Podstawy Metrologii

”Przetworniki,

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”- Peter K. Stein [17]

- według tej definicji pomiaru

czujnik

pomiarowy jest niezbędnym elementem
każdego systemu pomiarowego

, tym

elementem,

który decyduje o jakości

wykonywanego pomiaru.



W każdym okresie rozwoju nauki i techniki
czujniki determinowały możliwości
poznawcze i wytwórcze człowieka.



W dobie elektroniki, komputerów i
wirtualnej rzeczywistości, również i czujniki
przyjęły nową postać. Tę postać określają
atrybuty:

-

inteligentny i zintegrowany

, 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

(obecnie psychologowie

wyróżniają często 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:



czujnik ruchu



czujnik przyspieszenia



czujnik temperatury



czujnik ciśnienia



czujnik wilgotności



czujnik punktu rosy



czujnik natężenia światła



czujnik pehametryczny



czujnik promieniowania jonizującego



zasadę działania (chociaż w
zasadzie są to przetworniki):



czujnik indukcyjny



czujnik indukcyjnościowy



czujnik magnetoindukcyjny



czujnik pojemnościowy



czujnik ultradźwiękowy



czujnik mikrofalowy



czujnik fotoelektryczny

Jak działają

czujniki?



Czujnik (sensor) jest częścią systemu

pomiarowego która reaguje na określoną

wielkość fizyczną.



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

Po co czujnikom

inteligencja?

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)”

- (urządzenie o tak zdefiniowanych cechach jest,

ściśle mówiąc, przetwornikiem inteligentnym).

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 zmierzała w
dwóch kierunkach:

-

poprawy parametrów metrologicznych,

- funkcjonalności oraz obniżenia ceny wyrobu.

To ostatnie osiągnięto przez zmniejszenie liczby

operacji produkcyjnych i zautomatyzowanie
procesu testowania - głównie dzięki
wprowadzeniu tzw. interfejsu produkcyjnego,
umożliwiającego równoczesne wykonywania
najbardziej czasochłonnych operacji na wielu
czujnikach połączonych równolegle.

Trendy w rozwoju środków

pomiarowych



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 -

„dajesz mi dwa czujniki za cenę jednego, ja

potrzebuję tylko jeden, ale za pół ceny”.

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

WIELKOŚCI WEJŚCIOWEJ



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

Stosowane są różne 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 0C (1760 0C)



2 - K (Ni Cr - Ni Al) T = - 200 . 1000 0C (1370

0C)



3 - J (Fe - CuNi) T = - 200 . 700 0C (1200 0C)



4 - T (Cu - CuNi) T = - 200 . 400 0C

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 . 850 0C
miedź α = 4,25 10-3 K-1 T = -50 . 150 0C
nikiel α = 6,4 10-3 K-1 T = -60 . 180 0C

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

UKŁADY MOSTKOWE

PRZETWORNIKÓW

WEJŚCIOWYCH

Schemat mostka Wheatstone’a



Mostek symetryczny:

Z

1

= Z

2

; Z

3

= Z

4

lub
Z

1

= Z

3

; Z

2

= Z

4

Warunek równowagi mostka ( I

g

= 0 )

Rodzaje mostków



Mostek prądu stałego

- mostek zasilany

prądem stałym,



Mostek prądu zmiennego

- mostek zasilany

prądem przemiennym.



Układ półmostkowy

- przetwornik stanowi 1

lub 2 gałęzie mostka,



Układ pełnego mostka

- przetwornik

stanowi wszystkie 4 gałęzie mostka.

Schemat umieszczenia

przetwornika w układzie

półmostkowym

Fotorezystywność

k

f

=k

f

(Pp,T,λ,r,wym.)

Gaussotron

Wysokotemperaturowe

rezystancyjne czujniki

chemiczne

Działają w temperaturach sięgających

900oC.

U podstaw działania leży zależność σ od
ciśnienia cząstkowego tlenu p(O

2

):

gdzie: A,n - stałe, E

a

-energia aktywacji.

Półprzewodniki stosowane na

WRCC

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),



• ktowego (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

szybki liniowy przetwornik przemieszczeń,

Zasilanie prądem przemiennym 100 kHz

Przetworniki o zmiennej

indukcyjności -

transformatorowe

Przetwornik o zmiennej indukcyjności wzajemnej (LVDT)

ang. Linear Variable Differential Transformer

liniowo zmienny transformator różnicowy

Zasilanie prdem 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 !