Czujnik inteligentny

Rafał Zawierta, 2007

Czujnik

• Jest to układ fizyczny lub biologiczny, który swoją

reakcję na bodziec fizyczny lub biologiczny przekształca

w mierzalny sygnał innej wielkości fizycznej.

• W definicji ogólniejszej, czujnik jest to urządzenie

dostarczające informację o wartości mierzonej

wielkości. W tym ujęciu tak zwany czujnik składa się z:

czujnika, przetwornika oraz często układu

kondycjonowania sygnału i telemetrycznego.

• Najczęściej spotykanymi czujnikami są czujniki

dostarczające informację w jednej z wielkości

elektrycznych takich jak: napięcie, natężenie prądu,

opór elektryczny. Przyczyną tego jest fakt, że prąd

elektryczny to sygnał, który łatwo przesłać na duże

odległości, poddać dalszemu przetwarzaniu lub przy

użyciu technik cyfrowych i komputerów także

zachować.

wikipedia

Czujnik inteligentny

Czujnik inteligentny (intelligent sensor)

czujnik sam w sobie spełnia funkcję

przetwarzania

danych oraz funkcję kalibracji/automatycznej
kompensacji, w których sam czujnik wykrywa i
eliminuje wartości nienormalne lub wyjątkowe.
Zawiera algorytm, który może być zmieniany, a
także, w pewnym stopniu, funkcję pamięci. Może
współpracować z innymi czujnikami, adoptuje się
do zmian warunków otoczenia i ma funkcję
rozróżniania (rozeznawania).

• Czujnik inteligentny jest przetwornikiem wielkości

mierzonej na cyfrowy sygnał wyjściowy. Zawiera on w

swojej strukturze następujące bloki funkcjonalne:

– Właściwy czujnik wielkości mierzonej – w przypadku

pomiarów temperatury może to być para tranzystorów, w

której jest wykorzystana zależność między napięciem baza-

emiter (prądem kolektora), a wartością temperatury.

– Układ pomiarowy - przetwarzający zmiany parametrów

właściwego czujnika na napięcie.

– Przetwornik analogowo-cyfrowy.
– Pamięć RAM – służy do przechowywania: trybów i zakresów

pomiarowych, wyników pomiarów, progów alarmowych.

– Układ interfejsu szeregowego.
– Układ sterowania.

Układ

pomiarowy

Przetwornik

A/C

Pamięć

RAM

Interfejs

szeregow

y

Układ

sterujący

wy

• Wśród czujników inteligentnych (oprócz czujników

temperatury) znajdują się czujniki następujących

wielkości: ciśnienia, naprężeń, składu chemicznego.

Czujniki takie nie wymagają już zewnętrznego układu

pomiarowego (kondycjonera), lecz dzięki

wbudowanemu układowi interfejsu możliwe jest

podłączenie ich (wielu) do komputera lub

dedykowanego systemu mikroprocesorowego.

Przykładowymi typami interfejsów stosowanych w

czujnikach inteligentnych są: CAN, MicroLAN, RS-

485. Przykładowo system interfejsu MicroLAN

opracowany przez firmę Dallas Semiconductor

umożliwia współpracę układu nadrzędnego (komputer

PC lub mikrokontroler) z wieloma czujnikami

wykorzystując jednoprzewodowa linię pomiarową.

element
czujnikowy

analogowe

przetwarzanie

sygnałów

przetwornik

A/C

przetwarzanie

cyfrowe- μP

przetwornik

C/A

sygnały analogowe

sygnały analogowe

sygnały cyfrowe

wejście

sterowanie

wyjście

analogowe

wyjście

cyfrowe

Czujniki inteligentne - historia

• W ciągu ostatnich 20 lat obserwuje się postęp w

dziedzinie czujników inteligentnych. IEEE oraz

NIST opracowały normę, która obejmuje funkcje i

zasady transmisji sygnału.

• Przetworniki wykonane zgodnie z normą 1451 są

przetwornikami nowej generacji, przystosowanymi

do pracy w sieci, o możliwościach niespotykanych

w dotychczasowych rozwiązaniach. Są niezależne

od rozwiązań konstrukcyjnych sprzętu i sieci.

• Sygnał cyfrowy zawiera informacje o wartości

mierzonej wielkości, jej jednostce SI i symbolu

przetwornika, może być także sygnałem

sterującym.

Czujniki inteligentne – historia
(2)

• W roku 1992 prof. Ryszard Jachowicz, znając

poglądy środowisk metrologów zarówno

polskich jak i zachodnich, zaproponował na

konferencji COE’92 następującą definicję

czujnika inteligentnego:
„Czujnik inteligentny jest elementem

pomiarowym przekazującym informacje o

mierzonej wielkości w postaci cyfrowej, który

komunikuje się z zewnętrznym cyfrowym

systemem pomiarowym (komputerem) w

oparciu o standardowy protokół komunikacji

i z użyciem standardowego interfejsu”

Postęp w dziedzinie czujników
inteligentnych

Jednym z pierwszych układów jest

produkowany seryjnie czujnik inteligentny

Eµ358A. Ma on czujnik pierwotny wykonany w

technologii IS-FET zintegrowany ze

wzmacniaczem.
Różne typy czujników inteligentnych nowszej

generacji zawierają obecnie cztery

podstawowe układy toru przetwarzania

sygnałów:

– wzmacniacz dopasowujący (kondycjonujący)
– przetwornik analogowo-cyfrowy
– mikroprocesor 4-bitowy (8-bitowy)
– nadajnik transmisji szeregowej

Łączenie czujników
inteligentnych

Czujnik inteligentny wg nowej
normy

Na czym polega inteligencja
czujników

Inteligencja czujników jest wynikiem

implementacji mikrokontrolera
wyposażonego w odpowiednie
oprogramowanie – dzięki czemu można
programowo modyfikować funkcje i
właściwości czujnika oraz uzyskiwać
zdalny dostęp do czujnika.

inteligencja = mikroprocesor +

program

funkcja czujnika = czujnik + program.

Zalety czujnika inteligentnego

 znacząco lepsza dokładność
 wykrywanie błędów i diagnostyka
 autotestowanie i autokalibracja
 możliwość lokalnego zbierania i

przetwarzania informacji

 dwustronne komunikowanie się z innymi

urządzeniami

 zdolność uczenia się
 możliwość jednoczesnej kalibracji i korekcji

wielu czujników w procesie wytwarzania