Zlín 0 SENZORY Fyzikální principy, úpravy signálů, praktické použití František Hruška
Doc. Ing. František Hruška, Ph.D. Senzory. Fyzikální principy, úpravy signálů, praktické použití. (e-book). Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně Fakulta aplikované informatiky Září 0
Recenzent: Ing. Josef Kovář ISBN 978-80-7454-096-7 (C) doc. Ing. František Hruška, Ph.D. 3
Obsah PŘEDMLUVA... 8 ÚVOD DO SENZORIKY... 9. VÝZNAM A URČENÍ SENZORŮ... 9. PRINCIPY ČINNOSTI SENZORŮ... 0.3 KATEGORIE SENZORŮ....4 ZÁKLADNÍ POJMY... 3.5 METODY PRO ZMENŠENÍ CHYB SENZORŮ... 5.6 HISTORIE SENZORŮ A TRENDY JEJICH ROZVOJE... 8 3 ODPOROVÉ SENZORY... 0 3. FYZIKÁLNÍ ZÁKLADY ODPOROVÝCH SENZORŮ... 0 3. ÚVOD... 3.3 KONTAKTNÍ ODPOROVÉ SENZORY... 3.4 POTENCIOMETRICKÉ ODPOROVÉ SENZORY... 4 3.5 ODPOROVÉ SENZORY TEPLOTY... 5 3.5. Kovové odporové senzory teploty... 5 3.5.. Platinové odporové senzory... 6 3.5.. Niklové odporové senzory... 8 3.5..3 Měděné odporové senzory... 8 3.5..4 Molybdenové odporové senzory... 8 3.5..5 Ostatní kovové senzory teploty... 9 3.5. Polykrystalické polovodičové odporové senzory teploty... 9 3.5.. Termistory... 30 3.5.. Pozistory... 3 3.5.3 Monokrystalické polovodičové odporové senzory teploty... 34 3.6 BOLOMETRY... 35 3.7 TENZOMETRICKÉ ODPOROVÉ SENZORY... 37 3.8 ODPOROVÉ SENZORY JADERNÉHO A RENTGENOVÉHO ZÁŘENÍ... 4 3.9 ODPOROVÉ SENZORY FOTOELEKTRICKÉ... 4 3.0 ODPOROVÉ SENZORY MAGNETICKÉ... 45 3. ODPOROVÉ SENZORY VLHKOSTI... 47 3. ELEKTRICKÁ VODIVOST ROZTOKŮ... 47 3.3 ELEKTROLYTICKÉ SENZORY OSTATNÍ... 5 3.4 ODPOROVÉ SENZORY FYZIKÁLNĚ CHEMICKÉ... 5 3.4. Senzor polovodičový... 5 3.4. Senzor termochemický (katalytický)... 5 3.4.3 Odporové senzory tepelné vodivosti... 53 3.4.4 Odporové senzory anemometrické... 55 3.5 VYHODNOCENÍ ZMĚN ELEKTRICKÉHO ODPORU... 57 3.5. Převod elektrického odporu na napětí.... 57 3.5.. Měření úbytku napětí na odporu... 57 3.5.. Můstkové zapojení vyhodnocovacího obvodu... 59 3.5..3 Převod elektrického odporu na impulzy.... 6 3.5. Negativní vlivy vyhodnocovacích obvodů... 63 3.5.. Vliv ohřívání senzorů od Joulova tepla:... 63 3.5.. Vliv odporu přívodů... 64 4 KAPACITNÍ SENZORY... 65 4. TEORIE ELEKTRICKÉ KAPACITY... 65 4. PRINCIPY APLIKACE KAPACITNÍHO SENZORU... 7 4.3 KAPACITNÍ SENZORY S PROMĚNNOU DIELEKTRICKOU KONSTANTOU... 7 4.4 KAPACITNÍ SENZORY SE ZMĚNOU ROZMĚRŮ ELEKTROD... 73 4.5 POUŽITÍ KAPACITNÍCH SENZORŮ... 75 4.6 VYHODNOCOVÁNÍ SIGNÁLU Z KAPACITNÍCH SENZORŮ... 76 4
4.6. Propojování kapacitních senzorů... 76 4.6. Převod změn elektrické kapacity na elektrické napětí.... 76 4.6.. Nepřímé měření změny elektrické impedance kapacitního senzoru... 76 4.6.. Zapojení se střídavým můstkem... 77 4.6..3 Měření elektrické impedance aktivními operačními zesilovači... 78 4.6.3 Měření elektrické impedance zapojením s rezonančními obvody... 79 4.6.4 Měření elektrické impedance měřením časové konstanty... 79 5 INDUKČNOSTNÍ SENZORY... 80 5. TEORIE... 80 5. SENZORY S MALOU VZDUCHOVOU MEZEROU... 85 5.3 SENZORY S OTEVŘENÝM MAGNETICKÝM OBVODEM... 86 5.4 SENZORY S POTLAČENÝM MAGNETICKÝM POLEM.... 88 5.5 SENZORY BEZ FEROMAGNETIKA.... 89 5.6 SENZORY MAGNETOELASTICKÉ... 9 5.7 SENZORY MAGNETOANIZOTROPNÍ... 9 5.8 SENZORY S INVERZÍ WIEDEMANNOVA JEVU... 93 5.9 INDUKČNOSTNÍ SENZORY TEPLOTY... 94 5.0 VYHODNOCOVÁNÍ SIGNÁLU Z INDUKČNOSTNÍCH SENZORŮ... 94 5.0. Propojování indukčnostních senzorů... 94 5.0. Převod změn elektrické indukčnosti na elektrické napětí.... 95 5.0.. 5.0.. Nepřímé měření změny elektrické impedance indukčnostního senzoru... 95 Zapojení se střídavým můstkem... 95 5.0.3 Měření elektrické impedance zapojením s rezonančními obvody... 96 6 AKTIVNÍ NAPĚŤOVÉ SENZORY... 97 6. INDUKČNÍ SENZORY... 97 6.. Teorie... 97 6.. Indukční elektromagnetické senzory... 98 6..3 Indukční elektrodynamické senzory... 00 6..4 Indukční senzor průtoku... 04 6..5 Senzor indukční magnetostrikční... 06 6..6 Senzor jako cívka ve střídavém magnetickém poli... 06 6..7 Bezelektrodový senzor vodivosti kapaliny... 07 6. TERMOELEKTRICKÉ SENZORY... 08 6.. Teorie... 08 6.. Senzory termoelektrické kovové... 09 6..3 Vyhodnocování signálů z termoelektrických senzorů... 0 6..4 Senzory termoelektrické nekovové... 6.3 ELEKTROCHEMICKÉ POTENCIOMETRICKÉ SENZORY... 3 6.3. Teorie... 3 6.3. Senzory ph... 4 6.3.3 Senzory iontově selektivní... 7 6.3.4 Senzory redox potenciálu... 8 6.3.5 Senzory koncentrace rozpuštěného kyslíku ve vodě... 9 6.3.6 Senzory s tuhým elektrolytem... 0 7 AKTIVNÍ SENZORY S ELEKTRICKÝM NÁBOJEM... 7. PIEZOELEKTRICKÉ SENZORY... 7. PYROELEKTRICKÉ SENZORY... 6 7.. Teorie elektromagnetického záření... 6 7.. Pyroelektrický sensor... 7 8 EMISNÍ SENZORY... 30 8. SENZORY S FOTOELEKTRICKOU EMISI... 30 8. FOTONÁSOBIČE... 3 8.3 EMISNÍ SENZORY MECHATRONICKÉ... 33 5
8.4 LUNISCENČNÍ A SCINTILAČNÍ SENZORY... 33 9 IONIZAČNÍ SENZORY... 36 9. ÚVOD... 36 9. IONIZAČNÍ SENZORY JADERNÉHO ZÁŘENÍ... 37 9.3 SENZOR IONIZAČNÍ PROPORCIONÁLNÍ... 38 9.4 SENZOR IMPULZOVÝ (GEIGERŮV MÜLLERŮV ČÍTAČ)... 38 9.5 IONIZAČNÍ SENZORY POLOHY... 39 9.6 IONIZAČNÍ SENZORY VAKUA... 4 0 OPTICKÉ SENZORY... 4 0. REFRAKTOMETRICKÉ SENZORY... 4 0.. Teorie... 4 0.. Konstrukce refraktometrického senzoru... 43 0. SENZORY S OPTICKÝMI VLÁKNY... 44 0.3 SENZORY S ABSORPCÍ A ROZPTYLEM SVĚTLA... 45 POLOVODIČOVÉ MONOKRYSTALICKÉ SENZORY S PN PŘECHODY... 49. ÚVOD... 49. BIPOLÁRNÍ SENZORY S POLOVODIČI PN... 5.. Polovodičové PN senzory diodové... 5...... Polovodičové PN diody jako teplotní senzory... 5 Polovodičové tenzometry... 53...3...4 Polovodičová fotodioda... 54 Polovodičové senzory radioaktivního a rentgenového záření... 55...5 Polovodičové senzory magnetického pole... 55.. Polovodičové PN senzory s bipolárními tranzistory... 57... Teplotní tranzistorové senzory... 57... Teplotní integrované senzory... 57...3 Fototranzistor... 59...4 Fototyristor... 59..3 Polovodičový fotočlánek... 59.3 UNIPOLÁRNÍ POLOVODIČOVÉ SENZORY... 6.3. Polovodičové senzory elektrometrické... 6.3. Senzor s pevnou fází... 6.3.3 Senzor CHEMFET... 6.3.4 Polovodičový senzor polohy... 63.3.5 Polovodičový senzor s nábojově vázanou strukturou... 64.3.6 Senzory obrazů CMOS... 66.4 MEMS SENZORY... 67 MECHANICKÉ SENZORY... 70. KINEMATICKÉ SENZORY... 70.. Gyroskopický senzor... 70.. Senzor s odstředivou sílou... 7..3 Senzor s Coriolisovou sílou... 7. DEFORMAČNÍ SENZORY... 75.. Pružiny... 75.. Membrána... 76..3 Vlnovec... 78..4 Bourdonova trubice... 78..5 Nosník a deska... 78.3 DILATAČNÍ SENZORY... 83.3. Kovové dilatační senzory... 84.3. Tekutinové dilatační senzory... 84 3 TEKUTINOVÉ SENZORY... 85 3. ÚVOD... 85 6
3. SENZORY PNEUMATICKÉ TRYSKA KLAPKA... 85 3.3 SENZORY S ROZVODY TEKUTINY... 86 3.4 SENZORY TEKUTINOVÉ S PROUDOVOU A ZÁCHYTNOU TRYSKOU... 87 3.5 SENZORY ROTAČNÍ OBJEMOVÉ... 88 3.5. Senzor s lopatkovým oběhovým kolem... 88 3.5. Senzor s turbinkovým kolem... 89 3.5.3 Senzor s ozubenými koly... 90 3.5.4 Senzor s bubnovým kolem... 9 3.6 SENZORY PRŮŘEZOVÉ... 9 3.7 SENZORY PLOVÁČKOVÉ... 93 3.8 SENZORY NÁPOROVÉ... 95 3.9 SENZORY VÍROVÉ... 96 3.0 SENZORY PROUDĚNÍ V OTEVŘENÝCH KANÁLECH... 97 3. SENZOR S PRINCIPEM HYDROSTATICKÉHO TLAKU... 98 4 SEZNAM LITERATURY... 00 7
Předmluva Senzory jsou základním prvkem technických prostředků pro měření a pro snímání údajů, dat a informací u řídicích a informačních systémů (dále jen RIS). Jsou klíčovými částmi protože určují vlastnosti a činnosti systému. Různorodost požadavků RIS na podsystémy měření a snímání dat vyvolává trvalý tlak na vývoj nových typů snímačů a tím i senzorů. Technická praxe i vědecká oblast používá velké množství různých typů senzorů. Při tom se využívají různé fyzikální principy pro zajištění snímání různých veličin od vnějších podnětů. Celková koncepce této monografie byla proto stanovena tak, že problematika senzorů je zpracována primárně podle fyzikálních principů a následně jsou senzory popisovány podle druhu měřené veličiny a podle použití. Jsou popisovány základní druhy senzorů s fyzikálními, chemickými, mechanickými a tekutinovými principy používané v dnešní moderní praxi. Z velmi obsáhlého souboru senzorů jsou uváděny ty druhy, kde lze vyzvednout princip, kde lze na tomto principu vysvětlit podstatu aplikace zákonů fyziky, mechaniky, elektrotechniky, chemie a dalších vědních oborů a kde lze vytvořit příkladný vzor možného používání senzorů v praxi. Tato monografie je úvodní částí velkého kompendia technických prostředků RIS. Na základě poznání senzorů lze pokračovat ve studiu celé problematiky technických prostředků RIS. Popis principů navazuje na znalosti oborů fyziky, částečně chemie, elektrotechniky, mikroelektroniky, teorie automatického řízení a aplikované informatiky. Monografie je určena odborníkům a studentům oborů technická kybernetika, systémů automatického řízení, informačních systémů. Odborný rozsah může také doplnit nebo rozvinout znalosti provozních inženýrů v praxi a projektantů RIS ve všech odvětvích hospodářství. Zpracování tématu monografie je originální a vlastní. Literatura uvedená v kapitole č. 4 byla použita při sepisování textů a sestavování matematických rovnic, byla vodítkem a vzorem. Byla použita různě podle potřeby a rozsahu. V celé monografii byla použita literatura (,,3,4,5,6,7,8,9,0,,). Citace a odkazy nejsou uvedené v jednotlivých kapitolách textu a výše uvedené odkazy platí pro celou monografii. 8
Úvod do senzoriky. Význam a určení senzorů Systémy automatického řízení a informatiky se neustále rozvijí a aplikují v průmyslu, ve službách, ve zdravotnictví, ve vědě i v domácnostech. Tyto systémy mají své funkce založené na kvalitních vstupních datech a informacích, tj. na kvalitním podsystému měření nebo snímání. Poznámka: V textu rozlišujeme pojem měření veličin a snímání údajů. Měření technologických veličin je způsob zjišťování veličiny pomocí postupů měření, tj. kvantitativním (číselným) zkoumáním vlastností předmětů, jevů, procesů, obvykle porovnáváním s obecně přijatou jednotkou, kdy výsledkem měření je číslo, které vyjadřuje poměr zkoumané veličiny k jednotce. Např. měření teploty, tlaku, průtoku, tepla, energie apod. Snímání údajů je proces transformace údaje z jednoho nosiče na datový údaj vyjádřený v digitálním formátu. Např. snímání čárového kódu, čipové karty, otisku prstu apod. Měřicí okruh v obecném pohledu tvoří snímač převodník - případně vyhodnocovací jednotka. Schéma je na obr.-. Základním prvkem snímače () je senzor (), kde se uskutečňuje snímání nebo převod vnějšího fyzikálního podnětu (3) na měronosný zpravidla neunifikovaný signál (4). Senzor tvoří vlastně primární rozhraní mezi vnějším podnětem sledovaného objektu a obvody dalšího zpracování informace. Další částí snímače je mechanická případně elektronická konstrukce. Převodník (5) je elektronický obvod a vyhodnocuje primární signál ze senzoru a převádí jej zpravidla na elektrický unifikovaný signál (6) měřené veličiny, např. 0-0V DC (stejnosměrné napětí) nebo 4-0 ma DC. V případech dalšího zpracování signálů měřené veličiny, např. při vyhodnocení dávkovaného množství integrací nebo měření dodávky tepla, se používá vyhodnocovací jednotka (7) s výstupem (8). - Schéma měřicího řetězce Senzor je proto významná část snímače. Je to element, který je ovlivňován měřenou veličinou z vnějšího prostředí, která generuje v senzoru měřitelnou změnu fyzikální, chemickou, mechanickou nebo tekutinovou. Příklad pozice senzoru ve snímači tlaku je na obr. -. Poznámka: Termín senzor je převzat z latiny do mnoha jazyků. Slovo sensus znamená v latině počinek, smysl, vjem, vnímání. V angličtině je sense ve významu cítit, tušit, uvědomit si, na rozdíl od measure, které znamená měřit, ocenit, odhadnout, posoudit. 9
6 5 4 7 3 - - Schéma měřicího řetězce u senzoru ve snímači tlaku ( senzor, měřicí komora, 3 šroubení, propojení senzoru s elektronikou, 5 elektronika převodníku, 6 kryt snímače, 7 vývod kabelu) Obdobnou funkci, postavení a principy zastávají senzory u zařízení pro snímání údajů v systémech informatiky. Příklad je zobrazen na obr. -3. Jedná se o snímač čárových kódů () pracující na principu snímání odrazu záření (např. světelného, laserového apod.). Snímač obsahuje senzor odraženého paprsku záření () ze zdroje (3), propojení a analogový zesilovač (4), vyhodnocovací embedded systém s mikrokontrolerem (5) a jeho datový výstup (6). 8 4097 3 4 5 6-3 Umístění senzoru ve snímači čárového kódu (-snímač, -senzor a jeho propojení, 3- zdroj záření, 5-elektronika s embedded mikrokontrolerem, 6-datový výstup) Měřicí obvod nebo sestava pro snímání je obdoba čidel nebo receptorů u živých tvorů na Zemi. Živý organizmus má jako snímače oči, uši, nos atd, a jejich buňky těchto smyslů jsou citlivé na světlo, zvuk, vůně (jsou obdobou senzorů u technických snímačů), přičemž vyhodnocovací jednotkou je mozek.. Principy činnosti senzorů Senzory pracují podle různých fyzikálních nebo fyzikálně chemických, mechanických a dalších principů. Pochopení prostředků senzorů znamená aplikovat interdisciplinární znalosti z fyziky, elektroniky, chemie, mechaniky. Hmota senzoru má takové vlastnosti, že své vlastnosti nebo parametry mění pod vlivem působení vnějších vlivů. Podle druhu změn ve hmotě senzoru, tj. podle principů přeměny vlivu vnějšího vlivu na její vlastnosti či parametry rozdělují se senzory na skupiny: Měnící elektrické vlastnosti hmoty podle změn elektrické rezistance (elektrického odporu), změn kapacitance, změn induktance, tj. senzory odporové, kapacitní, indukčnostní. Generující elektrický potenciál (elektrický náboj, elektrické napětí), tj. senzory aktivní nábojové, potenciometrické, ampérometrické, indukční. Vytvářející změny směru a energie elektromagnetického záření (lom světla, absorpce elektromagnetického záření), tj. senzory optické. Způsobující mechanické efekty (změna rozměrů dilatací, změna odstředivé nebo Coriolisovy síly, deformace vrstvev), tj. senzory mechanické Působící hydraulickými účinky na proudění tekutin, tj. senzory tekutinové. Vytvářející chemické změny a reakce, tj. senzory elektro katalytické. 0
Ovlivňující polovodičový efekt hmoty polovodičů, tj. senzory polovodičové. Reagující na ionizující záření, tj. senzory ionizační. Názorný přehled fyzikálních principů, druhů vnějších vlivů, typů senzorů a jejich aplikace je uveden v Tabulka - Tabulka - Fyzikální principy, typy a aplikace senzorů Fyzikální princip Typ senzoru Aplikace v SIA Mechanický: - tepelná roztažnost - setrvačnost osy, odstředivá a Coriolisova síla Tekutinový: - změna rychlosti proudění - vírový - změna tlaku při výtoku Elektrická resistance (odpor podle Ohmova zákona) a vodivost - kovový teplotní - kovový mechanické napětí - polykrystalický polovodičový - monokrystalický polovodičový - polovodičový s přechodem - polovodičový tenzometrický Bimetal, roztažnost objemů Akcelerometr, Gyroskop Průřezový senzor průtoku, Pitotova trubice Vírový průtokoměr Tryska-klapka Pt, Ni, Mo teploměr Tenzometr Termistor NTC, PTC Si senzor monokrystal Polovodičový materiál s přechodem P nebo N Tenzometr Snímání teploty, termostat, Snímač polohy a její změny, Měření průtoku a rychlosti průtoku Měření průtoku Měření polohy, posuvu, délky Měření teploty dotykově, potenciometrické poloha, natočení, Mechanické napětí Měření teploty dotykově Měření teploty dotykově Měření teploty dotykově, magnetická indukce, světla, Mechanické napětí, tlak, síla, hmotnost, Elektrické pole a náboj: - pyroelektrický - kapacitní - piezoelektrický Induktance a magnetismus: - indukčnost cívky - magnetostrikce - paramagnetismus Magnetická indukce Pyroelektrický Kondenzátor jako senzor Piezoelektrický nebo ultrazvukový Indukční senzor Magnetostrikční senzor Paramagnetický senzor Tachogenerátor, magnetodynamický senzor, Měření teploty bezdotykově Posuv, poloha, vlhkost, hladina Tlak, síla, hmotnost, Ultrazvuk poloha, vzdálenost, průtok, hladina Měření polohy, posuvu, Měření polohy, posuvu, Měření obsahu O, NO Hallův efekt Hallův senzor Měření magnet.indukce, proudu Seebeckův a Peltierův efekt Termočlánek Teplota
Přenos a absorpce elektromagnetického záření Optické vlastnosti materiálů Radioaktivní záření Polovodičový efekt Chemické reakce Emisní senzor, Elektroluniscence, Fotonásobič Absorpce elektromagnetického záření Rozptyl elektromagnetického záření Anemometrický senzor Refraktometrický senzor Optické vlákno, Absorpce Ionizační senzor Diodový senzor Tranzistorový senzor Integrovaný obvod CCD senzor MEMS senzor Termo katalytický senzor Pt, polovodičový (pellistor) Plamenoionizační senzor (FID Flame ionisation detector) Bioreakce Intenzita světla Koncentrace látek Kvantové měření světla Turbidimetrie Nefelometrie Rychlost proudění tekutiny, průtok Koncentrace organických látek Poloha, posuv Měření intenzity světla, teploty Měření teploty, ISFET, ChemFET, CMOS obrazový snímač, PSD, Obrazový snímač Akcelerometr, tlakový senzor, gyroskop, Koncentrace spalitelných plynů Koncentrace spalitelných plynů Biosenzory a analýzy potravin Z výše uvedeného přehledu metod používaných při snímání a převodu vnějších podnětů na výstupní signály senzorů je zřejmé, že v převážné většině se jedná o elektrické principy. Elektronika umožňuje zajistit miniaturizaci senzorů, velkou přesnost, citlivost, malé časové konstanty měření, dálkový přenos signálu ap. Dalším důvodem a předností současně je, že všechny systémy informatiky a automatizace jsou elektronické z 99.9 %. Jen malá část senzorů využívá mechanické jevy (tepelná roztažnost látek) nebo tekutinové principy (pneumatické, hydraulické), ale zpravidla tyto senzory mají doplňkový senzor pro převod mechanické změny na elektrický signál. Znalosti o vlastnostech a principech činnosti senzorů umožní poznat aplikace fyzikálních a dalších jevů u senzorů, umožní získat znalosti o snímačích pro měření nebo snímaní dat a údajů, pomůže při kvalitním navrhování měřicích postupů a dokonalém konstruování snímačů a jejich použití v praxi..3 Kategorie senzorů Třídění senzorů je prováděno z mnoha hledisek. Mezi základní úvodní hledisko zařadíme dělení senzorů podle využívaného fyzikálního principu. Takové dělení obsahuje již tab.. Podle tohoto klíče je zpracována tato monografie. Rozdělení senzorů můžeme provádět také podle : druhů vnějších podnětů, tj. snímaných veličin, např. teplota, tlak, průtok, mechanické veličiny (posunutí, rychlost, poloha, zrychlení, síla, mechanické napětí), radiační veličiny elektromagnetického záření, složení a vlastností látek, elektrické veličiny (napětí, proud, frekvence, fázový posuv, výkon, energie), teplo, apod. styku s měřeným prostředím (bezdotykové, dotykové)
druhu změn parametrů senzoru při působení vnějšího podnětu: aktivní senzory, kde působení vnějšího podmětu generuje v senzoru elektrickou energii (např. termočlánek, fotočlánek, piezoelektrický krystal, indukční tachogenerátor) nebo pasivní senzory, který působením vnějšího podmětu mění senzor své parametry (elektrický odpor, indukčnost, kapacitu)..4 Základní pojmy Terminologie používaná v oboru senzorů je velmi rozsáhlá. Pro přehlednost a pro pochopení studované látky uvádíme stručné vysvětlení některých vybraných pojmů: - fyzikální jev (vzniká pouze změna fyzikálních vlastností hmoty senzoru) a fyzikálně chemický jev (chemická změna vratná, častěji nevratná) - materiál (druh organický/anorganický, vodivý/izolátor, polovodičový, kapalný plyn/plasma, biologický,..), - oblast aplikace (průmysl, obchod, energetika, lékařství, armáda, věda a výzkum, doprava, domácnosti, životní prostředí, meteorologie, informatika, telekomunikace, rekreace a volný čas, kosmické užití,..) - statické vlastnosti - statická charakteristika: y= fce(x), kde y je výstupní signál, x je vstupní podnět, závislost např. y=a+b.x, y=a+b.ln(x), y=a+b.x k (a je stav při nulovém podnětu, b je citlivost), nelinearita při nelineární funci x nebo, když b není konstantní číslo - citlivost je konstanta b statické přenosové funkce, pro ideální senzor platí: y=b.x, kde konstanta b je citlivost senzoru; pro obecnou funkční závislost pro přírůstky Δy a Δx platí: b = limδ x 0 ( Δy / Δx) - práh citlivosti: hodnota vstupu, kdy výstup se rovná střední kvadratické odchylce šumu senzoru - rozsah vstupu a výstupu: pásmo rozsahu změn podnětu na vstupu a nebo rozsahu výstupu omezené prahem citlivosti a maximální hodnotou vstupu a výstupu, vyjádření je lineární, logaritmické nebo jiné - reprodukovatelnost: odchylka výstupu při krátkodobém měření konstantní hodnoty vstupu při konstantních rušivých vlivech - rozlišitelnost: je nejmenší element jevu, který může být snímán, pro analogový výstup platí vztah ra = δ s ( -) ymax ymin + Δy max kde (Δy max je max. absolutní chyba, δ s relativní chyba senzoru), a pro A/D převod je r d = n, (n počet bitů) ( -) - přesnost: chyba systematická, reálná, absolutní, relativní,.., nepřesnost největší odchylka hodnoty ideální vůči měřené, nejistoty v měření moderní vyjádření nepřesnosti (viz poznámka *),..., - kalibrační chyba odchylky ideální a skutečné charakteristiky při výrobě, ověřování, cejchování - hystereze: neshoda charakteristiky pro vzestupné a sestupné změny, chyba hystereze je y y δ h = ( ) max ( -3) ymax - saturace : limita funkce měření senzoru - mrtvé pásmo- necitlivost senzoru v určitém rozsahu či pásmu, nejčastěji na vstupu, 3
- vstupní impedance: změna vnitřního odporu podle změn vstupního napětí a proudu, - výstupní impedance: určuje rozhraní s další elektronikou, je napojena sériově se vstupní impedanci buzeného obvodu při napěťovém senzoru nebo paralelně k vstupní impedanci buzeného obvodu při proudovém senzoru - dynamické vlastnosti - dynamická charakteristika časová závislost průběhu přechodového děje výstupu podle změny vstupu vyjádřená diferenciální rovnicí nebo obrazovým přenosem v Laplaceově m m Y( p) bm p + bm p +... b0 transformaci F( p) = = nebo frekvenčním přenosem n n X ( p) a p + b p +... a F( jω ) = P( ω) jq( ω) = A( jω). e kde A ( jw) = P ( w) + Q ( w) ; přenos senzoru.řádu : přenos senzoru druhého řádu: K F ( p) = + pt n n jϕ( w) Q( w) ϕ( w) = arctg P( w) F ( p) = +, K cpt F( jw) relativní dynamická chyba : δ D ( w) = K (-7) - (Warm-up time) doba mezi okamžikem buzení a dosažením specifikované přesnosti senzoru - dynamická chyba rozdíly dynamického chování reálného a ideálního senzoru - časová konstanta - doba, kdy přechodový děj na výstupu dosahuje určité hodnoty ustálené hodnoty; používá se časová konstanta pro aproximaci soustavou I. řádu: T 50 (dosahuje se hodnoty 50% ustáleného stavu), T 63 (dosahuje se hodnoty 63.% ustáleného stavu, tato konstanta odpovídá časové konstantě podle teorie regulace), T 95 (dosahuje se hodnoty 95 % ustáleného stavu), - frekvenční odezva reakce senzoru na frekvenční změny vstupu (Hz), - mezní kmitočet, rezonanční frekvence podstatný vrůst výstupu, - posuv fáze, - tlumení - potlačení oscilací přechodového děje, faktor tlumení je poměr dvou sousedních amplitud překmitu, - ostatní vlastnosti: - provozní spolehlivost - schopnost senzoru pracovat spolehlivě se správnou funkcí po danou dobu s danými podmínkami, parametr MTBF, - skladování, uložení mimo funkci, - chyby od vlastního ohřevu, - aplikační aspekty (vzhled, vnější tvar, hmotnost, rozměry, cena). + p T 0 (-4) (-5) (-6) Poznámka : Pro vyhodnocení přesnosti platí norma ČSN ISO 575:996 (0 05) Přesnost (správnost a shodnost) výsledků měření. Definuje: opakovatelnost, reprodukovatelnost, správnost (těsnost shody mezi aritmetickým průměrem výsledků a konvenční hodnotou) a shodnost (těsnost shody mezi nezávislými výsledky zkoušek za určitých podmínek). Uvádí statický model výsledku: y=m+b+e, kde m je obecná střední hodnota, B je 4
var( B) = δ ), e je náhodná chyba měření součet náhodné a systematické složky vznesené laboratoří ( s normálním rozdělením ( var( e) = δ r ) jako rozptyl opakovatelnosti. Dalšími údaji jsou hodnoty nejistot v měření. Přesnost udává výrobce a deklaruje ji při splnění určitých podmínek a týká se pouze konkrétního výrobku. Při zabudování senzoru do snímače vzniká nová situace, která zpravidla neodpovídá podmínkám ověřování u výrobce. Na zabudovaný senzor působí vlivy nového prostředí a nových podmínek. Nejistoty v měření se určují pro zabudovaný snímač nebo celý okruh měření nebo snímání, ale vlastní senzor zde hraje významnou roli..5 Metody pro zmenšení chyb senzorů Jak jsme již uvedli, senzory při reakci na vnější vstupní podnět dávají výstupní signál zatížený také vnitřními a vnějšími parazitními vlivy. Vnitřní chyby senzorů jsou dány vlastním systematickými a náhodnými procesy senzoru a jeho vnitřním rušením. Vnějším vlivem je jednak vazba na měřený proces, jednak vazba výstupu na další obvody vyhodnocování, působení interferenčního a elektromagnetického rušení. Vstupní vazba senzoru na proces je dána kvalitou přenosu měřeného podnětu na senzor a případnou zpětnou vazbou působení senzoru na proces. Např. senzor pro měření teploty v prostředí musí mít zajištěn co nejdokonalejší přestup tepla do senzoru. Zpětná vazba senzoru na proces může být tepelné působení senzoru na snímanou plochu při snímání elektromagnetického záření. Vliv výstupních vazeb lze nejčastěji pozorovat u parametru zátěžného odporu výstupní jednotky a nebo u rušení na spojovacím vedení. Zpětným působení vyhodnocovací jednotky může být např. ohřev teplotního odporového senzoru od měřicího proudu. V praxi jsou používány metody, které umožní zmenšit vznik chyb snímání senzorů. Mezi nejznámější metody můžeme zařadit: - kompenzační zapojení senzorů - diferenční zapojení senzorů - zpětnovazební zapojení senzorů - linearizační zapojení - automatickou kalibraci - filtraci - posuv spektra - korekce dynamické chyby. Kompenzační metodu zobrazuje schéma na obr. -4. Měřicí senzor má na vstupu vnější podnět x a poruchovou veličinu z. L -4 Schéma kompenzační metody Poruchová veličina je současně snímána kompenzačním senzorem. Na Chyba! Nenalezen zdroj odkazů.. Výstup obou senzorů je v rozdílovém členu vyhodnocen podle rovnice: y = K x. x + z ( K z K k ) kde je K x citlivost senzoru měřené veličiny, K z citlivost senzoru poruchové veličiny, K k korekčního senzoru. (-8) citlivost 5
E Q Q -5 Schéma kompenzace teploty u pyroelektrického senzoru Pro kvalitní kompenzaci je podmínkou rovnost citlivosti měřicího a kompenzačního senzoru na poruchovou veličinu. Příkladem kompenzace může být zapojení pyroelektrického senzoru podle obr.-5. Senzor je dvojitý, na první část senzoru působí elektromagnetické záření a současně teplota okolí a vzniká náboj Q. Druhá část je odstíněná od vlivu záření a při působení jen teploty okolí vzniká náboj Q. Obě části jsou tvořeny dílčími senzory o základním shodném nulovém náboji Q 0. Platí: Q = Q Q = Q ΔE + ΔT ) Q ( ΔT ) = Q ( Δ ) ( -9) 0( 0 0 E Metoda diferenčního zapojení senzorů používá dva stejné senzory s tím, že jejich zapojení je s opačným znaménkem. Schéma zapojení je na obr. -6. -6 Schéma diferenčního zapojení senzorů Výstup obou senzorů je v rozdílovém členu vyhodnocen podle rovnice: 3 3 δf ( x) x δ f ( x) y =.( ) x + ( ).. ( ) 0 3 x = K x + δ 0 y ; K δx 3! δx δf = δ x x 0 ( -0) kde je K konstanta statické charakteristiky v bodě x 0, δ y relativní chyba měření od nelinearity. -x +x f=c x +x f=c-c x C C f=c x -7 Kapacitní diferenční senzor Z výše uvedeného vztahu vyplývá, že citlivost zapojení se zvyšuje dvojnásobně. Zapojení eliminuje také rušivé aditivní chyby senzorů. Jako příklad diferenčního zapojení senzorů můžeme uvést tříelektrodový kapacitní senzor, schéma je na obr. -7. Dalším příkladem může být můstkové zapojení. 6
-8 Schéma zpětnovazebního senzoru Metoda zpětnovazebního senzoru má zavedenou zpětnou vazbu výstupu senzoru do vnitřního zapojení senzoru. Schéma zapojení je na obr. -8. Za předpokladu, že konstanty senzoru K = K = můžeme pro výstup y psát: y = K. K.( x x ) = K. K.( x K. y) ( -) p p k p p k kde je K p zesílení převodníku, K z zesílení zesilovače, K k zesílení korekce. Při dostatečně velkém zesílení zesilovače a převodníku závisí přenos senzoru pouze na zesílení korekčního zesilovače. Tento zesilovač musí dále vykazovat malé chyby nelinearity, mít dobrou stabilitu přenosu a odolnost vůči rušivým vlivům. Tyto požadavky lze zpravidla dostatečně splnit. Senzor musí mít jen dobrou stabilitu nuly. Metoda zpětnovazebního senzoru se používá např. u tekutinových senzorů s vyrovnáním výchylky. Senzor se sériovým linearizačním členem představujeme na schématu -9. Senzor, který má zesílení K s =dx /dx vykazující nelinearitu, má v sérii zapojený linearizační člen se zesílením K l =dy/d x s umělou nelineritou. Pro výslednou konstantu přenosu senzoru lze napsat vztah: dy K = = K s ( x). Kl ( x ) ( -) dx kde je K s zesílení senzoru, K l zesílení nelineárního členu. Aby bylo dosaženo výsledné lineární charakteristiky, musí pro linearizační člen platit: K df ( x ) Kl ( x ) = = K ( -3) K s ( x) dx kde je df - (x ) diferenciál inverzní funkce. -9 Schéma senzoru s linearizačním členem Pro praktické aplikace řešíme linearizační člen tak, aby platilo f(x )= df - (x ). Tento problém se vyskytuje u senzorů velmi často, jako např. u senzorů indukčnostních, polovodičových apod. Při aplikacích mikroelektroniky lze pro linearizaci použít číslicové zpracování signálů podle obr. -0 matematické funkce nebo podle tabulky přepočtových hodnot. Zpravidla se jedná o inteligentní senzor nebo součást embedded systému. Linearizace se provádí výpočty podle matematického členu a pro danou funkci, např. polynomickou, exponenciální apod. Signál ze senzoru je zesílen v obvodu úpravy signálu (Ele) na dostatečnou úroveň (nejčastěji na,5v) a dále je přiveden na analogový vstup embedded obvodu s mikrokontrolerem (MC). Zde je obvod vede přes obvody MUX a ADC do mikrokontroleru, hodnota signálu je matematicky upravena podle daného vztahu a je k dispozici na analogovém výstupu AO nebo datovém výstupu. 7
MC Senzor Ele AO AI -0 Schéma senzoru s linearizačním členem s mikrokontrolerem Metoda automatické kalibrace je běžně užívána v obvodech používajících číslicovou techniku. Výstupní signál senzoru se upravuje podle kalibračních údajů získaných přepínáním na nulové a referenční napětí. Příkladem automatické kalibrace je měřicí systém termovize. Metodou filtrace se zajistí potlačení spektra rušivých signálů. Pomocí klasických filtrů se vyfiltruje spektrum jiných frekvencí než frekvence měřeného signálu. Složitější řešení se musí použít při senzorech, kde frekvence senzoru a rušivých veličin jsou ve společném pásmu. Jestliže rušivé vlivy se uplatňují v citlivé části senzoru, použije se periodicky proměnný měřicí signál o známé frekvenci. Jiný způsob je použití modulování a demodulování měřeného signálu..6 Historie senzorů a trendy jejich rozvoje Historie vývoje metod používaných u senzorů ukazuje fakta, jak postupně se nacházely a uplatňovaly základní principy. Uvádíme některé údaje: - Kelvin: 856, změna odporu vodiče při deformaci - Faraday: pokusy o měření rychlosti vody indukčně - Kohlrausch: měření vodivosti elektrolytů - Siemens: 87, odporový teploměr - Nettmann: kapacitní měření torze - Nerst: 97, tenzometrické snímače pro měření tlaku - 94: uhlíkové snímače měření tlaku - Heyrovský: 94, polarografie - 90-935: většina fyzikálních principů je uplatněna v technice měření - 945: vzniká samostatný obor tenzometrie - 948: počátek polovodičové technologie. Vývoj senzorů ovlivňuje značným způsobem technologie jejich výroby. U senzorů starší generace se jedná o prvky mechanické a elektromagnetické. Jejich výroba používá klasické strojní a elektrotechnické technologie. Jsou to zpravidla senzory robustní, s větší hmotností. Tyto technologie jsou částečně modernizovány, např. tlustovrstvými technologiemi při výrobě vodičů, rezistorů, kapacitorů a to buď na bázi kovů, keramiky nebo plastů. S rozvojem polovodičových technologií velmi úzce souvisela i aplikace těchto technologií do výroby senzorů. Základem je tzv. křemíková technologie využívající postupy: oxidace povrchů, fotolitografie, epitaxe, iontová implantace, metalizace. Tenkovrstvá technologie zajišťuje vrstvy látek (polovodičů, kovů, izolantů) o tloušťce až nm. Hlavním druhem technologie je vakuové nebo katodové napařování. Takto vyrobené senzory jsou malých rozměrů, malé hmotnosti, mají malé 8
časové konstanty, jsou přesné, vykazují vysokou reprodukovatelnost a jsou i levnější pro velkosériovost. Tenkovrstvé a polovodičové technologie umožňují vyrábět tzv. integrované senzory obsahující kombinaci senzorů a aktivních polovodičových prvků, včetně zesilovačů, mikrokontrolerů, procesorů pro zpracování signálů apod. Zajistí se takto snížení parazitních impedancí, šumů, zvýší se rychlost zpracování signálů. Integrace je doplňována i integrovanou optikou, integrovanými indukčnostními prvky apod. Rozvoj senzorů v následujícím období bude pokračovat rostoucím trendem. Můžeme předpovídat, že v nejbližším období se budou rozvíjet hlavně MEMS senzory a biosenzory, bude se uplatňovat ve větším rozsahu inteligence senzorů s parametrizací vyhodnocování, komunikace u obvodů se bude rozšiřovat do oblasti bezdrátového propojení ze senzorů. Podstatně větším tempem bude se rozšiřovat výzkum nových materiálů pro senzory. 9
3 Odporové senzory 3. Fyzikální základy odporových senzorů Při zapojení elektrického napětí do elektrického obvodu vzniká usměrněný pohyb nábojů látkových částic prvků v obvodu. Průřezem prvků pochází tok kladných náboj v jednom směru a vytváří směr elektrického proudu. Velikost proudu I je posuzován jako množství kladného náboje prošlého za jednotku času: dq I = ( 3-) dτ kde je dq elementární náboj, dτ doba toku. Proud má jednotku A (ampér) = coulomb/sekunda. Elektrický proud ve vodiči je děj prostorový, probíhá na celém průřezu prvku - vodiče. Ve výjimečných případech se vyskytuje také plošný proud (prochází pouze plochou) nebo vláknový proud procházející proudovým vláknem. Elektrické napětí připojené na tělese vytváří elektrostatické pole. Hustota procházejícího proudu i je úměrná intenzitě vytvořeného elektrostatického pole: i = γe s ( 3-) kde je γ konstanta měrná elektrická vodivost hmoty tělesa-vodiče, E s intenzita elektrostatického pole. Tato rovnice vyjadřuje Ohmův zákon v diferenciálním tvaru. Pro měrnou elektrickou vodivost je udáván vztah: n0e0τ γ = m 0 ( 3-3) kde je n prostorová hustota pohyblivých částic s nábojem e, τ je střední doba toku částice, m motnost částice. Pro elektrický proud ve vodičích se odvodil Ohmův zákon v integrálním tvaru. Předpokládá homogenní vodič o průřezu S a délky l. Při zapojení elektrického napětí na vodič vzniká opět elektrostatické pole, pro které platí: U E s = ( 3-4) l a po dosazení předcházejících rovnic se dostane tvar pro elektrický proud: U I = S. i = Sγ = GU ( 3-5) l kde je S průřez vodiče, i hustota proudu, γ konstanta měrná elektrická vodivost hmoty tělesa-vodiče, U přiložené elektrické napětí, l délka vodiče, G elektrická vodivost. Při zavedení pojmu elektrický odpor R, pro který platí: l R = = ρ ( 3-6) G S kde je ρ měrný elektrický odpor vodiče dostáváme vztah pro Ohmův zákon v integrálním tvaru: U = RI. ( 3-7) Ohmův zákon platí pro ustálený stejnosměrný proud ve vodičích. Pro proud střídavý neplatí a v kapitolách o kapacitních a indukčnostních senzorech bude odvozen termín elektrická impedance. Pro elektrický odpor se používá také pojem elektrická resistance. Používané jednotky: 0
U I R ρ G γ elektrické napětí (V) elektrická proud (A) elektrický odpor (Ω Ohm) měrný elektrický odpor (Ω.m) elektrická vodivost (S Siemens) měrná elektrická vodivost (S/m). Každý materiál: kov, elektrolyt, polovodič případně i reálné nevodiče (mají tzv. svodový elektrický odpor) kladou procházejícímu elektrickému proudu elektrický odpor. U senzorů využívající princip elektrického odporu vnější podnět ovlivňuje elektrický odpor v důsledku změny průřezu (např. vodič se stlačuje), délky (např. vodič se prodlužuje) nebo měrného odporu (vodič je vystaven teplotě, světlu, magnetickému poli,...). Poznámka: Vedení elektřiny v kovech se vysvětluje jako pohyb volných obvodových elektronů odtržených od jádra, které se změní na ionty. Tyto ionty kmitají pouze v krystalové mřížce, elektrický náboj se v kovu nehromadí, průchod proudu nezpůsobuje změny v rozložení atomů a nevznikají žádné chemické účinky. Je to elektronová vodivost. Elektrolyt je látka, která vede proud prostřednictvím disociovaných iontů z procesu elektrolýzy ve vodném prostředí. Molekula elektrolytu je tvořena spojením dvou iontů opačné polarity a drží pohromadě elektrostatickými silami. Např. molekula NaCl je tvoře ionty Na + a Cl -. Molekuly vody vnikají mezi ionty mřížky a uvolňují jejich pevnou vazbu mezi nimi. Vedle kapalných elektrolytů existují i pevné elektrolyty. Průchod proudu plynem je také umožněn existencí iontů např. při ionizaci. Polovodiče jsou nekovy s elektronovou vodivostí. Mají vůči kovům obrácenou závislost elektrického odporu na teplotě, při velmi nízké teplotě dosahují velmi vysoké elektrické vodivosti (supravodivost), elektrony mají až 300 krát menší energii, mají větší termoelektrické napětí, projevují také fotovodivost. Teorie polovodičů je uvedena v příloze o polovodičových senzorech. 3. Úvod Rezistantní senzory je odborný název pro elektrické odporové senzory. Patří mezi pasivní senzory, protože vnější podnět (měřená veličina) mění vlastnost - elektrický odpor hmoty senzoru. Při vyhodnocování těchto změn v elektronických obvodech musíme používat pomocné napájecí napětí a proto se jedná o pasivní senzory. Vstupní podnět způsobuje u odporových senzorů změnu elektrického odporu. Takovým vnějším podnětem je např.: - poloha předmětu, změna rozměru předmětu u senzorů kontaktních a potenciometrických senzorů - změna rozměrů u tenzometrických senzorů - teplota okolí u senzorů teplotních - emise viditelného světla u senzorů fotorezistivních - elektromagnetické tepelné záření u bolometrů koncentrace disociovaných iontů u senzorů vodivosti kapalin magnetická indukce u senzorů magneto rezistantních.
+/- X +/ α +/- X záření, světlo, magnetismus,... +/- X R a) b) c) d) e) Obrázek 3- Druhy kontaktních senzorů Obrázek 3- ukazuje některé základní druhy odporových senzorů. Kontaktní senzor je zobrazen pozicí a), potenciometrický odporový senzor pozicemi b), c), tenzometr pozicí d), kdy se celý tenzometr natahuje a typy senzorů, kde se mění elektrický odpor vlivem změn parametrů vnějšího prostředí, např. intenzity záření, magnetické indukce apod. jsou zobrazeny na pozici e) 3.3 Kontaktní odporové senzory Vnější podnět způsobuje u kontaktních senzorů skokovou změnu elektrického odporu sepnutím nebo rozepnutím kontaktů. Jedná se o nespojité skokové změny elektrického odporu. Princip se používá u všech snímačů nebo zařízení při indikaci polohy předmětu, jeho stavu, přítomnosti předmětu ap. Obecný vztah: l R = ρ. ( 4) S Lze aplikovat na kontaktní odporové senzory tak, že platí pro stav sepnuto. Mezi kontakty je vodivé propojení, R 0 dosahuje malé hodnoty, např. 0,0 Ω, ρ je měrný odpor materiálu kontaktu, l je jeho tloušťka a S dotyková plocha kontaktů. Pro stav rozepnuto je hodnota R velmi veliká např. >.0 5 Ω pro reálné podmínky kontaktů ve vzduchu. Základní typy kontaktních odporových senzorů jsou schematický uvedeny na Obrázek 3-. Kontakty mohou používat různou funkci spínání. Na pozici a) je kontakt ovládaný vnějším podnětem od změny polohy tak, že je rozepínán, na pozici b) je spínán, na pozici c) jsou kontakty přepínány dvoupolohově, na pozici d) jsou přepínány třípolohově a na pozici e) jsou spínány vícepolohově. Kontaktní systém hermeticky umístěný v krytu je ovládán od vnějšího magnetického pole a je použit u tzv, jazýčkových relé, pozice f). Spínání kontaktů může být provedeno také vodivou kapalinou, např. vodou, rtutí, jak zobrazuje pozice g). a) b) c) d) e) f) g) Obrázek 3- Provedení kontaktů senzorů Základem kontaktních senzorů jsou vlastní kontakty. Materiál, konstrukce a provedení kontaktů určují přesnost, spolehlivost a stálost funkce spínání kontaktů a současně i střední dobu života kontaktů. Požadavky na kontakty lze stanovit v těchto bodech:
malý přechodový odpor stálost při malých proudech a napětí a při malých tlacích krátká doba ustálení kontaktů odolnost materiálu proti vlastnostem prostředí. Ideální dotyková plocha kontaktů je vytvořena na styku dvou ideálně rovných ploch. U reálných kontaktů toho nelze dosáhnou. Na kontakty dále působí nestejnoměrný přítlačný tlak, zahřívání od přechodového odporu, elektrický oblouk při spínání nebo rozpínání neohmických zátěží, oxidace od vnějšího prostředí atd. Proto se stanovuje reálná dotyková plocha vždy větší než ideální podle vztahu: S r = S i / 0.00 kde je S r reálná dotyková plocha, S i ideální dotyková plocha. Přítlačná síla kontaktů se volí podle tvrdosti jejich materiálu s tím, že platí: p = H = F S r ( 3-8) ( 3-9) kde je p přítlačný tlak, H tvrdost materiálu kontaktů (asi 5.0 MPa), F je přítlačná síla, S r reálná dotyková plocha. Přechodový odpor je ovlivňován přítlačnou silou, velikostí dotykové plochy a stavem oxidace přechodové vrstvy kontaktů. Změnou přítlačné síly např. chvěním vznikají změny přechodového odporu a tím vzniká rušivé elektrické napětí na kontaktech podle vztahu: Δ u = ΔR. I ( 3-0) kde je ΔR změna přechodového odporu, I proud kontaktů. Nepříjemný stav nastává při jiskření nebo při vzniku oblouku na kontaktech. Teplota oblouku dosahuje hodnoty až 5 000 C. Ztráta objemu materiálu opalováním je vyjádřena vztahem: V = k.i 3 ( 3-) 0 kde je k o konstanta materiálu pro opalování (cca k o = 6.0-4 ), I proud protékající kontakty. Z tohoto důvodů je důležitá volba materiálů kontaktů. Při hledání optimální slitiny kovů se navíc musí brát v úvahu i požadavky ekologie, tj. omezení použití těžkých kovů. U senzorů se jedná o kontakty s malým proudovým zatížením. Proto se používá materiál ze slitin stříbra s platinou, wolframem, grafitem, rhodiem, paladiem. Velký význam má také tvar kontaktů a jejich uspořádání. Obrázek 3-3 ukazuje základní tvary kontaktů. Nejčastěji se používá kombinace např. kontaktů a)-b) nebo a)-c) nebo a-a nebo b)-d) nebo f). a) b) c) d) e) f) Obrázek 3-3 Tvary provedení kontaktů Dalším problémem kontaktních senzorů je kmitání kontaktů před ustálením. Zabránit tomuto jevu se dá vhodnou konstrukci kontaktů a jejich uchycení. Podmínkou je nastavení určité hodnoty mechanické rezonance. Tento problém souvisí také s časovou konstantou kontaktních senzorů. V běžné praxi dosahují tyto senzory časovou konstantu kolem 0, sekundy. Kontaktní senzory jsou aplikovány při konstrukcích snímačů geometrických rozměrů, limitních snímačů teploty, tlaku, otáček, výšky hladiny, koncové polohy apod. Jsou často používány pro převod změn u mechanických senzorů (např. dilatačních nebo deformačních) na elektrický dvouhodnotový signál. 3
3.4 Potenciometrické odporové senzory Potenciometrický senzor obsahuje odporovou dráhu s pohyblivým kontaktem - sběračem. Tento kontakt při změně polohy od vnějšího podnětu mění elektrický odpor mezi vývodem kontaktu a jedním koncem odporové dráhy. Tvar odporové dráhy je buď přímkový nebo kruhový nebo speciální, jako např. šroubovice. Potenciometrický senzor může být také kapalinový elektrolytický nebo rtuťový. R p R U n R R z Uo I p I z Senzor Měření Obrázek 3-4 Náhradní schéma měření Charakteristika potenciometru, tj. závislost výstupního odporu na změně polohy sběrače je buď lineární nebo speciální. V reálném zapojení senzoru v měřicím okruhu může tuto charakteristiku změnit zátěžný odpor daný parametry připojeného zařízení např. voltmetru, ohmmetru nebo převodníku. Měřicí obvod představuje zapojení Obrázek 3-4. Znázorňuje potenciometrický senzor a měřicí prvek v náhradním zapojení jako odpor R z. Potenciometr je napájen napětím U n. Podle polohy středního bodu je potenciometr rozdělen na část R a R. Připojený vytváří sériově paralelní zapojení odporu R a R a R z. Po výpočtech hodnot proudů tekoucí přes potenciometr I p a přes měřicí prvek I z lze odvodit vztah: U o = R R R R Z + R + R Z. U n α = α.( α) + K ( 3-) kde je U o výstupní napětí, R odpor první části potenciometru (R =α*r p ), α poloha sběrače, R odpor druhé části potenciometru (R =(-α)*r p ), R Z zátěžný odpor, U n napájecí napětí, K činitel zatížení (K= R z / R p )., 0,8 0,6 K=0 K= K=0 K=00 K=000 0,4 0, 0 0 0, 0,4 0,6 0,8, Obrázek 3-5 Charakteristika potenciometru podle činitele zatížení 4
Ovlivňování charakteristiky potenciometru zapojeného do měřicího obvodu zátěžným odporem zobrazuje Obrázek 3-5. Pro daný odpor potenciometru R p =000 Ohm a činitel zatížení K=0, až 000 je pro změny polohy sběrače α (osa x) vyhodnocen poměr U o /U n (osa y). Velikost zátěžného odporu převodníku způsobuje také zavedení přídavné chyby. Např. pro K= je přídavná chyba až 5 %, pro K=000 je 0.00%. Pro přídavnou chybu platí: U o δ z = α ( 3-3) U n Dalším důležitým parametrem je rozlišovací schopnost senzoru, která vyjadřuje jemnost možného nastavení dělícího poměru. Tento parametr je jednak ovlivněn typem konstrukce sběrače, jeho posuvného mechanismu a typem odporové dráhy. Celková přesnost potenciometrického senzoru je udávána pro stejnosměrné napájecí napětí. Při použití střídavého napětí vzniká další chyba komplexní impedancí od indukčnosti vinuté odporové dráhy. Velmi důležité je dodržet minimální proud přes potenciometr Ip. Velikost tohoto proudu způsobuje zahřívání potenciometru. V případech, kdy proud je velký a vznikající teplo není dostatečně odváděno, vzniká přídavná chyba od změn odporu potenciometru od vyšší teploty. Odporové potenciometrické senzory jsou vyráběny v hodnotách celkového odporu Rp =30, 00, 000 Ω a výše. Speciální konstrukce sběrače je i víceotáčková se spirálovým běžcem. Potenciometrické senzory jsou používány v mnoha snímačích, např. pro indikaci polohy servopohonů, pro měření výšky hladiny v nádržích u automobilů, letadel a jiných dopravních prostředků, u snímačů tlaku, u snímačů posuvu a dráhy ap. Potenciometrické senzory jsou aplikované do různých snímačů délkových rozměrů, do snímačů hladin, plováků, polohy kuželky regulačního ventilu ap. 3.5 Odporové senzory teploty Teplotní odporový senzor využívá fyzikální princip závislosti elektrického odporu kovů nebo polovodičů na teplotě. Vstupním podnětem je teplota prostředí, které je v přímém styku se senzorem. Senzor je tak součástí procesu přenosu tepla vedením, prouděním nebo sáláním z vnějšího prostředí do materiálu senzoru. Materiálem pro senzor je nejčastěji vybraný kovový nebo polovodičový materiál. Pro správnou funkci musí tento materiál mít správné složení, především musí být fyzikálně i chemický stálý. Teoretický výklad jevu změn odporu podle teploty používá argument, že při zvyšující se teplotě zvětšuje se amplituda termických kmitů krystalové mřížky materiálu a zvětšuje se pravděpodobnost srážek elektronů a iontů. Tím se zkracuje volná dráha elektronů a doba zrychlování částic elektrickým polem. Proto klesá elektrický vodivost γ daná výrazem: n0e0τ γ = m0 ( 3-4) Pro závislost změn odporu podle teploty platí Lorentzův-Lorenzův zákon: λ = T γ ( 3-5 kde je λ tepelná vodivost, γ elektrická vodivost, T absolutní teplota. 3.5. Kovové odporové senzory teploty Principem kovových odporových senzorů je teplotní závislost odporu kovového materiálu na jeho teplotě. Kov má v krystalové mřížce soubor kladných iontů a chaoticky se pohybující elektrony, které ovlivňují změny elektrického odporu. 5
Jako materiál slouží především čisté kovy. Požadavkem je konstantní teplotní součinitel v čase, nulová hystereze a dostatečně vysoký měrný odpor. Nejčastěji používaným kovovým materiálem je platina, nikl, měď, molybden, slitina stříbra a zlata, případně další kovy. Významným parametrem pro teplotní závislosti senzorů je tzv. teplotní součinitel. Pro teplotní součinitel kovových senzorů teploty α je stanoven vztah: α ρ ρ 00 0 = ( 3-6) 00ρ 0 kde je ρ 00 měrný odpor při 00 C, ρ 0 měrný odpor při 0 C. Jednotkou je (/K) nebo (ppm, hodnota.0-6 větší). Hodnoty měrného elektrického odporu ρ 0 a teplotního součinitele α (ppm) pro některé kovy jsou v následující Tabulka 3-. Tabulka 3- Hodnoty měrného elektrického odporu a teplotního součinitele vybraných čistých kovů Kov ρ 0 (Ωm). 0-6 α (ppm) Kov ρ 0 (Ωm). 0-6 α (ppm) Ag 0,049 400 Na 0,0434 5460 Al 0,04 4300 Ni 0,0605 6900 Au 0,004 3900 Pt 0,098 390 Cu 0,055 4330 Re 0,98 300 Fe 0,0 5600 Rh 0,044 4400 Mo 0,05 4700 W 0,049 480 3.5.. Platinové odporové senzory Platina se používá u kovových odporových senzorů pro svoji vysokou chemickou stálost, vysokou teplotu tavení a možnost dosažení vysoké výrobní čistoty. Používá se vysoce čistá platina s obsahem nečistot do 0.07 %. Nečistotami jsou zpravidla železo, iridium ap. Tato čistota zaručuje změny základního odporu kolem 5.0-6, což odpovídá změnám teploty pro typ Pt 00 asi 0.00 K. Platina vyhovuje pro měření teploty od 00 do 860 C. Její měrný odpor při teplotě 0 C je 0,098. 0-6 (Ωm). Změna odporu v závislosti na teplotě je dána funkcí: R = R0 ( + A. t + B. t ), ( 3-7) kde je R 0 odpor při 0 C, t teplota C, A=3,9075.0-3, B=-0,575.0-6, nebo podle standardu IEC má funkce tvar: 3 R = R0 ( + A. t + B. t + C. t ( t 00)), ( 3-8) kde je A=3,9080.0-3, B=-5,80. 0-7, C=0 pro t>0 C a C=-4,7350. 0 - pro t<0 C. Platinové senzory mají podle standardu IEC 75 stanovené toleranční pásmo: třída A (rozsah 00...400 C, chyba abs. při 50 C +/- 0,5 C, při 0 C je +/-0,5 C a při 600 C je +/-,35 C, tj. Ro=00,00 +/-0,06 Ohm a Tk=3850 +/-6 ppm/k) třída B (rozsah 00-850 C, chyba abs. při 50 C +/- 0,6 C, při 0 C je +/-0,3 C a při 600 C je +/-3,3 C, tj. Ro=00,00 +/-0, Ohm a Tk=3850 +/-3 ppm/k) třída C (rozsah 00-850 C, chyba abs. při 50 C +/-,0 C, při 0 C je +/-0,6 C a při 600 C je +/- 4,8 C, tj. Ro=00,00 +/-0,4 Ohm a Tk=3850 +/-3 ppm/k) třída D (rozsah 00-850 C, chyba abs. při 50 C +/-,3 C, při 0 C je +/-,5 C a při 600 C je +/-0,5 C, tj. Ro=00,00 +/-0,60 Ohm a Tk=3850 +/-6 ppm/k) Používají se senzory s odporem při 0 C R 0 = 00 Ω, 500 Ω, 000 Ω, dnes již přistupuje hodnota 0 000 Ω a ve vývoji jsou senzory s hodnotou 00 k Ω. 6
Teplotní součinitel v ČR je α= 0,00385 (/K) čili 3850 (ppm/k). Poměr odporů W 00 =R 00 /R 0 je,385. Pro platinové senzory platí tyto hodnoty podle normy ČSN 5 830 nebo IEC 75. US Industrial Standard má hdnoty α= 0,0039 (/K) čili 390 (ppm/k) a poměr odporů je W 00 =R 00 /R 0 je,39, norma British Standard udává α= 0,00390 (/K) čili 3890 (ppm/k) tj. W 00 =,390, norma GOST používá hodnotu α= 0,003905 (/K) čili 3895 (ppm/k) tj. W 00 =,3905. Standardem platinových senzorů teploty je senzor Pt00. Toto značení znamená, že se jedná o kov platina, která vykazuje při 0 C elektrický odpor 00 Ω. Citlivost tohoto senzoru je pro teplotní součinitel 3850 ppm 0,385 Ω/ C. Pro zvýšení citlivosti jsou vyvíjeny senzory Pt000 a další. Přehled uvádí Tabulka 3-. Tabulka 3- Odpor pro 0 C a citlivost platinových senzorů teploty Typ Ω pro 0 C Citlivost Ω/ C Pt00 00 0,385 Pt000 000 3,85 Pt0000 0000 38,5 Pt00000 00000 385? co bude následovat? 3 4 5 a) b) 6 c) 4 Obrázek 3-6 Provedení kovových senzorů teploty Senzor je vyroben z platinového drátu o průměru 0,045 mm nebo jako folie z platiny na keremické podložce. Vinutí z drátu je bifilární, jednoduché nebo dvojité. Provedení je se nebo 4 vývody, tvar nosné části je plochý, válcovitý z keramiky, skla nebo slídy nebo umělé hmoty. Příkladem provedení jsou typy, které obsahuje Obrázek 3-6, kde pozice a) zobrazuje plochý senzor s platinovým vinutím () na slídové podložce () opatřené krytem (3), pozice b) zobrazuje válcový senzor s vinutím (), s keramickým tělískem (4) a vývody (5). Pozice c) je typ foliového senzoru, kde na keramické podložce (4) je folie Pt (6). Foliové senzory jsou zpravidla v provedení typu Pt000, Pt0k a Pt00k. Proudové zatížení senzorů např. v obvodech vyhodnocování se musí dodržet na hodnotě do ma (dříve 0 ma), aby nevznikala nejistota v měření v důsledku ohřátí od protékajícího proudu. Dlouhodobá stabilita závisí na čistotě kovu a má hodnotu 0,05%/000h. 7