Czujniki pomiarowe.
Budowa i zasada działania
Koło Naukowe PiN
Jarosław Sieracki
Abstrakt
Pomiar temperatury
Pomiar przyśpieszenia
Rodzaje czujników, sposób sterowania, zakres
pomiarowy i przeznaczenie
2
Pomiar temperatury
W zale\
ności od zakresu temperatur mo\
liwość u\
ycia:
Zintegrowanych scalonych, półprzewodnikowych czujników
temperatury (-55� 150 �C)
Termopar (-200� 1600 �C)
Czujników rezystancyjnych typu Pt 100
Termistorów (-55�450 �C)
Parametry:
Czułość (najlepsze rezystancyjne 10-4 �C)
Bezwładność (najlepsze termopary 0.1s, 10�s)
Stałość charakterystyk temperaturowych (najlepsze rezystancyjne)
Temperaturowy zakres pracy
3
Pomiar temperatury
Termopara
Zjawisko termo-elektryczne
Polega na powstawaniu siły
elektromotorycznej w obwodzie
zło\
onym z dwóch
przewodników, których
spojenia maja ró\
ne
temperatury (ró\
na
koncentracja swobodnych
nośników ładunków
elektrycznych w obu spojeniach
oraz ró\
na praca wyjścia.
SEM jest proporcjonalna do
ró\
nicy temperatur obu złącz.
4
Pomiar temperatury - termopara
ZALETY
" nie potrzebują zasilania
" tanie
" wytrzymałe, odporne na drgania i inne
zakłócenia mechaniczne
" szeroki zakres temperatur (do 1800�C )
" dostępne w ró\
nych formach
" mogą stykać się bezpośrednio z
badanym obiektem
" mogą mieć bardzo małe wymiary 
krótki czas odpowiedzi
5
Pomiar temperatury - termopara
WADY
" niski sygnał wyjściowy
" niezbędny dodatkowy czujnik,
mierzący temperaturę zimnych
końców
" nie stabilne (nieliniowe)
" dokładność ró\
na między
egzemplarzami
6
Pomiar temperatury
Czujnik rezystancyjny (termorezystor RTD)
Termorezystory wykonuje się z materiałów,
których opór właściwy rośnie liniowo w funkcji
temperatury (w ograniczonym zakresie
temperatur):
� = � [1 + ą (t  t 0 )]
t 0
Gdzie:
ą (1/�C)  współczynnik temperaturowy
7
Pomiar temperatury - RTD
mat. współczynnik zakres opis
temperaturowy temperatur
Najlepsza dokładność i stabilność, liniowa charakterystyka,
Pt 0.00385  200�C to
najszerszy zakres temperatur, du\
a oporność: dostępne w wersjach
0.003923 &!/&!/�C 850�C
100&! 200&! 500&! 1000&! przy 0�C (Pt100 Pt1000); niewielka ilość
potrzebna na czujnik.
Stosowany najczęściej w laboratoriach i przemyśle.
Najwy\
szy współczynnik temperaturowy (najwy\
szy sygnał),
Ni 0.0067 &!/&!/�C  40�C to
gorsza stabilność ni\
Pt. Po przekroczeniu punktu Curie (352�C)
300�C
nieprzewidywalna histereza. Spiralny przetwornik.
Tani  klimatyzacja, sprzęt AGD
Najbardziej liniowa charakterystyka, lecz mały zakres
Cu 0.0043 &!/&!/�C  73�C to
temperatur. Bardzo niska oporność  potrzebny długi drut do
149�C
stworzenia przetwornika (spirala lub trawiona folia).
Stosowane rzadko, gdy uzwojenie i tak istnieje np. w
silnikach i generatorach
Wysoki współczynnik temperaturowy. Przetwornik: spirala lub
Ni/Fe 0.0051 &!/&!/�C  46�C to
trawiona folia.
(70/30) 343�C
Tańsze ni\
Ni
8
Pomiar temperatury - RTD
Przetworniki RDT nie mogą być u\
ywane
 luzem  są zbyt delikatne. Są zwykle
zabudowane w osłonie  najczęściej jest to
rurka o średnicy 3-15 mm, i długości 250-
1000 mm wypełniona smarem
przewodzącym ciepło i tłumiącym drgania
Trzy podstawowe konstrukcje czujników RTD:
" spirala na rdzeniu
" spirala w otworze
" film (cienka warstwa)
9
Pomiar temperatury - RTD
ZALETY
" dokładne, powtarzalne, stabilne
" szeroki zakres temperatur
" silny sygnał wyjściowy
" niewielki koszt okablowania
" uśrednianie temperatury z pewnego
obszaru
" zunifikowane między dostawcami
" szeroki asortyment obudów
10
Pomiar temperatury - RTD
WADY
" drogie (zwłaszcza platynowe)
" wymagają zasilania
" mały opór
" niewielka czułość (0.4 &!/�C )
" prądy paso\
ytnicze
" połączenie czterema kablami
" samo-nagrzewanie
" długi czas odpowiedzi
11
Pomiar temperatury
Termistor (Thermally sensitive resistor)
Półprzewodnik wykonany ze sprasowanych,
spieczonych tlenków metali, w postaci małego
koralika, dysku lub w innym kształcie, pokryty
tworzywem lub szkłem.
Podobnie jak w termorezystorach, ich opór
zale\
y od temperatury.
12
Pomiar temperatury - termistor
Są dwa rodzaje termistorów:
" o ujemnym współczynniku
temperaturowym ( NTC  negative
temperature coefficient), których opór
maleje z temperaturą silnie nieliniowo
" o dodatnim współczynniku
temperaturowym ( PTC  positive
temperature coefficient), których opór
rośnie proporcjonalnie do temperatury
13
Pomiar temperatury - termistor
" opór 2252&!�10000&! przy 25 �C
" termistor 5000&! ma współczynnik
temperaturowy ok. 200&!/�C czyli bardzo
wysoki (Pt 100: 0.4 &!/�C !)
" mogą pracować do ok. 300�C
" często montowane w stalowych obudowach
ochronnych, wypełnionych smarem
14
Pomiar temperatury - termistor
ZALETY WADY
" niski koszt (bez obudowy) " nieliniowość (zwłaszcza NTC)
" wysoki opór " kłopotliwa zamienność między
" opór przewodów ma pomijalny wpływ producentami
" wystarczy połączenie " niewielkie natę\
enie prądu zasilającego+
dwuprzewodowe wysoki opór = silne samo-nagrzewanie
" wysoka dokładność i stabilność " niewielki zakres ze względu na
(0.1 �C) temperaturę topnienia lutu
" wysoka czułość (współcześnie pojawiają się luty
" niewielkie wymiary wysokotemperaturowe)
" niska masa termiczna
" pomiary punktowe
" niski czas odpowiedzi
15
Pomiar temperatury
Czujniki cyfrowe
16
Pomiar temperatury  IC
Wytwarzane jak inne obwody scalone
(mikroprocesory)
Dostępne u ró\
nych dostawców  zupełna
dowolność, brak unifikacji
Liniowe wyjście (linearyzacja wewnątrz),
małe wymiary, ograniczony zakres
temperatur (- 40�150�C - krzem)
Dostępne z wyjściem napięciowym,
prądowym lub cyfrowym
Tanie, ale delikatne. Najchętniej stosowane
do pomiaru temperatury urządzeń
elektronicznych i ich otoczenia
17
Pomiar temperatury  IC
18
Pomiar temperatury  IC
19
Pomiar temperatury  IC
20
Pomiar temperatury  podsumowanie
21
Pomiar temperatury  podsumowanie
22
Pomiar przyśpieszenia
Akcelerometry
Elementy do pomiaru przyśpieszeń,
prędkości i pozycji obiektów ruchomych
23
Pomiar przyśpieszenia - akcelerometry
Parametry pracy:
" zasilanie: 2.7 � 5.25 VDC,
" rodzaj sygnału na wyjściu: napięciowy w skali V/g
(np. 250mV/g � 1.5 V/g), PWM,
" pasmo przenoszenia 1�10 kHz,
" rozdzielczość: 2 mg,
" wytrzymałość na wstrząsy około 1000 g,
" maksymalny prąd wyjściowy (typ. 50 � 100 �A),
" zakres pracy: ą5 g, ą50 g itp..
Układ łączy w sobie mikromechaniczny
układ czujnika z elektroniką przetwarzającą
sygnał z czujnika.
24
Pomiar przyśpieszenia - akcelerometry
Rodzina ADXL firmy
Analag Devices
Rodzina MMA firmy
Freescale (Motorola)
25
Pomiar przyśpieszenia - akcelerometry
MMA7260Q
" Selectable Sensitivity (1.5g/2g/4g/6g)
" Low Current Consumption: 500 �A
" Sleep Mode: 3 �A
" Low Voltage Operation: 2.2 V . 3.6 V
" 6mm x 6mm x 1.45mm QFN
" High Sensitivity (800 mV/g @1.5 g)
" Fast Turn On Time
" High Sensitivity (1.5 g)
" Integral Signal Conditioning with Low Pass
Filter
" Robust Design, High Shocks Survivability
" Pb-Free Terminations
" Environmentally Preferred Package
" Low Cost
26
Pomiar przyśpieszenia - akcelerometry
ADXL202
" 2-Axis Acceleration Sensor on a Single IC Chip
" Measures Static Acceleration as Well as Dynamic
Acceleration
" Duty Cycle Output with User Adjustable Period
" Low Power <0.6 mA
" Faster Response than Electrolytic, Mercury or
Thermal Tilt Sensors
" Bandwidth Adjustment with a Single Capacitor
Per
Axis
" 5 m g Resolution at 60 Hz Bandwidth
" +3 V to +5.25 V Single Supply Operation
" 1000 g Shock Survival
27
Pomiar przyśpieszenia - akcelerometry
Zastosowania
" HDD MP3 Player: Freefall Detection
" Laptop PC: Freefall Detection, Anti-Theft
" Cell Phone: Image Stability, Text Scroll, Motion
Dialing, E-Compass
" Pedometer: Motion Sensing
" PDA: Text Scroll
" Navigation and Dead Reckoning: E-Compass
Tilt Compensation
" Gaming: Tilt and Motion Sensing, Event
Recorder
" Robotics: Motion Sensing
" Inertial Navigation
" Seismic Monitoring
" Vehicle Security Systems
28
Bibliografia
Noty katalogowe
Safa Kasap
THERMOELECTRIC EFFECTS IN METALS: THERMOCOUPLES
O. Gassmann, H. Meixner
SENSORS IN INTELLIGENT BUILDINGS
Thomas R. Kurfess
ROBOTICS AND AUTOMATION HANDBOOK
John G. Webster
MEASUREMENT, INSTRUMENTATIONS AND SENSORS
HANDBOOK CRCnetBASE 1999
29
Koniec & (cdn.)
Dziękuję za uwagę
30