2010.09.20.
Analitikai szenzorok – első rész Galbács Gábor
Szenzorok Fizikai szenzorok
Mit nevezünk szenzornak? Mit nevezünk kémiai szenzornak? Mit nevezünk analitikai szenzornak?
1
2010.09.20.
Szenzorok Fizikai szenzorok
Mit nevezünk szenzornak? Mit nevezünk kémiai szenzornak? Mit nevezünk analitikai szenzornak? A legáltalánosabb (műszaki/fizikai) definíció szerint „a szenzor (érzékelő) egy olyan eszköz, amely valamilyen jelet vagy ingert (stimulus) érzékel és arra elektromos jel generálásával válaszol”. Itt jegyezzük meg, hogy bár a legáltalánosabb értelemben vett érzékelők (szenzorok) között lehetnek olyanok is, amelyek nem elektromos jelet generálnak (pl. higanyos hőmérő), ezek száma, jelentősége eltörpül. A műszaki/fizikai szenzorok fizikai jellegű mennyiségeket, hatásokat, erőket érzékelnek (pl. hőmérséklet, mágneses térerősség, fényintenzitás, stb.) … az általános (műszaki/fizikai) definícióba gyakorlatilag beletartozik az emberi szemtől a végállás‐kapcsolóig sokminden…
Fizikai szenzorok Általános példák szenzorokra
2
2010.09.20.
Kémiai szenzorok Fogalmi meghatározás és példák
A kémiában az előbbi szenzorfogalmat szűkítjük: „a kémiai szenzor egy olyan (kisméretű) eszköz, amely képes bizonyos kémiai komponensek minőségét vagy mennyiségét szelektíven érzékelni és ezt az információt (valós időben) elektromos jellé konvertálni.” … kémiai és molekuláris szenzorok egyes fajtáiról korábban már tanultak, csak akkor azokat pl. ionszelektív elektródnak neveztük; most ezekkel részletesen és általánosan, a szenzor‐fogalom körén belül fogunk foglalkozni …
Kémiai szenzorok Fogalmi meghatározás és példák
A kémiában az előbbi szenzorfogalmat szűkítjük: „a kémiai szenzor egy olyan (kisméretű) eszköz, amely képes bizonyos kémiai komponensek minőségét vagy mennyiségét szelektíven érzékelni és ezt az információt (valós időben) elektromos jellé konvertálni.” … kémiai és molekuláris szenzorok egyes fajtáiról korábban már tanultak, csak akkor azokat pl. ionszelektív elektródnak neveztük; most ezekkel részletesen és általánosan, a szenzor‐fogalom körén belül fogunk foglalkozni … A kémiai szenzorok fontos (gyakorlati, nem elméleti) jellemzője, hogy kis méretben (max. 1‐2 cm dimenziók) és valós időben (tipikusan max. 1 perc) kell működniük. Ezekkel a jellemzőkkel nyilván tovább szűkítjük az eszközök körét, körét ugyanakkor így az eszközök felhasználási köre nagymértékben bővül (lásd pl. orvosi alkalmazások, ipari szabályzók, szelektivitás, hordozható jelleg, stb.)
3
2010.09.20.
Analitikai szenzorok Fogalmi meghatározás
Az analitikai szenzorok körét jelen kurzus számára úgy definiáljuk, hogy abba minden kémiai szenzor beletartozik, valamint azon fizikai szenzorok, amelyek az analitikai kémia számára közvetlenül fontos/hasznos fizikai mennyiségeket érzékelnek (pl. hőmérséklet, fényintenzitás, nyomás, stb.).
Analitikai szenzorok Fogalmi meghatározás
Az analitikai szenzorok körét jelen kurzus számára úgy definiáljuk, hogy abba minden kémiai szenzor beletartozik, valamint azon fizikai szenzorok, amelyek az analitikai kémia számára közvetlenül fontos/hasznos fizikai mennyiségeket érzékelnek (pl. hőmérséklet, fényintenzitás, nyomás, stb.). Ezt a bő értelmezést azért használjuk, mert: 1.) a műszeres analitikai mérési eljárások, berendezések számos esetben éppen fizikai mennyiségek mérése köré épülnek („fizikai” módszerek), ezért fizikai szenzorokat alkalmaznak 2 ) alkalmunk legyen a szenzorok működésének ne csak a kémiai 2.) kémiai, hanem fizikai fizikai, méréstechnikai és szabályzási aspektusait is tárgyalni, amelyek egy analitikai mérési folyamat teljesítőképességét jelentősen meghatározhatják
4
2010.09.20.
Szenzorok Az egész mérő‐ vagy szabályzó rendszerrel kapcsolatos fogalmak A szenzorok önmagukban nem működőképesek, hanem azokat mindig valamilyen nagyobb mérő‐ vagy szabályzórendszer részeként alkalmazzuk. Az egész rendszer szempontjából beszélhetünk külső vagy belső (extrinsic vagy instrinsic) szenzorokról. A belső szenzorok a szabályzórendszerrel elektronikusan egybe vannak építve (akár pl. integrált áramköri, félvezető lapka szinten) vagy annak belső működését ellenőrzik, figyelik, érzékelik. A külső szenzorok ezzel szemben a rendszerhez képést külső elhelyezkedésűek és a környezeti paramétereket figyelik. Például egy analitikai műszer a mért kémiai adatok környezeti hőmérséklet‐ vagy nyomás‐korrekciójához külső szenzorokat használhat, míg az egyes alkatrészek elöregedését, túlmelegedését esetleg belső szenzorokkal figyeli.
Szenzorok Az egész mérő‐ vagy szabályzó rendszerrel kapcsolatos fogalmak A szenzorok önmagukban nem működőképesek, hanem azokat mindig valamilyen nagyobb mérő‐ vagy szabályzórendszer részeként alkalmazzuk. Az egész rendszer szempontjából beszélhetünk külső vagy belső (extrinsic vagy instrinsic) szenzorokról. A belső szenzorok a szabályzórendszerrel elektronikusan egybe vannak építve (akár pl. integrált áramköri, félvezető lapka szinten) vagy annak belső működését ellenőrzik, figyelik, érzékelik. A külső szenzorok ezzel szemben a rendszerhez képést külső elhelyezkedésűek és a környezeti paramétereket figyelik. Például egy analitikai műszer a mért kémiai adatok környezeti hőmérséklet‐ vagy nyomás‐korrekciójához külső szenzorokat használhat, míg az egyes alkatrészek elöregedését, túlmelegedését esetleg belső szenzorokkal figyeli. TTransducer d (át l kító) olyan (átalakító): l eszköz, kö amii az egyik ik energiaformát i f át a másikba á ikb konvertálja. k tálj A fizikai szenzorok körébe tartozó angol nyelvű fogalom. A transducernek nevezhető pl. egy nyomásmérő szenzor, mivel mechanikai energiát konvertál elektromossá, vagy a „bimetál”, mivel hőenergiát konvertál mechanikaivá. Actuator (mozgató): olyan transducer, aminek kimeneti energiaformája mozgás (mechanikai). Főként szabályzó rendszerekben van jelentősége. Példák: elektromos motor, PZT kristály.
5
2010.09.20.
Szenzorok Kapcsolódó általános fogalmak A szenzorok lehetnek aktív vagy passzív típusúak. A passzív szenzorok nem igényelnek semmilyen külső energiaforrást a működésükhöz (pl. termoelem, higanyos kontakt hőmérő). Az aktív, vagy másképpen parametrikus szenzorok viszont külső energiaforrást, gerjesztő jelet (excitation signal) jelet igényelnek, mivel működésük azon alapszik, hogy elektromos jellemzőik megváltoznak az őket körülvevő környezet jellemzői függvényében (pl. termisztor).
Szenzorok Kapcsolódó általános fogalmak A szenzorok lehetnek aktív vagy passzív típusúak. A passzív szenzorok nem igényelnek semmilyen külső energiaforrást a működésükhöz (pl. termoelem, higanyos kontakt hőmérő). Az aktív, vagy másképpen parametrikus szenzorok viszont külső energiaforrást, gerjesztő jelet (excitation signal) jelet igényelnek, mivel működésük azon alapszik, hogy elektromos jellemzőik megváltoznak az őket körülvevő környezet jellemzői függvényében (pl. termisztor). Egy másik jellemző csoportosítási lehetőség a kontakt és a kontaktus nélküli (contact és non‐contact) szenzorokra bontás. Értelemszerűen, a kontakt szenzoroknak közvetlenül érintkeznie kell a vizsgálandó komponenssel, ki kell azt tennünk a mérendő hatásnak (pl. a legtöbb kémiai szenzor ilyen), míg a kontaktus nélküli szenzorok általában sugárzás‐ vagy térérzekelő jellegűek, vagyis nem igénylik a kö tl érintkezést közvetlen é i tk é t (ne ( feledjük, f l djük pl.l a spektroszkópiai kt kó i i elvű l ű kémiai ké i i szenzorokk egy része lehet kontaktus nélküli!)
6
2010.09.20.
Szenzorok Kapcsolódó általános fogalmak A kémiai szenzorok működésének folyamata többnyire két lépésből áll: az első lépés a felismerési folyamat (recognition), a másik a jelkondicionálás (signal conditioning). A szenzorok által generált elektromos jel ugyanis sokszor igen alacsony feszültség‐ vagy áramerősség‐szintet (pl. mikrovolt, nanoamper) jelent, amit illeszteni szükséges az egész mérő‐szabályzó rendszerhez (akár a szenzor terhelésmentes kiolvasása miatt is). A leggyakrabban tehát szükség van egy elektromos/elektronikus interfészre is a szenzor és a mérőrendszer között. Szokás beszélni detektorokról is, ami alatt szabatosan olyan eszközt vagy teljes mérőberendezést értünk, ami kimutatja a jelenlétét valamiféle fizikai stimulusnak vagy kémiai komponensnek. A detektorok tehát a szenzorok egy olyan vállfaját alkotják, amelyek csak igen/nem (logikai) jelet szolgáltatnak, de (kémiai szenzor esetében) téb ) a koncentrációval k t á ió l arányos á j l t nem („küszöbérték‐figyelés”). jelet ( kü öbé ték fi lé ”) A tipikus ti ik példák közé tartoznak a biztonságtechnikai detektorok, mint pl. a fotokapu; a gamma sugárzás, CO vagy füst detektor.
Jiří Janata: Principles of chemicals sensors; Springer, 2009.
Szenzorok Egy általánosított mérő‐ és szabályzórendszer elemei Belső, kontaktus nélküli, passzív szenzor
Jelkondicionáló interfész
Mozgató elem
Belső, passzív szenzor Külső, aktív szenzor
Jacob Fraden: Handbook of modern sensors, physics, design and applications; American Institute of Physics, 1995.
7
2010.09.20.
Szenzorok Kapcsolódó általános fogalmak Összetett szenzorok, szenzormátrixok: előfordulnak szenzor alkalmazások, amikor több szenzor összehangolt működésével információ többlethez jutunk, esetleg az adott mérési feladatot csak így lehet megoldani. Ilyen esetet jelent a fényérzékelő szenzorok (pl. fotodiódák) összekapcsolása egy vagy kétdimenziós mátrixszá, amivel már spektrumot vagy képet lehet rögzíteni, vagy a giroszkóp. Intelligens szenzorok: a mikroelektronika mai fejlettségi szintjén nem jelnt gondot egy komplett számítógépet a szenzorral közös félvezető lapkára integrálni, amivel akár miniatűr kivitelű komplett mérő‐ szabályzórendszer hozható létre. Példaként szolgálhat egy alakfelismerő szoftvert futtató intelligens kamera.
Szenzorok A szenzorok osztályozása, jellemzői A szenzorok – főként a fizikai szenzorok ‐ igen sokfélék lehetnek, így sokféle szempont szerint is jellemezhetők, csoportosíthatók. A legfontosabb szempontokat az alábbi felsorolás és a következő táblázatok szemléltetik.
A szenzor anyaga A stimulus fajtája Az érzékelés alapjául szolgáló jelenség Teljesítményjellemzők Alkalmazási terület
8
2010.09.20.
Szenzorok A szenzorok osztályozása, jellemzői A szenzor anyaga Szervetlen
Félvezető
Vezető anyag
Szerves
Biológiai
Szigetelő
Folyadék, gáz vagy plazma
Egyéb
A stimulus fajtája Akusztikus: hullámamplitúdó, fázis, polarizáció, stb.
Optikai: hullámamplitúdó, spektrum, terjedési sebesség, törésmutató, emisszió, abszorpció, reflexió, stb.
g biomassza típusa, p , koncentrációja, j , állapota, p , Biológiai: stb.
Mechanikai: p pozíció,, gyorsulás, gy , erő,, nyomás, y , feszülés,, tömeg, nyomaték, sebesség, alak, érdesség, stb.
Kémiai: komponensek identitása, koncentrációja, állapota, stb.
Sugárzás: típus, energia, intenzitás, stb.
Elektromos: töltés, áram, potenciál, feszültség, elektromos térerősség, vezetőképesség, permittivitás, stb.
Hő: hőmérséklet, fluxus, fajhő, hővezetőképesség, stb.
Mágneses: mágneses térerősség, mágneses fluxus, permeabilitás, stb.
Stb.
Szenzorok A szenzorok osztályozása, jellemzői
Az érzékelés alapjául szolgáló jelenség Termoelektromos
Kémiai átalakulás
Biokémiai átalakulás
Fotoelektromos
Fizikai átalakulás
Fizikai átalakulás
Fotomágneses
Elektrokémiai folyamat
Organizmusra kifejtett hatás
Magnetoelektromos
Spektroszkópia
Spektroszkópia
Elektromágneses
Stb.
Stb.
Termoelasztikus Elektroelasztikus Termomágneses Stb.
9
2010.09.20.
Szenzorok A szenzorok osztályozása, jellemzői
A szenzor teljesítményjellemzői Érzékenység
Működési élettartam
Holtsáv
Kimeneti formátum
Stabilitás (hosszú és rövid távú)
Dinamikus tartomány (span)
Pontosság
Felbontás
A válaszjel keletkezésének sebessége
Szelektivitás
Túlterhelési jellemzők
Linearitás
Hiszterézis
Stb.
Alkalmazási terület Mezőgazdaság
Autóipar
Energiaipar
Háztartási
Gyógyászat
Környezetvédelem
Telekommunikáció
Biztonságtechnika
Katonai
Stb.
Szenzorok A kémiai szenzorok osztályozása Számunkra természetesen a legérdekesebb szenzorok a kémiai szenzorok lesznek. A kémiai szenzorok csoportján belül a következő kategóriákat szokás tárgyalni:
Elektrokémiai szenzorok (potenciometrikus, amperometrikus, vezetőképességi, stb.) Optokémiai szenzorok (optódák) Tömegérzékeny szenzorok Hőérzékelő szenzorok Biokémiai szenzorok (antitest/antigén, enzim/szubsztrát, receptor/hormon)
10
2010.09.20.
A szenzorok teljesítményjellemzői Transzfer függvény, érzékenység A teljesítményjellemzőket a következőkben a fizikai és kémiai szenzorokra általánosan fogjuk áttekinteni. Kémiai szenzorok esetében stimulusként az egyszerűség kedvéért gondolatban a mérendő komponens koncentrációját helyettesítsük be. Transzfer függvény: Megadja a függvénykapcsolatot a stimulus (S, koncentráció) és a szenzor által generált jel (s) között. A leggyakrabban a transzfer függvény lineáris, polinomiális, exponenciális vagy hatvány függvény, pl.: lineáris:
S=a+b·s
exponenciális:
S = a × ek · s
logaritmikus:
S = a + b · ln s
hatvány:
S = a 0 + a1 · s k
A szenzorok teljesítményjellemzői Transzfer függvény, érzékenység A teljesítményjellemzőket a következőkben a fizikai és kémiai szenzorokra általánosan fogjuk áttekinteni. Kémiai szenzorok esetében stimulusként az egyszerűség kedvéért gondolatban a mérendő komponens koncentrációját helyettesítsük be. Transzfer függvény: Megadja a függvénykapcsolatot a stimulus (S, koncentráció) és a szenzor által generált jel (s) között. A leggyakrabban a transzfer függvény lineáris, polinomiális, exponenciális vagy hatvány függvény, pl.: lineáris:
S=a+b·s
exponenciális:
S = a × ek · s
logaritmikus:
S = a + b · ln s
hatvány:
S = a 0 + a1 · s k
Érzékenység: jelentése tartalmilag megegyezik az analitikai kémiában megszokottakkal; itt a transzfer függvény deriváltjának adott stimulusérték melletti értékét tekintjük érzékenységnek.
11
2010.09.20.
A szenzorok teljesítményjellemzői Dinamikus tartomány, pontosság Bemeneti dinamikus tartomány (span, input full scale: FS): Azt a legnagyobb stimulus értéket adja meg, amelyet még a szenzorra „adhatunk” anélkül, hogy a kimeneti jelben elfogadhatatlanul nagy hibát (pontatlanságot) okoznánk. Nemlineáris szenzorok esetében sokszor szokás ezt az értéket relatív egységben, decibelben (dB) megadni. Elektromos teljesítmény (P) esetén: Erő, áramerősség, feszültség esetén:
1 dB = 10 · lg (P2/P1) 1 db = 20 · lg (s2/s1)
A szenzorok teljesítményjellemzői Dinamikus tartomány, pontosság Bemeneti dinamikus tartomány (span, input full scale: FS): Azt a legnagyobb stimulus értéket adja meg, amelyet még a szenzorra „adhatunk” anélkül, hogy a kimeneti jelben elfogadhatatlanul nagy hibát (pontatlanságot) okoznánk. Nemlineáris szenzorok esetében sokszor szokás ezt az értéket relatív egységben, decibelben (dB) megadni. Elektromos teljesítmény (P) esetén: Erő, áramerősség, feszültség esetén:
1 dB = 10 · lg (P2/P1) 1 db = 20 · lg (s2/s1)
Kimeneti dinamikus tartomány (full scale output, FSO): megadja a kimeneti jelek különbségét, amikor a bemenetre adott stimulus maximális és minimális.
12
2010.09.20.
A szenzorok teljesítményjellemzői Dinamikus tartomány, pontosság Bemeneti dinamikus tartomány (span, input full scale: FS): Azt a legnagyobb stimulus értéket adja meg, amelyet még a szenzorra „adhatunk” anélkül, hogy a kimeneti jelben elfogadhatatlanul nagy hibát (pontatlanságot) okoznánk. Nemlineáris szenzorok esetében sokszor szokás ezt az értéket relatív egységben, decibelben (dB) megadni. Elektromos teljesítmény (P) esetén: Erő, áramerősség, feszültség esetén:
1 dB = 10 · lg (P2/P1) 1 db = 20 · lg (s2/s1)
Kimeneti dinamikus tartomány (full scale output, FSO): megadja a kimeneti jelek különbségét, amikor a bemenetre adott stimulus maximális és minimális. Pontosság P t á (accuracy): ( ) a szokott k tt módon, ód ez a paraméter ét a mérési hibát adja meg. A pontosságot szenzorok esetében mindig a legrosszabb esetre vonatkozóan adják meg. Relatív (%) vagy abszolút mennyiségként (eltérésként) egyaránt használatos, a vonatkoztatási alap lehet a bemeneti vagy a kimeneti jel.
A szenzorok teljesítményjellemzői Hiszterézis, nemlinearitás, ismételhetőség Hiszterézis: Egyes szenzorok esetében a kimeneti jel értékét befolyásolja a változó bemenet (stimulus) változásának iránya. Más szavakkal, a mérési hiba mértéke és előjele a stimulus változási irányától függ.
13
2010.09.20.
A szenzorok teljesítményjellemzői Hiszterézis, nemlinearitás, ismételhetőség Hiszterézis: Egyes szenzorok esetében a kimeneti jel értékét befolyásolja a változó bemenet (stimulus) változásának iránya. Más szavakkal, a mérési hiba mértéke és előjele a stimulus változási irányától függ. Nemlinearitási hiba: ezt olyan szenzorok esetében definiáljuk, amelyek transzfer függvénye csak közelítőleg lineáris. Ez a közelítés mérési hibát eredményez, aminek legnagyobb lehetséges mértékét adja meg a nemlinearitási hiba a teljes mérési t t á tartományon b lül A lineáris belül. li á i közelítése kö líté a szenzor speciális kiolvasása miatt vagy alkalmazás‐specifikus okok miatt lehet szükséges. Ismételhetőség: a megszokott módon, a véletlenszerű hiba mértékét jellemzi, általában a relatív (FS‐re relatív) %‐os érték formájában.
A szenzorok teljesítményjellemzői Holtsáv, felbontás, speciális paraméterek Holtsáv: A holtsávval rendelkező szenzorok válaszjele egy tartományban (holtsáv) nem követi a stimulus változását; ez gyakran a nulla jel környékén fordul elő. Felbontás: a felbontás a legkisebb mérhető stimulus‐változás mértékét adja meg. Ez a lépcsőzetes jelleg csak bizonyos típusú szenzorokra jellemző (pl. potenciometrikus vagy digitális jelkimenetű szenzorok). Speciális vagy környezeti paraméterek: egyes szenzoroknál kiegészítő jellemzők megadása is szükséges a jellemzéshez, jellemzéshez pl. pl egy fényérzékelőknél a mérési hullámhossz‐tartomány fontos lehet. A környezeti paraméterek (nyomás, hőmérséklet, légnedvesség‐tartalom, elektromágneses interferencia, stb.) egyes szenzorok esetében szintén fontosak és a megbízhatóságot (élettartamot) befolyásolják (lásd később).
14
2010.09.20.
A szenzorok teljesítményjellemzői Kimeneti ellenállás, drift Kimeneti ellenállás: a kimeneti ellenállás (impedancia, ha a komplex, aktív/passzív viselkedést is ki akarjuk kifejezni) a szenzoroknak az adatgyűjtő/kiolvasó elektronikához való illesztése szempontjából van nagy jelentősége. Két alapvető eset van: kis és nagy kimeneti ellenállás. A feszültség kimenetű szenzorok ideálisan kis kimeneti ellenállásúak és olyan kiolvasó elektronikát igényelnek, igényelnek amelyek bemeneti ellenállása nagy. nagy Az áramjel kimenetű szenzorok ideálisan nagy kimeneti ellenállásúak és a kiolvasó elektronika bemeneti ellenállása kicsi.
feszültség kimenetű szenzor
áram kimenetű szenzor
Rövid és hosszútávú stabilitás (drift): ezek a jellemzők összefüggnek a pontosság és precizitás/ismételhetőség jellemzőkkel. A rövid távú (percek, órák esetleg napok alatti) stabilitás lényegében a kimeneti jel pozitív vagy negatív irányú (omni/bidirectional) megváltozása. A hosszú távú drift („öregedés”) általában egyirányú. Vannak szenzorok, amelyek jele az öregedéssel stabilabb lesz; ezeket elő‐öregítésnek (pl. extrém hőmérsékleti ciklusoknak) vetik alá a gyártáskor.
A szenzorok teljesítményjellemzői Hőmérsékleti effektusok Hőmérsékleti hatások: a hőmérséklet okozta hatásokat már említettük a környezeti hatások között, azonban érdemes vele külön is foglalkozni, két okból. 1.) hatása igen jelentős a legtöbb szenzor esetében, 2.) az effektus forrása részben belső eredetű, hiszen működés közben a szenzorok (főként az aktív szenzorok) hőt fejlesztenek. Ráadásul a keletkező hő hatása némi csillapítással átterjed a mért anyagi közegre is, ami valós, direkt/indirekt mérési hibát okoz. Például az aktív, kontakt jellegű szenzor termisztor az ellenállás hőmérsékletfüggéséből származtatja a hőméréskleti jelet. Ennél az önmelegítési effektusból adódó belső hőmérséklet‐emelkedés nagyságát az alábbi képlettel lehet becsülni: ∆T =
U2 (ρ ⋅ v ⋅ c + α ) ⋅ R
ahol a következő szenzor‐adatokat haználjuk: ρ a sűrűség, c a fajhő, v a térfogat, U a feszültség és R a nominális ellenállás. Mindezen okok miatt igen gyakori, hogy a szenzorokba hőmérséklet‐kompenzációs áramköröket építenek be.
15
2010.09.20.
A szenzorok teljesítményjellemzői Dinamikus jellemzők: bemelegedési idő Dinamikus jellemzők: statikus körülmények között egy szenzor viselkedését a transzfer függvény és más jellemzők tökéletesen leírják. Ha azonban a stimulus időben változik, akkor a kimeneti jel nem fogja azt valós időben (tökéletesen) követni. Ennek oka lehet a vizsgált rendszerrel való csatolás lassúsága, a szenzor lomha működése, stb. Az eredmény: dinamikus (időfüggő) mérési hiba. Mindehhez érdemes hozzávenni, hogy a szenzor mindig része egy szabályzó/mérőrendszernek, amely saját dinamikus jellemzőkkel bír; a két egység egymásra hatása zavarokat, oszcillációt okozhat az egész rendszer működésében. A dinamikus jellemzők az alábbiakban néhány fontosabbat megemlítünk: Bemelegedési idő (warm‐up time): a bemelegedési idő az a várakozási idő, aminek a tápfeszültség/gerjesztő jel rákapcsolása után el kell telnie ahhoz, hogy a szenzor a specifikációin belüli működést produkáljon produkáljon. Sok szenzor esetében ez az idő nagyon rövid, de egyes esetekben akár 30 perc is lehet.
A szenzorok teljesítményjellemzői Dinamikus jellemzők: frekvencia válasz Felső határfrekvencia (fu, higher cut‐off frequency): azt jellemzi, hogy milyen gyorsan tud reagálni a szenzor a beérkező stimulusra. A szenzorok elektromos viselkedése tipikusan olyan, hogy egy bizonyos frekvencia fölött a válaszjel csökkenni kezd, nem éri el a „helyes” értéket. A felső határfrekvencia definíció szerint az a frekvencia, ahol a jelcsökkenés (negatív hiba) eléri a ‐3 dB (kb (kb. 30%) értéket. értéket Másképpen: végtelen gyors lépcsőzetes stimulus hatására a kimeneti jel csak késve éri el a helyes értéket (lépcsőmagasság); definiálható egy időkonstans (τu) is, ami megadja, hogy a jel mennyi idő múlva éri el a helyes érték 90%‐át. Alsó határfrekvencia (fl, lower cut‐off frequency): azt jellemzi, hogy milyen lassú jeleket képes még a szenzor érzékelni. Az ún. DC szenzorok konstans jelekre is reagálnak (fl= 0). Az időkonstans (τl ) és a határfrekvencia a korábbiakhoz hasonlóan definiálhatók. fu fu és fl is végtelen korlátos fu korlátos fl fu és fl is korlátos fu ‐ fl kicsi (kis sávszélesség)
16
2010.09.20.
A szenzorok teljesítményjellemzői Dinamikus jellemzők: fáziskésés és csillapítás Fáziskésés (phase shift): egyféle jellemzését adja annak, hogy egy adott frekvencián mennyivel késik a kimeneti jel a stimulus változásához képest. Fokokban vagy radiánban mérjük. Csillapítás (damping): a szenzor dinamikus viselkedését jellemzi a csillapítás is is, amit az alábbi ábra szemléltet. A transzfer függvény legalább másodrendű tagot tartalmaz. Ha a válaszjel ideálisan csillapított (critically damped), akkor a lehető legnagyobb sebességgel igyekszik a stimulusnak megfelelő értéket (F) felvenni anélkül, hogy túllövés következne be. A jel alulcsillapított (underdamped), ha jel ilyenkor túllő, majd periodikusan egyre kisebb túllövéssel (A, B, C, D, …) oszcillálva közelíti a helyes értéket. Ha a jel túlcsillapított (overdamped), akkor a jel nem lő túl, viszont túl lassan közelít a helyes értékhez.
A szenzorok teljesítményjellemzői Megbízhatóság, élettartam Megbízhatóság: a gyakorlat számára igen fontos, de nehezen definiálható fogalom, noha különböző ipari/katonai szabványok léteznek ennek mérésére. Megadása kétféle módon szokásos: % adatként, illetve várható élettartam (MTBF, mean‐time‐between‐failures). Az első esetben pl. pl extrém körülmények között (ciklusok extrém hőmérsékleteken, hőmérsékleteken max max. tápfeszültségeken, max. mechanikai hatások, max. páratartalom stb. mellett) gyorsított „öregedést” szimulálnak és megvizsgálják, hány szenzor pusztul el egy adott (valós) időtartam alatt. Pl. ha 100 szenzorból 10 év alatt 2 pusztul el, akkor 98% a megbízhatóság. Az MTBF adatok esetében, összetett eszközöknél faktorálással megpróbálják élettartamát, megbízhatóságát összegezni és megbecsülni (pl. 1000 óra folyamatos, max. ) Az MTBF értékek általában óra egységekben gy g hőmérsékleten való teszteléssel). megadottak. A p valószínűsége, hogy egy adott szolgálati időn keresztül a szenzor (vagy valamely berendezés) megbízhatóan működni fog: −t
p = e MTBF Pl. ha az MTBF 250000 óra, és a szolgálati idő 5 év (43800 óra), akkor p= 0.839, vagyis 83.9% a valószínűsége, hogy a szenzor élettertama meghaladja az 5 évet.
17
2010.09.20.
Interfész és meghajtó áramkörök A szenzorok kimeneti jelének kondicionálása, illesztése
A legtöbb szenzor (főképpen a passzív típusok) nagyon gyenge jeleket produkálnak. Ezek a jelek asok esetben mV vagy pA nagyságrendűek. Ezzel szemben a legtöbb adatgyűjtő rendszer, rekorder, számítógépes bemenet, stb. jóval nagyobb jelszintet (V vagy mA) A) igényel. i é l Így Í a szenzorokk kimeneti ki ti jelének j lé k illesztése ill té a „terhelő” t h lő” áramkörhöz á kö hö egy fontos feladat a szenzorikában.
Az illesztés egyik leggyakoribb feladata tehát az erősítés. Emelett azonban még sok konverziós, hangolási, össehasonlítási, stb. feladatot el kell látnia az interfész áramkörnek. A következőkben az ide vonatkozó feladatok és megoldások közül ízelítőképpen tekintünk át néhányat (vázlatosan/fenomenologikusan).
Interfész és meghajtó áramkörök Műveleti erősítők A jelkondicionálási feladatokat ma leginkább műveleti erősítőkkel (nagyszámú aktív félvezetőt és passzív alkatrészeket tartalmazó integrált áramkör) oldják meg; ez a kapcsolási rajzok építőeleme. Két feszültség bemenet (invertáló és nem‐invertáló) Nagy bemeneti impedancia (kb. 1 ‐ 100 GΩ), ezért igen kis árammal terheli a jelforrást Kis kimeneti impedancia (kb. 0.1 Ω), ezért jól terhelhető a kimenete Nagyon nagy jelerősítés (akár 104‐106), ami azért frekvenciafüggő Igen kis zaj Széles S él működési űködé i ffrekvenciatartomány k i t t á ((akár ká 0 0‐GHz) GH ) Nagy stabilitás A működés elemi szinten való tárgyalásához két alapvető szabályt kell csak megjegyezni: 1.) a kimenet akkora értékre áll be, hogy a külső áramköri elemeken keresztül a két bemenet közötti feszültségkülönbség jó közelítéssel nullává váljon. 2.) a bemenetek olyan kis áramot vesznek fel, hogy az jó közelítéssel nulla.
18
2010.09.20.
Interfész és meghajtó áramkörök Műveleti erősítők Ez van egy műveleti erősítő integrált áramkör belsejében (pl. LF411):
Interfész és meghajtó áramkörök Erősítők Egyenáramú erősítő áramkör (nem invertáló): Ube Uki
R Uki = Ube ⋅ 1 + 1 R 2
Uki
R Uki = Ube ⋅ 1 + 1 R 2
Váltóáramú erősítő (nem invertáló): Ube
19
2010.09.20.
Interfész és meghajtó áramkörök Konverterek Impedancia konverter, puffer (nagy bemeneti és kis kimeneti impedancia): Ube Uki
Uki ≈ Ube
Áram‐feszültség konverter (invertáló erősítő):
Interfész és meghajtó áramkörök Osztóhálózat (hídkapcsolások) Kiegyensúlyozatlan Wheatstone hídkapcsolás (ellenállás jellegű szenzorok „kiolvasására”):
20
2010.09.20.
Interfész és meghajtó áramkörök Áram és feszültség források Az aktív szenzorok egy része állandó áram‐ vagy feszültségforrást igényel. Ehhez olyan kapcsolásokra (áramgenerátor és feszültség referencia) van szükség, amelyek a terheléstől független működésűek. Egy egyszerű áramgenerátor kapcsolás. (a bemenetre kapcsolt referencia feszültség határozza meg, hogy mekkora áramot kap a terhelés, L, load). Feszültség‐áram konverternek is lehet hívni.
Interfész és meghajtó áramkörök Áram és feszültség források A legegyszerűbb (közepes teljesítőképességű) feszültség referencia a Zener dióda. Míg a normál dióda negatív előfeszítéskor nem vezet (illetve túl nagy feszültség esetén mégis, de akkor tönkremegy), a Zener dióda kis letörési feszültséggel bír, és így a letörési feszültséget elérő negatív előfeszítés esetén átengedi magán az áramot, ezáltal biztosítva, hogy a kapcsain a feszültség nem haladja meg a „Zener feszültséget”.
Ennél sokkal pontosabb (és sokkal bonyolultabb) eszközök, kapcsolások is léteznek a feladatra.
21
2010.09.20.
Interfész és meghajtó áramkörök Áram és feszültség források A feszültségforrások egy speciális esetét képezik az oszcillátorok, amelyek időben periodikusan változó (pl. négyszög, színusz, fűrészfog, stb.) feszültséget állítanak elő. tápfesz. +
négyszögjelet előállító oszcillátor
1 1 1 + 1 R R 2 f = ln1 + 1 R 4 ⋅ C1 R3
−1
színuszjelet előállító oszcillátor tipikusan C1=C2 és R1=R3=R4=R6 és ekkor
f ∝ Re
Interfész és meghajtó áramkörök Jelátvitel Egy külső szenzor jelét el kell juttatni az adatgyűjtő/szabályzó rendszer többi részéhez, ami a kis jelekre és egyes esetekben szükséges hosszú jelvezetékekre való tekintettel nem egyszerű feladat (zavaró hatások, feszültségesés, stb.). A következő lehetőségek fontolandók meg: Egyszerű kétvezetékes analóg jeltovábbítás (csak áramgenerátorral, áramjelekre működik jól a feszültségesés miatt a csatlakozó vezetékekben)
Négyvezetékes analóg jeltovábbítás
Telemetrikus jelátvitel (egy hordozó frekvenciát modulálva továbbítják a jeleket, pl. AM, FM, PWM, stb.) Árnyékolás Digitalizálás (A/D és D/A konvereterekkel)
22
