Zbigniew Moroń

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, może trochę zbytnio uproszczonej, czujnik pomiarowy jest niezbędnym elementem każdego systemu pomiarowego, tym elementem, który decyduje o jakości wykonywanego pomiaru.

Nie jest przesadnym stwierdzenie iż w każdym okresie rozwoju nauki i techniki czujniki determinowały możliwości poznawcze i wytwórcze człowieka. Obecnie, w dobie elektroniki, komputerów i wirtualnej rzeczywistości, również i czujniki przyjęły nową postać [13]. 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.

Upowszechnienie czujników nowej generacji nie oznacza iż zbędna staje się znajomość fizycznych podstaw działania czujników oraz zasad ich stosowania - podobnie jak wprowadzenie przed laty układów scalonych nie zwolniło elektroników ze znajomości zasad projektowania i stosowania układów elektronicznych. Dochodzą natomiast nowe wymagania - np. umiejętność projektowania i programowania systemów mikroprocesorowych, umiejętność korzystania z sieci komputerowych itp. W projektowaniu wszelkich urządzeń technicznych niezbędne jest podejście systemowe, integrujące różne dziedziny, jakie reprezentuje np. mechatronika [2] - współdziałające połączenie mechaniki, elektroniki i informatyki. Najnowsze rozwiązania samochodów, sprzętu powszechnego użytku a nawet i budynków powstają w taki właśnie sposób. Z zasady nie mogą one funkcjonować bez elektronicznych systemów pomiarowych korzystających z informacji dostarczanych przez czujniki (o czym możemy się np. przekonać gdy w czasie podróży ulegnie uszkodzeniu nasz supernowoczesny samochód).

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) i w poznaniu tego świata posługuje się swoim umysłem. Informacje uzyskuje z receptorów połączonych z mózgiem za pośrednictwem systemu nerwowego. 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 - np. żelazko z bimetalem, po bardzo skomplikowane - np. system automatycznego startu i lądowania samolotu. Znaczenie czujników jest więc trudne do przecenienia, zwłaszcza obecnie - w dobie bardzo zaawansowanej automatyzacji i komputeryzacji wszystkich prawie dziedzin życia, działalności gospodarczej, monitoringu i kształtowania środowiska itp. 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.).

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. 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) lub chemicznej (struktura materii, stężenia substancji) - ilustruje to rys.1 [2]. 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, np. termoelement którego spoiny znajdują się w ośrodkach o różnych temperaturach generuje siłę termoelektryczną (napięcie). Jest to przykład czujnika generacyjnego (inaczej: bezpośredniego) Drugi rodzaj czujników to czujniki parametryczne (inaczej: pośrednie), które pod działaniem wielkości mierzonej zmieniają swój stan, jeden ze swoich parametrów. Wymagają one pewnego pobudzenia, zasilania dodatkową energią. Przykładem może tu być czujnik pojemnościowy, w którym odległość między elektrodami zmienia się tak jak mierzone przemieszczenie. Taki czujnik wymaga zastosowania odpowiedniego układu do pomiaru zmian pojemności, korzystającego z dodatkowego źródła energii zasilania.

Rys.1. Przestrzeń przemian energetycznych w czujnikach.

Uogólniony model czujnika pokazano na rys.2 [4]. W tym modelu czujnik ma trzy wejścia: wejście wielkości mierzonej (tej, którą chcemy mierzyć), wejście modyfikujące - to które dostarcza czujnikowi pobudzenia umożliwiającego uzyskanie sygnału wyjściowego, oraz trzecie wejście, o którym jeszcze nie było mowy - wejście wielkości wpływających (zakłóceń). Te ostatnie, aczkolwiek nie są pożądane, są nieuniknione. Każdy czujnik jest podatny na jakieś wpływy, które bezpośrednio lub pośrednio dodają się do sygnału wyjściowego. Sztuka projektowania i wytwarzania oraz użytkowania czujników polega na skutecznym przeciwdziałaniu niepożądanym wpływom, które mogą mieć każdą z postaci energii. To przeciwdziałanie polega z kolei na odpowiedniej konstrukcji i technologii wykonania czujników lub/oraz na stosowaniu odpowiednich korekcji.

Rys.2. Uogólniony model czujnika.

Po co czujnikom inteligencja?

Współczesne systemy charakteryzują się stale wzrastająca złożonością. Dotychczasową praktyką było zatrudnianie do ich obsługi inżynierów z odpowiednim wykształceniem i doświadczeniem. Utrzymanie takiego stanu doprowadziłoby do absurdu, gdyż w niedługim czasie koniecznością stałoby się zatrudnianie ludzi ze stopniem doktora. Rozwiązaniem tego problemu jest tworzenie systemów inteligentnych, przejmujących część funkcji intelektualnych człowieka [15]. Zakłada się iż do obsługi systemu inteligentnego wystarczy średnie wykształcenie ogólne. Przykładami takich systemów są inteligentne maszyny (roboty), inteligentne pojazdy, inteligentne budynki itp. Systemy inteligentne muszą działać niezawodnie bez względu na okoliczności. Muszą zastępować ludzkie postrzeganie, tj. wykrywać i rozpoznawać informacje wielowymiarowe oraz przetwarzać je do odpowiedniej postaci, z równoczesnym wykrywaniem wystąpienia nienormalnych warunków lub stanów. Wymaga to podzielenia funkcji przetwarzania informacji pomiędzy centralę i lokalne urządzenia. W tej sytuacji czujniki - pierwotne źródła informacji o aktualnym stanie każdego systemu - stały się „wąskim gardłem” systemów. Czujnikom stawiane są nowe zadania: wymaga się od nich samodzielnego i skutecznego działania, często w ekstremalnych warunkach pracy oraz zbierania informacji wielowymiarowych. Konieczne jest w tym celu strukturalne wzmocnienie możliwości czujników, np. przez użycie matrycy czujników lub połączenie czujników różnych typów, a także wzmocnienie w aspekcie przetwarzania danych przez komputer. Stąd zapotrzebowanie na czujniki inteligentne oraz inteligentne systemy czujnikowe. Przykładem takiego systemu może być „nos elektroniczny” [16], który potrafi rozpoznawać określone zapachy i dzięki temu oceniać świeżość zakupionego dorsza lub jakość wypieku chleba.

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)” [15] (urządzenie o tak zdefiniowanych cechach jest, ściśle mówiąc, przetwornikiem inteligentnym).

Potencjalne usprawnienia oferowane użytkownikom przez czujniki inteligentne, w porównaniu do rozwiązań klasycznych, są następujące [3]:

- 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.

Inteligencja czujników jest wynikiem implementacji mikrokontrolera (sterownika mikroprocesorowego), wyposażonego w odpowiednie oprogramowanie.

Od U-rurki do czujnika inteligentnego - czyli jak następowała ewolucja czujników

Rozwój czujników pomiarowych można doskonale prześledzić na przykładzie czujników ciśnienia. Pomiary ciśnienia należą do najważniejszych i najczęściej wykonywanych w technice. Cel tych pomiarów jest często pośredni - do określania innych, równie powszechnie mierzonych wielkości: natężenia przepływu i prędkości przepływu płynów oraz poziomu.

Ciśnienia nie można mierzyć bezpośrednio lecz może być wyznaczone przez pomiar siły działającej prostopadle na znaną powierzchnię (jednostką ciśnienia jest pascal, 1Pa=1N/m2). Można mierzyć ciśnienie bezwzględne (względem próżni), manometryczne (względem ciśnienia atmosferycznego) lub też różnicę ciśnień. W praktyce, ze względu na bardzo szeroki zakres występujących ciśnień, od tzw. głębokiej próżni (10-7 Pa) do bardzo wysokich (1011 Pa), stosuje się wiele rodzajów czujników ciśnienia.

Największe zapotrzebowanie jest na czujniki małych i średnich ciśnień, tj. na zakres 10 - 107 Pa [13][14]. Cechą wspólną tych czujników jest reagowanie na różnicę ciśnień, a cechą różniącą - sposób równoważenia wywieranej siły. Pierwsze czujniki ciśnienia były konstrukcjami hydraulicznymi lub mechanicznymi - po zaopatrzeniu w odpowiednie podziałki tworzyły mierniki ciśnienia, najczęściej manometry. Przykładowe rozwiązania pokazano na rys.3: U - rurkę, tj. manometr hydrostatyczny, w którym różnica ciśnień jest równoważona przez ciężar słupa cieczy i manometr obciążnikowo-tłokowy, w którym siła równoważąca pochodzi od ciężaru odważników obciążających tłok, oraz na rys.4 - manometry sprężyste, w których siła równoważąca jest wytwarzana przez odkształcany element sprężysty ograniczający obszar płynu wywierającego ciśnienie. Te ostatnie, tzn. czujniki sprężyste, znalazły najszersze zastosowanie ze względu na małe wymiary, łatwość stosowania i niską cenę. W zależności od zakresu mierzonych ciśnień element sprężysty ma postać membrany, mieszka lub odpowiednio wygiętej rurki.

Rys.3. Przykłady manometrów: (a) U - rurka, (b) obciążnikowo-tłokowy.

Rys.4. Czujniki sprężyste ciśnienia.

Omówione rozwiązania były w zupełności wystarczające do pewnego etapu rozwoju techniki. W zaawansowanym okresie elektryczności, gdy nastąpił rozwój pomiarów elektrycznych i automatyki działającej w oparciu o urządzenia elektryczne, pojawiło się zapotrzebowanie na pomiary metodami elektrycznymi również wielkości nieelektrycznych. Rozpoczął się okres tworzenia przemysłowych systemów pomiarowych wykorzystujących jako medium transmisyjne prąd stały. Do znanych rozwiązań czujników mechanicznych dobudowano przetworniki wielkości mechanicznych na elektryczne. Istotnym czynnikiem stymulującym te działania był szybki rozwój elektroniki, najpierw lampowej, później tranzystorowej, w końcu bazującej na układach scalonych. W ten sposób powstały m.in. manometry z czujnikami sprężystymi, zaopatrzone w wyjścia elektryczne, w postaci napięcia lub prądu stałego (takie urządzenia są nadal używane). Dokonuje się w nich pomiaru odkształcenia elementu sprężystego, np. membrany, za pomocą czujników naprężenia lub przemieszczania. W pierwszym przypadku (rys.5) na membranę, w miejscach w których występują największe naprężenia, nakleja się tensometry rezystancyjne (może to być jeden specjalizowany tensometr rozetowy). Zmiany rezystancji tensometrów są przetwarzane na napięcie za pomocą odpowiednio połączonego mostka. W drugim przypadku przemieszczenie membrany mierzy się za pomocą czujnika przemieszczenia, np. pojemnościowego (rys.6). Charakterystyczne dla tego typu rozwiązań jest stosowanie róznicowego układu pomiarowego (mostek), który zwiększa czułość, zapewnia liniowość przetwarzania oraz daje kompensację niektórych niepożądanych wpływów, np. zmian temperatury. Uzupełnieniem omawianych urządzeń jest najczęściej przetwornik wyjściowy wytwarzający znormalizowany sygnał prądowy 4-20mA lub 0-20 mA.

Rys.5. Membrana z naklejonymi tensometrami (a), mostek do pomiaru zmian rezystancji

tensometrów (b), tensometr rozetowy (c).

Okres intensywnego rozwoju pomiarów przemysłowych według przedstawionej koncepcji przypadał na lata 60-te i 70-te. Już wtedy zaczęły się uwidaczniać ograniczenia technologiczne w realizacji tej koncepcji, związane z ceną, masą, rozmiarami, zdolnościami wytwórczymi i poziomem jakości. A liczba stosowanych czujników i ich znaczenie stale wzrastały, poza tym bez czujników nie można sprzedać wyrobu finalnego. Skutecznym rozwiązaniem narastającego problemu mogło być tylko wprowadzenie nowej technologii, zdolnej do pokonania wymienionych ograniczeń. Tą nową technologią stała się mikromechanika

Rys.6. Przetwornik ciśnienia na znormalizowany sygnał prądowy.

krzemu, wykorzystująca doskonałe właściwości mechaniczne i elektryczne tego materiału [7]. Wykonane w tej technologii czujniki ciśnienia zawierają membranę krzemową, której odkształcenie jest mierzone na dwa sposoby: za pomocą również krzemowych tensometrów, które stanowią integralną część membrany - rys.7 (wykorzystanie zjawiska piezorezystancyjnego) [1][12][15] - ten sposób wyraźnie dominuje, lub z wykorzystaniem różnicowego kondensatora - rys.8 [13]. Rozwiązaniem alternatywnym do mikromechaniki krzemu jest zastosowanie metody optycznej, z wykorzystaniem włókien światłowodowych [6] - ta technologia nie jest jeszcze tak dobrze rozwinięta jak poprzednio wymieniona.

Mikromechaniczne czujniki ciśnienia [7]

Pierwszym mechanicznym zastosowaniem krzemu było wprowadzenie do czujników ciśnienia dyskretnych tensometrów krzemowych, mocowanych na membranie metalowej - co miało miejsce w roku 1958. Ze względu na bardzo wysoką cenę stosowano te czujniki wyłącznie w sprzęcie wojskowym i lotniczym. Początek „prawdziwej” mikromechaniki krzemu sięga lat sześćdziesiątych, kiedy to w firmie Honeywell uzyskano pierwsze mikromechaniczne czujniki ciśnienia. Wykonywano je przez mechaniczne drążenie zagłębień w płytkach krzemowych - w celu uzyskania cienkiej membrany. Zasadniczą wadą tego procesu była niemożliwość masowego wykonywania całej partii płytek. Znacznym ulepszeniem technologii było zastosowanie w r. 1970, przez firmę Kulite, procesu izotropowego (bez uprzywilejowanego kierunku) trawienia. Można w ten sposób trawić jednocześnie wiele membran na jednej płytce. Rozmiar zagłębień jest określany przez proces maskowania (jak w produkcji układów scalonych), a grubość membrany - przez czas trawienia. Kosztowna obróbka mechaniczna została ograniczona do cięcia płytek. Kolejnym zasadniczym ulepszeniem było wprowadzenie w roku 1976, ponownie przez firmę Kulite, procesu anizotropowego trawienia (zależnego od kierunku sieci krystalicznej). Umożliwiło to zmniejszenie rozmiarów struktury oraz poprawę parametrów czujnika. Następnym ważnym krokiem w rozwoju technologii było wykonanie pierwszego powierzchniowego mikromechanicznego czujnika ciśnienia (Wisconsin University, 1985). Wprowadzono procesy dodające (poprzednio tylko wytrawiano wybrane części płytki krzemowej), co sprowadziło płytkę do roli nośnika lub podłoża, na którym nowe materiały były osadzane. Zaletą nowego procesu była zdolność do formowania bardzo cienkich warstw, rzędu 1μm, co umożliwiło znaczne zmniejszenie struktury, przy jednoczesnym zwiększeniu czułości na ciśnienie. Kolejnym ważniejszym ulepszeniem technologii był nowy, wysokotemperaturowy proces łączenia krzemu przez stapianie, wprowadzony przez NovaSensor w 1987 r. Można dzięki temu tworzyć struktury mechaniczne przedtem niewykonalne, uzyskać większy stopień mechanicznego scalenia struktur krzemowych i w rezultacie zmniejszyć wymiary struktur. Dzięki idealnemu dopasowaniu termicznemu łączonych płytek i struktur czujników uzyskano jednocześnie poprawę parametrów czujników.

Ewolucja mikromechaniki krzemowej w ciągu trzydziestu lat doprowadziła do istotnej poprawy jakości czujników ciśnienia przy jednoczesnym znacznym obniżeniu ich ceny. Umożliwiło to masowe zastosowania takich czujników w wielu dziedzinach, w tym w samochodach, sprzęcie medycznym i w sprzęcie powszechnego użytku. W drugiej połowie lat dziewięćdziesiątych roczną sprzedaż krzemowych czujników ciśnienia szacuje się na 100 milionów sztuk.

Inteligentne czujniki ciśnienia

Sygnał wyjściowy czujnika ciśnienia, jak każdego czujnika, jest sumą sygnałów z trzech wejść: wielkości mierzonej, wielkości modyfikującej i niepożądanych wielkości wpływających (rys.2). Dlatego też wymaga on przedstawienia w postaci wielowymiarowej funkcji przetwarzania, np. napięcie wyjściowe w funkcji ciśnienia i temperatury. Rozrzut charakterystyk rzeczywistych czujników uzyskiwanych w procesie wytwarzania powoduje iż wspólczynniki tej funkcji mogą przyjmować różne wartości, w zależności od egzemplarza. W produkcji wielkoseryjnej stosowane są dwa podstawowe sposoby rozwiązania tego problemu [3][13]: laserowe doregulowanie każdego z czujników lub zastosowanie przetwarzania sygnałów, z uwzględnieniem indywidualnych parametrów każdego czujnika. Ten drugi sposób jest możliwy tylko w czujnikach inteligentnych. W każdym przypadku warunkiem koniecznym powodzenia jest długoterminowa stabilność czujnika.

Stosowane są dwa podstawowe rozwiązania inteligentnych czujników, zawierające [3]: cyfrowo sterowany analogowy procesor sygnałów czujnika, w którym do kompensacji wpływów i kalibracji są używane analogowe układy sterowane cyfrowo - np. programowane wzmacniacze, układy kompensacji temperaturowej [9][11] itp. lub cyfrowy procesor sygnałowy czujnika, w którym sygnał wejściowy jest przetwarzany na cyfrowy, poddawany odpowiedniemu przetwarzaniu, po czym sygnał cyfrowy jest ponownie przetwarzany na analogowy. W pierwszym przypadku układ zapewnia analogową ciągłość sygnału ciśnienia, nie zmieniając ani rozdzielczości, ani charakterystyki częstotliwościowej sygnału wejściowego. W drugim przypadku parametry czujnika są ograniczone przez cyfrowy układ przetwarzający lecz architektura strukturalnie zapewnia cyfrowy sygnał wyjściowy [3]. Nie można jednoznacznie powiedzieć które rozwiązanie jest bezwzględnie lepsze. W przypadku stosowania kilku korekcji jednocześnie rozwiązanie w pełni cyfrowe może być trudne do zrealizowania [18].

Pierwsze w pełni inteligentne czujniki ciśnienia, z wbudowanym mikrokontrolerem (cyfrowy procesor sygnałowy), wprowadziła do produkcji na początku lat osiemdziesiątych firma Honeywell. Pierwszy cyfrowo sterowany analogowy procesor sygnałów czujnika wprowadziła do produkcji czujników ciśnienia firma Keller, w 1985 r. Ewolucja czujników inteligentych zmierzała w dwóch kierunkach: poprawy parametrów metrologicznych i 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.

Podsumowanie

Trendy w rozwoju środków pomiarowych

Dewizą współczesnych pomiarów jest: taniej, lepiej, szybciej [16]. 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.

Wprowadzanie mikroprocesorów do urządzeń nadaje im funkcjonalną elastyczność. O przeznaczeniu systemu pomiarowego decyduje element wejściowy - czujnik i oprogramowanie. Nabiera to tym większego znaczenia iż [16]: „roboty opuszczają fabrykę” - wchodząc do sfery usług (opieka zdrowotna, szpitale, obsługa niepełnosprawnych, handel) i rozrywki, „sterowanie adaptacyjne wkracza na rynek” - jako inteligentne systemy zabezpieczenia budynków i mostów (przed nadmiernymi obciążeniami dynamicznymi, trzęsieniami ziemi, silnymi wiatrami), itp.

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 [10].

Kształcenie inżynierów

Pomiary oraz środki pomiarowe są kluczem do rozwoju techniki i dlatego mają zasadnicze znaczenie w kształceniu inżynierów i pracowników naukowych [5]. Jednym z podstawowych aspektów tego kształcenia jest orientacja na projektowanie, w tym przygotowanie do realizacji systemów pomiarowych mogących sprostać określonym wymaganiom. Ze względu na dużą różnorodność zadań pomiarowych oraz dostępnych metod ich realizacji w nauczaniu niezbędne jest wprowadzenie odpowiedniej metodologii projektowania pomiarów i systemów pomiarowych. Dotyczy to zwłaszcza dziedziny czujników pomiarowych, gdzie różnorodność fizycznych zasad działania i oraz aplikacji praktycznych jest wyjątkowo bogata. Niezbędna jest systematyczna znajomość określonych koncepcji rozwiązań, w powiązaniu ze zjawiskami fizycznymi, umiejętność poszukiwania odpowiednich rozwiązań przez analogie oraz systematyczne wariacje i kombinacje rozwiązań cząstkowych.

Ze względu na powszechność stosowania w pomiarach środków informatycznych (czujniki inteligentne, przyrządy wirtualne, sieciowe systemy pomiarowe) [16] przez projektowanie należy rozumieć projektowanie kompleksowe, tj. zarówno sprzętu jak i oprogramowania.

Sensory są szansą polskiej elektroniki [8]

O ile produkcja elementów wielkiej skali integracji produkowanych na skalę masową wymaga ogromnych inwestycji i jest obecnie w Polsce raczej mało realna, o tyle produkcja czujników pomiarowych nie. Można je wytwarzać stosując słabsze, tańsze i już istniejące w Polsce technologie. Różnorodność potrzebnych czujników sprawia iż można nie mieć obaw że dla kogoś „zabraknie” rynku i obszaru zastosowań - tym bardziej że czujniki stają się ograniczeniem w dalszym rozwoju zastosowań mikroprocesorów. Nastąpiło już włączenie Polski w „krwioobieg” wysokiej technologii - dostępne są dzisiaj w kraju wszystkie technologie, materiały, produkty i usługi sprzedawane na wolnym rynku.

Wejście na rynek czujników oznacza zatrudnienie nie tylko dla wąskiego grona technologów, ale przede wszystkim dla dużo większej grupy inżynierów zajmujących się projektowaniem i wdrażaniem aplikacji - szeroko rozumianych elektronicznych systemów pomiarowych.

Literatura

[1] Bentley J. P., Principles of measurement systems, Longman, 1995

[2] Bradley D. A. i inni, Mechatronics, electronics in products and processes,

Chapman & Hall, 1991 (reprint 1996)

[3] Bryzek J., Zaawansowane przetwarzanie sygnałów w czujnikach inteligentnych,

Elektronizacja, 5/1994, s. 5-9

[4] Doebelin E.O., Measurement systems, application and design, McGraw-Hill,1983

[5] Finkelstein L., Design oriented teaching of instrumentation, Sensors and Instrumentation

Systems - What should we teach? How should we teach?, Colloquium organised by

Professional Group C11 of IEE, London, 3 June 1996

[6] Huang S., Morawski R.Z. i inni, Calibration of electronically scanned white-light

interferometric transducer for measurements of high pressure, IEEE Transactions on M&I,

vol. 44, No 3, June 1995, s. 698-703

[7] Łysko J., Mikromechanika krzemowa technologią następnego stulecia, Elektronizacja 8/9,

1992, s. 17-20

[8] Magdziak R. (wywiad z Prof. R. S. Jachowiczem), Sensory są szansą dla polskiej

elektroniki, Elektronik, październik 1997, s. 8-9

[9] Moroñ Z., Can analog circuits still increase sensor's smartness?, Eurosensors XI,

Warszawa 1997, vol. 3, paper 3P3-10, s. 1333- 1336 (w poszerzonej wersji przyjęty do

publikacji w Sensors & Actuators)

[10] Moroń, Z., Czujniki do pomiarów przewodnictwa elektrycznego roztworów elektrolitów

metodą bezwzględną, Elektronizacja 1/98, s. 25-28

[11] Moroń Z., Kompensacja temperaturowa w pomiarach, referat przyjęty na

Międzyuczelnianą Konferencję Metrologów, Szczecin, wrzesień 1998

[12] Motorola Inc., Pressure Sensor Device Data, 1993

[13] Noltingk, B.E., Instrumentation Reference Book, Butterworth-Hein., 1995, s. 113-114/2

[14] Omega Engineering Inc., The Pressure, Strain and Force Handbook, 1992

[15] Ryoji Ohba, Intelligent sensor technology, John Wiley & Sons, 1992

[16] Technology 1998 - Analysis and Forecast (seria artyku³ów), Spectrum, January 1998

[17] Stein. P.K., The Unified Approach to the Engineering of Measurement Systems, Stein

Engineering Services, Inc., Phoenix, 1992

[18] Zakrzewski J., Some limitations of numerical nonlinearity correction, IMEKO TC-4 7th

International Symposium, Prague, 1995, p. 524-528

_{promieniowania}

_mechaniczna

_cieplna

_elektryczna

_magnetyczna

_chemiczna

_{promieniowania}

_mechaniczna

_cieplna

_elektryczna

_magnetyczna

_chemiczna

_{energia wyjściowa}

_energia

_{modyfikująca}

_{promieniowania}

_mechaniczna

_cieplna

_elektryczna

_magnetyczna

_chemiczna

_energia

_wejściowa

_hallotron

_termoelement

_fz

_fm,z

_fm,p

_fp

_wejście

_pożądane

_{(wielkość mierzona)}

_p

_składowa

_{od wielkości mierzonej}

_wyjście

₊

₊

_składowa

_od

_zakłóceń

_wejścia

_{zakłócające}

_Z

_wejście

_{modyfikujące}

_m

_px

_pa

_h

_px

_{tłok o polu pow.}

_A

_a)

_b)

_p

_{puszka membranowa}

_{rurka Bourdona}

_{membrana profilowana}

_mieszek

_p

_p

₂

₁

_Uwy

_membrana

_a)

_p

₁

₂

₃

₄

_tensometry

₃

₄

_b)

_c)

_membrana

_p1

_okładki

_kondensatora

_p2

_ΔC/U

_U/I

_{4 -20mA}

_p

_próżnia

_b)

_p1

_p2

_c)

_d)

_powietrze

_{atmosferyczne}

_a)

_membrana

_krzemowa

_{piezorezystory}

_{(krzem p)}

_{krzem n}

_szkło

_p

_otwór

_{Rys.7. Piezorezystancyjne czujniki ciśnienia wykonane technologią mikromechaniczną [1]: (a) przekrój czujnika, (b) czujnik do pomiaru ciśnienia bezwzgędnego,}

_{(c) czujnik do pomiaru różnicy ciśnień,}

_{(d) czujnik do pomiaru ciśnienia manometrycznego.}

_p

_{Rys.8. Pojemnościowy czujnik ciśnienia z membraną krzemową (grubość membrany 2-12 μm) [12]. Zakres pomiarowy 25Pa - 12.5kPa (2.5 -1250 mmH2O).}

_{doprowadzenie}

_{elektrody C2}

_p1

_aluminium

_szkło

_membrana

_krzemowa

_p2

_{doprowadzenie}

_{elektrody C1}

---