1 ο ΕΠΑ.Λ. Μεσολογγίου Σχ. Έτος Β Ηλεκτρονικής Β Οχημάτων. Ειδική Θεματική Δραστηριότητα

1 ο ΕΠΑ.Λ. Μεσολογγίου Σχ. Έτος 2013-2014 Β Ηλεκτρονικής Β Οχημάτων Ειδική Θεματική Δραστηριότητα Θέμα: «Αισθητήρες και συλλογή δεδομένων από τα τμήματα ενός αυτοκινήτου και το περιβάλλον του» Μεσολόγγι 2014

Περιεχόμενα Περιεχόμενα... 1 Εισαγωγικό σημείωμα... 4 Κεφάλαιο 1. Αισθητήρες... 6 1.1 Τι είναι οι αισθητήρες... 6 1.2 Χαρακτηριστικά αισθητήρων... 6 1.3 Κατηγορίες αισθητήρων... 12 Κεφάλαιο 2. Είδη αισθητήρων... 13 2.1 Αισθητήρες Θερμοκρασίας... 13 2.1.1 Θερμοζεύγη... 13 2.1.2 Θερμίστορς... 15 2.1.3 Το Ολοκληρωμένο Κύκλωμα LM35... 16 2.1.4 Θερμοηλεκτρικές αντιστάσεις... 17 2.1.5 Σύγκριση Αισθητήρων Θερμοκρασίας... 17 2.2 Οπτικοί Αισθητήρες... 19 2.2.1 Φωτοδίοδος (photodiode)... 19 2.2.2 Φωτοτρανζίστορ (phototransistor).... 19 2.2.3 Φωτοαντίσταση (photoresistor)... 19 2.2.4 Θερμοηλεκτρικά αισθητήρια (thermopile sensors)... 20 2.2.5 Πυροηλεκτρικά αισθητήρια (pyroelectric sensors)... 20 2.2.6 Σύγκριση Οπτικών Αισθητήρων... 20 2.3 Αισθητήρες πίεσης και δύναμης... 21 2.3.1 Χωρητικοί και Επαγωγικοί Αισθητήρες Πίεσης... 22 2.3.2 Αισθητήρες Πιεζοαντίστασης... 23 2.3.3 Κυψελίδες Φορτίου... 24 2.3.4 Πιεζοηλεκτρικοί Αισθητήρες Πίεσης... 24 2.4 Αισθητήρες θέσης και κίνησης... 25 2.4.1 Επαγωγικοί Αισθητήρες Μετατόπισης Η διάταξη LVDT... 26 2.4.2 Χωρητικοί Αισθητήρες Μετατόπισης... 27 2.4.3 Αισθητήρες εγγύτητας... 28 2.4.4 Επιταχυνσιόμετρα... 30 2.5 Αισθητήρες στάθμης και όγκου... 30 2.5.1 Χωρητικοί Αισθητήρες Στάθμης... 31 2.5.2 Αισθητήρες βραχυχκυκλώματος... 31 Κεφάλαιο 3. Αισθητήρες στον κινητήρα του αυτοκινήτου... 32 3.1 Αισθητήρας λ... 32 3.1.1 Κατασκευή του αισθητήρα λ... 33 3.1.2 Λειτουργία... 33 3.1.3 Χαρακτηριστική καμπύλη λειτουργίας... 34 3.2 Αισθητήρας μάζας αέρα... 34 3.3 Αισθητήρας θερμοκρασίας κινητήρα... 35 3.4 Αισθητήρας κρουστικής καύσης... 36 3.4.1 Τύποι Αισθητήρων... 37 2

3.5 Αισθητήρας στροφών κινητήρα... 37 3.6 Αισθητήρας πίεσης λαδιού... 39 3.7 Αισθητήρας ανάφλεξης... 39 Κεφάλαιο 4. Αισθητήρες στο σύστημα μετάδοσης... 41 4.1 ESP... 41 4.2 Αισθητήρας θέσης μοχλού ταχυτήτων... 42 Κεφάλαιο 5. Παθητική ασφάλεια... 43 5.1 ABS... 43 5.2 S.R.S... 43 5.3 Aισθητήρας αερόσακου... 44 5.4 Προεντατήρας ζωνών... 45 Κεφάλαιο 6. Άλλοι αισθητήρες του αυτοκινήτου... 47 6.1 Αισθητήρας γωνιακής θέσης τιμονιού... 47 6.2 Αισθητήρας ταχύτητας... 48 6.3 Αισθητήρας εξωτερικής θερμοκρασίας... 49 6.4 Αισθητήρας πάγου... 49 6.5 Αισθητήρας βροχής και φώτων... 50 6.6 Αισθητήρας παρκαρίσματος... 51 Κεφάλαιο 7. Η Μονάδα Ελέγχου Κινητήρα... 53 7.1 Μονάδα Ελέγχου Κινητήρα... 53 7.1.1 Χρήσεις... 53 7.1.2 Μέρη... 54 7.1.3 Ειδικές περιπτώσεις... 56 7.1.4 Έλεγχος κινητήρα... 56 7.2 Διαγνωστικός Έλεγχος Αυτοκινήτου... 58 7.2.1 Ιστορία... 59 7.2.2 Έννοια του OBD... 60 7.2.3 Η έννοια και το ξεκίνημα του «Διαγνωστικά» στο ΟΒD II... 60 7.2.4 Το άναμμα της λυχνίας... 61 7.2.5 Χρήστες του ΟΒD II... 61 7.2.6 Η ανάπτυξη των προτύπων εκπομπών... 62 7.2.7 Πρωτόκολλα επικοινωνιών για τα οχήματα... 63 Βιβλιογραφία... 64 3

Εισαγωγικό σημείωμα Στο 1 ο ΕΠΑ.Λ. Μεσολογγίου κατά το σχολικό έτος 2013-2014 και για το μάθημα της Ειδικής Θεματικής Δραστηριότητας ένα από τα τμήματα που συστάθηκαν ήταν και το τμήμα Β ΗΝ - Β ΟΧ με μαθητές από την Β τάξη των τομέων ηλεκτρονικής και οχημάτων. Υπεύθυνοι καθηγητές ήταν οι Παπαζαχαρίας Αθανάσιος, ΠΕ12.10 και ΠΕ 04.01, τομέας ηλεκτρονικών Πολονύφης Σεραφείμ, ΠΕ 17.06, τομέας οχημάτων. Συντονίστρια : Γριβοπούλου Αγγελική, ΠΕ 20 και ΤΕ 01.13 Οι μαθητές που επέλεξαν το μάθημα της Ειδικής Θεματικής Δραστηριότητας και συμμετείχαν στην παρούσα εργασία ήταν οι: Τομέας Ηλεκτρονικής Βαγενά Παρθενία Βέλλιος Ζώης Δίπλας Σπυρίδων Κακαλιούρας Σπυρίδων Μπαλή Κωνσταντίνα Ξάνθης Παναγιώτης Πανόπουλος Ευάγγελος Στεφόπουλος Κωνσταντίνος Τομέας Οχημάτων Κιτέας Νικόλαος Κούρτης Θεόδωρος Μετκάι Χασάν Μίχας Κωνσταντίνος Ραυτογιάννης Κωνσταντίνος Σκεντεράι Κλοντιάν Στάικος Κωνσταντίνος Τσιγαρίδας Βασίλειος Τσιριμώκος Χρήστος Χαρίζι Λόρεντς Τα θέματα που προτάθηκαν στους σχολικούς συμβούλους ήταν τρία. Η επιλογή τους έγινε λαμβάνοντας υπόψη την διπολικότητας του τμήματος (Ηλεκτρονικής Οχημάτων) και την ανάγκη το θέμα που θα μελετηθεί να συνδέεται με την ύλη των μαθημάτων των δυο τομέων. Το θέμα που τελικά εγκρίθηκε ήταν το: «Αισθητήρες και συλλογή δεδομένων από τα τμήματα ενός αυτοκινήτου και το περιβάλλον του.» Σκοπός της Ειδικής Θεματικής Δραστηριότητας ήταν: Η εξοικείωση των μαθητών με τους αισθητήρες και τη λειτουργία τους Η απαρίθμηση των αισθητήρων που υπάρχουν σε ένα αυτοκίνητο και η περιγραφή της λειτουργίας τους Η κατανόηση του τρόπου λειτουργίας της Κεντρικής μονάδας ελέγχου των αυτοκινήτων Η διερεύνηση των δυνατοτήτων που επιφυλάσσει το μέλλον στην αυτοκίνηση Για να επιτευχθεί στο μεγαλύτερο δυνατό βαθμό η κατανόηση των εννοιών από τους μαθητές, είχαν τεθεί συγκεκριμένοι στόχοι που έπρεπε να επιτευχθούν. Τέτοιοι ήταν: η συγκέντρωση, αξιολόγηση και παρουσίαση πληροφοριών η σχεδίαση και υλοποίηση απλών διατάξεων για την επίδειξη της λειτουργίας των αισθητήρων η σύνδεση με τον εγκέφαλο ενός αυτοκινήτου και η παρατήρηση σε πραγματικό χρόνο των δεδομένων που καταγράφει 4

Η παρούσα εργασία ήταν ο πρώτος στόχος που τέθηκε. Υλοποιήθηκε από τους μαθητές και μαθήτριες που συγκέντρωσαν τις πληροφορίες και με την καθοδήγηση των καθηγητών τους ετοίμασαν την αναφορά αυτή. Ο δεύτερος στόχος επιτεύχθηκε μερικά με τη συμμετοχή των μαθητών της Β τάξης του τομέα Ηλεκτρονικής στο 4 ο Μαθητικό Φεστιβάλ Ψηφιακής Δημιουργίας με μια κατασκευή. Η κατασκευή αυτή ήταν ένα φωτόμετρο και περιείχε έναν αισθητήρα φωτός καθώς και ένα σύστημα αυτόματης ενεργοποίησης φωτισμού. Τέλος, η σύνδεση με τον εγκέφαλο ενός αυτοκινήτου πραγματοποιήθηκε σε ένα δίωρο επίδειξης της λειτουργίας ενός Bluetooth OBD II LM327 αντάπτορα που τροφοδοτούσε τα δεδομένα εγκεφάλου σε μια κινητή συσκευή Android. 5

Κεφάλαιο 1. Αισθητήρες Αισθητήρας ονομάζεται μία συσκευή που ανιχνεύει ένα φυσικό μέγεθος και παράγει από αυτό μία μετρήσιμη έξοδο. Για παράδειγμα, το υδραργυρικό θερμόμετρο μετατρέπει τη μετρούμενη θερμοκρασία σε διαστολή, η οποία μπορεί να αναγνωστεί από ένα βαθμονομημένο σωλήνα. Οι αισθητήρες χρησιμοποιούνται σε καθημερινά αντικείμενα, όπως κουμπιά ανελκυστήρων ευαίσθητα στην αφή και λάμπες φωτισμού που εκπέμπουν λαμπρότερα ή απαλότερα αγγίζοντας τη βάση τους. Υπάρχουν αναρίθμητες ακόμη χρήσεις που οι περισσότεροι άνθρωποι δεν αντιλαμβάνονται. Εφαρμογές τους συναντούμε στα αυτοκίνητα, σε μηχανές, στην αεροναυπηγική, την ιατρική, τη βιομηχανία, τη ρομποτική και πολλούς άλλους τομείς. 1.1 Τι είναι οι αισθητήρες Οι αισθητήρες είναι διατάξεις που διαθέτουν κάποια κατάλληλη ιδιότητα, η οποία μεταβάλλεται ως συνάρτηση του μετρούμενου φυσικού μεγέθους. Έτσι η μέτρηση της ιδιότητας του αισθητήρα επιτρέπει τον άμεσο ποσοτικό υπολογισμό της τιμής του φυσικού μεγέθους. Η μελέτη και εφαρμογή στην πράξη των αισθητήρων αποτελεί αντικείμενο της Οργανολογίας (Instrumentation). Η ιδιότητα των αισθητήρων που μεταβάλλεται είναι συνήθως τάση ή ένταση ηλεκτρικού ρεύματος. Συχνά οι αισθητήρες δεν δίδουν στην έξοδό τους κατάλληλο ηλεκτρικό σήμα. Τότε απαιτείται η χρήση ενός επιπρόσθετου ηλεκτρονικού κυκλώματος, το οποίο να λαμβάνει την έξοδο του αισθητήρα και να τη μετατρέπει σε κατάλληλο ηλεκτρικό σήμα, σύμφωνα με τις απαιτήσεις των επόμενων βαθμίδων. Το κύκλωμα αυτό ονομάζεται κύκλωμα ρύθμισης σήματος (signal conditioning circuit), κύκλωμα ελέγχου (control circuit) ή εξωτερική μονάδα (outer ή external module). Για παράδειγμα, υπάρχουν αισθητήρες στάθμης που μετρούν το χρόνο που απαιτείται για να ανακλαστεί ένα υπερηχητικό κύμα από τη μετρούμενη επιφάνεια και να επιστρέψει στο σημείο από όπου εκπέμφθηκε. Σε αυτούς πρέπει να υπάρχει κατάλληλο κύκλωμα για τη μετατροπή των τιμών χρόνου σε ανάλογες τιμές τάσης. Οι αισθητήρες που απαιτούν εξωτερική τροφοδοσία για να λειτουργήσουν ονομάζονται ενεργοί. Για παράδειγμα, ένας αισθητήρας γραμμικής μετατόπισης LVDT πρέπει να τροφοδοτείται από κατάλληλη εναλλασσόμενη τάση. Οι αισθητήρες που δημιουργούν μόνοι τους μία τάση και δε χρειάζονται εξωτερική τροφοδοσία ονομάζονται παθητικοί. Τέτοιοι είναι για παράδειγμα οι πιεζοηλεκτρικοί κρύσταλλοι, που όταν πιεστούν αναπτύσσουν στα άκρα τους ηλεκτρική τάση. 1.2 Χαρακτηριστικά αισθητήρων 6

Τα χαρακτηριστικά των αισθητήρων συγκροτούν τις προδιαγραφές τους (specifications) και είναι πολλά. Παρότι οι ποικίλοι αισθητήρες που υπάρχουν σήμερα στηρίζονται σε διαφορετικές αρχές λειτουργίας, έχουν κοινά τα βασικά τους χαρακτηριστικά. Αυτά είναι τα ακόλουθα: 1. Συνάρτηση μεταφοράς (transfer function) Σαν συνάρτηση μεταφοράς ορίζεται η ιδανική σχέση (θεωρητική), μεταξύ του σήματος εισόδου (διέγερση) και του σήματος εξόδου του αισθητηρίου. Αν R είναι το σήμα εξόδου, που αντιστοιχεί στην διέγερση r τότε : R = f(r) H εξίσωση αυτή μπορεί να είναι γραμμική, λογαριθμική, εκθετική ή πολυωνυμική. Στα περισσότερα αισθητήρια επιδιώκεται να είναι γραμμική. Επιδιώκεται δηλαδή να είναι της μορφής: R = br Η γραφική παράσταση της εξίσωσης αυτής είναι της μορφής του σχήματος 1.1 R a b Σχήμα 1.1. Γραμμική συνάρτηση μεταβολής r Ο συντελεστής b ονομάζεται και ευαισθησία (sensitivity) του αισθητηρίου. 2. Εύρος εισόδου (input full scale-fs) Εύρος εισόδου ονομάζεται η δυναμική στάθμη της διέγερσης, που μπορεί να υποστεί μετατροπή από ένα αισθητήριο. Αντιστοιχεί στη μεγαλύτερη δυνατή τιμή της εισόδου που μπορεί να εφαρμοστεί στο αισθητήριο, χωρίς να προκαλέσει ανεπιθύμητη ανακρίβεια. Οι μονάδες της είναι αυτές της διέγερσης. Αν το σήμα εισόδου είναι μη γραμμικό, τότε για να αποφύγουμε μεγάλες τιμές του εύρους, το εκφράζουμε σε db. 3. Εύρος εξόδου (full scale output-fso) Εύρος εξόδου ονομάζεται η διαφορά των τιμών που δίνει η έξοδος του αισθητηρίου, όταν σ αυτό εφαρμοστεί η μεγαλύτερη και η χαμηλότερη διέγερση. 4. Ακρίβεια (accuracy-a) Ακρίβεια ονομάζεται η μεγαλύτερη απόκλιση της τιμής της εξόδου του αισθητηρίου για μια συγκεκριμένη διέγερση, από την ιδανική. Ιδανική απόκριση θεωρείται αυτή που θεωρητικά υπολογίζεται από την ιδανική συνάρτηση μεταφοράς του. Στο Σχήμα 1.2 βλέπουμε γραφικά τις έννοιες που μέχρι τώρα εξηγήσαμε. 7

έξοδος καθορισμένα όρια ακρίβειας Ακρίβεια Μέτρησης -δ +δ +Δ καμπύλη ιδανικής Συνάρτησης Μεταφοράς καμπύλη πραγματικής Συνάρτησης Μεταφοράς διέγερση -Δ εύρος εισόδου Σχήμα 1.2. Χαρακτηριστικά απόκρισης Ιδανική συνάρτηση μεταφοράς είναι αυτή που περιγράφεται με μια μαθηματική συνάρτηση. Αντίθετα η πραγματική συνάρτηση μεταφοράς δεν περιγράφεται με μαθηματική συνάρτηση, αλλά με έναν πίνακα τιμών μεταξύ εισόδου και εξόδου. Η συνάρτηση αυτή, όπως παρατηρείτε στο σχήμα 1.2, δεν είναι ούτε αύξουσα, ούτε μονότονη. Λόγω μεταβολής των υλικών κατασκευής, σφαλμάτων σχεδίασης, ανοχών κατά την κατασκευή και άλλων περιορισμών, είναι δυνατόν να έχουμε μια μεγάλη οικογένεια από πραγματικές συναρτήσεις μεταφοράς (και αντίστοιχες καμπύλες). Όλες, όμως, βρίσκονται μέσα στα καθορισμένα όρια ακρίβειας. Αυτά τα ανεκτά όρια διαφέρουν από την καμπύλη της ιδανικής συνάρτησης μεταφοράς κατά Δ. Η πραγματική συνάρτηση αποκλίνει από την ιδανική κατά δ, όπου δ Δ. Στα πιο σύγχρονα αισθητήρια, αντί για την ακρίβεια χρησιμοποιείται η έννοια της αβεβαιότητας, που θα την εξετάσουμε αργότερα. 5. Σφάλμα ρύθμισης (calibration error) Το σφάλμα ρύθμισης υπεισέρχεται κατά τη διαδικασία της βαθμονόμησης του αισθητηρίου στο εργοστάσιο. Είναι ένα συστηματικό σφάλμα και προστίθεται στα σφάλματα που οδηγούν στην πραγματική συνάρτηση μεταφοράς. Για παράδειγμα, ας θεωρήσουμε μια βαθμονόμηση ενός γραμμικού αισθητηρίου με δύο σημεία (μια ευθεία καθορίζεται από δύο σημεία). Για να ορίσουμε την αρχική τιμή και την κλίση της ευθείας, εφαρμόζουμε δύο διεγέρσεις s 1 και s 2 στον αισθητήρα. Το αισθητήριο αποκρίνεται με δύο τιμές εξόδου S 1 και S 2. Έστω ότι η πρώτη απόκριση μετρήθηκε με ακρίβεια, ενώ η δεύτερη με ένα σφάλμα -Δ. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα η καμπύλη βαθμονόμησης να διαφέρει από την πραγματική, όπως φαίνεται στο σχήμα 2.3.3. 8

έξοδος S 2 -Δ S 1 a 1 a s 1 s 2 πραγματική γραμμή γραμμή ρύθμισης διέγερση Σχήμα 1.3. Βαθμονόμηση του αισθητηρίου Τότε η αρχική κατάσταση θα διαφέρει από την πραγματική δ a = α 1 - α και η κλίση θα υπολογίζεται με σφάλμα δ b = - s2 s 1 6. Υστέρηση (hysteresis-h) Το σφάλμα υστέρησης είναι η απόκλιση που παρουσιάζει το σήμα εξόδου του αισθητηρίου για την ίδια τιμή της διέγερσης, όταν η είσοδος είναι σε αύξουσα κατάσταση και όταν είναι σε φθίνουσα κατάσταση έξοδος h FS διέγερση Σχήμα 1.4. Χαρακτηριστική υστέρησης Οφείλεται στην τριβή και σε ανισοτροπίες που παρουσιάζουν τα υλικά. Στο σχήμα 1.4 φαίνεται η απόκλιση αυτή 7. Μη γραμμικότητα (nonlinearity-l) Αναφέρεται στα αισθητήρια, που η συνάρτηση μεταφοράς τους μπορεί να προσεγγιστεί από μια ευθεία γραμμή. Σφάλμα μη γραμμικότητας είναι η μέγιστη απόκλιση της πραγματικής συνάρτησης μεταφοράς από την προσεγγιστική γραμμική απεικόνιση. Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι προσέγγισης της πραγματικής συνάρτησης μεταφοράς από μια ευθεία γραμμή. Οι πιο γνωστές είναι η μέθοδος των οριακών σημείων, η μέθοδος των ελαχίστων τετραγώνων και η μέθοδος της ανεξάρτητης γραμμικότητας. 8. Κορεσμός (Saturation) 9

Σχεδόν κάθε αισθητήριο έχει όρια λειτουργίας. Έτσι, για ένα αισθητήριο που έχει γραμμική συμπεριφορά, υπάρχει κάποια τιμή της διέγερσης πέρα από την οποία το αισθητήριο δεν αποκρίνεται με τον ίδιο τρόπο. Στο Σχήμα 2.3.5 φαίνεται η συμπεριφορά ενός τέτοιου αισθητηρίου. έξοδος διέγερση γραμμική περιοχή περιοχή κόρου Σχήμα 1.5. Χαρακτηριστική με κόρο Στην περιοχή κορεσμού (ή κόρου), περαιτέρω αύξηση της διέγερσης δεν ισοδυναμεί με ανάλογη αύξηση του σήματος εξόδου. Η αύξηση θα είναι μικρότερη και τελικά μηδενική. 9. Επαναληψιμότητα (repeatability) Η απόκριση του αισθητηρίου, για την ίδια διέγερση, δεν είναι πάντα η ίδια. Έτσι, για κάποια τιμή της εξόδου του αισθητηρίου, η διέγερση δεν είναι καθορισμένη. Ορίζεται το σφάλμα επαναληψιμότητας σαν η μέγιστη διαφορά μεταξύ δύο τιμών διέγερσης, που δίνουν την ίδια έξοδο. Στο Σχήμα 1.6 βλέπουμε την γραφική απεικόνιση του σφάλματος αυτού. έξοδος S Δ FS διέγερση Σχήμα 1.6. Σφάλμα επαναληψιμότητας Η μαθηματική διατύπωση του σφάλματος αυτού είναι δ r = 100% FS Πιθανές πηγές δημιουργίας του σφάλματος είναι ο θερμικός θόρυβος, η πλαστικότητα των υλικών κ.λ.π. 10. Νεκρή ζώνη (dead band) Νεκρή ζώνη ονομάζεται μια περιοχή αναισθησίας του αισθητηρίου. Στο Σχήμα 2.3.7 φαίνεται η σχηματική παράσταση της χαρακτηριστικής καμπύλης λειτουργίας ενός αισθητηρίου με νεκρή ζώνη. 10

έξοδος διέγερση Νεκρή ζώνη Σχήμα 1.7 Χαρακτηριστική με νεκρή ζώνη Στην περιοχή αυτή, ενώ η διέγερση μεταβάλλεται, η έξοδος έχει μια σχεδόν σταθερή τιμή, συνήθως μηδέν. 11. Ευκρίνεια-διακριτική ικανότητα (Resolution) Σαν ευκρίνεια ορίζεται η μικρότερη μεταβολή στη διέγερση, που μπορεί να γίνει αντιληπτή από το αισθητήριο (δηλαδή να μεταβάλει την έξοδό του). Παρατηρώντας την έξοδο του αισθητηρίου, διαπιστώνεται ότι δεν είναι ακριβώς συνεχής, αλλά αυξάνει με μικρά βήματα. Η μεταβολή της εισόδου, που θα έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση της εξόδου κατά ένα τέτοιο βήμα, ονομάζεται ακρίβεια σε καθορισμένες συνθήκες. 12. Αξιοπιστία (Reliability) Αξιοπιστία είναι η ικανότητα ενός αισθητηρίου να υλοποιεί τη συνάρτηση μεταφοράς του, κάτω από καθορισμένες συνθήκες, για ένα μεγάλο χρονικό διάστημα. Εκφράζεται δε σαν η (στατιστική) πιθανότητα που έχει το αισθητήριο να λειτουργήσει χωρίς σφάλμα, για ένα καθορισμένο χρονικό διάστημα, ή για έναν αριθμό χρήσεων. 13. Αβεβαιότητα (Uncertainty) Όπως έχουμε ήδη αναφέρει, η τιμή που δίνει στην έξοδο ένα αισθητήριο απέχει από την πραγματική τιμή. Επομένως, η μέτρηση περιέχει μια αβεβαιότητα, που οφείλεται στην ύπαρξη διαφόρων σφαλμάτων. Να σημειώσουμε εδώ ότι πρέπει να γίνεται διάκριση μεταξύ της έννοιας σφάλμα και της έννοιας αβεβαιότητα. Το σφάλμα μπορεί να μειωθεί, βελτιώνοντας τους παράγοντες που το δημιουργούν. Παρ' όλα αυτά, η αβεβαιότητα μιας μέτρησης μπορεί να εξακολουθεί να είναι μεγάλη. Έτσι, σφάλμα είναι το λάθος που κάνουμε κατά τη μέτρηση χωρίς επίγνωση, ενώ αβεβαιότητα είναι η εκτίμηση του σφάλματος αυτού. Τέλος πρέπει να αναφέρουμε ότι η θερμοκρασία αποτελεί τον συνηθέστερο παράγοντα που αλλοιώνει τις προδιαγραφές των αισθητήρων. Η επίδραση της θερμοκρασίας στους αισθητήρες μπορεί να είναι γνωστή και συχνά υπάρχει τρόπος αντιστάθμισής της (compensation) με κατάλληλα ηλεκτρονικά κυκλώματα ρύθμισης σήματος. Για την περιγραφή της επίδρασης αυτής ορίζονται διάφορα μεγέθη, όπως η ολίσθηση του σημείου μηδενός λόγω θερμοκρασίας (temperature zero shift), η ευαισθησία στη θερμοκρασία (temperature sensitivity) και η μεταβολή της ευαισθησίας λόγω θερμοκρασίας (thermal sensitivity shift). 11

1.3 Κατηγορίες αισθητήρων Οι αισθητήρες που υπάρχουν σήμερα είναι χιλιάδες και χρησιμοποιούνται για πάρα πολλές και διάφορες εφαρμογές. Όπως είναι φυσικό έχει παραστεί η ανάγκη για κατηγοριοποίηση των αισθητήρων, έτσι ώστε να είναι πιο εύκολο στον καθένα να βρει τον κατάλληλο αισθητήρα για την εφαρμογή που θέλει με τα χαρακτηριστικά που θέλει. Για αυτόν το λόγο υπάρχουν αρκετές κατηγορίες αισθητήρων. Η κατηγοριοποίηση και ταξινόμηση των αισθητήρων γίνεται με βάση πολλά κριτήρια όπως: 1. Εάν υπάρχει επαφή του αισθητήρα με το υπό μέτρηση μέγεθος ή όχι. Εάν υπάρχει επαφή ονομάζονται αισθητήρες επαφής ενώ στην αντίθετη περίπτωση ονομάζονται αισθητήρες μη επαφής. 2. Ανάλογα με την μεταβολή ένδειξης του αισθητήρα. Δηλαδή εάν ο αισθητήρας παράγει συνεχώς μεταβαλλόμενα σήματα τάσης με μία πληθώρα διαφορετικών τιμών, τότε ονομάζεται αναλογικός αισθητήρας. Εάν όμως ο αισθητήρας παράγει ψηφιακό σήμα, δηλαδή οι τιμές τάσης που μπορεί να παράγει είναι μόνο δύο (π.χ. 0 1V ή 0-5V) τότε ονομάζεται ψηφιακός. 3. Ανάλογα με την αρχή λειτουργίας του αισθητήρα. Σε αυτή την κατηγορία μπορεί να διακρίνει κανείς αισθητήρες θερμικούς, μαγνητικούς, οπτικούς, πιεζοηλεκτρικούς, ηλεκτρομαγνητικούς, επαγωγικούς, χωρητικούς κλπ. 4. Ανάλογα με το αν απαιτείται χρήση εξωτερικής πηγής ηλεκτρικής ενέργειας για την λειτουργία του αισθητήρα ή όχι. Ενεργητικοί αισθητήρες ονομάζονται αυτοί που απαιτούν εξωτερική πηγή ηλεκτρικής ενέργειας για να λειτουργήσουν, ενώ αυτοί που δεν απαιτούν εξωτερική πηγή ηλεκτρικής ενέργειας για την λειτουργία τους ονομάζονται παθητικοί. 12

Κεφάλαιο 2. Είδη αισθητήρων Τα φυσικά μεγέθη που χρειάζεται να μετρηθούν από τους αισθητήρες είναι πάρα πολλά (π.χ. θερμοκρασία, υγρασία, πίεση, δύναμη κ.α.). Για κάθε ένα από αυτά τα μεγέθη υπάρχουν αρκετοί αισθητήρες που μπορεί να παρουσιάζουν διαφορές στον τρόπο λειτουργίας ή σε άλλες παραμέτρους. Πολλές φορές ένα είδος αισθητήρα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να διαβάσει διαφορετικά φυσικά μεγέθη (π.χ. ο αισθητήρας δύναμης μπορεί να διαβάσει και πίεση). Αυτό μπορεί να γίνει είτε με μετατροπή του αισθητήρα είτε με την προσθήκη κάποιου επιπλέον υλικού. Στο κεφάλαιο αυτό θα δούμε τους πιο κοινούς αισθητήρες, πολλούς από τους οποίους συναντάμε και στα αυτοκίνητα. 2.1 Αισθητήρες Θερμοκρασίας Τα διάφορα αισθητήρια θερμοκρασίας στηρίζονται στην αλλαγή λόγω της θερμοκρασίας κάποιας χαρακτηριστικής ιδιότητας ενός επιλεγμένου υλικού. Οι ιδιότητες που μπορούν να αξιοποιηθούν για τη μέτρηση της θερμοκρασίας είναι εν γένει οι ακόλουθες: i. Η γραμμική διαστολή ενός υγρού ii. Η γραμμική διαστολή ενός μετάλλου iii. Η ηλεκτρική αντίσταση ενός μετάλλου iv. Το φαινόμενο του θερμοηλεκτρισμού (ή θερμοηλεκτρικό φαινόμενο) v. Η θερμική ακτινοβολία που εκπέμπεται από ένα θερμό σώμα Την ιδιότητα της γραμμικής διαστολής αξιοποιούν τα γνωστά θερμόμετρα υδραργύρου, τα μεταλλικά θερμόμετρα κ.ά. Είναι όμως δύσκολο αυτή να μετατραπεί σε ηλεκτρικό σήμα, το οποίο να μπορεί να ψηφιοποιηθεί κατάλληλα. Η ιδιότητα της ηλεκτρικής αντίστασης είναι πιο εύχρηστη, καθώς είναι εύκολο να δημιουργηθεί μία ηλεκτρική τάση, η οποία να μεταβάλλεται ανάλογα με την ηλεκτρική αντίσταση. Το θερμοηλεκτρικό φαινόμενο οδηγεί επίσης στην εμφάνιση μίας ηλεκτρικής τάσης. Στις επόμενες παραγράφους θα περιγράψουμε τους βασικούς αισθητήρες που αξιοποιούν τις ιδιότητες (iii) και (iv), που είναι τα θερμοζεύγη και τα θερμίστορς. Επίσης θα περιγράψουμε έναν αισθητήρα θερμοκρασίας με μορφή ολοκληρωμένου κυκλώματος, που ονομάζεται LM35. 2.1.1 Θερμοζεύγη Τα θερμοηλεκτρικά ζεύγη ή θερμοζεύγη (thermocouples) αποτελούν ένα εξαιρετικά διαδεδομένο είδος ανιχνευτών θερμοκρασίας, υψηλής ακρίβειας και χαμηλού κόστους. Αποτελούνται από δύο σύρματα διαφορετικών μετάλλων, τα οποία είναι ενωμένα σε δύο σημεία. Η λειτουργία των θερμοζευγών στηρίζεται στο φαινόμενο του θερμοηλεκτρισμού (thermoelectricity), ή αλλιώς φαινόμενο Seebeck (Seebeck effect). Ειδικότερα, όταν δύο διαφορετικά μέταλλα ενώνονται σε ένα σημείο, τότε στο σημείο αυτό αναπτύσσεται μία τάση, η οποία λέγεται θερμοηλεκτρική τάση ή δυναμικό επαφής (contact potential) και οφείλεται στο διαφορετικό έργο εξόδου των μετάλλων. Έτσι, ανάμεσα στα ελεύθερα άκρα 13

των συνδεδεμένων μεταλλικών συρμάτων αναπτύσσεται μία τάση Ε. Η τάση αυτή όμως εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Έτσι, εάν τα δύο μεταλλικά σύρματα ενωθούν σε δύο σημεία που ευρίσκονται σε διαφορετική θερμοκρασία, θα δημιουργηθούν δύο θερμοηλεκτρικές τάσεις διαφορετικής τιμής. Η διαφορά των δύο τιμών είναι ανάλογη της διαφοράς θερμοκρασίας των δύο σημείων. Η δομή ενός θερμοζεύγους εικονίζεται στο Σχήμα 2.1(β). Παρατηρούμε ότι υπάρχουν δύο σημεία επαφής: Το άνω σημείο, που ονομάζεται θερμή επαφή (hot junction), τοποθετείται στο αντικείμενο, του οποίου τη θερμοκρασία T θέλουμε να μετρήσουμε, και αναπτύσσεται σε αυτό μία θερμοηλεκτρική τάση Ε Τ. Το άλλο σημείο (η κάτω επαφή του σχήματος) ονομάζεται επαφή αναφοράς (reference junction) ή ψυχρή επαφή (cold junction) και τοποθετείται σε ένα χώρο σταθερής θερμοκρασίας (π.χ. σε θερμοκρασία περιβάλλοντος T 0 ). Στα άκρα του αναπτύσσεται μία θερμοηλεκτρική τάση Ε T0. Λόγω της τοποθέτησης των μεταλλικών συρμάτων, οι τάσεις Ε Τ και Ε Τ0 έχουν αντίθετη πολικότητα, και έτσι στα άκρα του θερμοζεύγους αναπτύσσεται η διαφορά τους, Ε = Ε Τ Ε Τ0. Ε (α) (β) Σχήμα 2.1 (α) Εμφάνιση θερμοηλεκτρικής τάσης όταν δύο μέταλλα ενώνονται. (β) Δομή ενός θερμοζεύγους. Διακρίνονται η θερμή επαφή και η ψυχρή επαφή και σημειώνονται οι τάσεις που αναπτύσσονται σε αυτό. Η θερμοηλεκτρική τάση Ε δεν είναι ευθέως ανάλογη της διαφοράς θερμο-κρασίας (Τ Τ 0 ) αλλά σε συγκεκριμένες, στενές περιοχές θερμοκρασιών Τ μπορεί να θεωρηθεί χωρίς σφάλμα ότι είναι ανάλογη της διαφοράς θερμοκρασίας. Συνήθως ανατρέχουμε σε πίνακες, οι οποίοι αναγράφουν τη διαφορά τάσης Ε που αντιστοιχεί σε ποικίλες διαφορές θερμοκρασίας (Τ Τ 0 ) για ποικίλες θερμοκρασίες αναφοράς Τ 0. Τα θερμοζεύγη κατασκευάζονται από επιλεγμένα μέταλλα ή κράματα μετάλλων, τα οποία αναπτύσσουν όχι υψηλή απόλυτη τιμή θερμοηλεκτρικής τάσης αλλά θερμοηλεκτρική τάση που μεταβάλλεται ισχυρά με τη θερμοκρασία. Ονομάζονται από τα ονόματα των δύο μετάλλων ή κραμάτων, και αναφέρεται πρώτο το μέταλλο που γίνεται θετικότερο (και άρα αποτελεί το θετικό πόλο της θερμοηλεκτρικής τάσης). Το καλώδιο που καλύπτει το αρνητικό μέταλλο έχει πάντοτε κόκκινο χρώμα. Τα πιο διαδεδομένα είδη θερμοζευγών είναι τα ακόλουθα: 1. Σιδήρου - Κονσταντάνης (iron-constantan) ή Τύπου J 2. Νικελίου/Χρωμίου - Νικελίου/Αλουμινίου (chromel-alumel) ή Τύπου K 3. Χαλκού - Κονσταντάνης (copper-constantan) ή Τύπου T Τα είδη των θερμοζευγών που διατίθενται σήμερα στο εμπόριο αναγράφονται στον Πίνακα 2-1. Είδος Θερμοζεύγους Θετικό άκρο (+) Αρνητικό άκρο ( ) Περιοχή Λειτουργίας Β Λευκόχρυσος 30% Ρόδιο Λευκόχρυσος 6% Ρόδιο 1370 1700 ο C C W5Re (Βολφράμιο 5% Ρήνιο) Ε Ε Τ Θερμή επαφή Ε Τ0 (μέτρησης) Ψυχρή επαφή (αναφοράς) W26Re (Βολφράμιο 26% Ρήνιο) 1650 2315 ο C E Chromel Κονσταντάνη 95 900 ο C 14

J Σίδηρος Κονσταντάνη 95 760 ο C K Chromel Alumel 95 1260 ο C N Nicrosil Nisil 650 1260 ο C R Λευκόχρυσος 13% Ρόδιο Λευκόχρυσος 870 1450 ο C S Λευκόχρυσος 10% Ρόδιο Λευκόχρυσος 980 1450 ο C T Χαλκός Κονσταντάνη 200 350 ο C Πίνακας 2-1. Είδη θερμοζευγών και περιοχές λειτουργίας τους Τα θερμοζεύγη χρησιμοποιούνται ευρέως σε εφαρμογές που εκτείνονται από βιομηχανικές και επιστημονικές έως ιατρικές. Έτσι, χρησιμοποιούνται σε διάφορα περιβάλλοντα, όπως σε κλιβάνους, θαλάμους ψύξης, πυρηνικούς αντιδραστήρες αλλά και εγχειρήσεις για την παρακολούθηση της εσωτερικής θερμοκρασίας οργάνων. Αυτό συμβαίνει επειδή το θερμοζεύγος συνίσταται στην ουσία σε μία επαφή δύο μετάλλων, που μπορεί να λάβει μικροσκοπικές διαστάσεις και να κατευθυνθεί με τη βοήθεια δύο ευλύγιστων καλωδίων σε οποιοδήποτε σημείο μας ενδιαφέρει. Γι αυτό αποτελούν μία από τις πρώτες επιλογές για τη μέτρηση θερμοκρασιών. 2.1.2 Θερμίστορς Οι μεταβολές της τιμής της αντίστασης των θερμομέτρων ηλεκτρικής αντίστασης είναι μικρές και έτσι δε μπορούν να αξιοποιηθούν για τη μέτρηση μικρών μεταβολών θερμοκρασίας με ακρίβεια και να λειτουργήσουν ως διακόπτες. Τα θερμίστορς είναι και αυτά αντιστάσεις, των οποίων η τιμή μεταβάλλεται με τη θερμοκρασία, αλλά εμφανίζουν μεγάλες μεταβολές στην τιμή της αντίστασης. Τα θερμίστορς είναι κατασκευασμένα από οξείδια των μεταβατικών μετάλλων της σειράς του σιδήρου, όπως το χρώμιο, το μαγγάνιο, ο σίδηρος, το κοβάλτιο και το νικέλιο. Η αντίστασή τους μεταβάλλεται ισχυρά με τη θερμοκρασία αλλά έχει υψηλά όρια ανοχής, με αποτέλεσμα οι μετρήσεις θερμοκρασίας να μην έχουν την ακρίβεια άλλων μεθόδων. Από την άλλη πλευρά, η ισχυρή μεταβολή της αντίστασης επιτρέπει τη χρήση των θερμίστορς ως διακοπτών ή περιοριστών ρεύματος. Τα θερμίστορς αποτελούν μία εξαιρετικά διαδεδομένη και οικονομική επιλογή για τη μέτρηση θερμοκρασιών. Υπάρχουν δύο είδη θεμίστορς, τα NTC (negative temperature coefficient, αρνητικού θερμοκρασιακού συντελεστή) και τα PTC (positive temperature coefficient, θετικού θερμοκρασιακού συντελεστή). Στα NTC η αντίσταση μειώνεται όταν αυξάνεται η θερμοκρασία, ενώ στα PTC η αντίσταση αυξάνεται όταν αυξάνεται η θερμοκρασία. Με βάση τα θερμίστορ έχουν κατα-σκευαστεί και κινητοί ανιχνευτές θερμοκρασίας (temperature probes). Θερμίστορς NTC Τα θερμίστορς NTC εμφανίζουν μεγάλες μεταβολές αντίστασης όταν υφίστανται μικρές μεταβολές θερμοκρασίας. Χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση θερμοκρασιών μεταξύ 100 και 300 o C. Η μεταβολή της αντίστασής τους καθορίζεται από το πηλίκο της αντίστασης στους 25 ο C προς την αντίσταση στους 125 ο C και είναι, ανάλογα με το μοντέλο, της τάξης του 20 έως 40. Αυτό σημαίνει ότι η αντίσταση σε θερμοκρασία 125 ο C γίνεται από 20 έως 40 φορές μικρότερη της αντίστασης σε θερμοκρασία δωματίου. Οι ανοχές των θερμίστορ 15

(της τάξης του 5%, ανάλογα με τη θερμοκρασία) είναι πολύ υψηλότερες από αυτές των θερμοηλεκτρικών αντιστάσεων. Τα θερμίστορ εμφανίζουν υψηλή χρονική σταθερότητα και η τιμή της αντίστασής τους στους 100 ο C μεταβάλλεται μετά από 1000 ώρες λειτουργίας κατά ποσοστό της τάξης του 0.1% [4]. Σήμερα διατίθενται θερμίστορς με διάφορες τιμές αντίστασης, από 500 Ω έως 10 MΩ σε θερμοκρασία δωματίου. Τα θερμίστορς NTC κατασκευάζονται σε μορφή ράβδου, δίσκου ή κάψουλας, Η εξάρτηση της αντίστασης από τη θερμοκρασία στα θερμίστορς NTC έχει τη γενική μορφή: R Τ 1 1 B T T 0 RT e 0 όπου Τ είναι η θερμοκρασία μέτρησης σε βαθμούς Κέλβιν και Τ 0 μία θερμοκρασία αναφοράς (συνήθως οι 298 Κ, που αντιπροσωπεύουν τους 25 ο C), ενώ R Τ και R Τ0 είναι οι τιμές της αντίστασης του θερμίστορ NTC στις παραπάνω θερμοκρασίες. Η παραπάνω σχέση δεν είναι χρήσιμη στην πράξη, επειδή στην ουσία επιθυμούμε να προσδιορίσουμε την τιμή Τ και γνωρίζουμε τις άλλες τρεις ποσότητες. Έτσι λύνοντας την εξίσωση ως προς Τ προκύπτει ο ακόλουθος τύπος του Steinhart που αναφέρεται στα θερμίστορς NTC: 1 3 a b (ln R) c (ln R) T Στον τύπο αυτό η θερμοκρασία T προκύπτει σε βαθμούς Κέλβιν. Οι ποσότητες α, b και c είναι συντελεστές που αναφέρονται στο συγκεκριμένο θερμίστορ που χρησιμοποιείται. Θερμίστορς ΡTC Τα θερμίστορς τύπου PTC έχουν αντίσταση που αυξάνει με τη θερμοκρασία, και ειδικότερα μεταπίπτουν από μία κατάσταση χαμηλής αντίστασης σε μία κατάσταση υψηλής αντίστασης όταν η θερμοκρασία ανέλθει σε μία συγκεκριμένη τιμή. Έτσι χρησιμοποιούνται ευρέως ως περιοριστές ρεύματος σε θερμοκρασίες μεταξύ 50 και 250 o C. Οι τιμές της αντίστασης των θερμίστορς PTC κυμαίνονται από 0.5 Ω έως 20 kω σε θερμοκρασία δωματίου. Επειδή η αύξηση της αντίστασης γίνεται απότομα, τα θερμίστορς αυτά δεν ενδείκνυνται για τη μέτρηση συνεχών τιμών θερμοκρασίας αλλά για τη διακοπή της τροφοδοσίας κυκλωμάτων. Έτσι αποτελούν θερμοευαίσθητους ηλεκτρονικούς διακόπτες. Δεν έχουν μηχανικά μέρη όπως άλλοι διακόπτες, και επομένως εμφανίζουν μηδενική μηχανική φθορά και μεγάλη διάρκεια ζωής. Επιπρόσθετα δεν εμφανίζουν φαινόμενα υστέρησης και έχουν εξαιρετικά χαμηλό κόστος. Τα θερμίστορς PTC αυτοθερμαίνονται όταν διαρρέονται από ρεύμα, και αυτό αξιοποιείται στις εφαρμογές. 2.1.3 Το Ολοκληρωμένο Κύκλωμα LM35 Το ολοκληρωμένο κύκλωμα LM35 κατασκευάζεται από την εταιρεία National Semiconductor και είναι από τους πιο διαδεδομένους αισθητήρες θερμοκρασίας. Η λειτουργία του στηρίζεται στις ιδιότητες της επαφής pn. Όπως είναι γνωστό, όταν η επαφή pn είναι πολωμένη ανάστροφα, τότε το ανάστροφο ρεύμα κόρου είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας της επαφής. Τα ολοκληρωμένα αισθητήρια γενικά εμφανίζουν άριστη γραμμικότητα. Το LM35 μεταβάλλει την έξοδό του κατά 10 mv όταν η θερμοκρασία μεταβάλλεται κατά 1 o C. 16

Το κύκλωμα LM35 μετρά θερμοκρασίες μεταξύ 55 και +150 ο C και αποδίδει έξοδο περίπου 10.0 mv ανά βαθμό Κελσίου. Το ρεύμα που το διαρρέει είναι μόλις 60 μα και έτσι το κύκλωμα εμφανίζει εξαιρετικά χαμηλό φαινόμενο αυτοθέρμανσης, περίπου 0.1 ο C όταν ευρίσκεται σε ακίνητο αέρα Μπορεί να τροφοδοτηθεί από ευρεία περιοχή τάσεων, μεταξύ +4 και +30 V. Το κύκλωμα βαθμονομείται εκ κατασκευής και δεν απαιτεί επιπλέον ρυθμίσεις από το χρήστη, με αποτέλεσμα να εμφανίζει ακρίβεια 0.25 ο C σε θερμοκρασία δωματίου και 0.75 ο C στο θερμοκρασιακό εύρος 55 έως +150 ο C. Έχει χαμηλή αντίσταση εξόδου (0.1 Ω για ρεύμα εξόδου 1 ma) και μπορεί να συνδεθεί εύκολα με κυκλώματα διασύνδεσης ή ελέγχου. Σχήμα 2.2 Το IC LM35 2.1.4 Θερμοηλεκτρικές αντιστάσεις Όπως είναι γνωστό, η ηλεκτρική αντίσταση των μετάλλων αυξάνει καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία. Άρα, είναι δυνατό να κατασκευαστεί διάταξη μέτρησης της θερμοκρασίας, μετρώντας την ηλεκτρική αντίσταση ενός πρότυπου μετάλλου, καθώς μεταβάλλεται η θερμοκρασία του. Έτσι, κατασκευάζονται οι θερμοηλεκτρικές αντιστάσεις (RTDs). Η μέτρηση της αντίστασης ενός θερμοηλεκτρικού στοιχείου γίνεται με τη βοήθεια γέφυρας Wheatstone ή με τη βοήθεια πηγής ρεύματος, που διεγείρει κατάλληλα τη θερμοηλεκτρική αντίσταση. Οι θερμοηλεκτρικές αντιστάσεις έχουν καλύτερη γραμμικότητα και είναι γενικά πιο ακριβείς από τα θερμοζεύγη, καθώς έχουν ανάλυση μικρότερη του ενός βαθμού Κελσίου. Εξαρτώνται από την απόλυτη τιμή της θερμοκρασίας και όχι απλώς από τη θερμοκρασιακή μεταβολή, όπως συμβαίνει στα θερμοζεύγη, άρα δεν έχουν ανάγκη από θερμοκρασίες αναφοράς. Όμως είναι πιο ακριβές και απαιτούν εξωτερική διέγερση. Χρησιμοποιούνται κυρίως σε εργαστηριακές και βιομηχανικές εφαρμογές ακριβείας. Τυπικό μέταλλο για την κατασκευή θερμοηλεκτρικών αντιστάσεων είναι η πλατίνα. 2.1.5 Σύγκριση Αισθητήρων Θερμοκρασίας Το ολοκληρωμένο κύκλωμα LM35 αποτελεί την πληρέστερη λύση στο αντικείμενο της μέτρησης της θερμοκρασίας καθώς εμφανίζει γραμμικότητα και υψηλή ευαισθησία και είναι κατασκευασμένο για να συνεργάζεται με ηλεκτρονικά συστήματα συλλογής δεδομένων. Από την άλλη πλευρά η χρήση του υπόκειται σε περιορισμούς χώρου και το εύρος θερμοκρασιών που μπορεί να μετρηθεί δεν είναι υψηλό. Έτσι το κύκλωμα LM35 δε μπορεί 17

να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο διαδικασιών θέρμανσης που υπερβαίνουν τους 150 ο C και σε περιβάλλον ψύξης με θερμοκρασίες της τάξης αυτής του υγρού αζώτου ( 200 ο C). Οι θερμοηλεκτρικές αντιστάσεις, τα θερμίστορ και τα θερμοζεύγη εμφανίζουν μηγραμμική συμπεριφορά. Τα θερμοζεύγη και τα θερμίστορ αποκρίνονται ταχέως, σε αντίθεση με τις θερμοηλεκτρικές αντιστάσεις που αποκρίνονται με βραδύτητα. Τα θερμοζεύγη δεν απαιτούν εξωτερική τροφοδοσία, ενώ οι θερμοηλεκτρικές αντιστάσεις και τα θερμίστορ απαιτούν. Τα θερμοζεύγη μετρούν μεγάλο εύρος θερμοκρασιών ενώ τα θερμίστορ μικρό (έως 300 ο C). Πιο υψηλό κόστος έχουν οι θερμοηλεκτρικές αντιστάσεις και πιο μικρό τα θερμοζεύγη. Τα θερμοζεύγη αποδίδουν στην έξοδο μικρές τάσεις, οι οποίες είναι ευαίσθητες στο θόρυβο. Γενικά εμφανίζουν χαμηλή ευαισθησία και μικρότερη σταθερότητα από τα άλλα είδη αισθητήρων. Οι θερμοηλεκτρικές αντιστάσεις παρέχουν ενδείξεις υψηλής ακρίβειας και σταθερότητας, αλλά η αντίσταση των καλωδίων σύνδεσής τους τις αλλοιώνει και πρέπει να αντισταθμίζεται. Τα θερμίστορ τέλος δίνουν εξαιρετικά επαναλήψιμες ενδείξεις, παρέχουν μεγάλη διακριτική ικανότητα και απαιτούν μικρό ρεύμα τροφοδοσίας. Χαρακτηρίζονται, όμως, από έντονη μη γραμμικότητα. πλεονεκτήματα Αυτοτροφοδοτούμενο Απλό Φθηνό Σε μεγάλη ποικιλία Μεγάλη περιοχή θερμοκρασιών Πολύ σταθερό Πολύ ακριβές Πιο γραμμικό από θερμοζεύγος Υψηλή έξοδος Γρήγορο Απλό Πολύ γραμμικό Υψηλή έξοδος Φθηνό Μειονεκτήματα Μη γραμμικό Χαμηλή τάση Χρειάζεται αναφορά Ελάχιστα ευαίσθητο Ακριβό Χρειάζεται πηγή ρεύματος Μικρές μεταβολές R Αυτοθέρμανση Μη-γραμμικό Μικρή περιοχή θερμοκρασιών Χρειάζεται πηγή ρεύματος Αυτοθέρμανση Τ < 200 o C Χρειάζεται τροφοδοσία Αργό Αυτοθέρμανση Πίνακας 2.2 Σύγκριση αισθητηρίων θερμοκρασίας 18

2.2 Οπτικοί Αισθητήρες Οι φωτοανιχνευτές (light detectors) διαιρούνται σε δύο κατηγορίες: τους κβαντικούς (quantum) και τους θερμικούς (thermal), ανάλογα αν ενεργοποιούνται με την ποσότητα της φωτεινής ακτινοβολίας ή με το θερμικό αποτέλεσμά της. Οι ποσοτικοί ανιχνευτές ενεργοποιούνται στην περιοχή του φάσματος από την υπεριώδη έως το μέσον της υπέρυθρης ακτινοβολίας του φωτός, ενώ οι θερμικοί ανιχνευτές ενεργοποιούνται κυρίως στο μέσον και στην ανώτερη περιοχή της υπέρυθρης ακτινοβολίας. Στην πρώτη κατηγορία ανήκουν οι φωτοδίοδοι, τα φωτοτρανζίστορς και οι φωτοαντιστάσεις, ενώ στη δεύτερη τα θερμοστοιχεία, τα πυροηλεκτρικά αισθητήρια και τα AFIR αισθητήρια. 2.2.1 Φωτοδίοδος (photodiode). H λειτουργία των φωτοδιόδων βασίζεται στη δημιουργία ζευγαριών ηλεκτρονίωνοπών από φωτόνια που προσπίπτουν σε μία επαφή pn. Όταν η δίοδος πολώνεται ορθά, τότε λειτουργεί σαν απλή δίοδος και η μεταβολή του φωτισμού ελάχιστα μεταβάλλει την λειτουργία της. Όταν όμως πολώνεται ανάστροφα, η δίοδος διαρρέεται από ρεύμα, που αυξάνει ανάλογα με την αύξηση του φωτισμού που δέχεται η δίοδος. Για τάση πόλωσης μηδέν και απόλυτο σκοτάδι, περνά ένα ελάχιστο ρεύμα, που ονομάζεται ρεύμα σκότους και οφείλεται στη θερμική δημιουργία ηλεκτρονίων και οπών. Στο σχήμα φαίνονται οι χαρακτηριστικές καμπύλες ρεύματος - τάσης μιας φωτοδιόδου για διάφορες φωτεινές ροές. Σχήμα 2.3 2.2.2 Φωτοτρανζίστορ (phototransistor). Τα φωτοτρανζίστορ βασίζονται στην ίδια αρχή λειτουργίας με την φωτοδίοδο και επιπλέον, προχωρούν σε ενίσχυση του ρεύματος που εμφανίζεται, αυξάνοντας με τον τρόπο αυτό την ευαισθησία. Η επαφή βάσης-συλλέκτη είναι μία δίοδος ανάστροφα πολωμένη, που λειτουργεί όπως περιγράφηκε προηγούμενα. Με κατάλληλη πόλωση η επαφή βάσηςεκπομπού πολώνεται ορθά και ενισχύει το ρεύμα του συλλέκτη. 2.2.3 Φωτοαντίσταση (photoresistor). Όταν προσπίπτει φως σε ένα φωτοαγώγιμο υλικό, αυξάνει ο αριθμός των ελευθέρων ηλεκτρονίων του. Αυτό γίνεται επειδή τα προσπίπτοντα φωτόνια διεγείρουν ηλεκτρόνια που 19

είναι δεσμευμένα και τα καθιστούν ελεύθερα. Έτσι η αντίσταση του φωτοαγώγιμου υλικού μειώνεται. Η σχέση μεταξύ της προσπίπτουσας φωτεινής ισχύος P και της αντίστασης R δεν είναι γραμμική αλλά λογαριθμική και έχει τη μορφή: a R Από αυτήν καταλήγουμε στην εμπειρική σχέση logr = a b logp Οι ποσότητες α και b είναι χαρακτηριστικές του φωτοαγώγιμου υλικού. Με βάση αυτά τα υλικά κατασκευάζονται τα εμπορικά προϊόντα των φωτο-αντιστάσεων (photoresistors) ή αντιστάσεων εξαρτώμενων από φωτεινή ένταση (light-dependent resistors LDRs). Η λειτουργία της φωτοαντίστασης βασίζεται στη μεταβολή της τιμής της, ανάλογα με την ένταση του φωτός που πέφτει πάνω της. Σε απόλυτο σκοτάδι η αντίσταση είναι μέγιστη. Εφαρμόζοντας όμως τάση στα άκρα της, εμφανίζεται ένα ρεύμα που οφείλεται κυρίως σε θερμική λειτουργία (ρεύμα σκότους). Με την αύξηση της έντασης του φωτός, η αντίσταση του υλικού μικραίνει και επιτρέπει τη δημιουργία μεγάλων ρευμάτων. 2.2.4 Θερμοηλεκτρικά αισθητήρια (thermopile sensors). Η λειτουργία του αισθητηρίου αυτού βασίζεται στο θερμοηλεκτρικό φαινόμενο, στο οποίο βασίζεται και η λειτουργία του θερμοζεύγους. Το αισθητήριο περιλαμβάνει μια περιοχή μεγάλης θερμικής μάζας, που αποτελεί τη ψυχρή επαφή, και μια δεύτερη περιοχή, που αποτελεί τη θερμή επαφή. Η περιοχή αυτή καλύπτεται από διαφανή μεμβράνη, που επιτρέπει στην ακτινοβολία να φτάσει στη θερμή περιοχή, αυξάνοντας τη θερμοκρασία της. Η διαφορά θερμοκρασίας ανάμεσα στις δύο περιοχές δημιουργεί μια ηλεκτρική τάση. Το αισθητήριο αυτό χαρακτηρίζεται από υψηλή ευαισθησία και χαμηλό θόρυβο. Ο θερμοηλεκτρικός συντελεστής είναι 230μV/ºC. 2.2.5 Πυροηλεκτρικά αισθητήρια (pyroelectric sensors). Η λειτουργία τους βασίζεται στην ιδιότητα κάποιων υλικών να δημιουργούν ηλεκτρική τάση, ανάλογα με τη θερμική ακτινοβολία που δέχονται. Έχουν σχετικά καλή συμπεριφορά στο θόρυβο, αλλά παρουσιάζουν σχετικά μεγάλη καθυστέρηση στην απόκρισή τους. 2.2.6 Σύγκριση Οπτικών Αισθητήρων Οι φωτοαντιστάσεις εμφανίζουν μεγάλους χρόνους απόκρισης (της τάξης των 100 msec) ενώ οι φωτοδίοδοι μικρούς (μικρότερους από 1 μsec). Η μέγιστη ευαισθησία των φωτοαντιστάσεων και φωτοδιόδων είναι στο κοντινό υπέρυθρο (σε μήκος κύματος περίπου 1 μm). Οι φωτοαντιστάσεις έχουν μεγαλύτερο δυναμικό εύρος (dynamic range) από τις φωτοδιόδους (δηλαδή ανιχνεύουν μεγαλύτερη περιοχή τιμών φωτεινής έντασης) αλλά εμφανίζουν μικρότερη γραμμικότητα από αυτές. Οι δυνατότητες των φωτοδιόδων επεκτείνονται εάν αντικατασταθούν από φωτοτρανζίστορς, καθώς στα τελευταία ενισχύεται το δημιουργούμενο στη φωτοευαίσθητη επαφή p-n φωτόρευμα. Έτσι μπορούν να μετρηθούν μικρότερες φωτεινές εντάσεις και επακόλουθα αυξάνει το δυναμικό εύρος του αισθητήρα. b P 20

Πίνακας 2.3 Σύγκριση οπτικών αισθητηρίων 2.3 Αισθητήρες πίεσης και δύναμης Η πίεση αποτελεί μέτρο της δύναμης ή μηχανικής τάσης που ασκείται στην εξωτερική επιφάνεια κάποιου σώματος από ένα εξωτερικό αίτιο. Το βάρος αποτελεί τη -σταθερή- δύναμη προς τα κάτω που ασκεί η Γη σε ένα σώμα και αποτελεί μία ειδική περίπτωση δύναμης. Έτσι, εάν τοποθετηθεί ένα σώμα σε επαφή με έναν αισθητήρα πίεσης, ο αισθητήρας μπορεί να μετρά τη δύναμη που δέχεται το σώμα από ένα εξωτερικό αίτιο ή από τη Γη ανάλογα με τη σχετική θέση σώματος και αισθητήρα (κατακόρυφη, οριζόντια κ.ά.). Με άλλα λόγια, η μέτρηση του βάρους ανάγεται στη μέτρηση πίεσης και γι αυτό οι μετρητές πίεσης χρησιμοποιούνται και για τη μέτρηση βάρους. Η πίεση σχετίζεται με τη δύναμη με τη σχέση: P και άρα οι μονάδες της είναι μονάδες δύναμης ανά μονάδες επιφάνειας. Υπάρχουν πολλές μονάδες πίεσης: Καταρχήν είναι η ατμόσφαιρα (atm), που δημιουργήθηκε με βάση την πίεση που ασκεί η ατμόσφαιρα. Μία ατμόσφαιρα (1 Atm) ορίζεται ότι είναι η ατμοσφαιρική πίεση στην επιφάνεια της θάλασσας και σε γεωγραφικό πλάτος 45 ο. Η πίεση αυτή δημιουργείται από τον αέρα που βρίσκεται από πάνω μας. Η ατμόσφαιρα της Γης αποτελείται κυρίως από οξυγόνο και άζωτο, φθάνει σε ύψος μερικών χιλιάδων χιλιομέτρων και πιέζει όλα τα αντικείμενα που ευρίσκονται στην επιφάνεια της Γης. Η μονάδα του σύμφωνα με το Διεθνές Σύστημα Μονάδων είναι το Νιούτον ανά τετραγωνικό μέτρο (N/m 2 ) ή Πασκάλ (Pa). Επειδή το ένα τετραγωνικό μέτρο είναι πολύ μεγάλη επιφάνεια, αναμένουμε ότι η πίεση που δημιουργεί σε ένα σημείο μία συνηθισμένη δύναμη ισούται με χιλιάδες Pa. Πράγματι, η μία ατμόσφαιρα ισούται με 101325 Pa. Για ευκολία ορίζεται ότι οι εκατό χιλιάδες Pa είναι ίσες με 1 bar. Η ατμοσφαιρική πίεση εξισορροπεί το βάρος μίας στήλης υδραργύρου ύψους 760 χιλιοστόμετρων, και έτσι ως μονάδα F A 21

πίεσης υπάρχει το ένα χιλιοστόμετρο στήλης υδραργύρου (1 mmhg), που ονομάζεται ένα Torr (από τον Ιταλό Evangelista Torricelli που παρατήρησε το φαινόμενο). Στο αγγλοσαξωνικό σύστημα μονάδων μονάδα πίεσης είναι η μία λίβρα δύναμης ανά τετραγωνική ίντσα (pound per square inch, lbf/in 2 ), ή psi, όπου είναι 1 lbf = 4.4484 Ν και 1 in = 2.54 cm. Η ατμοσφαιρική πίεση ασκείται πάντοτε και σε όλα τα σώματα. Εάν ασκούμε πίεση σε ένα σώμα, αυτό αντιλαμβάνεται την πίεσή μας συν την ατμοσφαιρική πίεση. Έτσι, το άθροισμα των δύο πιέσεων λέγεται απόλυτη πίεση (absolute pressure). Η πίεση που ασκούμε ονομάζεται πίεση μετρητή (gauge pressure) και αυτή μας ενδιαφέρει να προσδιορίσουμε. Το αγγλοσαξωνικό σύστημα μονάδων διακρίνει τις δύο αυτές πιέσεις γράφοντας την πίεση μετρητή ως psi και την απόλυτη πίεση ως psia (psi absolute). Έτσι, μία πίεση ίση με 16 psi σημαίνει ότι κάποιο εξωτερικό αίτιο (εκτός από την ατμόσφαιρα) ασκεί πίεση 16 psi, ενώ μία πίεση 16 psia σημαίνει ότι η συνολική πίεση που ασκείται είναι 16 psi, και επομένως ότι το εξωτερικό αίτιο ασκεί πίεση 1.3 psi. Εάν τοποθετήσουμε ένα σώμα σε έναν αεροστεγή χώρο και αφαιρέσουμε με μηχανικό τρόπο μία ποσότητα αέρα από το χώρο, το σώμα θα πιέζεται λιγότερο από όσο εάν ευρίσκεται στην ελεύθερη ατμόσφαιρα και έτσι λέμε ότι δημιουργούμε κενό αέρος, ή αλλιώς κενό (vacuum). Οποιαδήποτε πίεση μικρότερη από την ατμοσφαιρική πίεση λέγεται πίεση κενού (vacuum pressure). Στην πράξη είναι αδύνατο να επιτύχουμε πίεση μηδέν (το λεγόμενο απόλυτο κενό) επειδή θα πρέπει να απομακρύνουμε όλα τα μόρια αέρα από ένα χώρο. Τα τεχνικά μέσα που διαθέτουμε σήμερα (οι αντλίες κενού, vacuum pumps) πετυχαίνουν όμως πολύ υψηλά κενά, ανάλογα με το είδος τους. Τα κυριότερα είδη αισθητήρων πίεσης είναι τα ακόλουθα: i. Μανόμετρα υγρού και αερίου ii. Χωρητικοί αισθητήρες iii. Επαγωγικοί αισθητήρες iv. Πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες και αισθητήρες πιεζοαντίστασης v. Μετρητές μηχανικής τάσης και κυψελίδες φορτίου Τα μανόμετρα υγρού και αερίου είναι το μοναδικό είδος αισθητήρων που δίνει ενδείξεις ορατές αλλά όχι άμεσα μετατρέψιμες σε ηλεκτρικό σήμα. Σε αυτά περιλαμβάνονται τα μανόμετρα υοειδούς σωλήνα, τα μανόμετρα κεκλιμένου σωλήνα, τα μανόμετρα με ελαστικό σωλήνα Bourdon και τα μανόμετρα με φυσητήρα. Στα επόμενα θα περιγράψουμε τα υπόλοιπα είδη μετρητών πίεσης, τις βασικές αρχές λειτουργίας τους και τις προδιαγραφές τυπικών μετρητών του εμπορίου. 2.3.1 Χωρητικοί και Επαγωγικοί Αισθητήρες Πίεσης Οι αισθητήρες αυτοί στηρίζονται στην ύπαρξη ενός ελαστικού διαφράγματος, το οποίο χωρίζει έναν κλειστό χώρο σε δύο ημιχώρους. Εάν ο ένας ημιχώρος ευρίσκεται στην πίεση που θέλουμε να μετρήσουμε και ο άλλος σε μία πίεση αναφοράς (όπως π.χ. σε ατμοσφαιρική πίεση), τότε το διάφραγμα μετατοπίζεται προς μία κατεύθυνση. Η μετατόπιση αυτή μπορεί να προκαλέσει αλλοίωση των γεωμετρικών χαρακτηριστικών ενός πυκνωτή ή τη μετατόπιση δυο πηνίων με πυρήνες από σιδηρομαγνητικό υλικό. Άρα προκαλείται αλλαγή της χωρητικότητάς του πυκνωτή ή αλλοίωση της μαγνητικής διαρροής που διαρρέει ένα ή δύο πηνία, και άρα αλλαγή της ηλεκτρεγερτικής δύναμης που αυτά παρουσιάζουν στα άκρα τους. 22

P+ P ATM P ATM Σχήμα 2.4 Απλός επαγωγικός αισθητήρας πίεσης 2.3.2 Αισθητήρες Πιεζοαντίστασης Οι αισθητήρες αυτοί στηρίζονται στη μεταβολή της τιμής της αντίστασης ενός μεταλλικού σύρματος όταν αυτό πιεστεί κατά μήκος της κύριας διάστασής του. Για τον υπολογισμό της ποσοτικής σχέσης θεωρούμε την εξίσωση που σχετίζει ην αντίσταση ενός σύρματος με τα φυσικά του χαρακτηριστικά: R ρ όπου ρ είναι η ειδική αντίσταση του υλικού, άπό το οποίο είναι φτιαγμένο το σύρμα, και l και Α είναι το μήκος και το εμβαδό διατομής του σύρματος. Εάν το υλικό συμπιεστεί (και άρα το μήκος του μειωθεί και η ενεργός διατομή του αυξηθεί), και εκφράσουμε τη μεταβολή ΔR της αντίστασης ως προς τις αντίστοιχες μεταβολές των ποσοτήτων ρ, l και Α, αποδεικνύεται [1] ότι είναι: ΔR R l A Δ G l, l 0 0 όπου R 0 και l 0 είναι οι τιμές της αντίστασης και του μήκους όταν η πίεση μετρητή είναι μηδέν, Δl είναι η μεταβολή του μήκους και G είναι μία ποσότητα χαρακτηριστική του υλικού, που ονομάζεται παράγοντας G (gauge factor). Η ποσότητα G σχετίζεται με τα φυσικά χαρακτηριστικά του υλικού και έχει γνωστή τιμή, η οποία εξαρτάται ελαφρά από τη συμπίεση Δl που προκαλείται στο υλικό. Το πηλίκο Δl/l 0 εκφράζει την ποσοστιαία συμπίεση του υλικού και είναι γνωστό με τον αγγλικό όρο strain. Για την κατασκευή πιεζοαντιστάσεων μπορούν να χρησιμοποιηθούν μέταλλα ή κράματα μετάλλων αλλά και γνωστοί ημιαγωγοί, όπως πυρίτιο με προσμίξεις (δηλαδή τύπου p ή n). Για την επιλογή του υλικού πρέπει να ληφθούν υπόψη οι θερμοκρασιακές συνθήκες, καθώς οι διακυμάνσεις της θερμοκρασίας προκαλούν μεταβολή της τιμής του παράγοντα G αλλά και της τιμής R 0 της αντίστασης. Με τη βοήθεια πιεζοαντιστάσεων κατασκευάζονται μετρητικές διατάξεις που ονομάζονται μετρητές μηχανικής τάσης (strain gauges). Αυτές αποτελούνται συνήθως από τέσσερις πιεζοαντιστάσεις σε διάταξη γέφυρας Wheatstone. Οι πιεζοαντιστάσεις κατασκευάζονται συνήθως από ένα λεπτό φύλλο αλουμινίου, το οποίο υφίσταται μία διαδικασία απόξεσης (etching) και λαμβάνει τη μορφή ενός σύρματος. Το αλουμίνιο συνδέεται σε μία βάση από ρητίνη και στη συνέχεια αυτή συγκολλάται στην επιφάνεια που μας ενδιαφέρει. Η έξοδος της γέφυρας Wheatstone είναι της τάξης των 100 mv και έτσι είναι αναγκαία η ενίσχυσή της προτού διαβιβαστεί σε ένα μετατροπέα A/D. Εναλλακτικά, η έξοδος μπορεί να μην υποστεί ενίσχυση εάν ο μετατροπέας A/D έχει υψηλή ευαισθησία (π.χ. έχει ανάλυση 12 bits). 23

2.3.3 Κυψελίδες Φορτίου Οι κυψελίδες φορτίου (load cells) είναι συσκευές που αποτελούνται από μετρητές μηχανικής τάσης (συνήθως τέσσερις) και μετρούν δυνάμεις. Ενδείκνυνται για τη μέτρηση πιέσεων (δηλαδή μηχανικών φορτίων) που ασκούν στερεά υλικά και έχουν τη μορφή που εικονίζεται στο Σχήμα 2.22. Οι μετρητές μηχανικής τάσης είναι συνήθως πιεζοαντιστάσεις, όπως αυτές που περιγράψαμε στην προηγούμενη παράγραφο. Η λειτουργία μίας κυψελίδας φορτίου στηρίζεται στο γεγονός ότι η εφαρμογή ενός μηχανικού φορτίου στο σημείο στήριξης της κυψελίδας (Σχήμα 2.5) προκαλεί συμπίεση (δηλαδή μηχανική παραμόρφωση) του κατακόρυφου άξονα που ενώνεται με αυτό και άρα συμπίεση των τεσσάρων πιεζοαντιστάσεων που είναι συγκολλημένες στον άξονα. Έτσι οι αντιστάσεις των πιεζοαντιστάσεων μεταβάλλονται και η μεταβολή αυτή μπορεί να μετατραπεί με τη βοήθεια μίας απλής γέφυρας Wheatstone, η οποία θα περιέχει και σταθερές αντιστάσεις αναφοράς, σε ηλεκτρική τάση. Σημείο στήριξης φορτίου Μετρητές μηχανικής τάσης Σχήμα 2.5 Κυψελίδα φόρτισης αποτελούμενη από τέσσερις μετρητές μηχανικής τάσης 2.3.4 Πιεζοηλεκτρικοί Αισθητήρες Πίεσης Όταν συμπιέζεται ή εφελκύεται ένας κρύσταλλος, μετατοπίζονται οι θέσεις των θετικών και αρνητικών φορτίων του και έτσι εμφανίζεται στα άκρα του μία ποσότητα φορτίου (θετικού στο ένα άκρο και αρνητικού στο άλλο άκρο), δηλαδή διαφορά δυναμικού (ηλεκτρική τάση). Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο (piezoelectric effect) και εμφανίζεται σε όλα τα κρυσταλλικά υλικά, είναι όμως ιδιαίτερα έντονο σε ορισμένα μόνο υλικά, τα οποία ονομάζονται για το λόγο αυτό πιεζοηλεκτρικά. Τα υλικά αυτά εμφανίζουν και το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, κατά το οποίο η εφαρμογή στα άκρα του υλικού μίας τάσης V προκαλεί συμπίεση (ή εφελκυσμό, ανάλογα με το πρόσημο της τάσης) κατά διάστημα x: x = d V, όπου η ποσότητα d είναι η πιεζοηλεκτρική σταθερά του υλικού. Διάφραγμα Πιεζοηλεκτρική τάση Σχήμα 2.6 Μορφή πιεζοηλεκ-τρικού αισθητήρα πίεσης Οι πιεζοηλεκτρικοί κρύσταλλοι είναι συνήθως κρύσταλλοι χαλαζία (quartz). Μπορούν να έχουν πολύ μικρό μέγεθος και είναι ανθεκτικοί σε υψηλές θερμοκρασίες. Η σταθερά k 24

των κρυστάλλων είναι πολύ μεγάλη (δηλαδή οι κρύσταλλοι είναι σκληροί), με αποτέλεσμα η τάση V που παράγεται να έχει μικρές τιμές και να απαιτείται η ενίσχυσή της ή η τοποθέτηση πολλών κρυστάλλων σε σειρά. Οι κρύσταλλοι τίθενται σε επαφή με ένα κινητό διάφραγμα, το οποίο δέχεται την πίεση, και συμπιέζονται από αυτό όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.6. 2.4 Αισθητήρες θέσης και κίνησης Η ανίχνευση της φυσικής θέσης και της κίνησης των αντικειμένων έχει ζωτική σημασία, αφού οι περισσότερες κατασκευές και διατάξεις διαθέτουν κινητά μηχανικά μέρη. Είναι συχνά απαραίτητο να γνωρίζουμε τη θέση ενός αντικειμένου. Ενδέχεται να θέλουμε να προσδιορίσουμε εάν ή πότε ένα κινητό μέρος ευρίσκεται σε κάποια προκαθορισμένη θέση του χώρου. Άλλοτε είναι αναγκαίο να γνωρίζουμε εάν και σε ποιο βαθμό ένα κινητό μέρος κινείται ή περιστρέφεται προς κάποια κατεύθυνση ή την αντίθετή της. Κάποιες φορές μας ενδιαφέρει πόσο γρήγορα κινείται ένα κινητό μέρος. Σε όλες τις παραπάνω περιπτώσεις, η γνώση της θέσης, της προσέγγισης, της μετατόπισης και της ταχύτητας ή επιτάχυνσης ενός αντικειμένου αφορούν στο γενικότερο ζήτημα της ανίχνευσης κάποιας παραμέτρου της κίνησής του. Ανάλογα επομένως με τη φύση της εφαρμογής μας πρέπει να χρησιμοποιήσουμε αισθητήρες που να ανιχνεύουν κάποιο από τα ακόλουθα μεγέθη: i. Θέση ii. Προσέγγιση iii. Μετατόπιση (ευθύγραμμη ή περιστροφική) iv. Ταχύτητα ή επιτάχυνση Η μετατόπιση (displacement) προκύπτει από τον υπολογισμό της απόστασης ανάμεσα στη νέα και την παλαιά θέση του εξεταζόμενου αντικειμένου, και άρα η ανίχνευση της θέσης ανάγεται στην ανίχνευση της μετατόπισης και αντίστροφα. Η προσέγγιση (proximity) αποτελεί μία ειδική περίπτωση ανίχνευσης θέσης, καθώς τότε μας ενδιαφέρει να γνωρίζουμε εάν θα ευρεθεί το εξεταζόμενο αντικείμενο σε μία συγκεκριμένη, προκαθορισμένη θέση. Έτσι η ανίχνευση της προσέγγισης δίνει δύο δυνατά αποτελέσματα (ΝΑΙ και ΟΧΙ) και είναι απλούστερη από την ανίχνευση θέσης, η οποία πρέπει να δίνει ως αποτελέσματα συνεχείς αριθμητικές τιμές (σε χιλιοστόμετρα ή μοίρες). Η μέτρηση της ταχύτητας και της επιτάχυνσης διαφέρει από τις μετρήσεις μηκών και γωνιών (θέσεων, μετατοπίσεων κ.ά.) και στηρίζεται σε διαφορετικές αρχές. Η μετατόπιση μπορεί να μετρηθεί στις απλούστερες περιπτώσεις με μηχανικά συστήματα (γραμμικά μικρόμετρα ή γωνιόμετρα) και για να γίνει αυτό πρέπει να υπάρξει ανθρώπινη παρέμβαση, όσον αφορά στην ανάγνωση της μέτρησης και συχνά στην εκτέλεσή της. Ένας καλύτερος τρόπος είναι με τη βοήθεια ενός ποτενσιομέτρου (γραμμικού ή περιστροφικού), καθώς γνωρίζουμε ότι η έξοδος ενός ποτενσιομέτρου είναι ανάλογη κάποιου μήκους ή γωνίας. Τα μειονεκτήματα των ποτενσιομέτρων είναι η εξάρτηση της τάσης εξόδου από την αντίσταση που συνδέεται σε αυτήν, η μηχανική φθορά της ποτενσιομετρικής ράβδου ή του ποτενσιομετρικού δακτυλίου από τη συνεχή ολίσθηση ενός δρομέα επάνω του και η συχνά βηματική φύση των τιμών της τάσης εξόδου, όταν η ποτενσιομετρική ράβδος αποτελείται από περιελιγμένο καλώδιο και επομένως ο δρομέας 25

σταθμεύει εν γένει μεταξύ των περιελίξεων. Οι πιο σύγχρονοι τρόποι μέτρησης της μετατόπισης και θέσης είναι οι επαγωγικοί και οι χωρητικοί αισθητήρες μετατόπισης, που θα περιγραφούν στη συνέχεια. Η μέτρηση της προσέγγισης μπορεί να γίνει με μηχανικό τρόπο με τη βοήθεια ενός διακόπτη επαφής: Τοποθετούμε το διακόπτη στη θέση που μας ενδιαφέρει και όταν το κινούμενο αντικείμενο φθάσει σε αυτήν τη θέση κλείνει ή ανοίγει το διακόπτη, ενεργοποιώντας μέσω αυτού κάποιο κύκλωμα ελέγχου. Ένας πιο ολοκληρωμένος τρόπος μέτρησης της προσέγγισης είναι μέσω της αντίστοιχης θέσης. Για να το κάνουμε αυτό χρησιμοποιούμε έναν αισθητήρα μετατόπισης, ο οποίος παράγει μία τάση ανάλογη της θέσης. Συγκρίνουμε την τάση αυτή με την τάση που αναπτύσσεται όταν το εξεταζόμενο αντικείμενο φθάσει στην προκαθορισμένη θέση και από το αποτέλεσμα της σύγκρισης ενεργοποιούμε ή όχι το κύκλωμα ελέγχου. Έτσι, η μέτρηση της προσέγγισης ανάγεται στη μέτρηση της μετατόπισης. Υπάρχουν πάντως και ειδικές μέθοδοι μέτρησης της μετατόπισης, που στηρίζονται στη μέτρηση μαγνητικού πεδίου (αισθητήρες προσέγγισης μεταβλητής μαγνητικής αντίστασης, αισθητήρες προσέγγισης φαινομένου Hall) και στην ανάκλαση μίας φωτεινής δέσμης από το μετατοπιζόμενο αντικείμενο (οπτικοί αισθητήρες προσέγγισης) Για τη μέτρηση της ταχύτητας ενός αντικειμένου χρησιμοποιούνται τεχνικές υπερήχων ή ραδιοκυμάτων (radar). Σύμφωνα με αυτές εκπέμπεται προς το αντικείμενο ένα κύμα (υπέρηχος ή ραδιοκύμα), το οποίο ανακλάται από το αντικείμενο και ένα τμήμα του επιστρέφει προς τη συσκευή εκπομπής. Το τμήμα του κύματος που επιστρέφει έχει μήκος κύματος ελαφρά διαφορετικό από αυτό που εκπέμπεται λόγω του φαινομένου Doppler και η διαφορά αυτή σχετίζεται με την ταχύτητα του αντικειμένου. Μετρήσεις ταχύτητας απαιτούνται σε ειδικές εφαρμογές και η περιγραφή τους ξεφεύγει από τους σκοπούς του παρόντος βιβλίου. Η μέτρηση της επιτάχυνσης σχετίζεται με τη μέτρηση της δύναμης, καθώς τα μεγέθη αυτά είναι ανάλογα. Εντούτοις, οι αισθητήρες δύναμης που έχουμε περιγράψει στην προηγούμενη παράγραφο στηρίζονται στη μέτρηση του μεγέθους της πίεσης, η οποία προϋποθέτει τη φυσική επαφή του εξεταζόμενου αντικειμένου με το αντικείμενο που το πιέζει. Είναι όμως δυνατό να επιταχυνθεί ένα αντικείμενο χωρίς να υποστεί πίεση, εάν για παράδειγμα μετατοπιστεί βίαια το στήριγμά του λόγω κάποιας δύναμης (βαρυτικής, φυγόκεντρης, ηλεκτρικής κ.ά.) που ενεργεί επάνω σε αυτό από απόσταση. Έτσι υπάρχουν αισθητήρες ειδικά κατασκευασμένοι για να μετρούν αποκλειστικά το μέγεθος της επιτάχυνσης και ονομάζονται επιταχυνσιόμετρα (accelerometers). Αυτοί θα περιγραφούν στη συνέχεια της παραγράφου. 2.4.1 Επαγωγικοί Αισθητήρες Μετατόπισης Η διάταξη LVDT Οι επαγωγικοί αισθητήρες μετατόπισης στηρίζονται σε ένα μετασχηματιστή, του οποίου ο πυρήνας σιδήρου συνδέεται στο εξεταζόμενο αντικείμενο. Όταν μετατοπίζεται το αντικείμενο, μετατοπίζεται και ο πυρήνας. Το δευτερεύον του μετασχηματιστή αποτελείται από δύο ίδια πηνία, συνδεδεμένα σε σειρά, τα οποία ευρίσκονται σε επαγωγική σύζευξη με το πρωτεύον πηνίο του μετασχηματιστή με τη βοήθεια του πυρήνα σιδήρου. Εάν μετατοπιστεί ο πυρήνας προς μία κατεύθυνση, θα εισέλθει περισσότερο στο ένα δευτερεύον πηνίο και επακόλουθα θα αυξηθεί η σύζευξή του με αυτό, με αποτέλεσμα το πηνίο αυτό να εμφανίσει αυξημένη τάση στα άκρα του. Ταυτόχρονα ο πυρήνας απομακρύνεται από το άλλο δευτερεύον πηνίο, με αποτέλεσμα αυτό να εμφανίσει μειωμένη τάση στα άκρα του. 26