozostałych

trzech (nieomal wszystko)

y zakres odległo

ci – wi

kszy ni

dla czujników indukcyjnych

i pojemno

ciowych, do ok. 10 m

a trwało

ść

, praktycznie niesko

czona liczba cykli pracy

Odporne na trudne warunki

rodowiskowe

Niska cena

Wady:

„Martwa strefa” blisko czujnika – nie mog

wykrywa

bliskich obiektów

Nie mog

wykrywa

małych obiektów

Gładkie powierzchnie musz

umieszczone prostopadle do

czujnika, w przeciwnym razie echo nie wróci do niego

Niezbyt du

a dokładno

ść

(0.1÷2% zakresu pomiarowego)

Niezbyt du

a pr

dko

ść

obiektu

Schemat blokowy czujnika ultrad

kowego

Cykl pracy czujnika ultrad

kowego

Czujniki ultrad

kowe

Inicjatory - czujniki binarne (dwustanowe)

Wielko

ść

wej

ciowa

ZAŁ

WYŁ

Ró

nica

przeł

czania

Przeł

cznik

t spr

ęż

ysty

Stykowy czujnik binarny

Bezstykowe czujniki zbli

eniowe (pojemno

ciowe, indukcyjne, optyczne i ultrad

kowe) maj

elektronicznie sterowane wyj

cie sygnału i nie zawieraj

podlegaj

cych zu

yciu ruchomych cz

ęś

mechanicznych. S

one stosowane np. jako wył

czniki kra

cowe w obrabiarkach, a tak

e do

zliczania przedmiotów na ruchomych ta

mach.

Sensory binarne s

czujnikami z dwustanowym wyj

ciem sygnałów (0/1), np. sygnał przeł

czenia

ZAŁ/WYŁ, napi

cie 0 V/ 10 V, pr

d 0 mA/ 20 mA.

Binarne czujniki mog

urz

dzeniami elektromechanicznymi stykowymi, albo te

bezstykowymi elektronicznymi czujnikami zbli

eniowymi. Cech

charakterystyczn

czujników

binarnych jest wyst

powanie ró

nicy pomi

dzy zał

czeniem i wył

czeniem (histereza).

Przykłady stykowych

czujników binarnych

(ł

czników drogowych,

wył

czników kra

cowych)

Ogólna klasyfikacja bezstykowych czujników

zbli

eniowych (inicjatorów drogowych)

Bezstykowe czujniki zbli

eniowe

Bezstykowe czujniki zbli

eniowe

Indukcyjne

Pojemno

ciowe

Pojemno

ciowe

Pneumatyczne

Optyczne

Ultrad

kowe

Ultrad

kowe

Akustyczne

Izotopowe

Z oddziaływaniem na pole

Z transmisj

energii

Z transmisj

energii

–

Odbicia styków,
niedopuszczalny w
przemy

rodków

spo

ywczych i

chemicznym, zu

ycie

Niska cena, odporny, mały,
nie jest podatny na
oddziaływanie obcych pół,
nie wymaga zasilania w
energi

Zał

cza przez r

czne

uruchomienie lub
układ d

wigniowy

Mechaniczny

–

Zagro

enie zu

yciem

spr

ęż

yn styków, ochrona

przed impulsami
pr

dowymi przez człony

Odpowiedni dla surowych
warunków otoczenia,
wysoka

ywotno

ść

odpowiedni do
zastosowania w obwodach z
wysok

stotliwo

Trwały magnes
pobudza przez dwa
styki spr

ęż

yste

kra

cowy wył

cznik

zbli

eniowy (styk

reed)

Magnetyczny

60 mm ÷ 6 m

Powolny, nie mo

na go

stosowa

przy

nadci

nieniu i

podci

nieniu jak równie

obszarach zagro

onych

wybuchem

Nieczuły na kurz,
zabrudzenie i

wiatło,

rozpoznawanie
najmniejszych obiektów
przy du

ej odległo

Ocenia czas
przebiegu odbitego
impulsu
ultrad

kowego i

okre

la odległo

ść

obiektu

Ultrad

kowy

ok. 2 m

Wra

liwy na zabrudzenie i

oddziaływanie obcych

ródeł

wiatła, konieczne

zasilanie w energi

Działa na wszystkie
materiały, du

e odległo

Zał

cza, gdy obiekt

powoduje odbicie
strumienia

wiatła

podczerwonego

Fotoelektryczny

20mm ÷ 40 mm

Małe odległo

ci od

obiektu, wi

ksze gabaryty

porównywalne sensory

indukcyjne

Wysoki stopie

ochrony

(IP67), działa na wszystkie
materiały; nieczuły na
zabrudzenia

Zał

cza, gdy obiekt

powoduje zakłócenie
pola elektrycznego
sensora

Pojemno

ciowy

1 mm ÷ 150 mm

Tylko obiekty z metalu lub
grafitu, nie jest
odpowiedni w przypadku
zwi

kszonego spływu

wiórów metalowych

Wysoki stopie

ochrony

(IP67), bardzo wysoka
dokładno

ść

punktu

zał

czania

Zał

cza, gdy obiekt

powoduje zakłócenie
pola magnetycznego
sensora

Indukcyjny

Odległo

ść

detekcji

Wady

Zalety

Zasada działania

Typ sensora

Zestawienie cech charakterystycznych inicjatorów drogowych

Przykłady sensorów - inicjatory

Czujniki przeł

czaj

ce (binarne) zwane tak

e inicjatorami maj

na wyj

ciu tylko dwa stany

sygnału. Okre

la si

je tak

e jako wył

czniki warto

ci granicznej lub wył

czniki kra

cowe. Sygnał

wyj

ciowy przyjmuje najcz

ęś

ciej dwa poziomy (0V / 5V). Dla wyj

ść

typu PNP wzgl. NPN jako

przeł

cznik jest do dyspozycji tranzystor, dzi

ki czemu mo

na uzyskiwa

równie

inne warto

napi

ęć

lub wi

ksze warto

ci pr

du wskutek zewn

trznego zasilania.

Mechaniczny wył

cznik kra

cowy otwiera i zamyka mechaniczny styk wskutek zewn

trznego

działania (siły).

Kontaktron składa si

z dwóch cienkich pasków metalowych (styków), które s

umieszczone w

rurce szklanej. Wskutek oddziaływania pola magnetycznego styki te przemieszczaj

i stykaj

Wył

cznik bimetaliczny składa si

z dwóch na stałe poł

czonych pasków metalowych o ró

nych

współczynnikach rozszerzalno

ci cieplnej. Paski te zakrzywiaj

przy zmianach temperatury

powoduj

c otwieranie lub zamykanie styku elektrycznego.

Bariera (kurtyna)

wietlna zmienia stan swojego sygnału wyj

ciowego wskutek przerwania lub

odsłoni

cia wi

zki

wiatła.

Pojemno

ciowy czujnik zbli

eniowy reaguje na zmiany pola elektrycznego wskutek dielektryka

lub materiału w obszarze jego działania. Powoduj

one zmiany pojemno

ci kondensatora i tym

samym obwodu drgaj

cego (oscylatora).

Indukcyjny czujnik zbli

eniowy reaguje na zmiany pola magnetycznego wskutek metalu (tak

grafitu). Powoduje to zmian

indukcyjno

ci cewki i tym samym rozstrojenie obwodu oscylatora, co

prowadzi do zmiany stanu przerzutnika i sygnału wyj

ciowego.

Ultrad

kowy czujnik zbli

eniowy reaguje na zmiany mocy odbitej fali ultrad

kowej (np.

100 kHz) wskutek obecno

ci ciał stałych lub powierzchni cieczy.

Budowa cylindrycznego indukcyjnego czujnika

zbli

eniowego (przekrój wzdłu

ny)

Indukcyjne czujniki zbli

eniowe o budowie cylindrycznej maj

obudow

wykonan

z tworzywa

sztucznego lub ze stali. W przedniej, aktywnej powierzchni czołowej znajduje si

układ cewek

z rdzeniem ferrytowym, które s

osłoni

te tulejk

z tworzywa sztucznego. W

rodku znajduje si

układ elektroniczny umieszczony na płytce lub obwodzie cienkowarstwowym. Dioda
elektroluminescencyjne LED słu

y do wskazywania stanu przeł

czenia czujnika. Obudowa jest

zamkni

ta pokrywk

, w której umieszczony jest kabel przył

czeniowy. Całe wn

trze czujnika jest

zalane mas

z tworzywa sztucznego.

Cewka

Pasta ochronna

Masa

wypełniaj

LED

Pier

cie

uszczelniaj

cy typu „O”

Rdze

ferrytowy

Układ scalony (IC)

Zamocowanie

Wspornik

Obudowa

Zamocowanie

Tulejka z tworzywa

sztucznego

Budowa cylindrycznego indukcyjnego czujnika

zbli

eniowego

Element pobudzaj

cy (metal, grafit)

Rdze

ferrytowy

Cewka

Układ przetwarzaj

cy (IC)

Obwód drgaj

Linie pola magnetycznego

Schemat blokowy indukcyjnego czujnika zbli

eniowego

Sprawdzanie działania indukcyjnego czujnika

zbli

eniowego

S – odległo

ść

detekcji,

– znamionowa odległo

ść

detekcji

S = 0,3÷0,4 S

Mied

S = 0,4÷0,5 S

Aluminium

S = 0,50 S

Mosi

S = 0,85 S

Nikiel

S = 0,85 S

V2A (stal
nierdzewna)

S = 1,1 S

eliwo

Warto

współczynnika

korekcyjnego

Rodzaj materiału

Współczynniki korekcyjne odległo

detekcji dla indukcyjnych czujników

zbli

eniowych dla ró

nych materiałów

elementów pobudzaj

cych

Pojemno

ciowe czujniki zbli

eniowe

Ekranowanie

Elektroda czujnika

Element

pobudzaj

Czujniki pojemno

ciowe (np. zbli

eniowe), podobnie jak czujniki indukcyjne, pracuj

w sposób

bezstykowy. Uzupełniaj

one ten obszar zastosowa

, w którym nie mo

na wykorzysta

indukcyjnej zasady działania. Za pomoc

czujników pojemno

ciowych mo

na wykrywa

równie

materiały nie przewodz

ce pr

du elektrycznego. S

oferowane głównie pojemno

ciowe czujniki

zbli

eniowe, ale s

tak

e takie czujniki, które mierz

odległo

ść

i na wyj

ciu dostarczaj

sygnał

analogowy.
Aktywny element czujnika pojemno

ciowego składa si

z kr

ąż

kowej elektrody i kubkowego

ekranowania. Te dwie elektrody tworz

kondensator z podstawow

pojemno

. Wskutek

zbli

ania elementu pobudzaj

cego do powierzchni czujnika (odległo

ść

S) zmienia si

pojemno

ść

o warto

ść

∆

. Kondensator jest cz

ęś

składow

obwodu generatora RC (oscylatora). Jego

napi

cie wyj

ciowe jest zale

ne od całkowitej pojemno

ci C = C

∆

pomi

dzy elektrod

czujnika i potencjałem ekranu.

W czujniku zbli

eniowym sygnał wyj

ciowy

z generatora jest prostowany, filtrowany i przez
stopie

cowy ze wzmacniaczem

i przerzutnikiem jest wyprowadzany na wyj

cie.

W takich czujnikach wyst

puj

dwa stany

sygnałów: pobudzony i niepobudzony (1 lub 0).

Element

pobudzaj

Ekranowanie

Elektroda

˜˜˜

Filtr

Prostownik

Generator

Wzmacniacz

Czuło

ść

pojemno

ciowego czujnika zbli

eniowego wynika ze zmiany pojemno

∆

wskutek oddziaływania

elementu pobudzaj

cego, która powoduje przeł

czenie sygnału wyj

ciowego czujnika. Istotny wpływ na

pojemno

ść

, oprócz odległo

ci S i powierzchni elektrod, ma równie

stała dielektryczna

εεεε.

Dlatego te

w zale

ci od materiału elementu pobudzaj

cego, przy czym mog

to by

równie

ciecze lub materiały

sypkie, za pomoc

współczynnika redukcyjnego nale

y uwzgl

dni

zmian

warto

ci stałej dielektrycznej,

która ma istotny wpływ na odległo

ść

przeł

czania. Wzorcowym elementem pobudzaj

cym jest uziemiona

płytka o grubo

ci 1mm wykonana ze stali St37, dla której uzyskuje si

znamionow

odległo

ść

przeł

czania S

a warto

ść

współczynnika korekcyjnego wynosi 0. Oznacza to,

e np. materiały ceramiczne s

przez czujnik

pojemno

ciowy lepiej rozpoznawane ani

eli stalowe.

1 2 5 10

20 50 100 200

Stała dielektryczna e

łc

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

ło

Aby móc wyrówna

ró

norodne

odległo

ci detekcji za pomoc

współczynnika redukcyjnego dla
ró

nych materiałów, w niektórych

typach czujników pojemno

ciowych

istnieje mo

liwo

ść

justowania punktu

przeł

czania. Nale

y jednak przy tym

zawraca

uwag

na to,

eby dla

niezawodnego działania czujnika
(inicjatora) nie nastawia

zbyt du

odległo

ci przeł

czania, poniewa

oscylator RC jest wtedy niestabilny.
Taki stan jest widoczny wskutek
zwi

kszonej histerezy (h > 0,1·S

)

działania czujnika, tzn.

e s

ró

punkty przeł

czania przy zbli

aniu i

oddalaniu elementu pobudzaj

cego.

Pojemno

ciowe czujniki zbli

eniowe

Przykłady pojemno

ciowych

czujników zbli

eniowych

O budowie

cylindrycznej

O budowie

pryzmatycznej

Budowa cylindrycznego pojemno

ciowego czujnika

zbli

eniowego (przekrój wzdłu

ny)

Elektroda czujnika

Obudowa (tulejka)

Wspornik

Ekranowanie kubkowe (mosi

dz)

Głowica

Histereza w czujnikach zbli

eniowych

(indukcyjnych, pojemno

ciowych)

Schemat ideowy bariery

wietlnej jednodrogowej

Czujniki optoelektroniczne

0,1

Karton, czarny

0,5

PVC

1,0 ÷ 1,8

Aluminium,
czarne

1,2 ÷ 1,8

Metal, gładki

Papier, biały

Warto

ść

współczynnika

korekcyjnego

Materiał

Warto

ci współczynników korekcyjnych

odległo

ci detekcji ró

nych materiałów dla

wiatła

podczerwonego w sondach optoelektronicznych

Schemat ideowy odbiciowej bariery

wietlnej

Sposób działania retro-reflektorów

Przykład

jednodrogowej

bariery

wietlnej

Masa sejsmiczna

Element
piezoelektryczny

Płytki kwarcowe

Elektroda

Pier

cieniowa

obudowa

Gniazdo
wtykowe

cianki

obudowy

Podstawa

Piezoelektryczny

czujnik przyspiesze

Piezoelektryczne

czujniki siły

Sensory piezoelektryczne przyspiesze

i siły

Pomiary przyspiesze

Przyspieszenie mo

na uzyska

przez ró

niczkowanie wyników pomiaru pr

dko

ci lub dwukrotne

ró

niczkowanie sygnału drogi. Jednak uwidacznia si

tutaj najcz

ęś

ciej problem niewystarczaj

cej

rozdzielczo

ci w krótkich czasach pomiaru. Inne rozwi

zania czujników do pomiaru przyspiesze

opieraj

na pomiarach siły w układzie spr

ęż

yna-masa. Dla przyspieszenia a masy m sił

F jest zale

ść

a = F / m. Sił

F mo

na zmierzy

bezpo

rednio za pomoc

piezoelektrycznego czujnika siły. Ze wzgl

du na du

żą

sztywno

ść

spr

ęż

yny czujnika piezoelektrycznego mo

na uzyska

wysokie cz

stotliwo

ci drga

własnych (np. 100 kHz).

Nowe rozwi

zania czujników do pomiaru przyspiesze

oparte na

zasadzie Ferraris’a. W takich czujnikach element dobrze przewodz

d elektryczny (wykonany z miedzi lub aluminium) porusza si

wzgl

dem cewki pomiarowej w stałym polu wzbudzenia, której rdze

jest wykonany z materiału ferromagnetycznego. Wskutek pr

dów

wirowych w poruszaj

cym si

elemencie powstaje dodatkowe,

proporcjonalne do pr

dko

ci pole magnetyczne. Indukowane w cewce

pomiarowej napi

cie jest zmian

tego pola magnetycznego i tym

samym jest proporcjonalne do przyspieszenia.

Sensor przyspieszenia oparty na

dach wirowych (zasada Ferraris’a

)

Piezoelektryczny sensor

przyspieszenia

Piezoelektryczny

czujnik siły

Masa

Spr

ęż

yna

talerzowa

Płytka

z Cu

liwo

ci zastosowania pomiaru k

ta (nachylenia) rozci

gaj

od maszyn budowlanych (np. d

wigów),

przez maszyny do budowy dróg, nadzorowanie statków, platform wiertniczych, kominów i masztów a

regulacji robotów. Jako nachylenie okre

la si

wzgl

dne poło

enie w stosunku do kierunku poziomego lub

pionowego. Odchylenie od nich mo

na mierzy

za pomoc

sensorów obrotu (np.

yroskop) lub nachylenia.

Jako odniesienie przy takich pomiarach w czujnikach nachylenia, zwanych równie

inklinometrami, wykorzystuje

działaj

w miejscu pomiaru grawitacj

(przyspieszenie ziemskie). W zasadzie taki sposób pomiaru

odpowiada okre

laniu pionu, przy czym masa ukierunkowuje si

wg pola grawitacyjnego. Mo

e przy tym chodzi

o wahadło mechaniczne, uginaj

beleczk

lub te

tak jak w poziomnicy o ciecz przewodz

elektryczny.
Magnetooporowe inklinometry wykorzystuj

zjawisko zmiany oporno

ci elektrycznej przewodnika w zale

od pola magnetycznego. W budowie czujnika nachylenia stosuje si

wahadłowe zawieszenie dwóch magnesów

w pobli

u dwóch elementów magnetooporowych. Elementy te tworz

dzielnik napi

cia. Dla poło

enia 0°

magnesy s

dokładnie w

rodku. Je

eli ten układ pochyli si

, to zmienia si

poło

enie wzgl

dem tych

elementów. Wskutek tego zmienia si

oporno

ść

, co powoduje tak

e zmian

sygnału wyj

ciowego

(proporcjonalnie do nachylenia).

Elektroda kolektora

Elektrody emitera

Łuk szklany

cherzyk

gazu

cherzyk

gazu

Ciecz

przewodz

Poziomnica

Inklinometr magnetooporowy

Olej silikonowy

Magnesy

ła

Inklinometr pojemno

ciowy

Masa

sejsmiczna

Osłona

Zmiana pojemno

sprz

ęż

enie zwrotne

Elektrostatyczne

ASIC (ang. Application Specific
Integrated Circuit)

Inklinometry – czujniki nachylenia

Pomiar temperatury – termopara Pt100

W metalach oporno

ść

elektryczna wzrasta przy

zwi

kszaniu temperatury.

Zale

ść

ta jest nast

puj

ca:

RT = R0 * (1 +

αααα

* DT)

RT - oporno

ść

przy temperaturze T

R0 – oporno

ść

dla 0°C

αα

– współczynnik temperaturowy (stała materiałowa)

DT – zmiana temperatury

Pomiar oporno

ci elektrycznej umo

liwia okre

lenie

panuj

cej temperatury.W zastosowaniach praktycznych

najcz

ęś

ciej wykorzystuje si

standardowe moduły,

których dane s

zawarte np. w normie IEC 751.

I tak np. termopara typu Pt100 przy temperaturze 0°C ma
oporno

ść

1000

Ω

. Istniej

ró

ne rodzaje budowy takich

termopar. Element pomiarowy jest umieszczony
w odpowiedniej, szczelnej obudowie, która ma
gwintowane przył

cze.

Termoelementy

Przy pomiarach wysokich temperatur najcz

ęś

ciej stosowanymi czujnikami s

termoelementy TC (ang.

Thermo Couple). S

one tanie i zwarte w wytwarzaniu i wymagaj

małych nakładów zwi

zanych

z pomiarami.

Zjawisko termoelektryczne (efekt Seebeck’a): Je

eli rozgrzeje si

miejsce styku dwóch ró

nych

metali, to wtedy powstaje mierzalne, zale

ne od temperatury napi

cie elektryczne. Ruchliwo

ść

elektronów w przewodnikach metalowych jest zale

na zarówno od materiału jak i temperatury. Je

eli

dwa metale s

poł

czone dla przewodzenia, to wtedy elektrony z jednego metalu przechodz

drugiego. Ze wzgl

du na ró

ruchliwo

ść

elektronów przej

cia te nie wst

puj

równie cz

sto. Po jednej

stronie powstaje nadmiar, a po drugiej niedobór elektronów. Wielko

ść

powstaj

cego w ten sposób

napi

cia jest zale

na od obu materiałów i temperatury (napi

cie termoelektryczne). Odnosz

c warto

napi

cia termoelektrycznego ró

nych metali do platyny (Pt) otrzymuje si

wzgl

dny szereg napi

ciowy

w [mV], tzn. odniesiony do ró

nicy temperatur 1 K:

• krzem (Si)

+ 448

• chromonikiel (Cr-Ni)

+ 22

•

elazo (Fe)

+ 18.8

• mied

(Cu)

+ 7.5

• srebro (Sb)

+ 7.3

• platyna (Pt)

+/- 0

• nikiel (Ni)

- 15

• kobalt (Co)

- 17

• konstantan

- 32

Styk metali

(miejsce pomiaru)

Miejsce

odniesienia

(zimny styk)

Przewody wyrównawcze

Termoelement

Same współczynniki temperaturowe nie s

adnymi stałymi, lecz s

zale

ne od temperatury i dlatego s

ne tylko dla małych zakresów temperatur. Dokładne przebiegi charakterystyk czuło

ci termopar s

zamieszczone w postaci tabel w normie. Wykorzystywane s

nast

puj

ce typy termopar:

• typ T

mied

/ mied

-nikiel (+ br

zowy, - biały) [40mV/K] (-200°C do +600°C),

• typ J

elazo/ mied

-nikiel (+ czarny, - biały) [51mV/K] (-200°C do +800 °C),

• typ K

nikiel-chrom/ nikiel (+ zielony, - biały) [40mV/K] (0°C do 1200°C),

• typ S

platyna10-rod/ platyna (+ pomara

czowy, - biały) [7mV/K] (0°C do 1600°C),

• typ E

nikiel-chrom/ mied

-nikiel (+ fioletowy, - biały) [62mV/K] (-200°C do + 800°C).

Ponadto s

jeszcze termopary zawarte w niemieckiej normie DIN 43760:

•

nikiel-chrom/ nikiel-aluminium (chromel/ alumel), jest prawie identyczna jak typ K,

• typ U

mied

/ mied

-nikiel

• typ L

elazo/ mied

-nikiel

Termopary (termoelementy) mierz

zawsze tylko ró

nic

temperatur pomi

dzy wła

ciwymi miejscami

styku (miejsce pomiaru) i miejscem odniesienia, w którym znowu wyst

puje jednolity materiał

przewodz

cy (np. mied

). Dlatego te

stosowane albo dwa termoelementy (metoda ró

nicowa) lub

temperatura jest mierzona w urz

dzeniu pomiarowym za pomoc

termopary Pt100 (zewn

trzna

kompensacja, ang. Cold Junction Terminal).

Termoelementy s

tanie i niezawodne w produkcji, wymagaj

pomiaru tylko jednego napi

cia, s

niezale

ne od oporno

ci przewodów, a w technikach procesowych s

najcz

ęś

ciej stosowane w

wykonaniu z obudow

, w której głowicy pomiarowej jest umieszczona cała elektronika i dostarczaj

standardowych sygnałów.

Rodzaje termopar

Ze wzgl

du na du

żą

ró

norodno

ść

sensorów konieczne jest przeprowadzenie ich klasyfikacji.

Kryteriami klasyfikacji sensorów s

wielko

ci mierzone,

zasada działania sensora,

technologia wykonania,

postacie sygnału, interfejsy,

obszary zastosowania,

własno

ci, cechy charakterystyczne,

klasy jako

ci,

koszty.

Ze wzgl

dów aplikacyjnych wa

ny jest taki podział sensorów, w którym wyst

puj

wielko

ci mierzone (mechaniczne, termiczne, elektryczne, chemiczne i fizyczne), dla których

dobierana jest odpowiednia zasada działania sensora.

W układach mechatronicznych szczególne znaczenie maj

takie sensory, które mierz

wielko

ci mechaniczne lub termiczne.

Działanie sensorów jest oparte na ró

nych zasadach, w których wykorzystuje si

wszelkiego

rodzaju zjawiska fizyczne. W niektórych przypadkach bezpo

redni pomiar danej wielko

ci jest

bardzo utrudniony lub wr

cz niemo

liwy. Wówczas stosuje si

pomiar wielko

ci po

redniej,

która jest skutkiem działania wielko

ci mierzonej.

Klasyfikacja sensorów

Wielko

ci mierzone za pomoc

czujników (sensorów) dostarczaj

informacji

o stanie procesu lub zespołu maszyny (urz

dzenia).

nymi czynnikami, które nale

y uwzgl

dni

przy doborze sensorów

w okre

lonych warunkach ich zastosowa

m.in.:

− dokładno

ść

− niezawodno

ść

i odporno

ść

na warunki

rodowiska,

− szybko

ść

reakcji,

− wra

liwo

ść

na działanie innych (ni

mierzone) czynników,

− zachowanie w czasie zał

czania oraz

− rozdzielczo

ść

W celu zapewnienia odporno

ci sensora na działanie warunków otoczenia

(

rodowiska) w którym jest on wykorzystywany, stosowane s

odpowiednie

wykonania jego obudowy, co jest okre

lane jako stopie

ochrony IP (ang.

International Protected), np. IP56.

Natomiast w przypadku pomiarów szybkozmiennych wielko

ci (np. ci

nienia

w komorze spalania silnika spalinowego), sensor musi si

odznacza

odpowiednimi własno

ciami dynamicznymi (pasmo przenoszenia).

Wymagania dotycz

ce sensorów

Ogólne zasady doboru sensorów

Przy wyborze sensorów do okre

lonej aplikacji nale

y uwzgl

dni

szereg czynników takich jak:

Rodzaj wymaganego pomiaru, np. wielko

ść

mierzona, jej

warto

ść

znamionowa, zakres zmian warto

ci wielko

mierzonej, wymagana dokładno

ść

, wymagana szybko

ść

pomiarów, wymagana niezawodno

ść

oraz warunki otoczenia

w których przeprowadzane s

pomiary.

Wymagan

posta

wielko

ci wyj

ciowej (sygnału) z sensora,

która okre

la wymagania dotycz

ce zada

przetwarzania

sygnału.

Nast

pnie mo

na rozpatrywa

sensory z uwzgl

dnieniem

takich czynników jak ich zakres działania, dokładno

ść

liniowo

ść

, szybko

ść

reakcji, niezawodno

ść

, trwało

ść

konieczno

ść

obsługi, wymagania dotycz

ce zasilania

elektrycznego, zwarto

ść

budowy, dyspozycyjno

ść

i koszty.

Obszar zastosowania sensorów jest okre

lony ich statycznymi i dynamicznymi własno

ciami

(wła

ciwo

ciami pomiarowymi) oraz mechanicznymi, cieplnymi i chemicznymi czynnikami

oddziałuj

cymi. Ponadto, oprócz uwzgl

dnienia aspektów technicznych, istotne znaczenie

maj

wzgl

dy ekonomiczne.

W wyniku selekcji wielu sensorów dokonywany jest wybór jednego sensora, który spełnia

minimalne wymagania zadania pomiarowego, przy uwzgl

dnieniu aspektów technicznych

i ekonomicznych.

Dobór wła

ciwego sensora dla układu mechatronicznego ma istotne znaczenie dla

poprawno

ci działania tego układu i uzyskiwanych efektów.

Doboru sensora dokonuje si

w siedmiu nast

puj

cych krokach:

1. Warunki pomiaru i ogólne wymagania dotycz

ce sensora oraz wpływ otoczenia i

warunków ograniczaj

cych.

2. Okre

lenie mo

liwych zasad działania sensora.

3. Sprawdzenie własno

ci pomiarowych wybranych zasad działania.

4. Sprawdzenie dopuszczalnych bł

dów wybranych zasad pomiaru wzgl. sensorów.

5. Sprawdzenie mocy sygnału sensora (moc elektryczna) wzgl. konieczno

ci jego

zasilania.

6. Sprawdzenie czynników ekonomicznych i innych.

7. Okre

lenie typu sensora.

Zasady doboru sensorów

Krok 1:

Krok 1: Warunki pomiaru i ogólne wymagania dotycz

ce sensora oraz wpływ

otoczenia i warunków ograniczaj

cych

Post

powanie wykonywane w tym kroku ma na celu sprecyzowanie wymaga

dotycz

cych

sensora wzgl. układu pomiarowego. Dla ka

dego przypadku zastosowania (aplikacji)

nale

y rozpatrzy

nast

puj

ce aspekty:

Gdzie b

dzie zastosowany sensor?

Jak ci

ęż

kie s

nast

pstwa awarii sensora? (odpowiedzialno

ść

producenta za produkt)

Jakie wielko

ci maj

mierzone?

Czy wielko

ci mierzone maj

charakter statyczny czy dynamiczny?

Jak wysokie s

wymagania dotycz

ce: powtarzalno

ci, rozdzielczo

ci, ustawiania punktu

zerowego, minimalnej i maksymalnej cz

sto

ci pomiarów?

Jakie panuj

warunki otoczenia? (temperatura, wilgotno

ść

, ci

nienie, przyspieszenie,

materiały chemiczne, czysto

ść

, ...)

Czy wyst

puj

elektryczne lub magnetyczne pola zakłócaj

ce?

Jakiej wielko

ci i masy nie powinien przekracza

sensor?

Jak du

a powinna by

trwało

ść

sensora?

Czy wskazana jest mo

liwo

ść

wymiany i kalibracji sensora?

Jak sensor b

dzie wł

czony w cały system mechatroniczny?

Zasady doboru sensorów – krok 1

Krok 2:

Krok 2: Okre

lenie mo

liwych zasad działania sensora

Z wymaga

dotycz

cych sensora wynikaj

liwe zasady jego działania. Mo

liwe rodzaje pomiaru dla sensora

(fizyczne zasady jego działania) s

silnie uzale

nione od fizycznego charakteru wielko

ci mierzonej oraz

spodziewanych czynników zakłócaj

cych

Zasady doboru sensorów – kroki 2 - 4

Krok 3:

Krok 3: Sprawdzenie własno

ci pomiarowych wybranych zasad działania sensora

W tej fazie doboru sensora uwzgl

dnia si

nast

puj

ce czynniki:

zakres pomiarowy,

maksymaln

zmian

wielko

ci mierzonej,

rozdzielczo

ść

sygnału pomiarowego,

warto

ść

progow

(najmniejszy sygnał).

Krok 4:

Krok 4: Sprawdzenie dopuszczalnych bł

dów wybranych zasad pomiaru wzgl

dnie

sensorów

Całkowity bł

d sensora jest okre

lony jego własno

ciami statycznymi i dynamicznymi, które nale

sprawdzi

. Własno

ci statyczne takie jak: nieliniowo

ść

, histereza, termiczny dryft zera oraz zmiany

czuło

ci spowodowane czynnikami termicznymi okre

laj

dokładno

ść

statycznych i quasi statycznych

pomiarów. Pomiary statyczne wymagaj

dolnej cz

stotliwo

ci granicznej 0 Hz, natomiast pomiary quasi

statyczne w zale

ci od dynamiki procesu wymagaj

dolnej cz

stotliwo

ci granicznej kilku Hz. Statyczny bł

całkowity sensora w danych warunkach pomiaru nie mo

e przekracza

okre

lonej warto

ci (np. ± 5% warto

cowej zakresu pomiarowego). Sensory o dobrych własno

ciach pomiarowych, tzn. gdy czas nastawiania

sensora jest znacznie mniejszy od czasu narastania sygnału, s

wymagane dla szybkich dynamicznych

przebiegów sygnałów. Dzi

ki temu sensor ma górn

stotliwo

ść

graniczn

o warto

ci znacznie wi

kszej ni

najwy

sza cz

stotliwo

ść

składowej widmowej zawartej w sygnale. Dolna cz

stotliwo

ść

graniczna sensora ze

wzgl

du na zawarto

ść

składowej stałej w sygnale powinna wynosi

0 Hz. Natomiast w przypadku pomiarów

czysto dynamicznych wielko

ci mo

na stosowa

sensory o dolnej cz

stotliwo

ci granicznej wy

szej od zera.

Krok 5:

Krok 5: Sprawdzenie mocy sygnału sensora (moc elektryczna) wzgl

dnie konieczno

jego zasilania

W ramach oceny przeprowadzanej w tej fazie doboru sensora rozpatruje si

potrzeb

elektronicznego wzmocnienia sygnału pomiarowego,

ekranowania (kompatybilno

ść

elektromagnetyczna).

Zasady doboru sensorów – kroki 5 - 7

Krok 6:

Krok 6: Sprawdzenie czynników ekonomicznych i innych aspektów dotycz

cych

sensora

Nast

pnie ocenia si

nast

puj

ce czynniki dotycz

ce wyboru sensora:

koszt zakupu/ wykonania sensora,

nakłady zwi

zane z piel

gnacj

bezpiecze

stwo pracy,

niezawodno

ść

trwało

ść

(

ywotno

ść

Krok 7:

Krok 7: Okre

lenie typu sensora

Na zako

czenie procesu doboru sensora dokonuje si

wyboru konkretnego typu sensora,

który zostanie zastosowany w budowanym układzie mechatronicznym.

Znaczenie ró

nych wymaga

w konwencjonalnych czujnikach i sensorach

Sensor zamienia mierzon

wielko

ść

fizyczn

i jej zmiany na sygnał elektryczny i jego zmiany oraz

przetwarza go w taki sposób, aby mo

na go było łatwo transmitowa

i dalej przetwarza

Bardzo po

żą

dane

Próbkowanie – zamiana
na posta

cyfrow

(digitalizacja)

Bardzo po

żą

dana

Zdolno

ść

integracyjna

Korygowalna

Zupełnie niedopuszczalna

Zale

ść

od innych

czynników (wielko

ci)

Mało wa

Decyduj

Liniowo

ść

Przy digitalizacji mało
podatny na zakłócenia

Rozstrzygaj

Odporno

ść

na zakłócenia

Rozstrzygaj

Stosunek szumu
(zakłóce

) do sygnału

Mało wa

liwie wysoki

Poziom sygnału
wyj

ciowego

liwie małe

Mało istotne

Koszty

Sensor

Konwencjonalny czujnik

Cecha

Konwencjonalnymi

obszarami
zastosowania sensorów
s

automatyzacja,

technika procesowa,

robotyka,

technika pomiarowa,

technika sterowania
i regulacji.

Jednak wraz z rosn

miniaturyzacj

sensorów s

one coraz

ęś

ciej stosowane

tak

e w innych

obszarach, takich jak
np. medycyna i ochrona

rodowiska.

Obszary zastosowania sensorów

Inne obszary

zastosowania

sensorów

Technika

domowa i

klimatyzacyjna

Sprz

gospodarstwa

domowego

Technika

medyczna

Samochody

Pojazdy

szynowe

Ochrona

rodowiska

Element czujnikowy (mierz

cy) i przetwarzanie sygnałów w obecnych sensorach s

obecnie

wbudowane w małej przestrzeni. W budowie sensorów wykorzystywane s

technologie i do

wiadczenia

stosowane w wytwarzaniu zminiaturyzowanych układów scalonych. Szczególnie du

e mo

liwo

ci w

budowie sensorów daje zastosowanie technologii mikrosystemów MEMS (ang. mechanical-elektro-
micro-system).

Perspektywy rozwoju czujników (sensorów)

Nowe

sensory

Materiał sensora:

• ceramika,

• metale amorficzne,

• włókna optyczne

(

wiatłowody),

• bio-składniki.

Technologie

• techniki SMD I hybrydowe,

• technika projektowania IC,

• laserowe,

• mikroobróbka.

Koncepcja

ensor

• mikrostruktury,

• transmitery typu

Smart,

• sensory inteligentne

(zaawansowane),

• układy

wielosensoryczne.

Kommunika

cja

• technika 2-przewodowa,

• programowanie

okablowania,

• interfejsy,

• przył

cze magistrali.

SMD

SMD (ang. Surface Mounted Device) – monta

powierzchniowy

IC (ang. Integrated circuit) – układ scalony