Podstawy Metrologii

Wykład 4

Przetworniki i czujniki

WSPÓŁCZESNY ŚWIAT NIE
MOŻE FUNKCJONOWAĆ BEZ

CZUJNIKÓW

„Pomiar jest pobieraniem informacji

o aktualnie zachodzącym procesie,
któremu w sposób nierozłączny
towarzyszy przepływ energii”.

- ta informacja może być później wyrażona

liczbowo”,

- według tej definicji pomiaru czujnik pomiarowy

jest niezbędnym elementem każdego systemu
pomiarowego, tym elementem, który
decyduje o jakości wykonywanego pomiaru.

W dobie elektroniki, komputerów i

wirtualnej rzeczywistości, również
i czujniki przyjęły nową postać.

Tę postać określają atrybuty:

-

inteligentny i zintegrowany

i

najczęściej

półprzewodnikowy

.



Inteligentny

- oznacza programowalny,

działający autonomicznie, adaptacyjnie, z
możliwością komunikacji z innymi
urządzeniami.

Zintegrowany

- bo może łączyć

kilka różnych czujników lub wiele czujników
jednego rodzaju, a ponadto i różne układy
analogowe lub cyfrowe, w tym mikroprocesor -
wszystko w jednej strukturze scalonej (chipie).



Półprzewodnikowy

- wykonywany

najczęściej z krzemu, z wykorzystaniem
technologii aktualnie stosowanych w
elektronice.

Do czego służą

czujniki?



Człowiek komunikuje się ze światem

zewnętrznym za pomocą swoich pięciu

naturalnych zmysłów:

wzroku, słuchu,

dotyku, węchu i smaku

również

zmysł

równowagi i czucia

, np. temperatury)



Rozszerzeniem ludzkiej percepcji i

intelektu są urządzenia pomiarowe,

służące do obiektywnego obserwowania i

pomiarów zjawisk fizycznych. W

urządzeniach technicznych funkcję

receptorów spełniają

czujniki pomiarowe

.

Czujniki

są konstrukcjami fizycznymi

dostarczającymi informacje o stanie
różnych obiektów, naturalnych i
wytworzonych przez człowieka, o stanie
otaczającego je środowiska oraz o
przebiegu zachodzących w nich procesów
fizycznych i chemicznych.

Odbiorcami

tych informacji są wszystkie,

szeroko rozumiane

systemy pomiarowo-

sterujące

, od najprostszych po bardzo

skomplikowane



W obiektywnym poznawaniu świata

zewnętrznego

czujniki

nie tylko zastępują

zmysły człowieka, ale często umożliwiają

również znaczne ich udoskonalenie oraz

uzupełnienie.



Dzięki czujnikom człowiek może uzyskiwać

informacje ze znacznie lepszą czułością i

znacznie szybciej

niż umożliwiają to jego

zmysły, a także uzyskiwać informacje o

wielkościach będących w ogóle poza

zasięgiem działania zmysłów (np. wielkości

magnetyczne, ultradźwięki itp.).

Czujniki można dzielić ze względu

na

rodzaj wielkości fizycznej

:



Czujnik

ruchu



Czujnik przyspieszenia



Czujnik temperatury



Czujnik ciśnienia



Czujnik wilgotności



Czujnik punktu rosy



Czujnik natężenia światła



Czujnik pehametryczny



Czujnik promieniowania jonizującego

Ze względu na

zasadę działania

-

(chociaż w zasadzie są to

przetworniki

):



Czujnik indukcyjny



Czujnik magnetoindukcyjny



Czujnik pojemnościowy



Czujnik pojemnościowy



Czujnik ultradźwiękowy



Czujnik mikrofalowy



Czujnik fotoelektryczny

Czujnik



Czujnik (

sensor

) jest częścią systemu

pomiarowego która reaguje na

określoną wielkość fizyczną.



Def.:

Jest to układ fizyczny, fizyko-

chemiczny lub nawet biologiczny,

którego podstawowym zadaniem jest

dostarczanie pierwotnej informacji o

wielkości mierzonej.



Najczęściej

wiąże się z tym przemiana jednej

formy energii w inną

- jako że w świecie

materialnym nośnikiem informacji jest energia.

Czujnik



Używane jest również pojęcie

przetwornika

(transducer),

jako elementu przetwarzającego

różne formy energii zawierającej informację.



Czujnik najczęściej współpracuje z jakimś
układem przetwornikowym, dlatego też w
większości przypadków nazwa

przetwornik

pomiarowy

jest określeniem bardziej

precyzyjnym niż

czujnik.

Wielkością wejściową i wyjściową czujnika może

być sygnał o postaci każdej z sześciu
podstawowych form energii:

-

mechanicznej

(przemieszczenie, prędkość, siła),

-

cieplnej

(temperatura, ilość ciepła, właściwości

cieplne substancji),

-

promieniowania

(w całym widmie

promieniowania),

-

elektrycznej

(prąd, napięcie, rezystancja,

pojemność, indukcyjność),

-

magnetycznej

(natężenie pola, indukcja

magnetyczna)

-

chemicznej

(struktura materii, stężenia substancji)

Jako wielkość wyjściowa najbardziej pożądany

jest sygnał elektryczny

- ze względu na

kompatybilność ze współczesnymi

urządzeniami pomiarowymi i informatycznymi.

Niektóre czujniki bezpośrednio pod wpływem

działania wielkości mierzonej wytwarzają na

swym wyjściu sygnał elektryczny. Są to

czujniki

generacyjne

(inaczej:

bezpośredniego działania

)

Drugi rodzaj czujników to czujniki

parametryczne

(inaczej:

pośredniego

działania

)

,

które pod działaniem wielkości

mierzonej zmieniają swój stan, jeden ze

swoich parametrów. Wymagają one pewnego

pobudzenia, zasilania dodatkową energią.

Przestrzeń przemian energetycznych w czujnikach

promieniowania

mechaniczna

cieplna

elektryczna

magnetyczna

chemiczna

promieniowania

mechaniczna

cieplna

elektryczna

magnetyczna

chemiczna

energia wyjściowa

energia

modyfikująca

promieniowania

mechaniczna

cieplna

elektryczn
a

magnetyczna

chemiczna

energia

wejściowa

Termo-

element

hallotr
on

Uogólniony model czujnika

f

z

f

m,z

f

m,p

f

p

wejście

pożądane

(wielkość mierzona)

p

składowa

od wielkości mierzonej

wyjście





składowa

od

zakłóceń

wejścia

zakłócające

z

wejście

modyfikujące

m

Uogólniony model czujnika

Inteligencja

czujników

Czujnikom stawiane są nowe zadania:



wymaga się od nich samodzielnego i
skutecznego działania

, często w

ekstremalnych warunkach pracy,



zbierania informacji wielowymiarowych

,



konieczne jest w tym celu

strukturalne

wzmocnienie możliwości czujników

, np.

przez użycie matrycy czujników lub
połączenie czujników różnych typów.

Stąd zapotrzebowanie na czujniki inteligentne

oraz inteligentne systemy czujnikowe.

Na czym polega

inteligencja czujnika?

Jedna z definicji czujnika inteligentnego (

intelligent

sensor, smart sensor

) brzmi:

„Czujnik sam w sobie spełnia funkcje

przetwarzania danych oraz funkcje kalibracji /

automatycznej kompensacji, w których sam

czujnik wykrywa i eliminuje wartości

nienormalne lub wyjątkowe. Zawiera

algorytm, który może być zmieniany oraz

pełni w pewnym stopniu funkcję pamięci.

Może współpracować z innymi czujnikami,

adaptuje się do zmian warunków otoczenia i

ma funkcję rozróżniania (rozeznawania)”

Potencjalne usprawnienia oferowane

użytkownikom przez czujniki

inteligentne, w porównaniu do

rozwiązań klasycznych, są

następujące:

- lepsza dokładność, teoretycznie ograniczona

tylko niestabilnością czujnika,

- możliwość jednoczesnej kalibracji i kompensacji

wielu czujników w procesie wytwarzania,

- zwiększona odporność na zakłócenia i

możliwość komunikacji na duże odległości,

- wykrywanie błędów i diagnostyka,

- zdolność podejmowania decyzji,
- możliwość lokalnego zbierania,

przetwarzania i dystrybucji informacji,

- dwustronne komunikowanie się z innymi

urządzeniami,

- rozwiązywanie konfliktów, np. kolejność

dostępu do sieci komunikacyjnej,

- programowalna wiedza, np. o czasach

oczekiwanych transmisji danych,

- samotestowanie lub samokalibracja,
- zdolność uczenia się, np. optymalizowanie

zakresu pomiarowego,

- możliwość programowej zmiany

wykonywanych operacji.

Ewolucja czujników inteligentych

zmierza w dwóch kierunkach:

-

poprawy parametrów

metrologicznych,

- funkcjonalności oraz obniżenia

ceny wyrobu.

Dewizą współczesnych pomiarów jest:

taniej, lepiej, szybciej

.

Taniej

-

oznacza nie tylko niższy koszt

wyprodukowania, ale również użytkowania danego
urządzenia.

Lepiej

-

oznacza lepszą jakość, niezawodność i

odporność. Dzięki temu można zawęzić granice
bezpieczeństwa i poprawić wydajność. Sprzęt
pomiarowy powinien umożliwiać to czego się od niego
oczekuje .

Szybciej

-

oznacza zwiększenie szybkości uzasadnione

jakością, wydajnością i ceną.

Jedną z najistotniejszych czynności w

wytwarzaniu i użytkowaniu czujników jest
ich kalibracja, która nadaje im wartość
użytkową narzędzia pomiarowego.

Podstawowe znaczenie ma zdolność czujnika

inteligentnego do

samokalibracji

w

aktualnych warunkach pomiaru.

Korzystnym rozwiązaniem jest czujnik

umożliwiający

pomiar metodą

bezwzględną

PRZETWORNIKI - pojęcia



Przetwornik pomiarowy

- urządzenie, w

którym jest realizowany proces
przetwarzania sygnału pomiarowego.



Proces przetwarzania

- proces zamiany

jednego sygnału na inny mu równoważny,
w celu dogodnego wykorzystania
informacji zawartej w sygnale.

Występujące w praktyce

procesy

przetwarzania

dzielimy na:

- przetwarzanie

rodzaju

sygnału,

- przetwarzanie

wartości

sygnału,

- przetwarzanie

formy

sygnału.

PRZETWORNIKI WIELKOŚCI

WEJŚCIOWEJ



Przetwornik wejściowy

- na wejście

przetwornika jest doprowadzona mierzona
wielkość fizyczna

KLASYFIKACJA

PRZETWORNIKÓW

Kryteria podziału przetworników

pomiarowych:

1. Kryterium

: sposób przetwarzania sygnału

pomiarowego

:

• przetworniki rodzaju sygnału;

• przetworniki wartości sygnału;
• przetworniki formy sygnału.

2. Kryterium:

złożoność procesu przetwarzania

:

• przetworniki proste;

• przetworniki złożone.



c -> p

- przetwarzanie zewnętrzne (energii

kinetycznej na potencjalną),



p -> s

- realizowany za pomocą elementu

sprężystego (np. membrana),



s -> e

- przetwornik elektryczny (np.

tensometryczny, pojemnościowy).

Realizacja przetwornika złożonego X

> Y przy użyciu różnych

przetworników prostych



3. Kryterium:

struktura przetwarzanych wielkości

fizycznych

:

Wielkość analogowa

–

wielkość ciągła

- może

przyjmować nieskończenie wiele wartości,

różniących się od siebie o nieskończenie małe

przyrosty.

Wielkość dyskretna

-

nieciągła

- przyjmuje tylko ściśle

określone wartości przyrostu różniące się między

sobą o skończone wartości. Najmniejszy możliwy

przyrost – elementarny kwant (ziarno) wielkości

dyskretnej.

4. Kryterium:

rodzaj wielkości fizycznej

otrzymanej na wyjściu:

•

przetworniki mechaniczne;

• przetworniki pneumatyczne;
• przetworniki optyczne;
• przetworniki elektryczne;
• …..

5. Kryterium:

źródło energii

zaangażowanej

w procesie przetwarzania:

•

generacyjne

(czynne); Y = f (X)

•

parametryczne

(bierne). Y = f (X, e)

Przetworniki

mechaniczne

Energia -

e

- z sygnału pomiarowego

Zastosowanie:

pomiary statyczne i

wolnozmienne.

Mechaniczne przetworniki siły i

ciśnienia

Mechaniczne przetworniki siły i

ciśnienia

Mechaniczny przetwornik momentu

obrotowego



Równanie przetwarzania:

Mechaniczny przetwornik częstości

obrotów



Równanie przetwarzania:

s = f (n)

Przetworniki pneumatyczne i

hydrauliczne



Zastosowanie:

układy automatyki

pneumatycznej i hydraulicznej

.

Przetwornik prędkości płynu na

ciśnienie

Przetwornik prędkości płynu

(strumienia masy) na ciśnienie



Zwężki pomiarowe:

Przetwornik częstości obrotów

Przetwornik

przemieszczenie -> ciśnienie

(układ dysza - przesłona )

Przetwornik sygnału

elektrycznego (prądu)

na sygnał pneumatyczny

(ciśnienie)

Elektryczne przetworniki

generacyjne

Zjawiska fizyczne wykorzystywane w budowie

przetworników:

• indukcji elektromagnetycznej,
• piezoelektryczne,
• termoelektryczne,
• fotoelektryczne,
• elektrochemiczne,
• ...

Przetworniki indukcyjne

Przemieszczenie kątowe

Przetworniki indukcyjne

Przemieszczenie liniowe

Przetworniki piezoelektryczne



Zjawisko piezoelektryczne

-

pojawianie się

ładunków elektrycznych na ścianach kryształu w
wyniku działania sił przyłożonych do kryształu.



Materiały piezoelektryczne:

-

sól

Seignette’a

,

- tytanian baru,
- cyrkonian ołowiu,
- turmalin,
- kwarc

Przetworniki

piezoelektryczne

Ładunki elektryczne powstają w

momencie zmiany wartości siły F, w
przypadku statycznego działania siły
ładunki nie powstają, zaś te które
pojawiły się w momencie jej przyłożenia
znikają.

Przykład

zastosowania

Przetworniki

termoelektryczne

Zamknięty obwód termoelektryczny

STE = e = e(T1) - e(T2)

Układ pomiarowy:

Zakres stosowania:



1 - S (

Pt Rh10 - Pt

) T = 0 - 1200 °C (

1760 °C

)



2 - K (

Ni Cr - Ni Al

) T = - 200 - 1000 °C (

1370 °C

)



3 - J (

Fe - CuNi

) T = - 200 - 700 °C (

1200 °C

)



4 - T (

Cu - CuNi

) T = - 200 - 400 °C

Charakterystyki statyczne

termoelementów

Elektryczne przetworniki

parametryczne



Wymagają

doprowadzenia energii pomocniczej

;

(są włączane w obwód elektryczny zmieniając

jego parametry pod wpływem sygnału
wejściowego).

gdzie:

R

- oporność czynna,

L

- indukcyjność,

X

- oporność bierna,

C

- pojemność,

Z

- oporność

pozorna,

f

- częstotliwość.

Klasyfikacja elektrycznych

przetworników
parametrycznych



opornościowe

(rezystancyjne),



indukcyjnościowe,



pojemnościowe

.

Przetworniki opornościowe



Oporność przewodników stałych



Schemat blokowy

Zmiana oporności może wynikać

ze zmiany:

- długości

l

, -

potencjometry

- przekroju

A

, -

tensometry metalowe

- oporności właściwej

ρ

, -

tensometry

półprzewodnikowe

Przykład

zastosowania

TENSOMETRY

Zasada pracy:

zmiana oporności pod

wpływem naprężeń (odkształceń)
mechanicznych.



lub w wartościach skończonych

Klasyfikacja

tensometrów



Metalowe

-

drutowe

- wężykowe
- kratowe
-

Foliowe



Półprzewodnikowe

- dyskretne
- wdyfundowane

Budowa tensometrów

drutowych

1 - drut oporowy, 2 - przewody przyłączeniowe, 3 -

podkładka izolacyjna, 4 - nakładka

Tensometry foliowe

proste membranowy

złożony

Opornościowe przetworniki

temperatury

Zmiana oporności przewodnika z temperaturą

α - temperaturowy współczynnik zmiany oporu

R

T

= R

0

[1 + α (T - T

0

)]

R

T

= f (T) przy R

0

, α, T

0

= const.

Materiały do budowy opornościowych

przetworników temperatury:

platyna

α = 3,92

·

10

-3

K

-1

T = - 200 do 850

o

C

miedź

α = 4,25 · 10

-3

K

-1

T = - 50 do 150

o

C

nikiel

α = 6,4 · 10

-3

K

-1

T = - 60 do 180

o

C

Charakterystyki statyczne termometrów opornościowych

Elementy półprzewodnikowe

(termistory)

K, K

1

-

stałe

Przetworniki

indukcyjnościowe

Przetworniki indukcyjnościowe i ich charakterystyki

a -

z przesuwnym rdzeniem

, b -

ze zmienną szczeliną

powietrzną

, c -

z indukowaniem się prądów wirowych

Przetworniki

indukcyjnościowe w układzie

różnicowym

Układ transformatora

różnicowego

Przykład zastosowania

Przetworniki

pojemnościowe

a)

kondensator płaski

b)

kondensator

cylindryczny

Przykłady przetworników

pojemnościowych i ich

charakterystyki

Układy różnicowe

przetworników

pojemnościowych

Przykład zastosowania

Fotorezystywność

k

f

= k

f

(Pp,T,λ,r,wym.)

Gaussotron

Wysokotemperaturowe

rezystancyjne czujniki

chemiczne

Działają w temperaturach sięgających

900°C

.

U podstaw działania leży zależność

σ

od

ciśnienia cząstkowego tlenu

p(O

2

)

:

gdzie:

A, n - stałe, E

a

- energia aktywacji

.

Materiały (półprzewodniki)

stosowane na

Wysokotemperaturowe

rezystancyjne czujniki chemiczne

Przetworniki analogowo-

cyfrowe i cyfrowo-

analogowe



Przetwornik cyfrowo-analogowy

(ang.

Digital-to-Analog Converter) jest to

układ

przetwarzający dyskretny sygnał cyfrowy
na równoważny mu sygnał analogowy

.



Przetwornik ma n wejść i jedno wyjście.



Liczba wejść zależy od liczby bitów słowa
podawanego na wejście przetwornika (np.
dla słowa trzybitowego – trzy wejścia a

1

, a

2

,

a

3

).



Napięcie na wyjściu przetwornika jest
proporcjonalne do napięcia odniesienia
oraz do liczby (n-bitowe słowo) zapisanej w
kodzie dwójkowym.



Wartość tego napięcia można obliczyć
korzystając ze wzoru:























n

n

odn

wy

a

a

a

U

U

2

2

2

2

2

1

1





Charakterystyka przejściowa przetwornika

C/A.

1 – idealna, 2 – rzeczywista

Pomiar przemieszczenia i

prędkości



Pomiary przemieszczenia:



• liniowego (

m

),



• kątowego (

rad

)



Rodzaje przetworników przemieszczenia:



• analogowe,



• binarne,



• cyfrowe.

Analogowe przetworniki

przemieszczenia

Wielkość fizyczna (

mechaniczna np. zmiana

położenia lub elektryczna np. zmiana mocy

)

przetwarzana jest na sygnał elektryczny

napięciowy lub prądowy.

Rodzaje:



•

przetworniki potencjometryczne stykowe,



• przetworniki potencjometryczne bezstykowe,



• przetworniki indukcyjne (np. z rdzeniem ferrytowym),



• przetworniki pojemnościowe,



• przetworniki ultradźwiękowe,



• przetworniki optyczne.

Przetworniki

potencjometryczne stykowe

Potencjometr liniowy

Potencjometr obrotowy

Przetworniki

potencjometryczne stykowe

Indukcyjne przetworniki z

rdzeniem ferrytowym



Zmiana położenia
rdzenia względem
uzwojeń, powoduje
zmianę ich
indukcyjności –
impedancji.



Wyznaczania zmian
impedancji odbywa się
za pomoc
pomiarowego mostka
prądu przemiennego

Przetworniki o zmiennej

indukcyjności -

transformatorowe

Przetwornik o zmiennej indukcyjności własnej (FLDT)

ang.

Fast Linear Displacement Transducer

Zasilanie prądem przemiennym 100 kHz

Przetworniki o zmiennej

indukcyjności -

transformatorowe

Przetwornik o zmiennej indukcyjności wzajemnej

(LVDT)

ang.

Linear Variable Differential Transformer

Zasilanie prądem przemiennym 20 kHz

Przetworniki o zmiennej

indukcyjności -

transformatorowe

Optyczne przetworniki

położenia

Optyczny przetwornik położenia

wykorzystujący metodę triangulacyjną

Akcelerometry

Czujnik radiacyjny

1 - zbiornik z cieczą lub ciałem sypkim; 2 - źródło

promieniowania; 3 - odbiornik promieniowania; 4 -

wzmacniacz z przełącznikiem; 5 - silnik.

Koniec wykładu !