Úvod do metrologie
- 49 -
9. ČIDLA A PŘEVODNÍKY (V.LYSENKO) Čidlo – (senzor, detektor, receptor) je převodníkem jedné fyzikální veličiny na jinou fyzikální veličinu. Snímač – (senzor + obvod pro zpracování signálu) je to člen pro sběr informací.
Rozdělení snímaných veličin Typ veličiny
Skupina veličin
Elektrické
Napětí, proud, odpor, kapacita, indukčnost,... Indukce, intenzita, magnetický tok, magnetický odpor, ... Délka, dráha, rychlost, zrychlení, hmotnost, síla, mechanické napětí, otáčky, výška hladiny, ...
Magnetické Mechanické 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)
Úvod do metrologie
- 50 tvaru výstupního signálu – 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 signálu. 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
Úvod do metrologie
–
- 51 -
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 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 veličina
senzor
propojení měřidlo
Nespojitý (digitální) řetězec bez PC zesilovač Nelektrická veličina
A-Č převodník
Zobrazovač (displej)
propojení Senzor
data unifikace signálu
Úvod do metrologie
- 52 -
Měřicí řetězec s mikropočítačem A-Č převodník
zesilovač Nelektrická veličina
k PC
propojení Senzor
data
mikropočítač
data
unifikace signálu
Měřicí řetězec s PC Snímač zesilovač Nelektrická veličina
PC
Senzor unifikace signálu
monitor
Zásuvná jednotka
měřicí zesilovač
A-Č převodník
Tenzometr Je převodník změny mechanické deformace na změnu elektrického odporu. Vysvětlení principu činnosti na vetknutém nosníku Elektrický odpor homogenního vodiče je dán vztahem R = ρ
l , kde ρ je měrný odpor, l S
je délka a S průřez vodiče.Celková změna odporu je ∂R ∂R dR = dl + dS . ∂l ∂S
H A L L Ů V senzor Je destička z polykrystalického křemíku se dvěma páry vývodů, proudového a napěťového, viz obr. I
B +
UH -
Úvod do metrologie
- 53 -
G K G G Senzor využívá LORENTZOVU sílu Fm = Q v × B , kterou působí magnetické pole B na G 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.
(
)
+ +
B
+ +
+
I
-
-
-
-
-
HALLOVO napětí – U H = RH BI , kde RH je tzv. HALLOVA konstanta. Aplikace: bezdotykové měření magnetické indukce B , bezdotykové měření proudu. Inteligentní senzor (smart sensor) Struktura senzor 1
měřicí zesilovače a multiplexor
senzor 2 senzor 3
Smart sensor
=
obvody autokalibrace a kompenzace
A-Č převodník
mikropočítač
vlastní sensor ( zajišťuje fyzikální převod ) + obvody pro unifikaci signálu + 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
data
