senzory

1
SENZORY V MECHATRONICKÝCH SOUSTAVÁCH
Senzor - důležitá součást většiny moderních elektronických zařízení.
Účel: Zjišťovat přítomnost různých fyzikálních, většinou neelektrických veličin,
a umožnit další zpracování získaných údajů.
PŘEHLED JEDNOTLIVÝCH DRUHŮ SENZORŮ
SENZORY
(podle měřené veličiny)
SENZORY
TLAKU
SENZORY
RADIAČNÍCH VELIČIN
Ve viditelném, infračerveném
a jiném spektru
SENZORY
ELEKTRICKÝCH
VELIČIN
PRI-Mn-S-10_senzory_uvod_2
SENZORY
PRŮTOKU
SENZORY
MECHANICKÝCH
VELIČIN
SENZORY
POSUNUTÍ
SENZORY
POLOHY
SENZORY
RYCHLOSTI
SENZORY
ZRYCHLENÍ
SENZORY
SÍLY
SENZORY
MECHANICKÉHO
NAPĚTÍ
SENZORY
MAGNETICKÝCH
VELIČIN
1 / 10
SENZORY
(podle fyzikálního
principu)
SENZORY
ODPOROVÉ
SENZORY
INDUKČNOSTNÍ
SENZORY
INDUKČNÍ
SENZORY
KAPACITNÍ
SENZORY
MAGNETICKÉ
SENZORY
PIEZOELEKTRICKÉ
SENZORY
FLUIDIKOVÉ
SENZORY
PYROELEKTRICKÉ
SENZORY
OPTOELEKTRONICKÉ
SENZORY
OPTICKÉ VLÁKNOVÉ
SENZORY
BIOLOGICKÉ
SENZORY
CHEMICKÉ
PRI-Mn-S-10_senzory_uvod_2
2 / 10
SENZORY
(podle styku senzoru s měřeným prostředím)
SENZORY
BEZDOTYKOVÉ
SENZORY
DOTYKOVÉ
SENZORY
PROXIMITNÍ
SENZORY
TAKTILNÍ
SENZORY
(podle transformace signálu)
SENZORY
AKTIVNÍ
SENZORY
PASIVNÍ
generátorového
typu
PRI-Mn-S-10_senzory_uvod_2
3 / 10
SENZORY
(podle tvaru pohyblibé části, jejiíž
pohyb sledujeme)
SENZORY
úhlové
SENZORY
lineární
přímočaré
SENZORY
(podle tvaru výstupní veličiny)
SENZORY
spojité
SENZORY
nespojité
analogové
diskrétní
PRI-Mn-S-10_senzory_uvod_2
4 / 10
Vlastnosti senzorů lze vzájemně srovnávat na základě různých kritérií:
 přesnost,
 rozsah,
 výstupní signál,
 parazitní vlivy apod.
Shrnutím těchto srovnání dostaneme skupiny senzorů, které se od sebe kvalitativně liší. Vytváříme tak jednotlivé generace.
V současnosti rozlišujeme tyto generace senzorů:
1. generace
 Senzory, pro jejichž konstrukci se využívá základních fyzikálních jevů.
 Vývoj senzorů této generace je v podstatě ukončen, výjimečně se lze setkat s použitím nových materiálů, konstrukcí, technologií a nových fyzikálních jevů.
 tuto generaci se opírá především současná automatizační technika.
2. generace
 Typické pro tuto skupinu senzorů je využití polovodičů a fyzikálních jevů s
polovodiči spojených.
 Jejich nástup úzce souvisí s rozvojem polovodičové techniky.
 Senzory druhé generace se vyznačují výrazně lepšími parametry jako
např.:
 citlivost,
 miniaturní rozměry,
 dynamické vlastnosti,
 přesnost a další.
 Hledají se nové fyzikální jevy, nové materiály.
 Dochází k částečnému nebo úplnému sloučení elektronické části informačního řetězce s čidlem → vznik hybridních nebo integrovaných senzorů.
 Vývoj této generace senzorů není ukončen a je mu věnovaná současná
pozornost.
3. generace
U předcházejících dvou generací senzorů je na výstupu vždy elektrický výstupní
signál. Rychlý vývoj v optických systémech (větší rozsah použitelných frekvencí,
terabitová rychlost přenosu dat na jednom vlákně) si žádá dokonalejší senzory.
 Senzory s možností napojení optických vláken na jiné vlnovody nebo na
laserové paprsky souhrnně nazýváme mikro-elektro-mechanickými systémy (MEMS). Název MEMS se využívá i mimo optoelektroniku; čistě optoelektronické systémy nazýváme MOEMS (mikro-opto-elektromechanické systémy). Třetí generace je reprezentována senzory optoelektrickými nebo světlovodnými (optické vláknové senzory).
PRI-Mn-S-10_senzory_uvod_2
5 / 10
 Na jejich výstupu je světelný tok. Tato generace senzorů navazuje na
přenos signálu pomocí světlovodů a využívá výhody z toho vyplývající.
Jde především o problém rušení senzorů elektrickými nebo magnetickými
poli, možnost přenosu signálu na větší vzdálenosti, velká šířka pásma a
některé další výhody. Senzory této generace jsou ve stadiu výzkumu a
vývoje. Některé typy se však již sériově vyrábějí.
 Velmi zajímavou skupinu této generace představují senzory světlovodné.
 Měřená neelektrická veličina působí na parametry světlovodu tak, že je
přímo ovlivňován světelný tok.
 Senzory tohoto typu mohou mít výrazně větší citlivost a podstatně menší
rozměry než senzory pracující s převodem na elektrický signál.
PRI-Mn-S-10_senzory_uvod_2
6 / 10
1.1
DEFINICE SENZORU
Senzor je funkční prvek tvořící vstupní blok měřicího řetězce, který je v přímém
styku s měřeným prostředím.
Citlivá část senzoru se nazývá čidlo.
MĚŘICÍ OBVOD
A ZESILOVAČ
ČIDLO
OBVODY
ZPRACOVÁNÍ
SIGNÁLU
A/D
µP
Rozhraní
Sledovaná
fyzikální, chemická
a biologická veličina
Poznámka : Senzor je ekvivalentním pojmem k pojmům snímač, převodník nebo detektor
Blokové schéma měřicího řetězce se senzorem
PRINCIP ČINNOSTI SENZORU

Sledovaná fyzikální, chemická nebo biologická veličina je snímána pomocí čidla senzoru a transformována na měřenou veličinu → elektrický nebo
číslicový signál.

Transformovaný měřicí signál je dále zesílen a upraven odstup měřeného
signálu od šumu ← šum senzoru, šum zesilovače a parazitní šumy, např.
vliv elektromagnetického pole ….

Naměřený signál je dále zpracován obvody pro zpracování signálu - provádění různých matematických operací, linearizace ….

Analogový signál je dále transformován převodníkem A/D na digitální
signál.

Digitální signál je pomocí mikropočítače dále upravován – např. provedením korekcí naměřených hodnot …

Výstup zpracovaného digitálního signálu z mikropočítače je tvořen:
 číslicovým měřicím přístrojem vybaven rozhraním pro dálkové
zpracování dat,
 rozhraním
umožňuje přenos naměřených dat
Poznámka:
Rozhraní je společná hranice, která má přesně definované charakteristiky
propojení jak fyzického, tak signálového, funkčního i procedurálního. U
senzorů se nejčastěji používá sériové rozhraní (tj. se sériovým přenosem
dat) RS-232-C a RS-485. Zatímco u rozhraní RS-232-C je dosah přenosu
PRI-Mn-S-10_senzory_uvod_2
7 / 10
dat při rychlosti 20 kb/s 15 m, u RS-485 je to do vzdálenosti 1 200 metrů s
maximální rychlostí 20 Mb/s.
Dalším sériovým rozhraním je Ethernet. Rozhraní může bez problémů přenášet informaci velmi vysokými rychlostmi od 10 Mb/s do 1 000 Mb/s po
kroucené dvoulince i po optickém vláknu. Poslední skupinou jsou rozhraní
pro bezdrátový přenos dat, kam patří Bluetooth, WiFi a IrDA.
Pro náročná měření lze použít paralelní rozhraní jako je IEEE 488.
1.2
INTELIGENTNÍ SENZORY
RYCHLÝ
VÝVOJ
MIKROELEKTRONIKY
Rozvoj elektronických obvodů
pro zpracování signálů získaných z čidel neelektrických veličin
Nutnost sloučení senzorů a navazujících analogových obvodů
SMART
SENZORY
SMART SENZOR
Inteligentní senzor, zahrnující v sobě čidlo měřené veličiny, obvody pro úpravu
signálů, A/D převodník, mikroprocesor pro zpracování a analýzu signálu (linearizace charakteristiky čidla, uchování signálu, zpracování naměřené informace.)
a obvody pro obousměrnou komunikaci s okolím. Elektronika senzoru musí
umožnit dálkové nastavení parametrů senzoru, jeho diagnostiku a hlášení o
stavu nadřazenému členu.
PRI-Mn-S-10_senzory_uvod_2
8 / 10
STRUKTURA INTELIGENTNÍCH SENZORŮ
1.3
Strukturu inteligentních senzorů lze rozdělit na tři základní části:
MĚŘENÁ
VELIČINA
VSTUPNÍ
ČÁST
INTELIGENTNÍ SENZOR
Převodníky
Membrány
Zesilovače
Stabilizátory
VNITŘNÍ
ČÁST
A/D převodníky
D/A převodníky
Paměti
Komparátory
Generátory
Mikroprocesory
Vstupní část senzoru zajišťuje:
 vstup měřených veličin,
 převod měřené veličiny na elektrickou veličinu a
její následný převod na elektrický signál
 ochranu senzoru proti působení nežádoucích
vstupních veličin či vlivů okolí,
Vstupní část senzoru je tvořena:
 převodníky,
 membránami,
 zesilovači,
 stabilizátory atd.
Vnitřní část senzoru zpracovává vstupní signál a zajišťuje
 nastavení nulové hodnoty,
 kompenzaci vlivů okolí (např. teploty),
 linearizaci v celém rozsahu vstupních veličin,
 autokalibraci měřicí funkce,
 autodiagnostické funkce.
Vnitřní část senzoru je tvořena:
 A/D a D/A převodníky,
 paměťmi,
 komparátory,
 generátory,
 mikroprocesory.
U nejvyšších stupňů inteligentních senzorů se využívá
prostředků umělé inteligence.
VÝSTUPNÍ
ČÁST
Obvody
elektrických
signálů
VÝKONOVÁ
ZAŘÍZENÍ
PRI-Mn-S-10_senzory_uvod_2
Výstupní část senzoru zajišťuje:
 komunikaci senzoru s následnými zařízeními,
 signalizaci vlastní funkce a stavu,
 převod číslicového signálu na normalizovaný analogový výstupní signál,
 signalizaci měřené veličiny,
 chraňuje před působením nežádoucích jevů na
výstupu (zkraty, odpojení, přepětí aj.).
Podle měřené veličiny může senzor:
 vydávat řídicí signál pro výkonová zařízení,
 umožňovat místní i dálkové ovládání.
9 / 10
1.3.1
POŽADAVKY NA INTELIGENCI V JEDNOTLIVÝCH ČÁSTECH SENZORU
VSTUPNÍ ČÁST
o
o
o
o
o
převod fyzikální, chemické nebo biologické veličiny na elektrickou,
zesílení a filtrace signálu,
linearizace převodní charakteristiky,
normování signálu,
chrana proti působení parazitních vlivů atd.
VNITŘNÍ ČÁST
o
o
o
o
o
o
o
analogově-číslicový převod,
autokalibrace elektrické, případně neelektrické části měřícího řetězce,
aritmetické operace,
číslicová linearizace,
statistické vyhodnocování naměřených dat,
hlídání mezí,
možnost přidání umělé inteligence → senzor je schopen na základě modelu a učících se principů rozeznat věrohodnost naměřených dílčích dat.
VÝSTUPNÍ ČÁST
o unifikace analogových výstupních signálů (ve většině případů je unifikace standardizována na hodnoty 0-10 V, 0-20 mA a 4-20 mA),
o komunikace prostřednictvím integrovaného rozhraní se sběrnicovým systémem, číslicově-analogový převod apod.
Kontrolní otázky
1. Co je to senzor? Jaký plní účel?
2. Jak se nazývá citlivá část senzoru?
3. Načrtněte a popište blokové schéma měřicího řetězce se senzorem.
4. Jaké druhy senzorů znáte podle a) měřené veličiny b) podle fyzikálního
principu c) podle tvaru výstupní veličiny d) podle transformace signálu.
5. Popište princip činnosti senzoru.
6. Co je to SMART senzor? Vysvětlete princip jeho vzniku.
7. Načrtněte a popište strukturu inteligentního senzoru.
8. Co zajišťují jednotlivé části inteligentního senzoru?
9. Vysvětlete pojem „inteligentní“ senzor.
PRI-Mn-S-10_senzory_uvod_2
10 / 10