I. Úvod 1. co je to senzor, příklady aplikace 2. typy senzorů 3. technologie 4. příklady senzorových systémů 5. inteligentní senzory 6. parametry senzorů 7. triky a techniky zpracování signálu
1. Co je to senzor Snímá fyzikální, chemickou či biologickou veličinu Převádí ji na signál nebo na jinou veličinu napěťový, proudový, číslicový snímač, čidlo, převodník, detektor transducer = převodník, akční člen
příklad: chemické senzory plynů Figaro
Bosch příklad: lambda senzory
Bosch příklad: senzory teploty a klepání motoru
rotační rychlost tlak Bosch
senzory úhlové rychlosti rychlost otáčení kol Bosch
lineární zrychlení náraz Bosch
Bosch mechanický tlak (taktilní čidlo)
2. Typy senzorů dle měřené veličiny fyzikálního principu technologie aktivní (jsou zdrojem energie) / pasivní (napájeny) kontaktní / bezkontaktní Výstup: analogový / číslicový / dvoustavový
Typy senzorů dle měřené veličiny Mechanické Tepelné Optické a jaderné (Elektrické a magnetické) Chemické a bio (Akustické)
3. Technologie Klasická polovodičová technologie MEMS = Micro Electro-Mechanical Systems tenkovrstvé technologie 1 nm.. 1 µm tlustovrstvé technologie sítotisk nové materiály: SiC, diamant, amorfní, nano-kryst. inteligentní materiály, paměťové slitiny integrovaný senzor nanotechnologie, self-assembly
MEMS Zmenšování rozměrů a snižování ceny elektromechanických systémů napařování, iontová implantace, elektrolytické nanášení, MBE, LIGA chemické a fyzikálně-chemické obrábění anizotropní leptání suché leptání elektrojiskrové a laserové obrábění trojrozměrné struktury elektrostatický princip: pro malé rozměry výhodnější, než magnetický akční členy (aktuátory) - např. mikropumpy pro chem. analýzu
MEMS - příklad senzor tlaku Yokogawa
4. Senzorové systémy klasický měřicí řetězec centralizovaný měřicí systém decentralizovaný měřicí systém
klasický měřicí řetězec senzor (snímač) měřicí obvod a zesilovač obvody zpracování signálu A/C MP R R P
centralizovaný měřicí systém X 1 S 1 EO U (4-20) ma P R O X 2 S 2 EO U (4-20) ma MX A/D P C E S X N S N EO U (4-20) ma senzor elektronika unifikace signálu
decentralizovaný měřicí systém SLAVE X 1A IS 1 P R O C E X 1B RS 485 RS 485 FIELD BUS S X 2 IS 2 X N IS N zkroucená stíněná dvoulinka MASTER P
Seriová rozhraní RS 232: 3 vodiče, 20 kbit/s, 15 m, asym. vstup napájení +/- 6V RS-485 2 vodiče, 1Mbit-s, 1000m, symetrický vstup, napájení +5 V
Základní znaky: 4. Inteligentní senzory (smart sensors) Obousměrná komunikace Číslicová část (ADC) Diagnostika Autokalibrace Korekce chyb (linearizace,..) Výstup: - číslicový - analogový (DAC) - kombinovaný
Inteligentní senzor příklad integrovaného provedení Hallův senzor Micronas
senzor tlaku Yokogawa Inteligentní senzor příklad modulárního provedení EPROM s parametry senzoru obvod pulsní šířkové modulace teplotní senzor budič snímač rezonance
Základní parametry senzorů citlivost a její stabilita (multiplikativní chyby), dynamický rozsah (rozsah měřených veličin pro specifikovanou nejistotu měření), offset a jeho stabilita (aditivní chyby), linearita, hystereze, reprodukovatelnost, rozlišitelnost (a šumové charakteristiky), celková přesnost vyjádřená jako nejistota nebo toleranční pásmo (maimální chyba), dynamické parametry (časová konstanta, šíře pásma, rychlost číslicového přenosu), odolnost vůči prostředí (vibrace, magnetické pole, radiace,...).
Statická převodní charakteristika y = a 0 + a 1 + a 2 2 +... + a n n Ideální statická charakteristika y = y 0 + K 1 K... citlivost senzoru (sensitivity) K = dy/d y 0... offset. chyba citlivosti... multiplikativní chyba offset... aditivní chyba
Rozlišitelnost (resolution) hodnota snímané veličiny, při níž je na výstupu senzoru signál odpovídající střední kvadratické odchylce (efektivní hodnotě) šumu senzoru min 1 LSB
Reprodukovatelnost (opakovatelnost) Dynamický rozsah (Full Scale, Span) Relativní chyba senzoru z rozsahu δ = ma min z údaje δ = Chyba linearity δ L = y y ma y y L min ma
Multiplikativní chyba y δ y δ y
Hystereze y δ H = y y N ma y y L min ma
Dynamické parametry senzorů Časová konstanta Doba odezvy Přenos Dopravní zpoždění Dynamická chyba (A=konst, φ= -ωt) Odezva na skok, event. na konstatní rychost změny
Dynamická chyba konstantní rychlost změny =wt y D Dma y=kwt D ma = wkτ t y=kw[t- τ (1-e τ )] t τ t lim t D ( D 1 2 t ) = wk( T + T + T +... + T n )
7. Triky a techniky zpracování signálu senzorů Cíl: snížení chyby měření Kompenzační senzor Diferenční senzor + poměrová metoda Zpětná vazba Linearizace: analogová, číslicová Autokalibrace Modulace Korekce dynamické chyby
Zdroje chyb P R O C E S měřená veličina zpětné působení senzoru SENZOR vlastní systematické a náhodné chyby vnitřní rušení Z 1 Z 2 Z n výstupní veličina zpětné působení rozhraní R O Z H R A N Í rušivé vlivy prostředí
F měřená veličina měřená veličina rušivá veličina z Metoda kompenzačního senzoru měřicí snímač K K+K r z y=k+z(kr-k' r) K r kompenzační snímač K' r K' z r F R m R 1 J 0 J 0 měřicí snímač R k R 2 U z kompenzační snímač
Metoda diferenčního senzoru f() snímač 1 z 1 f(z ) 1 z 2 f(z ) 2 y 1 y C 1 f(-) snímač 2 y 2 - + f(z ) 1-0 + f(z ) 2 C 1 C 2 C 2
Poměrová metoda C C = 0 0 0 1 C C + = 0 0 0 2 - + C 1 C 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 1 2 1... C C C C C C = = + + + = + úplně odstraňuje nelinearitu a závislost na dalších parametrech (S, ε).
Zpětnovazební kompenzace K 1 1 - k neelektrická veličina 2 3 y K 2 elektrická veličina K p K z k neelektrická veličina 4 elektrická veličina K k miska vahadlo diferenční kapacitní senzor příklad: váhy silový člen S J střídavé napájení mostu výkonový zesilovač integrační zesilovač rozdílový zesilovač demodulátor
Posuv spektra modulace a demodulace 1 1 sinα.sin β = cos( α β ) cos( α + β ) 2 2 zdroj záření Φ[W] M f±f R,... MŮSTEK C F1 R FILTR STŘÍDAVÝ ZESILOVAČ f f R d) příklad modulace měřené veličiny
Posuv spektra modulace a demodulace modulace Uvnitř senzoru např. střídavé napájení můstku Měřené veličiny
připomínka: Modulační zesilovač modulace uvnitř senzoru + synchronní demodulace
(t) N Modulace ( t) (t) měřený signál = X sin ω ( t + Θ ) X X (t) M harmonický referenční signál (nosná) R ( t) = A sin ( Ω t) = M ( t) = XA sin 1 XA cos 2 1 XA cos 2 ( Ω t) sin( ω t + Θ ) ([ Ω ω ] t Θ ) X ([ Ω + ω ] t + Θ ) X X X X X = modulovaný signál (amplitudová modulace s potlačenou nosnou)
(t) N Modulace (t) (t) M ( t) měřený signál = X sin ω ( t + Θ ) X X N ( t) neharmonický ref. signál = A k k = 1, 2,... sin( k Ω t + Θ k ) M ( t) 1 = XA cos X X 2 ([ kω ± ω ] t ± Θ ) modulovaný signál (amplitudová modulace s potlačenou nosnou) neharmonický měřený signál: analogicky
Posuv spektra modulace a demodulace R R (t) R u(t) D KF(ω) j (t) (t) M Princip synchronní demodulace
u(t) R Synchronní detekce (demodulace) u(t) D KF(ω) j (t) (t) M M ( t) 1 = XA cos ωx 2 ([ Ω + ] t + Θ ) X R ( t) = A sin ( Ω t) u + D ( t) = 1 4 X A 1 4 2 X sin A 2 sin 1 1 cosα.sin β = sin( α + β ) sin( α β ) 2 2 ([ Ω + ω + Ω] t + Θ ) ([ Ω + ω Ω] t + Θ ) X X X X +