A1. Co to jest sygnał? Narysuj przykład sygnału. Podaj i opisz dwie wybrane cechy sygnału. 

Sygnałem nazywa się przebieg dowolnej wielkości fizycznej, mogącej być nośnikiem informacji. Sygnał – przebieg wielkości fizycznej (np. napięcie, temperatura, ciśnienie), która jest

mierzona w określonych (zwykle krótkich) odstępach czasu, w celu uzyskania informacji o

obserwowanym zjawisku lub obiekcie.

Podstawowymi cechami sygnału w dziedzinie czasu są: wartość średnia (mean),

maksymalna (max), minimalna (min), mediana (median), wartość międzyszczytowa (peak to

peak).
A2. Opisz operacje próbkowania sygnału. Narysuj odpowiednie rysunki. 
Próbkowanie polega na określeniu dyskretnych wartości sygnału odpowiadających chwilom czasu mikro na podstawie przetwarzanego sygnału analogowego. Jeżeli odstęp między kolejnymi chwilami czasu mikro jest równy, to sygnał próbkowany jest ze stałą częstotliwością próbkowania.

Wynikiem próbkowania jest sygnał dyskretny. Operacja określania dyskretnych wartości sygnału w chwilach czasu mikro jest interpretowana jako mnożenie przetwarzanego sygnału x(t) przez dystrybucję grzebieniową.

A3. Opisz operację kwantyzacji sygnału. Narysuj odpowiednie rysunki. 
Kwantyzacja sygnału polega na zastąpieniu dyskretnych wartości sygnału, wartościami należącymi do skończonego q – elementowego zbioru, nazywanych poziomami kwantyzacji. Odstępy pomiędzy poziomami są zazwyczaj równe. Wynikiem tej operacji jest sygnał cyfrowy. Operacja ma na celu ograniczenie liczebności zbioru reprezentującego wartości dyskretne sygnału. Kwantowanie związane jest z powstaniem zakłóceń sygnału, tzw. szumem kwantyzacji, którego amplituda określona jest przez szerokość pasm kwantowania.

A4. Opisz zjawisko maskowania częstotliwości. 

Maskowanie częstotliwościowe (równoczesne) polega na tym, że jeśli w tym samym momencie w dźwięku występuje ton głośny oraz bardzo blisko sąsiadujący z nim (chodzi o niewielką różnicę częstotliwości między nimi) ton cichy, to ten drugi jest maskowany, czyli ucho go nie słyszy. Podczas kodowania stratnego te teoretycznie niesłyszalne dźwięki są pomijane. 

B1. Co to jest sensor. Opisz istotę działania sensora w układzie mechatronicznym. 
Sensor jest to element, który przekształca nieelektryczny sygnał w elektryczny sygnał wyjściowy. Urządzenie pomiarowe, którego sygnał wyjściowy może przyjmować wartości nie tylko 0 i 1 (przełącznik), ale także pewien zakres wartości. Inne pojęcia: przetwornik, przekształtnik, czujnik wartości pomiarowej, tranducer.

B2. Opisz podział sensorów ze względu na przetwarzane wielkości (sposób zapisu wielkości) 
taktylno-stykowe, rezystancyjne, indukcyjne, pojemnościowe, ultradźwiękowe, optyczne, piezo krystaliczne.

B3. Podaj definicję i przykłady (dla wybranego sensora) zakresu pomiarowego, rozdzielczości i dokładności pomiaru. 
Podstawowe parametry czujników to: (czujnik indukcyjny)

• Zakres pomiaru (0,1 do 50 mm) – zakres wartości wejściowych, które mogą być odwzorowane na

dopuszczalny zakres wielkości wyjściowych (np. znormalizowane napięcie)

• Rozdzielczość (0,01 do 1µm) – charakteryzuje jak blisko siebie mogą leżeć dwie wartości

pomiarowe, aby w sygnale wyjściowym były odbierane jako dwie różne wartości

• Dokładność pomiaru (1,2µm zakres 10mm, 1,5µm zakres 25mm, 3µm zakres 50mm)– opisuje sumę wszystkich możliwych statystycznych błędów, które wywodzą się z sensora i fałszują sygnał wyjściowy

B4. Scharakteryzuj statystyczne błędy pomiarowe 

Błąd punktu zerowego – równoległe przesunięcie charakterystyk

Błąd nachylenia – zmiana nachylenia charakterystyki

Błąd liniowości – charakterystyka nie ma ściśle liniowego przebiegu (mieści się w przedziale tolerancji);

Błąd histerezy – wielkość sygnału wyjściowego zależy nie tylko od sygnału wejściowego, ale także od kierunku jego zmiany

C1. Na czym polega przetwarzanie rezystancyjne. Narysuj schemat odpowiedniego sensora. 

Polega na zmianie rezystancji w sensorze poprzez: zmianę położenia ślizgacza na warstwie rezystancyjnej, włączenie lub wyłączenie rezystancji w obwodzie, ściskanie lub rozciąganie elementu rezystancyjnego, zastosowanie magnetorezystorów, oddziaływanie ciepła na rezystor.

C2. Na czym polega przetwarzanie indukcyjne. Narysuj schemat odpowiedniego sensora. 

Zmiana indukcyjności własnej lub wzajemnej cewek zależnie od wartości strat spowodowanych prądami wirowymi.

C3. Na czym polega przetwarzanie pojemnościowe. Narysuj schemat odpowiedniego sensora. 
zmiana pojemności kondensatora poprzez mierzoną wielkość fizyczną która powoduje zmianę: przenikalności dielektryka umieszczonego między okładzinami, pola czynnego okładzin czy odległości między okładzinami.

C4. Na czym polega przetwarzanie ultradźwiękowe. Narysuj schemat odpowiedniego sensora. 
Pomiar czasu pomiędzy wysłaniem impulsu ultradźwiękowego w kierunku badanej powierzchni i jego powrotem po odbiciu się od tej powierzchni.

C5. Na czym polega przetwarzanie optyczne. Narysuj schemat odpowiedniego sensora. 

Układy wyposażone w nadajnik przekształcający energię elektryczną w sygnał optyczny oraz odbiornik przekształcający światło w napięcie.

C6. Na czym polega przetwarzanie piezoelektryczne. Narysuj schemat odpowiedniego sensora. 
Czujniki piezoelektryczne wykorzystują efekt piezoelektryczny polegający na pojawieniu się napięcia na brzegach kryształu pod wpływem jego odkształcenia.

D1. Scharakteryzuj sensory generatorowe i parametryczne. Podaj przykłady takich sensorów.

Czujniki parametryczne - pod wpływem wielkości nieelektrycznej ulega zmianie parametr elektryczny taki jak: oporność, indukcyjność, pojemność.
Czujniki generacyjne - pod wpływem zjawisk fizycznych powstają siły elektromotoryczne, których wartość jest proporcjonalna do mierzonej wielkości.
D2. Opisz wybrany sensor drogi i kąta. Narysuj odpowiedni rysunek.

Pomiar drogi i kąta może być przeprowadzony za pomocą tych samych sensorów. Sensory różnią się budową. Czasami przekształca się ruchy liniowe w obrotowe przed sensorem. Rozróżnia się pomiar zgrubny – zazwyczaj sensory bierne i pomiar dokładny np. w czasie.
D3. Opisz na czym polega zastosowanie sensora w układzie różnicowym.
D4. Opisz wybrany sensor prędkości. Narysuj odpowiedni rysunek.

Czujniki magnetoindukcyjne

Pracują na zasadzie indukowania siły elektromotorycznej w uzwojeniu cewki 2 pod wpływem ruchu ferromagnetycznego koła impulsowego 1. Ruch ten powoduje zmianę wartości strumienia magnetycznego 0, wytwarzanego przez magnes stały 3. Wartość siły elektromotorycznej indukowanej w uzwojeniu jest proporcjonalna do szybkości zmiany strumienia magnetycznego 0, skojarzonego z uzwojeniem 2. Czujniki magnetoindukcyjne reagujące na zmianę oporu magnetycznego (reluktancji) spowodowaną ruchem elementów z materiału ferromagnetycznego o niskiej oporności magnetycznej. Czujniki reluktancyjne stosowane są do pomiaru prędkości obrotowej silnika i kół samochodu.
D5. Opisz wybrany sensor przyspieszenia. Narysuj odpowiedni rysunek.

Czujnik przyspieszenia- Hallotronowy

W czujnikach tego typu stosuje się układy ze sprężyście zamocowaną masą1 . Element Halla 4 zamocowany jest do masy sejsmicznej. Masa ta wychyla się z położenia równowagi pod działaniem siły bezwładności wywołanej przyspieszeniem a. Element Halla przemieszcza się wraz z masą w liniowo zmiennym polu magnetycznym . Napięcie generowane w przetworniku Halla jest proporcjonalne do wychylenia. Wychylenie to zależy od sztywności sprężyny i od przyspieszenia działającego na czujnik. Do swobodnego końca sprężyny taśmowej jest przymocowana masa drgająca w postaci magnesu trwałego. Nad magnesem znajduje się właściwy przetwornik Halla z elektronicznym układem obróbki sygnału. Wychylenie masy jest miarą przyspieszenia . Strumień magnetyczny , przenikający przez płytkę Halla , wytwarza w niej napięcie. Napięcie to zależy od położenia płytki względem magnesu, a więc od przyspieszenia a. Czujniki te znalazły zastosowanie w mechatronice samochodowej, w układachABS i stabilizacji toru jazdy ESP, do pomiaru wzdłużnego i poprzecznego przyspieszenia pojazdu.

D6. Opisz na czym polega zastosowanie tensometrów. Narysuj odpowiednie rysunki.

Tensometrami nazywamy elementy rezystancyjne w postaci cienkich drutów, siatek lub folii, wykonane z metalu lub półprzewodnika .Poddane działaniu sił zewnętrznych ulegają one odkształceniu zarówno w kierunku wzdłużnym, jak i prostopadłym do kierunku działania wypadkowej sił oraz zmieniają wymiary geometryczne i rezystancję. Względne odkształcenie wzdłużne w kierunku działania siły jest znacznie większe od względnego odkształcenia w kierunku prostopadłym do kierunku siły. Tensometry są czujnikami rezystancyjnymi, w których rezystancja zmienia się proporcjonalnie do ich odkształcenia.

E1. Opisz jak zachowuje się oświetlenie w przypadku różnych rodzajów materiałów. Narysuj odpowiednie rysunki.
E2. Opisz rodzaje matryc stosowanych w kamerach cyfrowych.

Wyróżnia się dwa rodzaje matryc:

CCD – fotodetektory, które podczas transferu obrazu przekazują ładunki na zasadzie „podaj dalej” wysoka czułość, małe szumy, rozmazywanie obrazu, mała szybkość akwizycji obrazu

CMOS – fotodetektor z natychmiastowym przetwarzaniem ładunku na napięcia i transferem obrazu w postaci sygnału elektrycznego, szybki transfer,brak rozmazania krawędzi, duże szumy, mała czułość.
E3. Opisz budowę i zastosowanie ciała doskonale czarnego.

Ciało czarne jest to obiekt, który pochłania całe padające na niego promieniowanie niezależnie od długości fali. Prawo Kirchoffa, które mówi, że ciało, które zdolne jest do absorpcji całego promieniowania o dowolnej długości fali jest także zdolne do emitowania tego promieniowania. Właściwości „ciała czarnego” można symulować w praktyce poprzez izotermiczną wnękę wykonaną z nieprzeźroczystego pochłaniającego materiału. Promieniowanie, które wpada do wnęki jest rozpraszane i pochłaniane w czasie kolejnych odbić tak, że jedynie niewielka jego część może wydostać się z powrotem. Wyposażenie takiej izotermicznej wnęki w grzejnik pozwala na otrzymanie tzw. "radiatora wnękowego". Izotermiczna wnęka ogrzewana przez grzejnik do jednolitej temperatury emituje promieniowanie ciała czarnego, którego charakterystyka zależy jedynie od temperatury wnęki. Takie wnęki są powszechnie wykorzystywane jako źródła promieniowania temperatury odniesienia w laboratoriach, do kalibracji przyrządów termograficznych.

E4. Wyjaśnij co nazywamy emisyjnością ciała.

Emisyjność(to stosunek mocy wypromieniowywanej przez dane ciało do mocy wypromieniowywanej przez ciało czarne w określonej temperaturze. Emisyjność widmowa to stosunek widmowej mocy promieniowania ciała do mocy emitowanej przez ciało czarne przy takiej samej temperaturze i długości fali. W zapisie matematycznym jest to stosunek emitancji widmowej ciała do emitancji ciała czarnego:

$\frac{W_{\text{λo}}}{\text{λcc}}$

Istnieją trzy rodzaje źródeł promieniowania, rozróżniane przez sposób, w jaki emisyjność widmowa każdego z nich zależy od długości fali:

ciało czarne, dla którego λ = = 1

ciało szare dla którego λ = = const. < 1

ciało selektywne dla którego zależy od długości fali.

F1. Wyjaśnij co nazywamy dźwiękiem, a co hałasem i podaj dwie charakterystyczne cechy dźwięku. 
Dźwięk – drgania akustyczne występujące w zakresie częstotliwości i natężeń mogących wytworzyć wrażenie słuchowe u człowieka.
Hałas – to dźwięki niepożądane lub szkodliwe.
Cechy dźwięku:

wysokość dźwięku

głośność dźwięku

czas trwania dźwięku

barwa dźwięku

F2. Opisz jedno wybrane źródło dźwięku. Narysuj odpowiednie rysunki. 

- punktowe

- liniowe

- płaskie

F3. opisz jedno wybrane pole akustyczne. Narysuj odpowiednie rysunki. 

- W polu akustycznym bliskim odległość od źródła jest mniejsza od wymiarów źródła i mniejsza od podwójnej fali długości. W polu bliskim zmiany ciśnienia akustycznego p_a i prędkość cząstek v jest równa p₀c. Nie da się ustalić zależności pomiędzy poziomem ciśnienia akustycznego a odległością od źródła.

- W polu akustycznym dalekim odległość od źródła jest większa od wymiarów źródła i większa od podwójnej długości fali. W polu dalekim zmiany ciśnienia akustycznego p_a i prędkość cząstek v są zgodne w fazie oraz impedancja falowa może być przyjęta jako równa p₀c.

- Pole akustyczne swobodne jest polem fali bezpośredniej: energia akustyczna jest przenoszona bezpośrednio ze źródła, wpływ powierzchni ograniczających jest pomijany, wszelkie nieograniczone pola akustyczne mogą być rozpatrywane jako pola swobodne.

F4. Opisz budowę i działanie mikrofonu pojemnościowego. Narysuj odpowiedni rysunek. 

Mikrofon pojemnościowy jest wykorzystywany głównie w celach profesjonalnych (np. w nagraniach studyjnych). Składa się on z dwóch elektrod podłączonych do źródła napięcia o wysokiej impedancji. Jedna z tych elektrod jest nieruchoma, natomiast druga wystawiona jest na działanie fal dźwiękowych. Fala taka zderzając się z ruchomą elektrodą powoduje jej drgania. Ponieważ elektrody mikrofonu pełnią rolę okładek kondensatora, to zmiana odległości pomiędzy elektrodami powoduje zmianę pojemności takiego "kondensatora", co z kolei powoduje powstanie zmiennego prądu elektrycznego, którego częstotliwość jest równa częstotliwości padającej fali dźwiękowej.