1 SENZORY V MECHATRONICKÝCH SOUSTAVÁCH

Transkript

1 1 V MECHATRONICKÝCH SOUSTAVÁCH Senzor - důležitá součást většiny moderních elektronických zařízení. Účel: Zjišťovat přítomnost různých fyzikálních, většinou neelektrických veličin, a umožnit další zpracování získaných údajů. PŘEHLED JEDNOTLIVÝCH DRUHŮ SENZORŮ (podle měřené veličiny) TLAKU PRŮTOKU RADIAČNÍCH VELIČIN Ve viditelném, infračerveném a jiném spektru MECHANICKÝCH VELIČIN POSUNUTÍ POLOHY RYCHLOSTI ZRYCHLENÍ SÍLY MECHANICKÉHO NAPĚTÍ ELEKTRICKÝCH VELIČIN MAGNETICKÝCH VELIČIN PRI-Mn-S-10_senzory_uvod_2 1 / 10

2 (podle fyzikálního principu) ODPOROVÉ INDUKČNOSTNÍ INDUKČNÍ KAPACITNÍ MAGNETICKÉ PIEZOELEKTRICKÉ FLUIDIKOVÉ PYROELEKTRICKÉ OPTOELEKTRONICKÉ OPTICKÉ VLÁKNOVÉ BIOLOGICKÉ CHEMICKÉ PRI-Mn-S-10_senzory_uvod_2 2 / 10

3 (podle styku senzoru s měřeným prostředím) BEZDOTYKOVÉ DOTYKOVÉ PROXIMITNÍ TAKTILNÍ (podle transformace signálu) AKTIVNÍ PASIVNÍ generátorového typu PRI-Mn-S-10_senzory_uvod_2 3 / 10

4 (podle tvaru pohyblibé části, jejiíž pohyb sledujeme) lineární úhlové přímočaré (podle tvaru výstupní veličiny) spojité nespojité analogové diskrétní PRI-Mn-S-10_senzory_uvod_2 4 / 10

5 Vlastnosti senzorů lze vzájemně srovnávat na základě různých kritérií: přesnost, rozsah, výstupní signál, parazitní vlivy apod. Shrnutím těchto srovnání dostaneme skupiny senzorů, které se od sebe kvalitativně liší. Vytváříme tak jednotlivé generace. V současnosti rozlišujeme tyto generace senzorů: 1. generace Senzory, pro jejichž konstrukci se využívá základních fyzikálních jevů. Vývoj senzorů této generace je v podstatě ukončen, výjimečně se lze setkat s použitím nových materiálů, konstrukcí, technologií a nových fyzikálních jevů. tuto generaci se opírá především současná automatizační technika. 2. generace Typické pro tuto skupinu senzorů je využití polovodičů a fyzikálních jevů s polovodiči spojených. Jejich nástup úzce souvisí s rozvojem polovodičové techniky. Senzory druhé generace se vyznačují výrazně lepšími parametry jako např.: citlivost, miniaturní rozměry, dynamické vlastnosti, přesnost a další. Hledají se nové fyzikální jevy, nové materiály. Dochází k částečnému nebo úplnému sloučení elektronické části informačního řetězce s čidlem vznik hybridních nebo integrovaných senzorů. Vývoj této generace senzorů není ukončen a je mu věnovaná současná pozornost. 3. generace U předcházejících dvou generací senzorů je na výstupu vždy elektrický výstupní signál. Rychlý vývoj v optických systémech (větší rozsah použitelných frekvencí, terabitová rychlost přenosu dat na jednom vlákně) si žádá dokonalejší senzory. Senzory s možností napojení optických vláken na jiné vlnovody nebo na laserové paprsky souhrnně nazýváme mikro-elektro-mechanickými systémy (MEMS). Název MEMS se využívá i mimo optoelektroniku; čistě optoelektronické systémy nazýváme MOEMS (mikro-opto-elektromechanické systémy). Třetí generace je reprezentována senzory optoelektrickými nebo světlovodnými (optické vláknové senzory). PRI-Mn-S-10_senzory_uvod_2 5 / 10

6 Na jejich výstupu je světelný tok. Tato generace senzorů navazuje na přenos signálu pomocí světlovodů a využívá výhody z toho vyplývající. Jde především o problém rušení senzorů elektrickými nebo magnetickými poli, možnost přenosu signálu na větší vzdálenosti, velká šířka pásma a některé další výhody. Senzory této generace jsou ve stadiu výzkumu a vývoje. Některé typy se však již sériově vyrábějí. Velmi zajímavou skupinu této generace představují senzory světlovodné. Měřená neelektrická veličina působí na parametry světlovodu tak, že je přímo ovlivňován světelný tok. Senzory tohoto typu mohou mít výrazně větší citlivost a podstatně menší rozměry než senzory pracující s převodem na elektrický signál. PRI-Mn-S-10_senzory_uvod_2 6 / 10

7 Sledovaná fyzikální, chemická a biologická veličina Rozhraní 1.1 DEFINICE SENZORU Senzor je funkční prvek tvořící vstupní blok měřicího řetězce, který je v přímém styku s měřeným prostředím. Citlivá část senzoru se nazývá čidlo. Poznámka : Senzor je ekvivalentním pojmem k pojmům snímač, převodník nebo detektor ČIDLO MĚŘICÍ OBVOD A ZESILOVAČ OBVODY ZPRACOVÁNÍ SIGNÁLU A/D µp Blokové schéma měřicího řetězce se senzorem PRINCIP ČINNOSTI SENZORU Sledovaná fyzikální, chemická nebo biologická veličina je snímána pomocí čidla senzoru a transformována na měřenou veličinu elektrický nebo číslicový signál. Transformovaný měřicí signál je dále zesílen a upraven odstup měřeného signálu od šumu šum senzoru, šum zesilovače a parazitní šumy, např. vliv elektromagnetického pole. Naměřený signál je dále zpracován obvody pro zpracování signálu - provádění různých matematických operací, linearizace. Analogový signál je dále transformován převodníkem A/D na digitální signál. Digitální signál je pomocí mikropočítače dále upravován např. provedením korekcí naměřených hodnot Výstup zpracovaného digitálního signálu z mikropočítače je tvořen: číslicovým měřicím přístrojem vybaven rozhraním pro dálkové zpracování dat, rozhraním umožňuje přenos naměřených dat Poznámka: Rozhraní je společná hranice, která má přesně definované charakteristiky propojení jak fyzického, tak signálového, funkčního i procedurálního. U senzorů se nejčastěji používá sériové rozhraní (tj. se sériovým přenosem dat) RS-232-C a RS-485. Zatímco u rozhraní RS-232-C je dosah přenosu PRI-Mn-S-10_senzory_uvod_2 7 / 10

8 dat při rychlosti 20 kb/s 15 m, u RS-485 je to do vzdálenosti metrů s maximální rychlostí 20 Mb/s. Dalším sériovým rozhraním je Ethernet. Rozhraní může bez problémů přenášet informaci velmi vysokými rychlostmi od 10 Mb/s do Mb/s po kroucené dvoulince i po optickém vláknu. Poslední skupinou jsou rozhraní pro bezdrátový přenos dat, kam patří Bluetooth, WiFi a IrDA. Pro náročná měření lze použít paralelní rozhraní jako je IEEE INTELIGENTNÍ RYCHLÝ VÝVOJ MIKROELEKTRONIKY Rozvoj elektronických obvodů pro zpracování signálů získaných z čidel neelektrických veličin Nutnost sloučení senzorů a navazujících analogových obvodů SMART SMART SENZOR Inteligentní senzor, zahrnující v sobě čidlo měřené veličiny, obvody pro úpravu signálů, A/D převodník, mikroprocesor pro zpracování a analýzu signálu (linearizace charakteristiky čidla, uchování signálu, zpracování naměřené informace.) a obvody pro obousměrnou komunikaci s okolím. Elektronika senzoru musí umožnit dálkové nastavení parametrů senzoru, jeho diagnostiku a hlášení o stavu nadřazenému členu. PRI-Mn-S-10_senzory_uvod_2 8 / 10

9 INTELIGENTNÍ SENZOR 1.3 STRUKTURA INTELIGENTNÍCH SENZORŮ Strukturu inteligentních senzorů lze rozdělit na tři základní části: MĚŘENÁ VELIČINA VSTUPNÍ ČÁST Převodníky Membrány Zesilovače Stabilizátory VNITŘNÍ ČÁST A/D převodníky D/A převodníky Paměti Komparátory Generátory Mikroprocesory VÝSTUPNÍ ČÁST Obvody elektrických signálů VÝKONOVÁ ZAŘÍZENÍ Vstupní část senzoru zajišťuje: vstup měřených veličin, převod měřené veličiny na elektrickou veličinu a její následný převod na elektrický signál ochranu senzoru proti působení nežádoucích vstupních veličin či vlivů okolí, Vstupní část senzoru je tvořena: převodníky, membránami, zesilovači, stabilizátory atd. Vnitřní část senzoru zpracovává vstupní signál a zajišťuje nastavení nulové hodnoty, kompenzaci vlivů okolí (např. teploty), linearizaci v celém rozsahu vstupních veličin, autokalibraci měřicí funkce, autodiagnostické funkce. Vnitřní část senzoru je tvořena: A/D a D/A převodníky, paměťmi, komparátory, generátory, mikroprocesory. U nejvyšších stupňů inteligentních senzorů se využívá prostředků umělé inteligence. Výstupní část senzoru zajišťuje: komunikaci senzoru s následnými zařízeními, signalizaci vlastní funkce a stavu, převod číslicového signálu na normalizovaný analogový výstupní signál, signalizaci měřené veličiny, chraňuje před působením nežádoucích jevů na výstupu (zkraty, odpojení, přepětí aj.). Podle měřené veličiny může senzor: vydávat řídicí signál pro výkonová zařízení, umožňovat místní i dálkové ovládání. PRI-Mn-S-10_senzory_uvod_2 9 / 10

10 1.3.1 POŽADAVKY NA INTELIGENCI V JEDNOTLIVÝCH ČÁSTECH SENZORU VSTUPNÍ ČÁST o převod fyzikální, chemické nebo biologické veličiny na elektrickou, o zesílení a filtrace signálu, o linearizace převodní charakteristiky, o normování signálu, o chrana proti působení parazitních vlivů atd. VNITŘNÍ ČÁST o analogově-číslicový převod, o autokalibrace elektrické, případně neelektrické části měřícího řetězce, o aritmetické operace, o číslicová linearizace, o statistické vyhodnocování naměřených dat, o hlídání mezí, o možnost přidání umělé inteligence senzor je schopen na základě modelu a učících se principů rozeznat věrohodnost naměřených dílčích dat. VÝSTUPNÍ ČÁST o unifikace analogových výstupních signálů (ve většině případů je unifikace standardizována na hodnoty 0-10 V, 0-20 ma a 4-20 ma), o komunikace prostřednictvím integrovaného rozhraní se sběrnicovým systémem, číslicově-analogový převod apod. Kontrolní otázky 1. Co je to senzor? Jaký plní účel? 2. Jak se nazývá citlivá část senzoru? 3. Načrtněte a popište blokové schéma měřicího řetězce se senzorem. 4. Jaké druhy senzorů znáte podle a) měřené veličiny b) podle fyzikálního principu c) podle tvaru výstupní veličiny d) podle transformace signálu. 5. Popište princip činnosti senzoru. 6. Co je to SMART senzor? Vysvětlete princip jeho vzniku. 7. Načrtněte a popište strukturu inteligentního senzoru. 8. Co zajišťují jednotlivé části inteligentního senzoru? 9. Vysvětlete pojem inteligentní senzor. PRI-Mn-S-10_senzory_uvod_2 10 / 10