I. Úvod 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
co je to senzor, příklady aplikace typy senzorů technologie příklady senzorových systémů inteligentní senzory parametry senzorů 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
příklad: lambda senzory
Bosch
příklad: senzory teploty a klepání motoru
Bosch
rotační rychlost
tlak
Bosch
senzory úhlové rychlosti
rychlost otáčení kol
Bosch
lineární zrychlení
náraz
Bosch
mechanický tlak (taktilní čidlo)
Bosch
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 X1
S1 EO U
(4 - 20) mA
P R O
X2
S2 EO U
(4 - 20) mA
C E S XN
SN EO U
(4 - 20) mA
unifikace signálu
senzor elektronika
MX A/D
P
decentralizovaný měřicí systém SLAVE X1A P R O C E S
X1B
X2
RS 485
RS 485 FIELD BUS
IS1
IS2
zkroucená stíněná dvoulinka XN
ISN
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
4. Inteligentní senzory (smart sensors)
Základní znaky: • • • • • •
Obousměrná komunikace Číslicová část (ADC) Diagnostika Autokalibrace Korekce chyb (linearizace, ..) Výstup: - číslicový - analogový (DAC) - kombinovaný
Inteligentní senzor – příklad integrovaného provedení
Hallův senzor Micronas
Inteligentní senzor – příklad modulárního provedení EPROM s parametry senzoru obvod pulsní šířkové modulace
teplotní senzor
budič
snímač rezonance
senzor tlaku Yokogawa
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 (maximální chyba), dynamické parametry (časová konstanta, šíře pásma, rychlost číslicového přenosu), odolnost vůči prostředí (vibrace, magnetické pole, radiace, ...).
Statická převodní charakteristika y = a0 + a1x + a2x2 + ... + anxn Ideální statická charakteristika y = y0 + K1 x K ... citlivost senzoru (sensitivity) K = dy/dx y0 ... 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
z údaje
• Chyba linearity
∆x δ= xmax − xmin
∆x δx = x ⎛ y − yL δ L = ⎜⎜ ⎝ y max − y min
⎞ ⎟⎟ ⎠ max
Multiplikativní chyba y δy
δy
x
Hystereze ⎛ y N − yL ⎞ ⎟⎟ δ H = ⎜⎜ ⎝ ymax − ymin ⎠ max
y
x
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 y=Kwt
t
lim ∆ t →∞
D
∆D
x=wt
∆ Dmax
y
x
∆D max = − w K τ −
t τ
y=Kw[t-τ(1-e )] τ
(t ) = − wK (TD + T1 + T2 + ... + Tn )
t
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
zpětné působení rozhraní
vnitřní rušení
Z1
Z2
výstupní veličina
Zn
rušivé vlivy prostředí
R O Z H R A N Í
Metoda kompenzačního senzoru měřená veličina rušivá veličina
x z
měřicí snímač K
K x + K rz
y = K x + z ( K r- K ' r )
Kr kompenzační snímač K'r
K'r z
F Rm R1 J0 měřicí snímač
Uz Rk
J0 kompenzační snímač F měřená veličina
R2
Metoda diferenčního senzoru x z1 z2
f(x)
snímač 1
f ( z 1) f ( z 2)
y1 y
f(-x)
snímač 2
C1
y2 -x
+x -x
f ( z 1) f ( z 2)
C1 C2 C2
x0
+x
Poměrová metoda x0 C1 = C0 x0 − ∆x
C2 = C0
x0 x 0 + ∆x
⎛ x0 x0 ⎞ ⎜ ⎟⎟ − C0 ⎜ x − ∆x x 0 + ∆ x ⎠ C1 − C 2 ∆x = ⎝ 0 = ... = C1 + C 2 x0 ⎛ x0 x0 ⎞ ⎜ ⎟ + C0 ⎜ ⎟ ⎝ x 0 − ∆x x 0 + ∆x ⎠
-x
+x
C1 C2
úplně odstraňuje nelinearitu a závislost na dalších parametrech (S, ε).
Zpětnovazební kompenzace x
1
K1
x-x
k
neelektrická veličina
elektrická veličina Kp
K2 xk
3
2
neelektrická veličina
y
Kz
4
elektrická veličina Kk
miska
diferenční kapacitní senzor vahadlo silový člen
S J
příklad: váhy výkonový zesilovač
integrační zesilovač
střídavé napájení mostu
rozdílový demodulátor zesilovač
Posuv spektra – modulace a demodulace sin α . sin β =
zdroj záření
1 1 cos(α − β ) − cos(α + β ) 2 2
f±fR , ... Φ[W]
C MŮSTEK
F1 R FILTR
M
f
fR
d)
příklad modulace měřené veličiny
STŘÍDAVÝ ZESILOVAČ
Posuv spektra – modulace a demodulace
Uvnitř např. střídavé napájení můstku senzoru modulace Měřené veličiny
připomínka: Modulační zesilovač modulace uvnitř senzoru + synchronní demodulace
Modulace xN(t) xM(t) x(t) měřený signál
x ( t ) = X sin (ω X ⋅ t + Θ X )
harmonický referenční signál (nosná)
xR (t ) = A ⋅ sin (Ω ⋅ t )
xM (t ) = XA ⋅ sin (Ω ⋅ t ) ⋅ sin (ω X ⋅ t + Θ X ) = 1 = ⋅ XA ⋅ cos( [Ω − ω X ]⋅ t − Θ X ) − 2 1 − ⋅ XA ⋅ cos( [Ω + ω X ]⋅ t + Θ X ) 2 modulovaný signál (amplitudová modulace s potlačenou nosnou)
Modulace xN(t) xM(t) x(t) měřený signál
x ( t ) = X sin (ω X ⋅ t + Θ X )
neharmonický ref. signál
x N (t ) =
∑A
k =1, 2 , ...
k
sin( k Ω t + Θ k )
1 x M ( t ) = ⋅ XA ⋅ ∑ cos( [kΩ ± ω X ]⋅ t ± Θ X ) 2 modulovaný signál (amplitudová modulace s potlačenou nosnou) neharmonický měřený signál: analogicky
Posuv spektra – modulace a demodulace R
R
xR(t) uD(t)
⎪KF(jω) ⎜
x(t)
xM(t)
Princip synchronní demodulace
uR(t)
Synchronní detekce (demodulace) uD(t)
⎪KF(jω) ⎜
x(t)
xM(t)
1 xM (t ) = − ⋅ XA ⋅ cos( [Ω + ω X ]⋅ t + Θ X ) 2
xR (t ) = A ⋅ sin (Ω ⋅ t ) 1 1 cos α . sin β = sin(α + β ) − sin(α − β ) 2 2
1 u D (t ) = − ⋅ X ⋅ A2 ⋅ sin ( [Ω + ω X + Ω]⋅ t + Θ X ) + 4 1 + ⋅ X ⋅ A2 ⋅ sin ( [Ω + ω X − Ω]⋅ t + Θ X ) 4
