Az emberi érzékszervek osztályozása J. W. Gardner: Microsensors, Wiley, 1994
Érzékelés
Jel
Mit érzékelünk
Érzékszerv
Műszaki eszköz
Látás
Sugárzás
Fényintenzitás és frekvencia
Pálcikák és csapok Fényérzékeny film, fotodióda, fototranzisztor,CCD
Hallás
Mechanikai
Hangnyomás és frekvencia
Közép és belső fül Mikrofon
Tapintás
Mechanikai
Nyomás, erő, hő
Idegrendszer
Potenciométerek, transzformátorok, érintkezőmátrix termoelem
Szaglás
Kémiai
Illatok
Az orrban lévő receptorok
Bioszenzorok
Ízlelés
Kémiai
Proteinek
Ízlelő bimbók a nyelven
Bioszenzorok
látás
hallás
szaglás
ízlelés
tapintás
A CCD (Charge-coupled Device, azaz töltés-csatolt eszköz) egy analóg jelek továbbítására szolgáló elektronikai alkatrész-lánc (analóg shift regiszter). Fényérzékeny alkatrésszel, fotodiódával kombinálva a fényt elektronikus jelekké alakító eszköz, mely egymáshoz csatolt kondenzátorokból álló integrált áramkört tartalmaz. Külső áramkör segítségével minden kondenzátor képes átadni a töltését a szomszédjának, így kiolvasható a kép. A CCD-ket a digitális fényképezés, csillagászat területén, videokamerákban és optikai szkennerekben alkalmazzák. A csillagászatban részben fényességmérésre, optikai és UVspektroszkópiára és nagysebességű technikáknál alkalmazzák.
A mikrofon egy elektroakusztikai átalakító. Célja a fizikai közegben (pl. levegőben) terjedő rezgések átalakítása elektromos jellé. Legyen szó bármilyen mikrofonról, egy közös vonása van mindnek, a tényleges munkavégzést a benne található membrán végzi. Ennek milyensége, anyaga igen változó, készülhet papírból, műanyagból vagy alumíniumból egyaránt. Ha a membrán hanghullámokkal érintkezik igen apró rezgéseket végez, s e vibrálásokat alakítja elektromos jellé. A vízben terjedő hang átalakítására szolgáló eszköz neve hidrofon.
Az elektronikus orral történő vizsgálat során valójában nem az egyedi összetevők szelektívelemzése, hanem az éppen elvégzett mérés és a korábban mért minták eltárolt jelválaszainak összehasonlítása történik. Kiemelendő tehát, hogy más analitikai módszerekkel ellentétben e technológia egyáltalán nem szolgál információval az analizálni kívánt termék jellegét illetően, segítségével csupán összehasonlító vizsgálatokat végezhetünk.
A szenzorok osztályozása az érzékelendő fizikai jelek szerint J. W. Gardner: Microsensors, Wiley, 1994
Termikus
Hőmérséklet, hőmennyiség, hőáram, hőkapacitás, stb
Sugárzás
UVsugárzás,látható fény,infravörössugárzás,szín,mikrohullámú sugárzás, rádiófrekvenciás sugárzás, Gamma-sugárzás, Röntgen-sugárzás, stb.
Mechanikai
Helyzet, sebesség, gyorsulás, erő, nyomaték, nyomás, tömeg, áramlás, hangfrekvencia és hangnyomás, stb.
Mágneses
Mágneses tér, fluxus, mágneses nyomaték, mágneses indukció, permeabilitás, stb.
Kémiai
Nedvesség, pH érték, gázkoncentráció, gőzök és illatok, mérgező és gyúlékony anyagok, szennyező anyagok, cukrok, proteinek, hormonok, antigének, stb.
Villamos
Feszültség, áram, töltés, ellenállás, vezetőképesség, kapacitás, induktivitás, dielektromosság, polarizáció, frekvencia, stb.
A szenzorok kétféle csoportosítás szerint osztályozhatók fizikai működés szerint
mérendő mennyiség szerint
Ellenállásváltozás
Hőmérséklet, hőmennyiség, hőáram
Induktivitásváltozás
Helyzet, sebesség, gyorsulás, erő, nyomaték, nyomás, tömeg, idő, áramlás, hangfrekvencia és hangnyomás
Kapacitásváltozás Piezoelektromosság pn-átmenet hőfokfüggése Seebeck-effektus Fotoelektromos hatás Magnetorezisztivitás
Fény (látható sugárzás), UV-sugárzás, infravörös sugárzás, mikrohullámú sugárzás, Röntgensugárzás, Gamma-sugárzás, rádiófrekvenciás sugárzás Töltés, áram, feszültség, ellenállás, kapacitás, induktivitás, dielektromosság, polarizáció, frekvencia, Mágneses tér, fluxus, mágneses nyomaték, mágneses indukció, permeabilitás Nedvesség, pH érték, gázkoncentráció, gőzök és illatok, mérgező és gyúlékony anyagok, szennyező anyagok Cukrok, proteinek, hormonok koncentrációja
A szenzorok legfontosabb jellemzők A szenzor (érzékelő) és a jelátalakító (transducer) közötti különbségek Példa: Szenzor (érzékelő): nyúlásmérő bélyeg
Nyomás jelátalakító (trasducer)
1. A szenzor a megnyúlást ellenállásváltozássá alakítja, és önmagában nem használható. 2. A jelátalakító tartalmaz egy olyan elemet, amelyik a mérendő fizikai paramétert (itt: nyomást) megnyúlássá alakítja. A klasszikus finommechanikában ezt is érzékelő elemnek nevezzük. 3. A jelátalakító egyéb elemeket is (elektronikus eszközök, kiegyenlítő áramkörök, kábelkivezetés,tokozás) tartalmaz, amelyek által az eszköz nyomásmérésre alkalmassá válik.
Az ideális szenzor jellemzői J. W. Gardner: Microsensors, Wiley, 1994
A szenzorjellemző neve
Ideális tulajdonság
Statikus karakterisztika
Tökéletesen lineáris és zajmentes
Nullponthiba Felfutási idő
Nincs, a karakterisztika átmegy a nullaponton Zérus
Sávszélesség
Végtelen nagy
Felső méréshatár
Kalibrált maximális kimenet
Alsó méréshatár
Végtelen kicsi
Érzékenység
Nagy és állandó a teljes méréstartományban Végtelen kicsi
Feloldás
Ideális statikus szenzorkarakterisztika
y (kimenet)
Tökéletesen lineáris és zajmentes A szenzor érzékenysége nem más, mint a karakterisztika meredeksége. Idegen szóval Sensibility, rövidítve S x
S
(bemenet)
S
(érzékenység)
S
y dy dx x
x
(bemenet)
dy y dx x
Az ideális statikus karakterisztika érzékenysége az egész mérési tartományban állandó
a non-contact inductive position sensor capable of monitoring linear and shallow-arc motion across its 20mm sensing zone
Reális statikus szenzorkarakterisztika
y (kimenet)
A karakterisztika nem lineáris, és sokszor nem is megy át a nullponton. Ez utóbbi a nullpont hiba, idegen szóval offset hiba.
reális ideális
y0 (nullpont hiba, offset)
x S
(bemenet)
(érzékenység)
S
Az érzékenységet itt is a karakterisztika meredeksége adja meg, csakhogy az pontról pontra változik.
S
reális
y dy dx x ideális
x
(bemenet)
dy y dx x
A reális szenzorkarakterisztika érzékenysége a mérési tartományban változik, még statikus működés esetén is.
A statikus szenzorkarakterisztika tulajdonságai
S
(érzékenység)
S
dy y dx x
méréstartomány
xmin
xmax x (bemenet)
xmin: alsó méréshatár xmax: felső méréshatár xmin-xmax: méréstartomány A szenzor mérési tartománya a felső és az alsó méréshatár különbsége.
Az érzékelőknél, még inkább a komplett jelátalakítóknál létezik egy olyan legkisebb bemeneti mennyiség, amely alatt nincs meg a kívánt érzékenység. Ezt nevezzük alsó méréshatárnak. Ezután következik az a tartomány, ahol az érzékelő jól használható. A bemeneti mennyiséget tovább növelve elérkezik egy olyan szakasz, amikor a szenzor működése telítésbe megy, és az érzékenység lecsökken. Ezt nevezzük felső méréshatárnak.
A szenzor feloldása az egyik legfontosabb minősítő paraméter feloldás
y (kimenet)
x
(bemenet)
Bemeneti küszöb
A feloldás az a legkisebb bemeneti mennyiség, amelyre a kimenet válaszol. Elméleti és ideális esetben már végtelenül kicsi bemeneti változás a kimeneten választ generál, a gyakorlatban azonban ez általában nincs így. Másképpen fogalmazva az ideális szenzor végtelen sok energiaállapotot felvehet, a gyakorlatban a felvehető energiaállapotokat a szenzor feloldása korlátozza.
Nullpontnál a feloldás
A feloldás fogalma és jelensége rávilágít arra, hogy az analóg és digitális technika találkozik, amikor egy digitet egyenlővé teszünk a feloldással.
Dinamikus szenzorkarakterisztika y (kimenet)
y
t S
reális
ideális
dinamikus hiba
késleltetés
t (idő)
(érzékenység) reális
ideális
t (idő)
A dinamikus esetben a kimenetet nem a bemenet függvényében, hanem az időtartományban vizsgáljuk. A dinamikus hiba és a késleltetés előjeles mennyiségek. A rajzon mindkettő pozitív előjelű. Az ideális kimenet a végtelen gyorsan működő szenzor kimenete. A reális szenzor kimenete általában késik, és a vizsgált pillanatban kisebb is az ideálisnál, de előfordulhat, hogy a kimenet időszakosan nagyobb, és korábban is jelentkezhet, mint az ideális. Dinamikus működéskor az érzékenység nem állandó !
A tranziens hiba értelmezése Kezdeti dinamikus hiba
Dinamikus hiba
y (kimenet)
Tranziens hiba Dinamikus hiba
Tranziens szakasz
t (idő) Első állandósult szakasz
Második állandósult szakasz
A tranziens hiba egy speciális dinamikus hibafajta. Alapvető tulajdonsága, hogy bizonyos idő elteltével megszűnik. Maga a dinamikus hiba a szenzor működése alatt mindvégig jelen lehet, ami „magától” megszűnik, az a tranziens hiba. A tranziens szó magyar jelentése: átmeneti.
Az ábrán a szaggatott vonal az ideális, tehetetlenség mentes kimenetet, a „kényszer” kimenetet ábrázolja. Ez a valóságban nem létezik, csak elméletben. A folytonos vonal a reális kimenetet mutatja.
A szenzorok dinamikus tulajdonságai y (kimenet)
Ha a szenzor bemenetén a jel (átalakítandó jel) ugrásszerűen (végtelen gyorsan) változik, a valóságos szenzor kimeneti jele ezt nem fogja végtelen gyorsan követni, hanem bizonyos törvényszerűség szerint fog a kimeneti jel változni.
100% 90% 63%
τ t y k 1 e
t90
t (idő)
Az ábrán egy ú. n. elsőrendű szenzor kimeneti jelét láthatjuk. Ennek a szenzornak az a jellemzője, hogy csak egy energiatárolója van, ezért elsőrendű. A másodrendű szenzor két, a harmad vagy többedrendű kettő vagy több független energiatárolóval rendelkezik.
Az elsőrendű szenzor válaszfüggvénye egy exponenciális görbe, amelynek jellemzője a τ időállandó. Ez az idő nem más, mint a 63%-os kimeneti érték, ha a végérték 100%, amit a kimenet elméletileg csak végtelen hosszú idő alatt ér majd el. Mivel a végtelenül hosszú időt elég nehéz kivárni, a műszaki gyakorlatban (az impulzustechnikában) gyakran a 90%-ot, és az ehhez tartozó időt definiálják, illetve fogadják el a 100% helyett.
A szenzorok dinamikus tulajdonságai S
(érzékenység)
dy S dx
Szenzoraink működése sajnos nem végtelenül gyors. Ennek következtében létezik egy felső határfrekvencia (a bemeneti jellemző szinuszosan változik) amely felett a szenzor dinamikus hibája már akkora, hogy a megengedett (tűrt) tartományon kívülre esik.
sávszélesség
fmin
fmax
f (frekvencia)
Az esetek nagyobbik részében a szenzor statikusan is működik, tehát akkor is ad jelet, ha a bemenet az időben nem változik. Ekkor az alsó határfrekvencia zérus.
Az esetek egy kisebb részében előfordul, hogy a szenzor statikusan (nincs időbeli változás) nem működik. Ekkor létezik egy alsó határfrekvencia, amely alatt a szenzor dinamikus hibája már olyan nagy, hogy az számunkra már elfogadhatatlan. A felső és az alsó határfrekvencia különbségét sávszélességnek nevezzük.
A szenzorok nem kívánatos jellemzői J. W. Gardner: Microsensors, Wiley, 1994
A szenzorjellemző neve
Jelentése
Nonlinearitás
A kimenet nem egyenesen arányos a bemenettel
Lassú válasz
A kimenet lassan éri el az állandósult állapotot (nagy időállandó)
Szűk működési tartomány
A működési tartomány erősen korlátozott
Alacsony érzékenység
A szenzor csak nagy bemenetekre ad választ
Érzékenységi drift
A kimenet időben változik, pl hőmérsékletre
Nullpont drift
A nullpont időben változik
Offset
A kimenet rendszeres hibája
Offset drift
A kimenet működés közben időben lassan változik
Öregedés
A kimenet az időben lassan változik
Interferencia
A kimenet környezeti hatások, pl. Elektromágneses sugárzás, vagy nedvesség hatására változik
Hiszterézis
A növekvő és csökkenő karakterisztika nem esik egybe
Zaj
A kimenet véletlen jeleket tartalmaz
A drift lassú változást jelent, ami hosszú idő alatt következik be. Magyarul kúszásnak nevezhető. reális
y (kimenet)
ST
dy dx
ideális
S
dy dx
y0T x
(bemenet)
y0T: nullpont drift (pl. hőmérséklet hatására) ST: érzékenység drift (pl. hőmérséklet hatására)
Beszélhetünk a karakterisztika driftjéről, a meredekség (érzékenység) kúszásszerű változásáról, és a nullpont driftjéről, amelyek rendszerint együtt járnak. A driftet ideális karakterisztikára mutattuk be, de a drift jelensége bármely szenzorkarakterisztikánál, bármely működési mód mellett is felléphet. Oka rendszerint a hőmérséklet változása, de lehet a nedvesség, légnyomás, sugárzások, vagy egyszerűen a szenzor öregedése is.
A hiszterézis-hiba értelmezése
y (kimenet)
ideális
reális
x
(bemenet)
A hiszterézis elsősorban kemény mágneses anyagok fel és lemágnesezésénél fellépő jelenség. Innen vettük át a szenzoroknál is tapasztalható hibafajta megnevezését, amikor a karakterisztika felfutó és lefutó ága nem ugyanazon a görbén fekszik. Az ábrán ezt lineáris karakterisztikára rajzoltuk fel, de a hiba bármilyen nemlineáris karakterisztika és dinamikus működés mellett is felléphet.
A hiszterézis hiba okozója legtöbbször a súrlódás. Ezért törekednünk kell arra, hogy szenzoraink, jelátalakítóink lehetőleg súrlódás mentesek legyenek.
Reális szenzorok hibái Az ideális szenzor kimeneti jele zajmentes.
y (kimenet) reális ideális
y1
t (idő) Zaj: A kimeneten megjelenő véletlenszerű ingadozások, amelyek a szenzorban keletkeznek működés közben.
A valóságos szenzoroknál azonban számolnunk kell azzal a jelenséggel, hogy a kimeneten olyan jelek is megjelennek, amelyek a bemeneten nincsenek meg. A zaj többféle lehet, az egyik leggyakoribb a fehérzaj, amelyre az jellemző, hogy a zaj végtelen sok frekvenciájú komponenst tartalmaz, azaz a zajspektrum végtelenül széles.
A zaj mérési hibát okoz, általában a detektálhatóságot, vagy az alsó méréshatárt határozza meg.
A szenzorok áttekintése és osztályozása Miért kell a szenzornak kis méretűnek lennie, miért a mikroszenzorok felé mozdul el a fejlődés ? 1. Kevesebb anyag, kisebb anyagköltség. (Az anyagköltség legtöbbször elhanyagolhatóan kicsiny). 2. Gyorsabb működés. (A kisebb méretekkel együtt jár a nagyobb működési sebesség.) 3. Olcsóbb, tömeges előállítás mikrotechnikai technológiákkal. 4. A külvilágból sokféle, minél differenciáltabb információra van szükség ahhoz, hogy a rendszer minél intelligensebb lehessen. A sok érzékelő pedig csak akkor lehetséges, ha az egyes érzékelők minél kisebbek. Mi következik ebből ? A korszerű szenzortechnika elsajátításához szükséges a legfontosabb mikrotechnológiák ismerete is.
Példa a nyomásmérésre A hagyományos, „gépészeti” megoldás: a Bourdon-csöves manométer A műszer előlnézete burkolat nélkül
A műszer belső szerkezete: a mechanikus érzékelő (Bourdoncső), és a mechanikus hajtómű
A mechanikus mérőmű finommechanikai szerkezeti elemei 1 és 2 a Bourdon-cső
3 a Bourdon-cső elmozduló vége 4 csuklós kar 5 kétkarú emelőkar a (7) fogasívvel 6 a kar csapágyazása 8 a mutató tengelye a kis fogaskerékkel 9 visszatérítő spirálrugó A a Bourdon-cső és a nyomás csatlakozás tömbje B alaplap C csapágylemez D rögzítő szegecsek
A jelenlegi nyomásmérők A mai korszerű nyomásmérők mikromechanikai módszerekkel készülnek, és egybe vannak integrálva a feldolgozó elektronikával. Ezeket hívjuk összefoglaló néven integrált mikromechanikai rendszereknek. ( iMEMS, integrated MicroElectromechanical Systems)
Forrás: ISSYS
Katéterbe építhető, rádiófrekvenciás adóval ellátott nyomásmérő szenzor
Forrás: ISSYS
Áttekintés
DS-S2 Szívócső nyomás, töltőnyomás érzékelő
DS-T2
DS-O(-TF)
Tanknyomásmérő
Olajnyomásmérő
GS/VSA 6093
DS-S2-TF
Szívócső nyomás, töltőnyomás integrált hőmérséklet érzékelővel
DS-U
Környezeti nyomásmérő (vezérlőegységbe való beépítésre)
Forrás: Bosch
Nyomásmérő MEMS
A mikro elektromechanikai rendszerek létrejötte szükségszerűség volt, a mai igényeket egyszerűen nem lehet a hagyományos, mondjuk úgy, hogy tisztán mechanikai, vagy más szavakkal gépészeti szerkezetekkel kielégíteni. Ez nemcsak a szenzortechnikára, hanem az aktuátortecnikára, és más hasonló területekre is vonatkozik. Forrás: Bosch
A mikromechanikai nyomásmérő tokozás előtt
Potenciométeres átalakítók Két alaptípus van: forgó és egyenesvonalú (toló) Alapegyenletek:
R c
R cls
R0
R0 c l0
c
0
Tulajdonságok: A csúszka súrlódása hiszterézis hibát okoz, a csúszka és az ellenálláspálya kopik, a csúszka és az ellenálláspálya közötti átmeneti ellenállás elektronikus zajt okoz csak terheletlenül ( Rt=∞) lineáris a linearitást a vezetékellenállások is kedvezőtlenül befolyásolják, az ellenálláspálya speciális kialakításával, például rétegpotenciométereknél az ellenállásréteg vastagságának változtatásával lineáristól eltérő, pl. logaritmikus, exponenciális karakterisztikák is megvalósíthatóak.
A potenciométeres kapcsolás linearitásának változása a terhelés függvényében Az átalakító karakterisztikájának változása a terhelő-ellenállás függvényében
A potenciométereknek az ellenálláspálya kialakításától függően két típusa van: a réteg-, és a huzalpotenciométerek
1
Rt/Ro=0,1
0,9
0,8
Rt/Ro=0,5
0,7
Uki/Ube[]
0,6
Rt/Ro=1
0,5
0,4
Rt/Ro=5
0,3
0,2
Rt/Ro=10
0,1
0 0
10
20
30
40
50 Rx[% ]
60
70
80
90
100
A potenciométereknek az ellenálláspálya kialakításától függően két típusa van: a réteg-, és a huzalpotenciométerek A rétegpotenciométerek előnye a már említett lineáristól eltérő karakterisztika viszonylag könnyebb megvalósíthatósága. Óriási hátrány viszont az ellenálláspálya kopásával együttjáró zaj, erős kopásnál a működés megszűnése. Ellenállásanyagok: cermet (ruténium), poliacetilén. A huzalos potenciométerek előnye a nagyobb megbízhatóság, nagyobb kopásállóság. Hátrányuk a kisebb névleges ellenállás-tartomány (nem lehet tetszőlegesen vékony ellenálláshuzalt használni), és felépítésükből adódóan a lépcsőzetes jelleggörbe, amely fogalmilag a feloldással azonos. Mennél nagyobb a menetszám, annál nagyobb a feloldás, vagyis kisebb a lépcső. Speciális csoport a trimmer (beállító) potenciométer. Jellemző rá a rosszabb minőség, ezért érzékelőként nemigen használatos.
Egy rétegpotenciométer metszete α max=270° tengely
Érzékszerveinkre vonatkozó példa: (hallás) ellenállásréteg
csúszka az ellenálláspályán
hordozó ház
csúszka a fémgyűrűn
Lineáris, logaritmikus és exponenciális ellenálláskarakterisztikák
Az emberi hallástartomány több, mint 6 nagyságrendet fog át. Ezt lineáris karakterisztikával megvalósítani lehetetlen.
Helikális (többmenetű) potenciométer metszete elmozduló csúszkatartó ház
kettős spirális ellenálláspálya
tengely csúszka az ellenálláspályán
tengellyel együtt forgó agy az egyenes vezetékkel
α
max=3600°
linearitás 0,1%
Egy helipot képe
Ellenállásváltozáson alapuló szenzorok: a nyúlásmérő bélyeg Mi is tulajdonképpen a nyúlásmérő bélyeg? Egy rugalmas deformációt mérő ellenállás, amelynek anyaga kétféle lehet: fém, vagy félvezető. A villamos ellenállás alapegyenlete:
l R q :
Az alakváltozás során az ellenállás megnyúlik, és egyidejűleg a keresztmetszete is lecsökken. Ez a tenzometrikus hatás. Ezzel együtt a fajlagos ellenállás is változik, amit piezorezisztív hatásnak nevezünk. A két hatás együttesen lép fel, és hozza létre a k bélyegállandót, amit idegen szóval gauge-factor-nak hívunk.
Ellenállásváltozáson alapuló szenzorok: a nyúlásmérő bélyeg A nyúlásmérő bélyeg alapegyenlete:
dR k R 1 2 dl l
d
dl l
ahol ν a Poisson-tényező, értéke kb. 0,3 és
dl l
a fajlagos nyúlás.
A bélyeg elnevezés onnan származik, hogy ezeket a szenzorokat ráragasztják a mérendő elemre, és ettől kezdődően a bélyeg ugyanúgy deformálódik, mint a mérendő elem megfelelő felülete. Ezért a ragasztásnak nagyon vékonynak és megbízhatónak kell lennie. Ellenkező esetben a bélyeg „kúszik”, driftje van.
A nyúlásmérő bélyegek anyaguk szerinti osztályozása A bélyegállandó a legfontosabb szenzorjellemző, mert ez adja meg a kapcsolatot a mechanikai és a villamos mennyiségek között, megmondja, hogy egységnyi fajlagos nyúláshoz mekkora ellenállásváltozás tartozik. Ezen a ponton azonban alapvető különbségeket kell tennünk a bélyegek között aszerint, hogy milyen anyagból készülnek. A fémeknél a tenzometrikus hatás, a félvezetőknél a piezorezisztív hatás a meghatározó. Fémes ellenállásanyag
Félvezető ellenállásanyag
A nyúlásmérő bélyegeket anyaguk szerint két nagy csoportba soroljuk: Fémes ellenállásanyag
1000 = 10 -3ε Rendszerint több szálat alkalmazunk, mert egy szál meredeksége kicsi és a mérés jel/zaj viszonya rossz (villamosan soros, deformáció szempontjából pedig párhuzamos kapcsolásúak) Ma a maratott, fólia típusú bélyegek a legelterjedtebbek: Névleges ellenállásuk 120, 350, 600, vagy 1000 Gauge factor: 1,8..2,2 (Domináns a tenzometrikus hatás) Linearitás 4000 -ig kb. 0,1% Mérhető legkisebb nyúlás: kb 0,1
A nyúlásmérő bélyegeket anyaguk szerint két nagy csoportba soroljuk: Félvezető ellenállásanyag
A félvezető bélyegeknél rendszerint egyetlen prizmatikus rudat alkalmaznak. A félvezető bélyegeknél a bélyegállandót elsősorban a piezorezisztív komponens határozza meg. A gauge-factor csak szűk tartományban tekinthető állandónak. A félvezető bélyegek hőmérsékletváltozásra érzékenyebbek. Névleges ellenállásuk 120 Gauge factor: 100..120 ( mindkét előjel lehetséges) Linearitás (függ a terheléstől): 1000 -ig <1% 5000 felett jelentősen lecsökken Mérhető legkisebb nyúlás: kb 0,001 Mind a két típusnál, a tápfeszültség megválasztásánál vigyázni kell, hogy az áram a bélyegeket csak elhanyagolható mértékben melegítse.
Ellenállásváltozáson alapuló szenzorok Ezeket általában a hőmérséklet mérésére használják. A fémek ellenállása az ismert összefügés szerint hőmérséklet függvényében változik.
RT 2 RT 1 1 T2 T1
hőmérsékleti tényező, Temperature Coefficient, Tc
T2-T1 a hőmérséklet különbség Fémek: PTC (Positive Temperature Coefficient), a görbe. Pt α= 0,00351 ∙1/ºC nemesfém, nem korrodál.
A hőmérséklet mérése. Termoelemek. A Seebeck-effektus az a jelenség, amikor két különböző vezetőből álló áramkörben a vezetők csatlakozási pontjai közötti hőmérséklet különbséggel arányos termofeszültség keletkezik. A termoelem nem más, mint két egymással összeforrasztott (hegesztett, összeérintett) huzal, amelyek forrasztási pontjában a hőmérséklettel arányos és a huzalok anyagától függő nagyságú termofeszültség keletkezik. Aktív érzékelő.
A vas-konstantán termoelemek -200 °C - +1000 °C hőmérséklet-tartományban használhatók. Érzékenységük 0,00005 V/°C. A réz-konstantán termoelem -200 és +600 °C hőmérséklethatárok között alkalmazható. Érzékenységük: 0,00004 V/°C.
A pn átmenet hőmérsékletfüggése A dióda áram-feszültség karakterisztikája az ábrán látható. Három részre szokás osztani: I. nyitóirány II. záróirány III. letörési tartomány
In=állandó
A Si-dióda nyitóirány hőmérsékletfüggése eléggé állandó, és ezért mérési célra fel lehet használni. A hőmérsékletfüggés értéke: -2 mV/ °C
AZ INDUKTIVITÁS VÁLTOZÁSÁN ALAPULÓ SZENZOROK Megjelenési formájuk a tekercs, amelynek elsősorban induktivitása van, azonban a
tekercselő huzal ellenállása miatt a tekercsnek rezisztenciája (ohmikus ellenállása) és az egymás mellett fekvő menetek miatt saját kapacitása is van.
Elméletileg az induktivitás változásának 3 oka lehet: ― változik a menetszám, ― változik a geometria, ― változik a permeabilitás
A gyakorlatban a geometria megváltozásán alapuló szenzoroknak van a legnagyobb jelentősége. Az induktív átalakítókat szokásos még a mágneskör szerint:
― nyitott, és ― zárt mágneskörű átalakítóknak nevezni.
Az induktív átalakítókat a tekercsek száma szerint is szokásos osztályozni. Ezek szerint vannak: ― egyszerű, és ― különbségi, idegen szóval differenciál átalakítók.
AZ INDUKTÍV ÁTALAKÍTÓK
Az induktív átalakítókat aszerint is szokták osztályozni, hogy mi változik: a
tekercs saját induktivitása, vagy több tekercs esetén a kölcsönös induktivitás. Utóbbi esetben a tekercsek egymással kölcsönhatásban (csatolásban) vannak, és éppen a csatolás mértéke változik meg. Ezeknek az átalakítóknak a kimenő jele váltakozó feszültség Ilyen például a differenciál transzformátor. primer tekercs
szekunder tekercsek
Egyszerű merülőmagos tekercs
Differenciál transzformátor
A legegyszerűbb induktív érzékelő a nyitott mágneskörű, egyetlen tekercsből álló egyszerű jelátalakító. R: a tekercs ohmos ellenállása, más szóval rezisztenciája Z: a tekercs impedanciája (komplex mennyiség) X: az impedancia képzetes része I: a tekercs felvett árama állandó feszültség esetén (váltakozó feszültség) Látható, hogy a tekercs induktivitása akkor maximális, ha a vasmag éppen középen van.
vasmag
tekercs
Fontos megjegyezni, hogyha a vasmagot a végtelenbe távolítjuk el, akkor is lesz a tekercsnek induktivitása: ezt a légmagos tekercs saját induktivitásásának hívjuk.
Hogy néz ki egy induktív jelátalakító
A képen tapintócsúccsal ellátott induktív útadók láthatóak. Az ilyen típusú jelátalakítóknál a mérés nem érintésmentes, a tapintócsúcs mindig egy bizonyos erővel terheli a mérendő munkadarabot.
KAPACITÍV ÁTALAKÍTÓK A kapacitásváltozáson alapuló szenzorok sokkal ritkábban fordulnak elő, mint az
induktív szenzorok. Ennek okai a következők:
― mechanikai szennyeződésre (por, piszok) érzékenyek, ― a levegő nedvességtartalma befolyásolja a kapacitásértéket, ― az elérhető kapacitás abszolút értéke kicsiny, ezért a kondenzátor impedanciája nagy, következésképpen a folyó áramok nagyon kicsinyek.
Előnyös viszont, hogy a konstrukcióból következően könnyen miniatürizálhatók, ezért a mikromechanikában viszonylag gyakrabban előfordulnak.
A síkkondenzátor kapacitása:
C
0 r A d
KAPACITÍV ÁTALAKÍTÓK
Elmozdulásmérésre (elfordulásmérésre) a hagyományos,
fémfegyverzetekből felépített kondenzátorok alkalmasak. A gyakorlatban vagy a fegyverzetek felülete, vagy a fegyverzetek
távolsága változik. Néha előfordul a dielektromos állandó változása is, pl. tartályok szintjének mérésnél. Jellegzetes kialakítások:
Differenciál kialakítás:
Piezoelektromos átalakítók A Curie-fivérek 1880-ban figyelték meg, hogy egyes ásványi anyagok, mint pl. a kvarc, báriumtitanát, Seignette-só, PZT (ólom-cirkonát-titanát) stb., mechanikai feszültségi állapot hatására villamosan polarizálódnak, és felületükön villamos töltést halmoznak fel. Számos igen előnyös tulajdonsága miatt piezoelektromos átalakítók céljára szinte kizárólag kvarcot (SiO2), annak természetes, vagy mesterséges formáját használják fel. A kvarc előnyös tulajdonságai a következők: Nagy szilárdság 0,5…0,7 GPa (acél:0,5…1,5 GPa) Viszonylag nagy ellenállóképesség hőmérsékleti hatások ellen, mintegy 500 °C-ig a piezoelektromos tényező alig változik Igen nagy szigetelési ellenállás, kb. 1014 …1015 cm Nagy linearitás, hiszterézis nélkül A legfontosabb összefüggések: Szenzorként:
q
kF A
Aktuátorként:
x
k U A
Nem áram, nem feszültség, hanem töltés keletkezik! Ezt kell megmérni.
Néhány gyakorlatban használt jelátalakító, amely a piezoelektromos effektust hasznosítja
.
Tekintettel arra, hogy a piezoelektromos effektussal létrehozott töltések előbb-utóbb elfogynak, elszivárognak, kiegyenlítődnek, a piezoelektromos jelátalakítókkal nem lehet statikus mérést csinálni. Ezek elsősorban a dinamikus mérések eszközei.
q = C∙U
Egy Brüel-Kjaer gyártmányú gyorsulásmérő képe (az előző ábra legelső változatának felel meg)
A hagyományos piezoelektromos gyorsulásmérő (erősítő nélkül) és a korszerű MEMS gyorsulásmérő összehasonlítása Egy irányban mér, és kell hozzá egy erősítő (ld. a következő képen)
3 irányban mér, és az erősítő bele van integrálva
Fotoelektromos detektorok Az elektromágneses sugárzás spektruma és a fotoelektromos effektus Az emberi szemmel is látható tartomány hullámhossza 400 nm-től 700 nm-ig terjed. Alatta van az UV, felette az IR tartomány. A fotoelektromos effektus lehet: ― külső, amikor az elektron kilép az anyagból (pl. fotokatód), és ― belső, amikor az effektus az anyag belsejében jön létre, és a töltéshordozó nem lép ki az anyagból.
A foton energiája: E = h∙ν ahol h=
a Planck-féle állandó
Forrás: J. W. Gardner: Microsensors, Wiley, 1994
Az elektromágneses sugárzás spektruma és a látható fény spektruma
Milyen fotodetektorok vannak? Fotocella
külső fotoelektromos effektus
Fotoelektronsokszorozó (multiplier) Fényellenállás Fotodióda — közönséges fotodióda
belső fotoelektromos effektus
— PIN fotodióda — lavina fotodióda — iker fotodióda — kvadráns fotodióda — vonaldetektorok (PSD és pixelekből álló) — mozaik vagy mátrix detektorok
A fototranzisztor és a fototirisztor tulajdonképpen fotodióda, ami tranzisztorral vagy tirisztorral van egybeépítve
A belső fotoelektromos effektus
A rövidebb hullámhosszúságú fény hamarabb elnyelődik
A keletkezett töltéshordozó párokat az elektrosztatikus tér szétválasztja
Fotodiódák áram-feszültség karakterisztikája IR = sötétáram
nyitóirány, fotofeszültség üzemmód
záróirány, zárófeszültség üzemmód
Fotodióda A fénynek a p-n átmenetre kell esnie. Az n-réteg olyan vékony, hogy a fény át tud hatolni rajta (rövidebb hullámhossz hamarabb elnyelődik) Nyitó irányú igénybevétel: fényelem, Si esetében max. 0,55 V-ot lehet levenni róla, az áram a fotonok számától (megvilágítástól és a felület nagyságától függ). Záró irányú igénybevétel: fotodióda
Spektrális tulajdonságok
Fényemittáló diódák emissziós spektruma és az emberi szem, valamint a Si-fotodióda spektrális érzékenysége. Adó-vevő rendszereknél fontos a spektrális illesztés! Forrás: Texas: Optoelektronikai receptek
Fotoelektromos szenzorok frekvenciamenete Sugárzási érzékenység (A/W): egységnyi besugárzott teljesítményre keletkező áram egy bizonyos hullámhossznál Kvantumhatásfok (Quantum Efficiency): 100 fotonból hány elektron (töltéshordozó) keletkezik
Hatféle detektor sugárzási érzékenysége
Egy tipikus Si-dióda sugárzási érzékenysége és kvantumhatásfoka
Forrás: J. W. Gardner: Microsensors, Wiley, 1994 Tränkler: Sensortechnik, Springer , 1998
Hogyan néz ki egy fotodióda?
Az ábrán egy olyan fotodióda látható, amely egyetlen szilíciumlemezen készült 4 független fotodiódát tartalmaz. Más szavakkal ezt kvadráns detektornak nevezzük.
Adót és vevőt is tartalmazó optoelektronikus eszközök Transzmissziós optokapu: (az adó-vevő optikai tengelye egy egyenesbe esik)
Reflexiós optokapu: (az adó-vevő optikai tengelye általában 90°-ban megtörik) Ekkor a fényviszonyok a közeledő-távolodó anyag reflexiós tulajdonságaitól függenek, és a vevőbe érkező fénymennyiség 10…100-szor kisebb, mint a transzmissziós esetben. Mindkét esetben LED-ből és fotótranzisztorból áll Az érzékenység elsősorban a kollektorköri munkaellenállással állítható. Érzékeny a porra, változó (szórt) fényviszonyokra. A fényforrás áramát gyakran modulálják.
Különböző fotodiódák A félvezető struktúra szerint: ― egyszerű pn ― PIN ― Schottky ― lavina
Az érzékelő felület kialakítása szerint: ― iker ― kvadráns ― vonal ― mátrix v. mozaik If I
y
II
x II n
I
n p
x
x I
I x ( I I I IV ) ( I II I III )
II
Iker fotodióda
III
IV
I y ( I I I II ) ( I III I IV )
Kvadráns fotodióda
