6 ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ

Transcript

1

2

3 Περιεχ μενα Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή Μετρήσεις, αισθητήρες και συστήματα μέτρησης Μετρολογία Το διεθνές σύστημα μονάδων SI Η οργάνωση αυτού του βιβλίου Κεφάλαιο 2 Γενικές έννοιες αισθητήρων και μετρήσεων Εισαγωγή Αισθητήρας Μετατροπέας Ανιχνευτής Εφαρμογές των αισθητήρων Τηλεπισκόπηση Χαρακτηριστικά των αισθητήρων Ακρίβεια Είσοδος και έξοδος πλήρους κλίμακας Συνάρτηση μεταφοράς ή χαρακτηριστική καμπύλη Ευαισθησία Κέρδος Βαθμονόμηση Γραμμικότητα Σφάλμα κέρδους και σφάλμα μετατόπισης Εύρος (περιοχή) μέτρησης Υστέρηση Ολίσθηση... 42

4 6 ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ Χρονική απόκριση Δυναμικό σφάλμα Εύρος ζώνης Νεκρή Ζώνη Διακριτική ικανότητα Επαναληψιμότητα Ιχνηλασιμότητα Θόρυβος Σφάλμα ψηφιοποίησης Ευαισθησία σε άλλες παραμέτρους Απώλειες σε χωρητικούς και επαγωγικούς αισθητήρες Κλάσεις ακρίβειας Ποσοστά και λόγοι μεγεθών Περιοδικές κυματομορφές Τετραγωνικοί παλμοί Ευαισθησία Επιλογή του κατάλληλου αισθητήρα Ταξινόμηση αισθητήρων σε ενεργούς και παθητικούς Ενεργοί αισθητήρες Παθητικοί αισθητήρες Η δομή ενός συστήματος μέτρησης Κεφάλαιο 3 Μέτρηση θερμοκρασίας Εισαγωγή Θερμίστορ Αισθητήρες θερμοκρασίας με αντίσταση Το βιομηχανικό πρότυπο PT Ημιαγωγικοί αισθητήρες θερμοκρασίας Θερμοζεύγη Οι θερμοηλεκτρικοί νόμοι Τύποι βιομηχανικών θερμοζευγών Αισθητήρες μεταβολής της διηλεκτρικής σταθεράς με την θερμοκρασία Αισθητήρες μεταβολής της μαγνητικής διαπερατότητας με την θερμοκρασία Αισθητήρες μεταβολής της ειδικής αντίστασης με χημική επίδραση Μέτρηση θερμοκρασίας με μέτρηση θερμικής ακτινοβολίας Αισθητήρες μέτρησης θερμικής ροής Θερμοστάτες Κεφάλαιο 4 Μέτρηση οπτικής ακτινοβολίας Εισαγωγή Φωτοηλεκτρικοί αισθητήρες οπτικής ακτινοβολίας Θερμικοί αισθητήρες οπτικής ακτινοβολίας Παράμετροι των αισθητήρων οπτικής ακτινοβολίας Φωτοαντιστάτες Φωτοβολταϊκή δίοδος Φωτοαγώγιμη δίοδος (φωτοδίοδος)

5 Περιεχ μενα Φωτοτρανζίστορ Φωτοδιακόπτης Οπτικοί αισθητήρες τύπου CCD, CID και CMOS Διατάξεις σύζευξης φορτίου Διατάξεις έγχυσης φορτίου Διατάξεις CMOS Αισθητήρες μέτρησης χρωμάτων Φωτοπολλαπλασιαστές Θερμοηλεκτρικοί αισθητήρες οπτικής ακτινοβολίας Μπολόμετρα Πυροηλεκτρικοί αισθητήρες Κεφάλαιο 5 Μέτρηση μαγνητικο πεδίου Εισαγωγή Αισθητήρες τύπου πηνίου Αισθητήρες τύπου Fluxgate Αισθητήρες Hall Μαγνητικοί αισθητήρες μεταβολής αντίστασης Ανιχνευτές μαγνητικού πεδίου Μαγνητικοί διακόπτες reed Κεφάλαιο 6 Μέτρηση θέσης και μετατ πισης Εισαγωγή Ποτενσιόμετρα Πιεζοαντιστάτες Μετατροπείς ελεύθερης πιεζοαντίστασης Μετατροπείς προσκολλημένης πιεζοαντίστασης Ημιαγωγικοί μετατροπείς πιεζοαντίστασης Διατάξεις μέτρησης με μετατροπείς πιεζοαντίστασης και γέφυρα Wheatstone Σύστημα ηλεκτρολύτη με κινητό ηλεκτρόδιο Πηνία με κινητό οπλισμό Εξωτερικός οπλισμός που κινείται κάθετα Εξωτερικός οπλισμός που κινείται παράλληλα Κινητός εσωτερικός πυρήνας Γραμμικοί μεταβλητοί διαφορικοί μετασχηματιστές (ΓΜΔΜ) Αισθητήρες μεταβλητής επαγωγής Αισθητήρες μαγνητοσυστολής Χωρητικοί αισθητήρες Επίπεδος πυκνωτής με κινητό οπλισμό Κυλινδρικός πυκνωτής με κινητό οπλισμό Κυκλικός πυκνωτής με κινητό οπλισμό Επίπεδος πυκνωτής με κινητό διηλεκτρικό Διαφορικός χωρητικός αισθητήρας Διατάξεις μέτρησης με χωρητικούς αισθητήρες Πιεζοηλεκτρικοί μετατροπείς

6 8 ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 6.11 Συμβολομετρία Μέτρηση μετατόπισης και θέσης με αισθητήρες γραμμικής και γωνιακής ταχύτητας Μέτρηση του μήκους της διαδρομής που έχει διανύσει ένα κινητό Μαγνητικοί κωδικοποιητές θέσης Αυξητικοί μαγνητικοί κωδικοποιητές Απόλυτοι μαγνητικοί κωδικοποιητές Χωρητικοί κωδικοποιητές θέσης Οπτικοί Κωδικοποιητές Αυξητικοί οπτικοί κωδικοποιητές Απόλυτοι οπτικοί κωδικοποιητές Ανιχνευτές με ευαισθησία στη θέση Αισθητήρες και ανιχνευτές κλίσης Ηλεκτρολυτικοί αισθητήρες κλίσης Αισθητήρες κλίσης τύπου εκκρεμούς Αισθητήρες κλίσης με επιταχυνσιόμετρα Ο διακόπτης υδραργύρου Ηλεκτρονικοί ανιχνευτές κλίσης Ανιχνευτές της θέσης αντικειμένων Μαγνητικοί ανιχνευτές Επαγωγικοί ανιχνευτές μεταβλητής μαγνητικής αντίστασης Επαγωγικοί ανιχνευτές δινορρευμάτων Ανιχνευτές με αισθητήρα Hall Χωρητικοί ανιχνευτές Οπτικοί ανιχνευτές Υπολογισμός της θέσης στο χώρο Ανιχνευτές κίνησης και παρουσίας Κεφάλαιο 7 Μέτρηση απ στασης, στάθμης & διαστάσεων Μέτρηση απόστασης Διατάξεις μέτρησης απόστασης με υπερήχους, laser και ραδιοκύματα Μέτρηση απόστασης με τη μέθοδο των δινορρευμάτων Μέτρηση απόστασης με τη μέθοδο τριγωνισμού laser Μέτρηση απόστασης με οπτικό κωδικοποιητή Μετρητές υψομέτρου Μέτρηση στάθμης Διάταξη με πλωτήρα Διάταξη με βελόνη αγωγιμότητας Διατάξεις με χωρητικούς αισθητήρες Διάταξη με κυλινδρικό πυκνωτή και μη-αγώγιμο υγρό Διάταξη με επίπεδο πυκνωτή και μη-αγώγιμο υγρό Διάταξη με επίπεδο πυκνωτή και αγώγιμο υγρό Διάταξη με μέτρηση πίεσης Διάταξη με υπερήχους Μέτρηση διαστάσεων Μέτρηση διαστάσεων με αισθητήρα οπτικής ακτινοβολίας Μέτρηση του πάχους αντικειμένων Μέτρηση του ύψους των κυμάτων Μέτρηση της τραχύτητας επιφανειών

7 Περιεχ μενα 9 Κεφάλαιο 8 Μέτρηση ταχ τητας και επιτάχυνσης Εισαγωγή Αισθητήρες γραμμικής ταχύτητας Αισθητήρας μέτρησης ταχύτητας με κινούμενο πηνίο Αισθητήρας μέτρησης ταχύτητας με κινούμενο μαγνήτη Μέτρηση ταχύτητας με το φαινόμενο Doppler Μέτρηση ταχύτητας αντικειμένου με Doppler radar Μέτρηση της ταχύτητας με χρήση αισθητήρων μετατόπισης, επιτάχυνσης και προσέγγισης Τα γεώφωνα Αισθητήρες ταχύτητας περιστροφής Ταχομετρική γεννήτρια Αισθητήρας ταχύτητας περιστροφής με μαγνητικό ανιχνευτή θέσης Αισθητήρας ταχύτητας περιστροφής με οπτικό ανιχνευτή Αισθητήρας ταχύτητας περιστροφής με ανάκλαση οπτικής ακτινοβολίας Μέτρηση ταχύτητας περιστροφής με χρήση αισθητήρων γωνιακής μετατόπισης και γωνιακής επιτάχυνσης Γυροσκόπια Αισθητήρες επιτάχυνσης Επιταχυνσιόμετρα ανοικτού βρόχου Επιταχυνσιόμετρα κλειστού βρόχου Κεφάλαιο 9 Μέτρηση δ ναμης και ροπής Εισαγωγή Μέτρηση δύναμης με πιεζοαντιστάτες Μέτρηση δύναμης με πηνίο με κινητό οπλισμό Μέτρηση δύναμης με ΓΜΔΜ Μέτρηση δύναμης με αισθητήρες μαγνητοσυστολής Μέτρηση δύναμης με απόλυτο οπτικό κωδικοποιητή Μέτρηση δύναμης με πιεζοηλεκτρικούς μετατροπείς Μέτρηση ροπής Μέτρηση ροπής με πιεζοαντιστάτες Μέτρηση ροπής με οδοντωτούς τροχούς Μέτρηση ροπής με μαγνητοσυσταλτικούς αισθητήρες Κεφάλαιο 10 Μέτρηση πίεσης Εισαγωγή Ωμικοί αισθητήρες πίεσης Αισθητήρες πίεσης με πιεζοαντιστάτες Επαγωγικοί αισθητήρες πίεσης Αισθητήρες πίεσης με ΓΜΔΜ Χωρητικοί αισθητήρες πίεσης Πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες πίεσης Αισθητήρας πίεσης τύπου εμφυσητήρα Αισθητήρες πίεσης με ποτενσιόμετρο Διατάξεις μέτρησης πίεσης με αισθητήρα Hall

8 10 ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ Κεφάλαιο 11 Μέτρηση ροής ρευστών Εισαγωγή Ηλεκτρομαγνητικοί αισθητήρες μέτρησης παροχής Αισθητήρες μέτρησης παροχής χρόνου μετάβασης με υπερήχους Αισθητήρες μέτρησης παροχής Doppler με υπερήχους και laser Αισθητήρες μέτρησης παροχής στροβίλου Θερμικοί αισθητήρες μέτρησης παροχής Αισθητήρες μέτρησης της ροής των χυμών σε κλαδιά φυτών Αισθητήρες τύπου καθετήρα θερμικής κατανάλωσης Αισθητήρες τύπου αντιστάθμισης θερμότητας Άλλες διατάξεις μέτρησης ροής Μέτρηση ροής με σωλήνα Pitot Μέτρηση ροής με σωλήνα Venturi Μέτρηση ροής με δονούμενο σωλήνα Κεφάλαιο 12 Χημικοί αισθητήρες Εισαγωγή Χημικοί αισθητήρες παραμόρφωσης ελάσματος Χημικοί αισθητήρες επιφανειακών ακουστικών κυμάτων Θερμικοί χημικοί αισθητήρες Οπτικοί χημικοί αισθητήρες Χημικοί αισθητήρες μάζας Χημικοί αισθητήρες μεταβολής αντίστασης Χημικοί αισθητήρες μεταβολής χωρητικότητας Χημικές δίοδοι Χημικοί αισθητήρες βασισμένοι σε τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (FET) Ηλεκτροχημικοί αισθητήρες μέτρησης ph Οπτικοί αισθητήρες αερίων Αισθητήρες αερίων τύπου «θερμικής αγωγιμότητας» Ηλεκτροχημικοί αισθητήρες αερίων Φωτοακουστικοί αισθητήρες αερίων Κεφάλαιο 13 Μέτρηση ρε ματος Εισαγωγή Μέτρηση ρεύματος με αντιστάτη Μέτρηση ρεύματος με μετασχηματιστή ρεύματος Μέτρηση ρεύματος με πηνίο Rogowski Μέτρηση ρεύματος με αισθητήρα Hall Κεφάλαιο 14 Άλλοι αισθητήρες Εισαγωγή Μέτρηση ιοντίζουσας ακτινοβολίας Απαριθμητές σπινθηρισμών Ανιχνευτές με αέριο Ημιαγωγικοί ανιχνευτές Μέτρηση της ισχύος RF και μικροκυματικών σημάτων

9 Περιεχ μενα Ανιχνευτές φωτιάς Ανακλασίμετρα στο πεδίο του χρόνου Αισθητήρες μέτρησης της σχετικής υγρασίας του ατμοσφαιρικού αέρα Αισθητήρες με μεταβολή ηλεκτρικών χαρακτηριστικών Αισθητήρες με μέτρηση απορρόφησης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας Αισθητήρες μέτρησης της υγρότητας των φύλλων των φυτών Αισθητήρες μέτρησης μάζας Αισθητήρες αιθάλης Ανιχνευτές καπνού Ανιχνευτές καπνού τύπου ιοντισμού Φωτοηλεκτρικοί ανιχνευτές καπνού Αισθητήρας μέτρησης της αλατότητας του εδάφους Μέτρηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας μη-σιδηρομαγνητικών μεταλλικών υλικών Αισθητήρες μέτρησης της διάβρωσης Αισθητήρες αφής και διατάξεις αντίληψης αφής Ωμικές διατάξεις αντίληψης αφής Χωρητικές διατάξεις αντίληψης αφής Διατάξεις αντίληψης αφής με οπτική ακτινοβολία Διατάξεις αντίληψης αφής με κύματα SAW Αισθητήρες αφής τύπου whisker Κεφάλαιο 15 Ρυθμιστές σήματος αισθητήρων Εισαγωγή Διαιρέτης τάσης Ρυθμιστής τάσης για παθητικούς αισθητήρες Αθροιστής τάσης Διαιρέτης ρεύματος Ρυθμιστής ρεύματος για παθητικούς αισθητήρες Γέφυρες μέτρησης Η γέφυρα Wheatstone Η γέφυρα συντονισμού Άλλοι τύποι γεφυρών Ενισχυτές βασισμένοι σε τελεστικό ενισχυτή Αναστρέφων ενισχυτής Μη-αναστρέφων ενισχυτής Ακόλουθος τάσης Ενισχυτής διαφοράς Ενισχυτής αθροίσματος (αθροιστής) Διαφορικός ενισχυτής Παραγωγή τάσης αναφοράς Ολοκληρωτής Διαφοριστής Περιοριστής Πηγές ρεύματος Συγκριτής Διάταξη σκανδαλισμού Schmitt Συγκριτής παραθύρου

10 12 ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ Μετατροπέας ρεύματος σε τάση Πολλαπλασιαστής σημάτων Διαιρέτης σημάτων Τετραγωνική ρίζα σήματος Λογαριθμικός μετατροπέας Παθητικά φίλτρα Ενεργά φίλτρα Ταλαντωτές Ταλαντωτές ελεγχόμενοι από τάση Μετάδοση σημάτων από το ίδιο κανάλι Βρόχοι κλειδωμένης φάσης Ενισχυτές φορτίου Μετατροπείς AC/DC Ενεργός ανορθωτής ημικύματος Ενεργός ανορθωτής πλήρους κύματος Ανιχνευτής κορυφής Κύκλωμα πραγματικής ενεργού (rms) τιμής Αντιστάθμιση της μη-γραμμικότητας των αισθητήρων και των διατάξεων μέτρησης Λειτουργία του αισθητήρα στη γραμμική περιοχή της χαρακτηριστικής μεταφοράς του Διεύρυνση της γραμμικής περιοχής στο σημείο λειτουργίας του αισθητήρα Διαιρέτης τάσης με δύο αισθητήρες σε αντίθεση Αντιστάθμιση της μη-γραμμικότητας μιας γέφυρας με ανάδραση Αντιστάθμιση της μη-γραμμικότητας μιας γέφυρας με ενισχυτές Αντιστάθμιση της μη-γραμμικότητας μιας γέφυρας με δύο αισθητήρες χρησιμοποιώντας διέγερση ρεύματος Αντιστάθμιση της μη-γραμμικότητας μιας γέφυρας με πολλαπλασιαστή Μετάδοση ισχύος και δεδομένων σε περιστρεφόμενα συστήματα μέτρησης Κεφάλαιο 16 Ενισχυτές για ασθενή σήματα μέτρησης Εισαγωγή Ενισχυτές οργανολογίας Χαρακτηριστικά μεγέθη των ενισχυτών οργανολογίας Οι προδιαγραφές λειτουργίας των IA Τυπικές εφαρμογές των IA Ενισχυτές διαφοράς Ενισχυτές απομόνωσης Γενικά Ενισχυτής απομόνωσης με σύζευξη με μετασχηματιστές Ενισχυτής απομόνωσης με οπτική σύζευξη Ενισχυτής απομόνωσης με χωρητική σύζευξη Εφαρμογή Ενισχυτές κατάτμησης Ενισχυτές προγραμματιζόμενου κέρδους Μετατροπέας τάσης-ρεύματος βασισμένος σε ΙΑ

11 Περιεχ μενα 13 Κεφάλαιο 17 Πολυπλεξία και δειγματοληψία Εισαγωγή Αναλογικοί διακόπτες και πολυπλέκτες Δειγματοληψία αναλογικών σημάτων Κυκλώματα δειγματοληψίας και συγκράτησης Κεφάλαιο 18 Μετατροπείς A/D και D/A Εισαγωγή Μετατροπείς Αναλογικού σε Ψηφιακό Γενικά Μετατροπείς A/D τύπου Flash Μετατροπείς A/D τύπου Subranging Μετατροπείς A/D τύπου SAR Μετατροπείς A/D τύπου Ιχνηλάτησης Μετατροπείς A/D τύπου Ολοκλήρωσης Μετατροπείς A/D τύπου Pipeline Μετατροπείς A/D τύπου Sigma-Delta Σύγκριση των μετατροπέων A/D Μετατροπείς Ψηφιακού σε Αναλογικό Γενικά Μετατροπέας D/A ισοζυγισμένων αντιστατών Μετατροπέας Κλίμακας R-2R Κεφάλαιο 19 Κυκλώματα παραγωγής τάσης αναφοράς Εισαγωγή Κυκλώματα τάσης αναφοράς παράλληλου τύπου Κυκλώματα τάσης αναφοράς τύπου σειράς Τεχνικές σχεδιασμού και κατασκευής κυκλωμάτων τάσης αναφοράς Κυκλώματα τάσης αναφοράς τύπου Bandgap Κυκλώματα τάσης αναφοράς τύπου Zener Κυκλώματα τάσης αναφοράς τύπου XFET Ολοκληρωμένα κυκλώματα παραγωγής τάσης αναφοράς Κεφάλαιο 20 Συστήματα απ κτησης και επεξεργασίας δεδομένων μέτρησης Εισαγωγή Αρχιτεκτονικές συστημάτων απόκτησης δεδομένων Συστήματα μέτρησης που βασίζονται σε μικροεπεξεργαστή Συστήματα μέτρησης που βασίζονται σε Η/Υ Γενική περιγραφή των καρτών DAQ Ο ενισχυτής οργανολογίας προγραμματιζόμενου κέρδους Οι αναλογικές είσοδοι Η λειτουργία «dithering» Οι αναλογικές έξοδοι

12 14 ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ Οι ψηφιακές είσοδοι/έξοδοι Χαρακτηριστικά λειτουργίας των καρτών DAQ Το λογισμικό Κεφάλαιο 21 Ηλεκτρικές και μαγνητικές διαταραχές στα συστήματα μέτρησης Εισαγωγή Ηλεκτρικές και μαγνητικές επιδράσεις Χωρητική σύζευξη Επαγωγική σύζευξη Σύζευξη αγωγιμότητας Γείωση της θωράκισης καλωδίων Η θωράκιση προστασίας των ενισχυτών Σφάλματα μέτρησης λόγω ενίσχυσης του κοινού σήματος Σφάλματα μέτρησης λόγω σύζευξης των γραμμών τροφοδοσίας Κεφάλαιο 22 Διεπικοινωνία συστημάτων μέτρησης και δίκτυα αισθητήρων Εισαγωγή Συστήματα τηλεμετρίας Συστήματα διαύλου πεδίου Μετάδοση πληροφορίας με βρόχο ρεύματος 4-20 mα Μετάδοση πληροφορίας με υπέρυθρη ακτινοβολία Παράλληλη επικοινωνία Σειριακή επικοινωνία Το πρότυπο επικοινωνίας USB Το πρότυπο επικοινωνίας FireWire Το πρότυπο GPIB Η δομή του προτύπου GPIB Υλοποίηση της διεπικοινωνίας με το GPIB Οι προδιαγραφές του προτύπου GPIB Ο Ελεγκτής ενός συστήματος GPIB Οι μετατροπείς GPIB Το λογισμικό ελέγχου του διαύλου GPIB Το πρότυπο επικοινωνίας SDI Το πρότυπο επικοινωνίας I 2 C To πρότυπο 1-Wire Το πρότυπο επικοινωνίας SPI Το πρότυπο επικοινωνίας CAN Το πρότυπο επικοινωνίας ΕΙΒ Το πρότυπο επικοινωνίας LonWorks Το πρότυπο επικοινωνίας Foundation Fieldbus Διασύνδεση δικτύων αισθητήρων με δίκτυα TCP/IP Το πρότυπο Power over Ethernet

13 Περιεχ μενα 15 Κεφάλαιο 23 Έξυπνοι αισθητήρες Εισαγωγή Τα χαρακτηριστικά λειτουργίας των έξυπνων αισθητήρων Παραδείγματα σχεδιασμού έξυπνων αισθητήρων Το πρότυπο ΙΕΕΕ Κεφάλαιο 24 Ασ ρματοι αισθητήρες και ασ ρματα δίκτυα αισθητήρων Εισαγωγή Πρότυπα ασύρματης επικοινωνίας Το πρότυπο ΙΕΕΕ Το πρότυπο HomeRF Το πρότυπο Bluetooth Το πρότυπο IrDA Το πρότυπο ZigBee Το πρότυπο RFID Τα χαρακτηριστικά λειτουργίας των ασύρματων αισθητήρων και των ασύρματων δικτύων αισθητήρων Παράγοντες αξιολόγησης της απόδοσης των ασύρματων δικτύων αισθητήρων Η δομή των ασύρματων δικτύων αισθητήρων Μοντέλα επικοινωνίας Μοντέλα παράδοσης της πληροφορίας Μοντέλα δυναμικής δικτύου Το μοντέλο αναφοράς ISO/OSI στα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων Οργάνωση ασύρματων δικτύων αισθητήρων με βάση τη χαμηλή κατανάλωση ενέργειας Δρομολόγηση Δεδομενοκεντρικά πρωτόκολλα Ιεραρχικά πρωτόκολλα Πρωτόκολλα δρομολόγησης βασισμένα στη θέση Πρωτόκολλα δρομολόγησης τύπου ροής δικτύου και τύπου εγγύησης ποιότητας υπηρεσιών Εντοπισμός της θέσης ενός κινητού αισθητήρα Κεφάλαιο 25 Εφαρμογές αισθητήρων σε αυτοματισμο ς και παραδείγματα σχεδίασης συστημάτων μέτρησης και έλεγχου Εισαγωγή Το σύστημα ελέγχου Ο ενεργοποιητής Ενεργοποιητές ανοικτού βρόχου Ενεργοποιητές κλειστού βρόχου Κινητήρας συνεχούς ρεύματος με μόνιμους μαγνήτες Κινητήρας εναλλασσόμενου ρεύματος Βηματικός κινητήρας Ηλεκτρονόμος (ρελέ) Ηλεκτροβάνα

14 16 ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ Ηλεκτροστατικοί ενεργοποιητές Ενισχυτές ισχύος Συστήματα μηχανικής όρασης Καταγραφικά δεδομένων Παραδείγματα σχεδιασμού συστημάτων μέτρησης και ελέγχου Παρακολούθηση μεταβλητών κατάστασης ενός συστήματος Σύστημα παρακολούθησης της λειτουργίας ενός χώρου στάθμευσης οχημάτων Σύστημα ελέγχου ακινητοποίησης των τροχών ενός αυτοκινήτου Έλεγχος της ποσότητας που περιέχεται σε δεξαμενή σε μια βιομηχανική διαδικασία Έλεγχος διαστάσεων σε βιομηχανικές κατασκευές Σύστημα ελέγχου τόρνου Μέτρηση ηλεκτρικής ισχύος και ενέργειας Μέτρηση ποιότητας ισχύος Σύστημα απόκτησης δεδομένων υβριδικού συστήματος Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας Σύστημα αυτόματης άρδευσης Μαγνητικό έδρανο Σύστημα ελέγχου της κίνησης ενός ρομπότ Κεφάλαιο 26 Όργανα μετρήσεων Εισαγωγή Όργανα μέτρησης περιβαλλοντικών μεγεθών Ανεμόμετρα Μετρητές διεύθυνσης ανέμου Υγρόμετρα Ψυχρόμετρο Μέτρηση ύψους βροχής Βαρόμετρα Πυργεώμετρα Φωτόμετρα Πυρανόμετρα Πυρηλιόμετρο Ηλιακό φωτόμετρο Ραδιόμετρα Πυραδιόμετρο Μετρητής της διάρκειας ηλιοφάνειας Μετρητής εξάτμισης Σεισμογράφοι Ιατρικά όργανα μέτρησης Ηλεκτρονικό σφυγμομανόμετρο Ηλεκτροκαρδιογράφημα Μετρητές του καρδιακού ρυθμού Παλμικά οξύμετρα Ιατρικά απεικονιστικά συστήματα με υπερήχους Μέτρηση ροής αίματος Απεικονιστικά συστήματα ακτίνων Χ Μαγνητική τομογραφία Τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίων

15 Περιεχ μενα Όργανα μέτρησης σε οχήματα Οδόμετρα Ταχύμετρα Ταχογράφοι Άλλοι αισθητήρες αυτοκινήτων Όργανα μέτρησης θέσης και απόστασης Μετρητές απόστασης Μετρητές βημάτων Μετρητές απόστασης βαδίσματος Υψομετρητές Μετρητές κλίσης Ταχόμετρα Μετρητής δονήσεων Βυθόμετρα Ηλεκτρονικές μετροταινίες Ηλεκτρονική πυξίδα Θεοδόλιχος Global Positioning System Όργανα μέτρησης διαστάσεων αντικειμένων Ηλεκτρονικό παχύμετρο Ηλεκτρονικά μικρόμετρα Διαστολόμετρα Μετρητές των διαστάσεων πόρων σε πορώδη υλικά Δενδρόμετρα Όργανα μέτρησης παραμέτρων του εδάφους Μετρητές της ποσότητας νερού του εδάφους Τενσιόμετρα Μπλοκ γύψου Πιεζόμετρα Λυσίμετρο Όργανα μέτρησης ιδιοτήτων σωμάτων Μετρητές της υγρότητας σωμάτων Μετρητές αγωγιμότητας νερού Μετρητές θολότητας του νερού Μετρητές αντίστασης διείσδυσης Μετρητές διάβρωσης Μετρητές ποιότητας μαγειρικού λαδιού Θερμόμετρα Ιξωδόμετρα Πυκνόμετρα Σκληρόμετρα Ηλεκτρονικές ζυγαριές Μανόμετρα Αναλυτές αερίων Φασματόμετρα Θερμιδόμετρα Ποιοτικός έλεγχος των πλακιδίων ημιαγωγών

16 18 ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 26.9 Όργανα μέτρησης ηλεκτρικών μεγεθών Βολτόμετρα Αμπερόμετρα Μετρητές ωμικής αντίστασης Πολύμετρα Ηλεκτρόμετρο Αμπερομετρικές πένσες Μετρητές αντίστασης γείωσης Όργανα μέτρησης μαγνητικού πεδίου Μετρητές πυκνότητας μαγνητικής ροής Μετρητές μαγνητικού πεδίου Όργανα μέτρησης της έντασης του ήχου Τα μικρόφωνα Υδρόφωνα Άλλα όργανα μέτρησης Δοσίμετρα Συσκευές ανάγνωσης γραμμωτού κώδικα Μετρητές λίπους του ανθρώπινου σώματος Κεφάλαιο 27 Θεωρία ανάλυσης σφαλμάτων & επεξεργασία μετρήσεων Εισαγωγή Συστηματικά και τυχαία σφάλματα Συστηματικά σφάλματα Τυχαία σφάλματα Βασικές έννοιες θεωρίας σφαλμάτων Ακρίβεια οργάνου (accuracy) Σφάλμα μέτρησης Ακρίβεια προσέγγισης (precision) Σημαντικά ψηφία (significant digits) Διακριτικότητα (resolution) οργάνου Συνέπεια (consistency) ενός οργάνου Επαναληπτικότητα (repeatability) οργάνου Άμεση μέτρηση (direct measurement) Έμμεση μέτρηση (indirect measurement) Εκτίμηση (estimation) Ευαισθησία (sensitivity) Τυχαία σφάλματα κατά τις άμεσες μετρήσεις Τυχαία σφάλματα κατά τις έμμεσες μετρήσεις Παλινδρόμηση Γραμμική παλινδρόμηση Η μέθοδος των ελαχίστων τετραγώνων Εκθετική παλινδρόμηση Πολυωνυμική παλινδρόμηση Εύρεση και απόρριψη λανθασμένων τιμών Το κριτήριο του Chauvenet Το τεστ-q

17 Περιεχ μενα 19 Κεφάλαιο 28 Συγχώνευση δεδομένων Εισαγωγή Η εφαρμογή της συγχώνευσης δεδομένων στα συστήματα μετρήσεων Πλεονασμός Ποικιλομορφία Συμπληρωματικότητα Συνεργατικότητα Παρατηρήσεις για τους πολλαπλούς αισθητήρες Μέθοδοι συγχώνευσης δεδομένων Ταξινόμηση των μεθόδων συγχώνευσης δεδομένων με βάση τον τύπο των αισθητήριων δεδομένων Ταξινόμηση των μεθόδων συγχώνευσης δεδομένων με βάση τα επίπεδα αναπαράστασης των δεδομένων Βιβλιογραφία Ευρετήριο

18

19 Κεφάλαιο 14: Άλλοι αισθητήρες Μέτρηση της ηλεκτρικής αγωγιμ τητας μη-σιδηρομαγνητικών μεταλλικών υλικών Ο αισθητήρας μέτρησης της ηλεκτρικής αγωγιμότητας μη-σιδηρομαγνητικών μεταλλικών υλικών αποτελείται από ένα πηνίο το οποίο τροφοδοτείται με AC ρεύμα, όπως απεικονίζεται στο Σχήμα Το μαγνητικό πεδίο που παράγεται προκαλεί την ανάπτυξη δινορρευμάτων στο μετρούμενο υλικό, των οποίων το μαγνητικό πεδίο υπερτίθεται στο μαγνητικό πεδίο του πηνίου, με αποτέλεσμα τη μεταβολή της μαγνητικής ροής που διέρχεται από το πηνίο και την ανάπτυξη τάσης στα άκρα του, η οποία είναι συνάρτηση της μετρούμενης ηλεκτρικής αγωγιμότητας. Εκτός από την ηλεκτρική αγωγιμότητα, το ηλεκτρικό σήμα που προκύπτει παρέχει επίσης πληροφορίες, μετά από κατάλληλη επεξεργασία, για τη χημική σύσταση του υλικού (πχ. την ύπαρξη προσμίξεων) καθώς και για τις μηχανικές του ιδιότητες (πχ. σκληρότητα). Σχήμα Αισθητήρας μέτρησης της ηλεκτρικής αγωγιμ τητας μη-σιδηρομαγνητικών μεταλλικών υλικών Αισθητήρες μέτρησης της διάβρωσης Οι αισθητήρες μέτρησης της διάβρωσης (corrosion) αποτελούνται από καθετήρες (probes) κατασκευασμένους από όμοιο υλικό (μέταλλο) με το υλικό του οποίου μετριέται ο ρυθμός διάβρωσης. Η λειτουργία τους στηρίζεται στην αύξηση της ηλεκτρικής αντίστασης των καθετήρων καθώς η διατομή τους μειώνεται λόγω διάβρωσης. Η ηλεκτρική αντίσταση του καθετήρα υπολογίζεται εφαρμόζοντας σταθερή τάση στα άκρα του και μετρώντας το ρεύμα που τον διαρρέει. Στη συνέχεια, υπολογίζεται το πάχος του καθετήρα συγκρίνοντας την τιμή της αντίστασης του η οποία προκύπτει λόγω διάβρωσης με την αντίστοιχη αρχική τιμή της αντίστασης (πριν την επίδραση της διάβρωσης). Tο πηλίκο του πάχους του καθετήρα προς το αρχικό πάχος χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό του ρυθμού διάβρωσης ο οποίος εκφράζεται σε mm μείωσης πάχους ανά έτος. Κατά τον υπολογισμό του ρυθμού διάβρωσης θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η μεταβολή της αντίστασης του καθετήρα λόγω θερμοκρασίας. Η μέθοδος αυτή μπορεί να εφαρμοστεί σε όλα τα διαβρωτικά περιβάλλοντα. Η μέθοδος γραμμικής αντίστασης πόλωσης (linear polarization resistance) χρησιμοποιείται για τη μέτρηση του ρυθμού διάβρωσης μετάλλων που βρίσκονται σε επαφή με αγώγιμα υγρά. Στηρίζεται στο ότι κατά τη διαδικασία της διάβρωσης, μεταξύ του μετάλλου και του υγρού (ηλεκτρολύτης) πραγματοποιούνται ηλεκτροχημικές αντιδράσεις οξείδωσης και αναγωγής, όπως φαίνεται στο παράδειγμα του Σχήματος Οι αντιδράσεις αυτές πραγματοποιούνται σε πολλά διαφορετικά σημεία της επιφάνειας επαφής του μετάλλου και του υγρού. Έτσι,

20 334 ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ μεταξύ της ανόδου και της καθόδου ρέει ένα ρεύμα διάβρωσης, I corr, με τιμή ανάλογη της μάζας του μετάλλου που διαχέεται στον ηλεκτρολύτη ανά μονάδα χρόνου (ρυθμός διάβρωσης). Σχήμα Παράδειγμα της διαδικασίας διάβρωσης της επιφάνειας δοκιμίου απ σίδηρο που βρίσκεται σε επαφή με νερ. Στο παράδειγμα του Σχήματος 14-15, οι αντίστοιχες χημικές αντιδράσεις που πραγματοποιούνται είναι οι εξής: ( ) ( ) ++ 2Fe 2Fe +4e ανοδική αντίδραση οξείδωση Fe + 4OH 2Fe( OH) επόμενη αντίδραση 2 2H O + O + 4e 4OH καθοδική αντίδραση αναγωγή Όμως, στην περίπτωση αυτή, ο ρυθμός διάβρωσης δεν μπορεί να υπολογιστεί με μέτρηση του ρεύματος I corr, διότι το ρεύμα αυτό δεν μπορεί να μετρηθεί άμεσα αφού η άνοδος και η κάθοδος βρίσκονται σε γειτονικές περιοχές του ίδιου μετάλλου. Για το λόγο αυτό, ο αισθητήρας μέτρησης του ρυθμού διάβρωσης με τη μέθοδο γραμμικής αντίστασης πόλωσης αποτελείται από δύο ηλεκτρόδια, που κατασκευάζονται από το ίδιο μέταλλο με το σώμα του οποίου ο ρυθμός διάβρωσης πρέπει να μετρηθεί, τα οποία βυθίζονται μέσα στο αγώγιμο υγρό. Το ισοδύναμο κύκλωμα των δύο ηλεκτροδίων (ονομάζονται ηλεκτρόδιο ελέγχου και βοηθητικό ηλεκτρόδιο, αντίστοιχα) τα οποία βυθίζονται μέσα στο αγώγιμο υγρό, φαίνεται στο Σχήμα Σχήμα Το ισοδ ναμο κ κλωμα του αισθητήρα κατά τη μέτρηση της διάβρωσης με τη μέθοδο γραμμικής αντίστασης π λωσης.

21 Κεφάλαιο 14: Άλλοι αισθητήρες 335 Η αντίσταση πόλωσης R p (polarization resistance) είναι αντιστρόφως ανάλογη του ρεύματος I corr. Η αντίσταση R s είναι η αντίσταση του ηλεκτρολύτη μεταξύ των ηλεκτροδίων. Η χωρητικότητα C dl είναι η ισοδύναμη χωρητικότητα μεταξύ ηλεκτροδίου και ηλεκτρολύτη. Η συνολική DC αντίσταση μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων είναι ίση με 2 Rp + Rs. Στην περίπτωση υγρών με πολύ υψηλή αγωγιμότητα, η τιμή της R s θεωρείται αμελητέα. Μεταξύ του ηλεκτροδίου ελέγχου και του βοηθητικού ηλεκτροδίου εφαρμόζεται DC τάση με πολύ μικρή τιμή (της τάξης των mv, έτσι ώστε η φυσική διαβρωτική διαδικασία να μην επηρεάζεται σημαντικά) και μετριέται το α- ντίστοιχο ρεύμα που ρέει μεταξύ αυτών των ηλεκτροδίων. Οι χωρητικότητες C dl δεν επηρεάζουν τη λειτουργία του αισθητήρα επειδή δεν διαρρέονται από DC ρεύμα. Από την τιμή της εφαρμοζόμενης τάσης και το μετρούμενο ρεύμα υπολογίζεται (με το νόμο του Ohm) η τιμή της R p, από αυτήν υπολογίζεται η τιμή του I corr και στη συνέχεια ο ρυθμός διάβρωσης. Όταν η τιμή της R s δεν μπορεί να αγνοηθεί λόγω χαμηλής αγωγιμότητας του υγρού, η εφαρμογή της παραπάνω μεθόδου θα είχε ως αποτέλεσμα τη σημαντική μείωση της ακρίβειας των μετρήσεων. Στην περίπτωση αυτή, μετριέται επιπλέον και η τάση που αναπτύσσεται σε ένα ηλεκτρόδιο αναφοράς (reference electrode), το οποίο τοποθετείται πολύ κοντά στο ηλεκτρόδιο ελέγχου του αισθητήρα. Έτσι, η αντίσταση που υπολογίζεται (με το νόμο του Ohm) χρησιμοποιώντας τις μετρήσεις της τάσης και του ρεύματος, περιλαμβάνει την R p και ένα μόνο μέρος της R s, με αποτέλεσμα να βελτιώνεται η ακρίβεια της μέτρησης. Εναλλακτικά, για την αύξηση της ακρίβειας μέτρησης της αντίστασης πόλωσης, μετά τη μέτρηση της συνολικής α- ντίστασης μεταξύ των ηλεκτροδίων με εφαρμογή DC τάσης, εφαρμόζεται AC τάση κατάλληλης συχνότητας μεταξύ των ηλεκτροδίων και μετριέται η αντίσταση μεταξύ τους. Λόγω της μικρής τιμής της σύνθετης αντίστασης της χωρητικότητας διπλού στρώματος (double layer capacitance) η οποία αναπτύσσεται παράλληλα με την αντίσταση πόλωσης, η μετρούμενη αντίσταση στο AC είναι περίπου ίση με την αντίσταση του ηλεκτρολύτη, R s. Η τιμή αυτή χρησιμοποιείται στη συνέχεια, σε συνδυασμό με την αρχική DC μέτρηση της συνολικής αντίστασης μεταξύ των ηλεκτροδίων, για τον ακριβή υπολογισμό της αντίστασης πόλωσης R p. Για την ανίχνευση της διάβρωσης ή των ρωγμών που υπάρχουν είτε στην επιφάνεια είτε στο εσωτερικό αγώγιμων υλικών, εφαρμόζεται η αρχή της ανάπτυξης δινορρευμάτων στο υλικό όταν αυτό βρίσκεται στο μαγνητικό πεδίο που παράγει ο αισθητήρας. Η συχνότητα λειτουργίας καθορίζει το βάθος διείσδυσης των δινορρευμάτων και επιλέγεται ανάλογα με το πάχος του υλικού. Εναλλακτικά, η ανίχνευση στηρίζεται στην ανάκλαση υπερηχητικών κυμάτων από τα τμήματα του διαβρωμένου υλικού τα οποία βρίσκονται στο εσωτερικό του υλικού που ελέγχεται Αισθητήρες αφής και διατάξεις αντίληψης αφής Οι αισθητήρες αφής (touch sensors) χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση της επαφής ενός αντικειμένου σε ένα καθορισμένο σημείο ή/και τη μέτρηση της αντίστοιχης δύναμης επαφής. Ένας αισθητήρας αφής μπορεί να παρέχει απλώς δυαδική πληροφορία (πχ. επαφή ή μη-επαφή). Η αντίληψη της αφής (tactile sensing) είναι η διαδικασία ανίχνευσης και μέτρησης της χωρικής (spatial) κατανομής των δυνάμεων επαφής που ασκούνται σε μια προκαθορισμένη περιοχή και της ανάλυσης της χωρικής πληροφορίας που προκύπτει. Μία διάταξη αντίληψης αφής αποτελείται από ένα σύνολο αισθητήρων αφής. Οι διατάξεις αντίληψης αφής χρησιμοποιούνται στην αναγνώριση δακτυλικών αποτυπωμάτων, στην αποτύπωση της επιφάνειας αντικειμένων με σκοπό την ανάλυση της γεωμετρίας ή της κατάστασης της επιφάνειας, σε συσκευές PDAs (Personal Digital Assistants), σε οθόνες αφής (touch screens), σε ρομποτικές εφαρμογές κλπ. Ακολουθεί η παρουσίαση των αρχών λειτουργίας των κυριότερων τύπων διατάξεων αντίληψης αφής, καθώς και των αντίστοιχων αισθητήρων αφής Ωμικές διατάξεις αντίληψης αφής Οι ωμικές διατάξεις αντίληψης αφής αποτελούνται από δύο στρώματα διαφανούς υλικού αντίστασης (πχ. Indium tin oxide), όπως φαίνεται στο Σχήμα

22 336 ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ Σχήμα Η δομή μιας ωμικής διάταξης αντίληψης αφής. Κατά την άσκηση δύναμης λόγω αφής σε ένα σημείο της επιφάνειας της διάταξης, το στρώμα Υ κάμπτεται και εφάπτεται στο στρώμα Χ στο σημείο αφής, όπως φαίνεται στο Σχήμα Σχήμα Άσκηση δ ναμης σε ένα σημείο της διάταξης λ γω αφής. Αρχικά εφαρμόζεται τάση τροφοδοσίας μόνο στους ακροδέκτες X + και X του στρώματος Χ, οπότε η τάση που αναπτύσσεται στον ακροδέκτη Y + είναι ανάλογη της θέσης του σημείου επαφής στο επίπεδο Χ. Η τάση αυτή μετριέται από το μετατροπέα αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (ADC), όπως αναπτύσσεται στο Σχήμα Στη συνέχεια τροφοδοτείται το επίπεδο Υ μέσω των ακροδεκτών Y και Y + (η ευθεία Y Y + έχει διεύθυνση ορθοκανονική στη διεύθυνση της ευθείας X X + ), οπότε η τάση που αναπτύσσεται στον ακροδέκτη X + είναι ανάλογη της θέσης του σημείου αφής επάνω στο επίπεδο Υ. Έτσι υπολογίζονται οι συντεταγμένες του σημείου αφής στο επίπεδο X Y.

23 Κεφάλαιο 14: Άλλοι αισθητήρες 337 Σχήμα Το ισοδ ναμο κ κλωμα κατά τη μέτρηση της θέσης του σημείου αφής στο επίπεδο Χ Χωρητικές διατάξεις αντίληψης αφής Οι χωρητικές διατάξεις αντίληψης αφής αποτελούνται από δύο στρώματα με πολλαπλά ηλεκτρόδια, όπως φαίνεται στο Σχήμα 14-20, τα οποία τοποθετούνται μέσα σε εύκαμπτο πολυμερές υλικό. Σε κάθε σημείο όπου τα ηλεκτρόδια των δύο στρωμάτων διασταυρώνονται σχηματίζεται ένας πυκνωτής, ο οποίος αποτελεί ένα στοιχείο (δηλαδή έναν στοιχειώδη αισθητήρα αφής) της διάταξης αντίληψης αφής. Σχήμα H δομή μιας χωρητικής διάταξης αντίληψης αφής. Ανάλογα με την εφαρμογή, η λειτουργία της χωρητικής διάταξης αντίληψης αφής βασίζεται σε προσέγγιση ή σε πίεση. Η λειτουργία με προσέγγιση βασίζεται στη μεταβολή της χωρητικότητας μεταξύ των δύο γειτονικών ηλεκτροδίων του επάνω επιπέδου (τα κάτω ηλεκτρόδια δεν χρησιμοποιούνται) κατά την προσέγγιση αγώγιμης επιφάνειας ή/και διηλεκτρικού (πχ. το ανθρώπινο σώμα), όπως φαίνεται στο Σχήμα

24 338 ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ Σχήμα Λειτουργία ανίχνευσης αφής με προσέγγιση. Η μεταβολή της χωρητικότητας μετατρέπεται σε τάση με κατάλληλο κύκλωμα, όπως φαίνεται στο Σχήμα Σχήμα Κ κλωμα για τη μέτρηση της μεταβολής χωρητικ τητας της παραπάνω διάταξης. Στο κύκλωμα αυτό, η μεταβολή της τάσης εξόδου, Δ Vo, λόγω μεταβολής της χωρητικότητας ενός στοιχείου της διάταξης αντίληψης αφής κατά Δ C δίνεται από την παρακάτω σχέση: ΔC Δ Vo = Vi (14.6) C Η λειτουργία με πίεση στηρίζεται στο ότι κατά την αφή συμπιέζεται το κενό αέρος που υπάρχει μεταξύ του επάνω και του κάτω ηλεκτροδίου, οπότε μειώνεται η απόσταση μεταξύ των ηλεκτροδίων ενός στοιχείου και έτσι μεταβάλλεται η χωρητικότητα του στοιχείου αυτού, όπως απεικονίζεται στο Σχήμα Σημειώνεται ότι η κατασκευή του Σχήματος επιτρέπει τη λειτουργία της χωρητικής διάταξης αντίληψης αφής τόσο με την αρχή της προσέγγισης, όσο και με την αρχή της πίεσης. f

25 Κεφάλαιο 14: Άλλοι αισθητήρες 339 Σχήμα Λειτουργία ανίχνευσης αφής με πίεση Διατάξεις αντίληψης αφής με οπτική ακτινοβολία Η λειτουργία τους στηρίζεται στην ανίχνευση της διακοπής μιας δέσμης υπέρυθρης οπτικής ακτινοβολίας που λαμβάνεται από έναν οπτικό δέκτη. Η διακοπή προκαλείται από την αφή κάποιου αντικειμένου επάνω στην επιφάνεια. Κατά μήκος των απέναντι πλευρών της επιφάνειας της διάταξης αντίληψης αφής τοποθετούνται IR LEDs και φωτοτρανζίστορ, όπως φαίνεται στο Σχήμα Οι συντεταγμένες X και Y του σημείου αφής υπολογίζονται από τη θέση των δύο φωτοτρανζίστορ που δεν λαμβάνουν οπτική ακτινοβολία. Σχήμα Η κατασκευή μίας διάταξης αντίληψης αφής με υπέρυθρη ακτινοβολία. Εναλλακτικά, για την κατασκευή μιας διάταξης αντίληψης αφής αυτού του τύπου χρησιμοποιούνται οπτικοί αισθητήρες αφής οι οποίοι αποτελούνται από ένα ζεύγος πομπού-δέκτη οπτικής ακτινοβολίας, η οποία εκπέμπεται μέσα σε διαφανές ελαστικό υλικό (δηλ. υλικό το οποίο επιτρέπει τη διάδοση οπτικής ακτινοβολίας με το συγκεκριμένο μήκος κύματος στο εσωτερικό του), όπως φαίνεται στο Σχήμα Η οπτική ακτινοβολία που εκπέμπεται από την πηγή οπτικής ακτινοβολίας, ανακλάται στο εξωτερικό, μη-διαφανές ελαστικό στρώμα και λαμβάνεται από έναν αισθητήρα οπτικής ακτινοβολίας. Η ακτινοβόλος ροή [ W ] της οπτικής ακτινοβολίας που λαμβάνεται από τον αισθητήρα μεταβάλλεται λόγω άσκησης δύναμης κατά την επαφή ενός αντικειμένου με την εξωτερική πλευρά του αδιαφανούς ελαστικού, δεδομένου ότι η άσκηση δύναμης προκαλεί μεταβολή του πάχους του διαφανούς ελαστικού υλικού.

26 340 ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ Σχήμα Οπτικ ς αισθητήρας αφής του οποίου η λειτουργία στηρίζεται στην ανάκλαση οπτικής ακτινοβολίας Διατάξεις αντίληψης αφής με κ ματα SAW Η αντίληψη της αφής με διατάξεις που λειτουργούν χρησιμοποιώντας επιφανειακά ακουστικά κύματα (Surface Acoustic Waves, SAW) στηρίζεται στο ότι κατά την αφή ενός σημείου της επιφάνειας από κάποιο αντικείμενο, το αντικείμενο αυτό απορροφά μέρος της ενέργειας των υπερηχητικών κυμάτων SAW, τα οποία εκπέμπονται από κατάλληλους μετατροπείς και διαδίδονται επάνω στην επιφάνεια αφής. Κατά μήκος των τεσσάρων πλευρών της επιφάνειας αφής τοποθετούνται ανακλαστικές επιφάνειες, όπως απεικονίζεται στο Σχήμα Τα κύματα SAW, που αρχικά εκπέμπονται από δύο πομπούς που αντιστοιχούν στις διευθύνσεις Χ και Y, διαδίδονται κατά μήκος των δύο κάθετων πλευρών της επιφάνειας αφής. Σε κάθε ανακλαστική επιφάνεια ένα μέρος τους ανακλάται και διαδίδεται επάνω στην επιφάνεια αφής σε διεύθυνση κάθετη προς την αρχική του, ενώ το υπόλοιπο συνεχίζει την διάδοση του προς την επόμενη ανακλαστική επιφάνεια. Τα διαφορετικά κύματα SAW που προκύπτουν από τις διαδοχικές ανακλάσεις σαρώνουν όλη την επιφάνεια αφής και έχουν διαφορετικό χρόνο άφιξης στους δέκτες X και Υ, καθώς το μήκος της συνολικής διαδρομής που ακολουθούν είναι διαφορετικό (η ταχύτητα διάδοσης των κυμάτων επάνω στην επιφάνεια αφής είναι σταθερή και ίδια για όλα τα κύματα που προκύπτουν από τις ανακλάσεις). Σχήμα Διάταξη αντίληψης αφής που λειτουργεί χρησιμοποιώντας κ ματα SAW.

27 Κεφάλαιο 14: Άλλοι αισθητήρες 341 Έτσι, σε κάθε θέση αφής που μπορεί να ανιχνευθεί αντιστοιχούν δύο κύματα SAW (ένα για τη διεύθυνση Χ και ένα για τη διεύθυνση Υ), τα οποία έχουν διαφορετικούς χρόνους άφιξης στους αντίστοιχους δέκτες σε σχέση με όλα τα υπόλοιπα κύματα κάθε διεύθυνσης, όπως φαίνεται στο Σχήμα Οι δέκτες χρησιμοποιούν ως αισθητήρες πιεζοηλεκτρικούς κρυστάλλους και ανιχνεύουν τη μεταβολή στην ένταση των κυμάτων SAW που λαμβάνονται από τις διευθύνσεις X και Υ, η οποία προκαλείται από την απορρόφηση μέρους της ενέργειάς τους στο σημείο αφής. Η θέση του σημείου αφής (συντεταγμένες X και Y) υπολογίζεται με βάση το χρόνο άφιξης κυμάτων SAW με μειωμένη ένταση. Σχήμα Ανίχνευση των συντεταγμένων X-Y σε μια διάταξη αντίληψης αφής που λειτουργεί χρησιμοποιώντας κ ματα SAW Αισθητήρες αφής τ που whisker Οι αισθητήρες αφής τύπου μουστακιού (whisker) είναι εμπνευσμένοι από την φυσιολογία των ζώων (πχ. γάτες) και χρησιμοποιούνται σε ρομποτικές εφαρμογές για την ανίχνευση και αναγνώριση αντικειμένων. Σε αυτές τις εφαρμογές η χρήση video cameras ή αισθητήρων μέτρησης απόστασης με laser ή υπερήχους δεν είναι πάντα ε- φικτή, καθώς αυτές οι μέθοδοι δεν είναι αποτελεσματικές σε συνθήκες χαμηλής ορατότητας (πχ. σκοτάδι, ομίχλη κλπ.) ή υπό την παρουσία σκόνης, αιωρούμενων σωματιδίων κλπ. Για τη λειτουργία τους οι αισθητήρες αφής τύπου whisker πρέπει να βρίσκονται σε επαφή με το ανιχνευόμενο αντικείμενο. Το διάγραμμα ενός αισθητήρα αφής τύπου whisker φαίνεται στο Σχήμα Ο αισθητήρας αποτελείται από μία άκαμπτη ράβδο που προσαρμόζεται στον άξονα ενός ποτενσιομέτρου. Η ε- παφή της ράβδου με την επιφάνεια των ανιχνευόμενων αντικειμένων κατά την κίνηση του ρομπότ (ή του ανιχνευόμενου αντικειμένου) προκαλεί τη γωνιακή μετατόπιση της ράβδου και επομένως του άξονα του ποτενσιομέτρου. Επίσης, χρησιμοποιούνται δύο ελατήρια ώστε η ράβδος να επιστρέφει στην αρχική της θέση όταν δεν βρίσκεται σε επαφή με κάποιο αντικείμενο. Μετρώντας την τάση εξόδου του ποτενσιομέτρου υπολογίζεται η γωνιακή μετατόπιση της ράβδου και αφού το μήκος της είναι σταθερό, μπορούν να υπολογιστούν οι συντεταγμένες (σε δύο διαστάσεις) του άκρου της ράβδου. Με κατάλληλο αλγόριθμο επεξεργασίας των συντεταγμένων των διαδοχικών θέσεων του άκρου της ράβδου (ακόμα και αν η αφή του αντικειμένου με τον αισθητήρα δεν γίνεται στο άκρο της ράβδου αλλά σε ενδιάμεσο σημείο της) πραγματοποιείται η αναγνώριση του τύπου ή της ε- πιφανειακής μορφολογίας του αντικειμένου. Ανάλογα με την εφαρμογή, για την αναγνώριση του τύπου ή της επιφανειακής μορφολογίας του αντικειμένου απαιτείται επεξεργασία της πληροφορίας που προκύπτει χρησιμοποιώντας μια συστοιχία από αισθητήρες αφής τύπου whisker.

28