Úvod do metrologie - 49-9. ČIDLA A PŘEVODNÍKY (V.LYSENKO) Čidlo (senzor, detektor, receptor) je em jedné fyzikální veličiny na jinou fyzikální veličinu. Snímač (senzor + obvod pro zpracování ) je to člen pro sběr informací. Rozdělení snímaných veličin Typ veličiny Skupina veličin Elektrické Napětí, proud, odpor, kapacita, indukčnost,... Magnetické Indukce, intenzita, magnetický tok, magnetický odpor,... Mechanické Délka, dráha, rychlost, zrychlení, hmotnost, síla, mechanické napětí, otáčky, výška hladiny,... Optické Zářivá energie, intenzita, jas,... Tepelné Teplo, teplota, tepelný tok, tepelný odpor, tepelná kapacita, Pneu hydraulické tlak, tlaková diference, prùtok,... Akustické hlučnost, akustický tlak, akustický odpor,... Nukleární intenzita záření,... Chemické koncentrace, ph,... Biologické Rozdělení snímačů podle principu funkce aktivní (generátorové) pasivní (parametrické) fyzikálních jevů fyzikálně chemické termoelektrické magnetoelektrické piezoelektrické radiační, vstupní veličiny elektrické, magnetické, mechanické, termické, optické, akustické, hydraulické, jaderné, chemické, biologické,.. styku s měřeným objektem bezdotykové (proximitní) dotykové ( taktilní) nitrotělní (invazní)
- 50 - Úvod do metrologie tvaru výstupního analogový (spojitý) digitální (číslicový, nespojitý) impulzní frekvenční (kmitočtový) přesnosti nižší - pro všeobecná použití vyšší - pro vědecké nebo kosmické účely typu provedení diskrétní hybridní integrované (monolitické) generace 1. generace (využívají základní fyzikální jevy ) 2. generace (polovodičové) 3. generace (mikroelektronické - inteligentní ) Vlastnosti a parametry Statická charakteristika popisuje chování v ustáleném stavu. Dynamická charakteristika popisuje chování při rychlých změnách měřené veličiny. Linearita je odchylka skutečné charakteristiky od ideální (přímkové). Přesnost vlastnost charakterizující přesnost konverze snímaného. Fyzikální jevy použité u čidel a snímačů na bázi křemíku Neelektrický signál Fyzikální jev Realizace mechanický Piezoelektrický jev piezorezistor,... tepelný SEEBECKÙV jev termorezistor, termoelektrický článek zářivý fotoefekt fotorezistor, fotodioda,... magnetický HALLŮV jev, GAUSSŮV jev magnetorezistor, magnetotranzistor chemický Galvanoelektrický jev ISFET k měření koncentrace Fyzikální jevy využívané v senzorice Termoelektrické jevy teplotní závislost odporu polovodiče teplotní závislost PN přechodu v propustném směru teplotní závislost odporu tenkých vrstev pyroelektrický jev termoelektrický jev bolometrický jev Piezoelektrické jevy piezoodporový jev piezoelektrický jev
akustickoelektrický jev Magnetoelektrické jevy Hallův jev magnetoodporový jev magnetodiodový jev magnetotranzistorový jev nábojový doménový jev Radiační jevy neionizující elektromagnetické záření fotovodivost fotonapěťový jev laterární fotojev obrazové snímání s prvky CCD ( s přenosem el. náboje) Radiační jevy ionizující záření absorpce ionizujících částic ionizace sběr generovaných nosičů náboje polovodičové detektory ionizujícího záření Úvod do metrologie - 51 - Fyzikálně chemické jevy adsorpce vyvolané generací elektrochemického potenciálu sorpce vyvolaná změnou výstupní práce sorpce vyvolaná změnou vlastností dielektrik Mechanické jevy mechanická deformace (tenzometry) vibrační rezonance (akcelerometry) V současné době se již využívají snímače 3. generace, vyvinuté na aktuální technologické úrovni mikroelektroniky. Měřicí řetězec Spojitý (analogový) řetězec neelektrická senzor měřidlo Nespojitý (digitální) řetězec bez PC Zobrazovač (displej)
- 52 - Úvod do metrologie Měřicí řetězec s mikropočítačem mikropočítač k PC Měřicí řetězec s PC Snímač PC monitor Tenzometr Zásuvná jednotka měřicí Je změny mechanické deformace na změnu elektrického odporu. Vysvětlení principu činnosti na vetknutém nosníku Elektrický odpor homogenního vodiče je dán vztahem je délka a S průřez vodiče.celková změna odporu je HALLŮV senzor R R dr = dl + l S ds. l R =ρ, kde ρ je měrný odpor, l S Je destička z polykrystalického křemíku se dvěma páry vývodů, proudového a napěťového, viz obr. I B + U H -
Úvod do metrologie - 53 - využívá LORENTZOVU sílu Fm = Q ( v B), kterou působí magnetické pole B na pohybující se elektrický náboj, resp. proud I. Při konfiguraci podle obr. se na jedné boční straně čidla hromadí kladný a na druhé boční straně záporný náboj. I + + + + + B - - - - - HALLOVO napětí UH = RHBI, kde R H je tzv. HALLOVA konstanta. Aplikace: bezdotykové měření magnetické indukce B, bezdotykové měření proudu. Inteligentní senzor (smart sensor) Struktura senzor 1 senzor 2 senzor 3 měřicí e a multiplexor obvody autokalibrace a kompenzace mikropočítač Smart sensor = vlastní sensor ( zajišťuje fyzikální převod ) + obvody pro unifikaci + obvody pro zpracování + obvody pro přenos dat Složení : vstupní část vstupní převod, zesílení, linearizace charakteristiky, autokalibrace, kompenzace, vnitřní část A-Č převod, číslicová linearizace, autodiagnostika, výstupní část mikropočítač, aritmetické a logické operace, stykové obvody