6 ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ

Περιεχ μενα Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή...21 1.1 Μετρήσεις, αισθητήρες και συστήματα μέτρησης... 21 1.2 Μετρολογία... 22 1.3 Το διεθνές σύστημα μονάδων SI... 23 1.4 Η οργάνωση αυτού του βιβλίου... 27 Κεφάλαιο 2 Γενικές έννοιες αισθητήρων και μετρήσεων...29 2.1 Εισαγωγή... 29 2.2 Αισθητήρας... 29 2.3 Μετατροπέας... 30 2.4 Ανιχνευτής... 31 2.5 Εφαρμογές των αισθητήρων... 31 2.6 Τηλεπισκόπηση... 32 2.7 Χαρακτηριστικά των αισθητήρων... 32 2.7.1 Ακρίβεια... 33 2.7.2 Είσοδος και έξοδος πλήρους κλίμακας... 34 2.7.3 Συνάρτηση μεταφοράς ή χαρακτηριστική καμπύλη... 34 2.7.4 Ευαισθησία... 35 2.7.5 Κέρδος... 35 2.7.6 Βαθμονόμηση... 36 2.7.7 Γραμμικότητα... 36 2.7.8 Σφάλμα κέρδους και σφάλμα μετατόπισης... 39 2.7.9 Εύρος (περιοχή) μέτρησης... 41 2.7.10 Υστέρηση... 42 2.7.11 Ολίσθηση... 42

6 ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 2.7.12 Χρονική απόκριση... 43 2.7.13 Δυναμικό σφάλμα... 43 2.7.14 Εύρος ζώνης... 43 2.7.15 Νεκρή Ζώνη... 44 2.7.16 Διακριτική ικανότητα... 44 2.7.17 Επαναληψιμότητα... 44 2.7.18 Ιχνηλασιμότητα... 44 2.7.19 Θόρυβος... 45 2.7.20 Σφάλμα ψηφιοποίησης... 45 2.7.21 Ευαισθησία σε άλλες παραμέτρους... 45 2.7.22 Απώλειες σε χωρητικούς και επαγωγικούς αισθητήρες... 45 2.8 Κλάσεις ακρίβειας... 47 2.9 Ποσοστά και λόγοι μεγεθών... 47 2.10 Περιοδικές κυματομορφές... 49 2.11 Τετραγωνικοί παλμοί... 51 2.12 Ευαισθησία... 53 2.13 Επιλογή του κατάλληλου αισθητήρα... 54 2.14 Ταξινόμηση αισθητήρων σε ενεργούς και παθητικούς... 54 2.14.1 Ενεργοί αισθητήρες... 55 2.14.2 Παθητικοί αισθητήρες... 55 2.15 Η δομή ενός συστήματος μέτρησης... 58 Κεφάλαιο 3 Μέτρηση θερμοκρασίας...61 3.1 Εισαγωγή... 61 3.2 Θερμίστορ... 61 3.3 Αισθητήρες θερμοκρασίας με αντίσταση... 67 3.3.1 Το βιομηχανικό πρότυπο PT100... 69 3.4 Ημιαγωγικοί αισθητήρες θερμοκρασίας... 72 3.5 Θερμοζεύγη... 79 3.5.1 Οι θερμοηλεκτρικοί νόμοι... 81 3.5.2 Τύποι βιομηχανικών θερμοζευγών... 83 3.6 Αισθητήρες μεταβολής της διηλεκτρικής σταθεράς με την θερμοκρασία... 90 3.7 Αισθητήρες μεταβολής της μαγνητικής διαπερατότητας με την θερμοκρασία... 90 3.8 Αισθητήρες μεταβολής της ειδικής αντίστασης με χημική επίδραση... 90 3.9 Μέτρηση θερμοκρασίας με μέτρηση θερμικής ακτινοβολίας... 90 3.10 Αισθητήρες μέτρησης θερμικής ροής... 106 3.11 Θερμοστάτες... 106 Κεφάλαιο 4 Μέτρηση οπτικής ακτινοβολίας...109 4.1 Εισαγωγή... 109 4.1.1 Φωτοηλεκτρικοί αισθητήρες οπτικής ακτινοβολίας... 114 4.1.2 Θερμικοί αισθητήρες οπτικής ακτινοβολίας... 115 4.1.3 Παράμετροι των αισθητήρων οπτικής ακτινοβολίας... 116 4.2 Φωτοαντιστάτες... 117 4.3 Φωτοβολταϊκή δίοδος... 119 4.4 Φωτοαγώγιμη δίοδος (φωτοδίοδος)... 122

Περιεχ μενα 7 4.5 Φωτοτρανζίστορ... 125 4.6 Φωτοδιακόπτης... 128 4.7 Οπτικοί αισθητήρες τύπου CCD, CID και CMOS... 129 4.7.1 Διατάξεις σύζευξης φορτίου... 129 4.7.2 Διατάξεις έγχυσης φορτίου... 134 4.7.3 Διατάξεις CMOS... 137 4.8 Αισθητήρες μέτρησης χρωμάτων... 139 4.9 Φωτοπολλαπλασιαστές... 139 4.10 Θερμοηλεκτρικοί αισθητήρες οπτικής ακτινοβολίας... 140 4.11 Μπολόμετρα... 141 4.12 Πυροηλεκτρικοί αισθητήρες... 141 Κεφάλαιο 5 Μέτρηση μαγνητικο πεδίου...143 5.1 Εισαγωγή... 143 5.2 Αισθητήρες τύπου πηνίου... 144 5.3 Αισθητήρες τύπου Fluxgate... 144 5.4 Αισθητήρες Hall... 147 5.5 Μαγνητικοί αισθητήρες μεταβολής αντίστασης... 149 5.6 Ανιχνευτές μαγνητικού πεδίου... 152 5.7 Μαγνητικοί διακόπτες reed... 153 Κεφάλαιο 6 Μέτρηση θέσης και μετατ πισης...155 6.1 Εισαγωγή... 155 6.2 Ποτενσιόμετρα... 155 6.3 Πιεζοαντιστάτες... 160 6.3.1 Μετατροπείς ελεύθερης πιεζοαντίστασης... 162 6.3.2 Μετατροπείς προσκολλημένης πιεζοαντίστασης... 163 6.3.3 Ημιαγωγικοί μετατροπείς πιεζοαντίστασης... 164 6.3.4 Διατάξεις μέτρησης με μετατροπείς πιεζοαντίστασης και γέφυρα Wheatstone... 165 6.4 Σύστημα ηλεκτρολύτη με κινητό ηλεκτρόδιο... 167 6.5 Πηνία με κινητό οπλισμό... 168 6.5.1 Εξωτερικός οπλισμός που κινείται κάθετα... 168 6.5.2 Εξωτερικός οπλισμός που κινείται παράλληλα... 169 6.5.3 Κινητός εσωτερικός πυρήνας... 170 6.6 Γραμμικοί μεταβλητοί διαφορικοί μετασχηματιστές (ΓΜΔΜ)... 171 6.7 Αισθητήρες μεταβλητής επαγωγής... 178 6.8 Αισθητήρες μαγνητοσυστολής... 179 6.9 Χωρητικοί αισθητήρες... 182 6.9.1 Επίπεδος πυκνωτής με κινητό οπλισμό... 182 6.9.2 Κυλινδρικός πυκνωτής με κινητό οπλισμό... 183 6.9.3 Κυκλικός πυκνωτής με κινητό οπλισμό... 184 6.9.4 Επίπεδος πυκνωτής με κινητό διηλεκτρικό... 184 6.9.5 Διαφορικός χωρητικός αισθητήρας... 185 6.9.6 Διατάξεις μέτρησης με χωρητικούς αισθητήρες... 186 6.10 Πιεζοηλεκτρικοί μετατροπείς... 187

8 ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 6.11 Συμβολομετρία... 191 6.12 Μέτρηση μετατόπισης και θέσης με αισθητήρες γραμμικής και γωνιακής ταχύτητας... 191 6.13 Μέτρηση του μήκους της διαδρομής που έχει διανύσει ένα κινητό... 192 6.14 Μαγνητικοί κωδικοποιητές θέσης... 192 6.14.1 Αυξητικοί μαγνητικοί κωδικοποιητές... 192 6.14.2 Απόλυτοι μαγνητικοί κωδικοποιητές... 193 6.15 Χωρητικοί κωδικοποιητές θέσης... 194 6.16 Οπτικοί Κωδικοποιητές... 195 6.16.1 Αυξητικοί οπτικοί κωδικοποιητές... 195 6.16.2 Απόλυτοι οπτικοί κωδικοποιητές... 197 6.17 Ανιχνευτές με ευαισθησία στη θέση... 198 6.18 Αισθητήρες και ανιχνευτές κλίσης... 200 6.18.1 Ηλεκτρολυτικοί αισθητήρες κλίσης... 201 6.18.2 Αισθητήρες κλίσης τύπου εκκρεμούς... 202 6.18.3 Αισθητήρες κλίσης με επιταχυνσιόμετρα... 202 6.18.4 Ο διακόπτης υδραργύρου... 202 6.18.5 Ηλεκτρονικοί ανιχνευτές κλίσης... 203 6.19 Ανιχνευτές της θέσης αντικειμένων... 203 6.19.1 Μαγνητικοί ανιχνευτές... 203 6.19.2 Επαγωγικοί ανιχνευτές μεταβλητής μαγνητικής αντίστασης... 204 6.19.3 Επαγωγικοί ανιχνευτές δινορρευμάτων... 205 6.19.4 Ανιχνευτές με αισθητήρα Hall... 206 6.19.5 Χωρητικοί ανιχνευτές... 208 6.19.6 Οπτικοί ανιχνευτές... 210 6.20 Υπολογισμός της θέσης στο χώρο... 213 6.21 Ανιχνευτές κίνησης και παρουσίας... 213 Κεφάλαιο 7 Μέτρηση απ στασης, στάθμης & διαστάσεων...215 7.1 Μέτρηση απόστασης... 215 7.1.1 Διατάξεις μέτρησης απόστασης με υπερήχους, laser και ραδιοκύματα... 215 7.1.2 Μέτρηση απόστασης με τη μέθοδο των δινορρευμάτων... 220 7.1.3 Μέτρηση απόστασης με τη μέθοδο τριγωνισμού laser... 221 7.1.4 Μέτρηση απόστασης με οπτικό κωδικοποιητή... 221 7.1.5 Μετρητές υψομέτρου... 221 7.2 Μέτρηση στάθμης... 222 7.2.1 Διάταξη με πλωτήρα... 222 7.2.2 Διάταξη με βελόνη αγωγιμότητας... 222 7.2.3 Διατάξεις με χωρητικούς αισθητήρες... 223 7.2.4 Διάταξη με κυλινδρικό πυκνωτή και μη-αγώγιμο υγρό... 223 7.2.5 Διάταξη με επίπεδο πυκνωτή και μη-αγώγιμο υγρό... 224 7.2.6 Διάταξη με επίπεδο πυκνωτή και αγώγιμο υγρό... 224 7.2.7 Διάταξη με μέτρηση πίεσης... 224 7.2.8 Διάταξη με υπερήχους... 224 7.3 Μέτρηση διαστάσεων... 225 7.3.1 Μέτρηση διαστάσεων με αισθητήρα οπτικής ακτινοβολίας... 225 7.3.2 Μέτρηση του πάχους αντικειμένων... 226 7.3.3 Μέτρηση του ύψους των κυμάτων... 228 7.3.4 Μέτρηση της τραχύτητας επιφανειών... 229

Περιεχ μενα 9 Κεφάλαιο 8 Μέτρηση ταχ τητας και επιτάχυνσης...231 8.1 Εισαγωγή... 231 8.2 Αισθητήρες γραμμικής ταχύτητας... 232 8.2.1 Αισθητήρας μέτρησης ταχύτητας με κινούμενο πηνίο... 232 8.2.2 Αισθητήρας μέτρησης ταχύτητας με κινούμενο μαγνήτη... 233 8.2.3 Μέτρηση ταχύτητας με το φαινόμενο Doppler... 234 8.2.4 Μέτρηση ταχύτητας αντικειμένου με Doppler radar... 235 8.2.5 Μέτρηση της ταχύτητας με χρήση αισθητήρων μετατόπισης, επιτάχυνσης και προσέγγισης 235 8.2.6 Τα γεώφωνα... 236 8.3 Αισθητήρες ταχύτητας περιστροφής... 237 8.3.1 Ταχομετρική γεννήτρια... 237 8.3.2 Αισθητήρας ταχύτητας περιστροφής με μαγνητικό ανιχνευτή θέσης... 238 8.3.3 Αισθητήρας ταχύτητας περιστροφής με οπτικό ανιχνευτή... 240 8.3.4 Αισθητήρας ταχύτητας περιστροφής με ανάκλαση οπτικής ακτινοβολίας... 241 8.3.5 Μέτρηση ταχύτητας περιστροφής με χρήση αισθητήρων γωνιακής μετατόπισης και γωνιακής επιτάχυνσης... 241 8.3.6 Γυροσκόπια... 242 8.4 Αισθητήρες επιτάχυνσης... 242 8.4.1 Επιταχυνσιόμετρα ανοικτού βρόχου... 245 8.4.2 Επιταχυνσιόμετρα κλειστού βρόχου... 250 Κεφάλαιο 9 Μέτρηση δ ναμης και ροπής...251 9.1 Εισαγωγή... 251 9.2 Μέτρηση δύναμης με πιεζοαντιστάτες... 252 9.3 Μέτρηση δύναμης με πηνίο με κινητό οπλισμό...254 9.4 Μέτρηση δύναμης με ΓΜΔΜ... 255 9.5 Μέτρηση δύναμης με αισθητήρες μαγνητοσυστολής... 256 9.6 Μέτρηση δύναμης με απόλυτο οπτικό κωδικοποιητή... 258 9.7 Μέτρηση δύναμης με πιεζοηλεκτρικούς μετατροπείς... 259 9.8 Μέτρηση ροπής... 259 9.8.1 Μέτρηση ροπής με πιεζοαντιστάτες... 260 9.8.2 Μέτρηση ροπής με οδοντωτούς τροχούς... 262 9.8.3 Μέτρηση ροπής με μαγνητοσυσταλτικούς αισθητήρες... 263 Κεφάλαιο 10 Μέτρηση πίεσης...265 10.1 Εισαγωγή... 265 10.2 Ωμικοί αισθητήρες πίεσης... 267 10.3 Αισθητήρες πίεσης με πιεζοαντιστάτες... 268 10.4 Επαγωγικοί αισθητήρες πίεσης... 269 10.5 Αισθητήρες πίεσης με ΓΜΔΜ... 269 10.6 Χωρητικοί αισθητήρες πίεσης... 270 10.7 Πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες πίεσης... 271 10.8 Αισθητήρας πίεσης τύπου εμφυσητήρα... 271 10.9 Αισθητήρες πίεσης με ποτενσιόμετρο... 272 10.10 Διατάξεις μέτρησης πίεσης με αισθητήρα Hall... 272

10 ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ Κεφάλαιο 11 Μέτρηση ροής ρευστών...275 11.1 Εισαγωγή... 275 11.2 Ηλεκτρομαγνητικοί αισθητήρες μέτρησης παροχής... 275 11.3 Αισθητήρες μέτρησης παροχής χρόνου μετάβασης με υπερήχους... 277 11.4 Αισθητήρες μέτρησης παροχής Doppler με υπερήχους και laser... 279 11.5 Αισθητήρες μέτρησης παροχής στροβίλου... 281 11.6 Θερμικοί αισθητήρες μέτρησης παροχής... 281 11.7 Αισθητήρες μέτρησης της ροής των χυμών σε κλαδιά φυτών... 282 11.7.1 Αισθητήρες τύπου καθετήρα θερμικής κατανάλωσης... 282 11.7.2 Αισθητήρες τύπου αντιστάθμισης θερμότητας... 283 11.8 Άλλες διατάξεις μέτρησης ροής... 285 11.8.1 Μέτρηση ροής με σωλήνα Pitot... 285 11.8.2 Μέτρηση ροής με σωλήνα Venturi... 286 11.8.3 Μέτρηση ροής με δονούμενο σωλήνα... 287 Κεφάλαιο 12 Χημικοί αισθητήρες...289 12.1 Εισαγωγή... 289 12.2 Χημικοί αισθητήρες παραμόρφωσης ελάσματος... 290 12.3 Χημικοί αισθητήρες επιφανειακών ακουστικών κυμάτων... 291 12.4 Θερμικοί χημικοί αισθητήρες... 293 12.5 Οπτικοί χημικοί αισθητήρες... 293 12.6 Χημικοί αισθητήρες μάζας... 294 12.7 Χημικοί αισθητήρες μεταβολής αντίστασης... 295 12.8 Χημικοί αισθητήρες μεταβολής χωρητικότητας...296 12.9 Χημικές δίοδοι... 296 12.10 Χημικοί αισθητήρες βασισμένοι σε τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (FET)... 297 12.11 Ηλεκτροχημικοί αισθητήρες μέτρησης ph... 301 12.12 Οπτικοί αισθητήρες αερίων... 302 12.13 Αισθητήρες αερίων τύπου «θερμικής αγωγιμότητας»... 305 12.14 Ηλεκτροχημικοί αισθητήρες αερίων... 305 12.15 Φωτοακουστικοί αισθητήρες αερίων... 306 Κεφάλαιο 13 Μέτρηση ρε ματος...307 13.1 Εισαγωγή... 307 13.2 Μέτρηση ρεύματος με αντιστάτη... 307 13.3 Μέτρηση ρεύματος με μετασχηματιστή ρεύματος... 311 13.4 Μέτρηση ρεύματος με πηνίο Rogowski... 313 13.5 Μέτρηση ρεύματος με αισθητήρα Hall... 316 Κεφάλαιο 14 Άλλοι αισθητήρες...319 14.1 Εισαγωγή... 319 14.2 Μέτρηση ιοντίζουσας ακτινοβολίας... 319 14.2.1 Απαριθμητές σπινθηρισμών... 319 14.2.2 Ανιχνευτές με αέριο... 320 14.2.3 Ημιαγωγικοί ανιχνευτές... 322 14.3 Μέτρηση της ισχύος RF και μικροκυματικών σημάτων... 322

Περιεχ μενα 11 14.4 Ανιχνευτές φωτιάς... 323 14.5 Ανακλασίμετρα στο πεδίο του χρόνου... 324 14.6 Αισθητήρες μέτρησης της σχετικής υγρασίας του ατμοσφαιρικού αέρα... 325 14.6.1 Αισθητήρες με μεταβολή ηλεκτρικών χαρακτηριστικών... 325 14.6.2 Αισθητήρες με μέτρηση απορρόφησης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας... 326 14.7 Αισθητήρες μέτρησης της υγρότητας των φύλλων των φυτών... 327 14.8 Αισθητήρες μέτρησης μάζας... 327 14.9 Αισθητήρες αιθάλης... 330 14.10 Ανιχνευτές καπνού... 330 14.10.1 Ανιχνευτές καπνού τύπου ιοντισμού... 330 14.10.2 Φωτοηλεκτρικοί ανιχνευτές καπνού... 331 14.11 Αισθητήρας μέτρησης της αλατότητας του εδάφους... 332 14.12 Μέτρηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας μη-σιδηρομαγνητικών μεταλλικών υλικών... 333 14.13 Αισθητήρες μέτρησης της διάβρωσης... 333 14.14 Αισθητήρες αφής και διατάξεις αντίληψης αφής... 335 14.14.1 Ωμικές διατάξεις αντίληψης αφής... 335 14.14.2 Χωρητικές διατάξεις αντίληψης αφής... 337 14.14.3 Διατάξεις αντίληψης αφής με οπτική ακτινοβολία... 339 14.14.4 Διατάξεις αντίληψης αφής με κύματα SAW... 340 14.14.5 Αισθητήρες αφής τύπου whisker... 341 Κεφάλαιο 15 Ρυθμιστές σήματος αισθητήρων...343 15.1 Εισαγωγή... 343 15.2 Διαιρέτης τάσης... 343 15.3 Ρυθμιστής τάσης για παθητικούς αισθητήρες... 344 15.4 Αθροιστής τάσης... 345 15.5 Διαιρέτης ρεύματος... 345 15.6 Ρυθμιστής ρεύματος για παθητικούς αισθητήρες...346 15.7 Γέφυρες μέτρησης... 346 15.7.1 Η γέφυρα Wheatstone... 347 15.7.2 Η γέφυρα συντονισμού... 353 15.7.3 Άλλοι τύποι γεφυρών... 354 15.8 Ενισχυτές βασισμένοι σε τελεστικό ενισχυτή... 354 15.8.1 Αναστρέφων ενισχυτής... 360 15.8.2 Μη-αναστρέφων ενισχυτής... 360 15.8.3 Ακόλουθος τάσης... 361 15.8.4 Ενισχυτής διαφοράς... 361 15.8.5 Ενισχυτής αθροίσματος (αθροιστής)... 362 15.8.6 Διαφορικός ενισχυτής... 362 15.8.7 Παραγωγή τάσης αναφοράς... 363 15.8.8 Ολοκληρωτής... 364 15.8.9 Διαφοριστής... 364 15.8.10 Περιοριστής... 365 15.9 Πηγές ρεύματος... 366 15.10 Συγκριτής... 368 15.10.1 Διάταξη σκανδαλισμού Schmitt... 369 15.10.2 Συγκριτής παραθύρου... 370

12 ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 15.11 Μετατροπέας ρεύματος σε τάση... 371 15.12 Πολλαπλασιαστής σημάτων... 373 15.12.1 Διαιρέτης σημάτων... 373 15.12.2 Τετραγωνική ρίζα σήματος... 374 15.13 Λογαριθμικός μετατροπέας... 374 15.14 Παθητικά φίλτρα... 375 15.15 Ενεργά φίλτρα... 378 15.16 Ταλαντωτές... 380 15.17 Ταλαντωτές ελεγχόμενοι από τάση... 382 15.17.1 Μετάδοση σημάτων από το ίδιο κανάλι... 382 15.17.2 Βρόχοι κλειδωμένης φάσης... 383 15.18 Ενισχυτές φορτίου... 384 15.19 Μετατροπείς AC/DC... 386 15.19.1 Ενεργός ανορθωτής ημικύματος... 386 15.19.2 Ενεργός ανορθωτής πλήρους κύματος... 387 15.19.3 Ανιχνευτής κορυφής... 387 15.19.4 Κύκλωμα πραγματικής ενεργού (rms) τιμής... 388 15.20 Αντιστάθμιση της μη-γραμμικότητας των αισθητήρων και των διατάξεων μέτρησης... 388 15.20.1 Λειτουργία του αισθητήρα στη γραμμική περιοχή της χαρακτηριστικής μεταφοράς του... 388 15.20.2 Διεύρυνση της γραμμικής περιοχής στο σημείο λειτουργίας του αισθητήρα... 389 15.20.3 Διαιρέτης τάσης με δύο αισθητήρες σε αντίθεση... 390 15.20.4 Αντιστάθμιση της μη-γραμμικότητας μιας γέφυρας με ανάδραση... 390 15.20.5 Αντιστάθμιση της μη-γραμμικότητας μιας γέφυρας με ενισχυτές... 392 15.20.6 Αντιστάθμιση της μη-γραμμικότητας μιας γέφυρας με δύο αισθητήρες χρησιμοποιώντας διέγερση ρεύματος... 392 15.20.7 Αντιστάθμιση της μη-γραμμικότητας μιας γέφυρας με πολλαπλασιαστή... 393 15.21 Μετάδοση ισχύος και δεδομένων σε περιστρεφόμενα συστήματα μέτρησης... 394 Κεφάλαιο 16 Ενισχυτές για ασθενή σήματα μέτρησης...397 16.1 Εισαγωγή... 397 16.2 Ενισχυτές οργανολογίας... 397 16.2.1 Χαρακτηριστικά μεγέθη των ενισχυτών οργανολογίας... 397 16.2.2 Οι προδιαγραφές λειτουργίας των IA... 403 16.2.3 Τυπικές εφαρμογές των IA... 406 16.3 Ενισχυτές διαφοράς... 411 16.4 Ενισχυτές απομόνωσης... 411 16.4.1 Γενικά... 411 16.4.2 Ενισχυτής απομόνωσης με σύζευξη με μετασχηματιστές... 413 16.4.3 Ενισχυτής απομόνωσης με οπτική σύζευξη... 413 16.4.4 Ενισχυτής απομόνωσης με χωρητική σύζευξη... 414 16.4.5 Εφαρμογή... 414 16.5 Ενισχυτές κατάτμησης... 415 16.6 Ενισχυτές προγραμματιζόμενου κέρδους... 416 16.7 Μετατροπέας τάσης-ρεύματος βασισμένος σε ΙΑ... 418

Περιεχ μενα 13 Κεφάλαιο 17 Πολυπλεξία και δειγματοληψία...421 17.1 Εισαγωγή... 421 17.2 Αναλογικοί διακόπτες και πολυπλέκτες... 422 17.3 Δειγματοληψία αναλογικών σημάτων... 429 17.4 Κυκλώματα δειγματοληψίας και συγκράτησης... 434 Κεφάλαιο 18 Μετατροπείς A/D και D/A...443 18.1 Εισαγωγή... 443 18.2 Μετατροπείς Αναλογικού σε Ψηφιακό... 443 18.2.1 Γενικά... 443 18.2.2 Μετατροπείς A/D τύπου Flash... 450 18.2.3 Μετατροπείς A/D τύπου Subranging... 451 18.2.4 Μετατροπείς A/D τύπου SAR...452 18.2.5 Μετατροπείς A/D τύπου Ιχνηλάτησης... 453 18.2.6 Μετατροπείς A/D τύπου Ολοκλήρωσης... 454 18.2.7 Μετατροπείς A/D τύπου Pipeline...457 18.2.8 Μετατροπείς A/D τύπου Sigma-Delta... 459 18.2.9 Σύγκριση των μετατροπέων A/D... 461 18.3 Μετατροπείς Ψηφιακού σε Αναλογικό... 464 18.3.1 Γενικά... 464 18.3.2 Μετατροπέας D/A ισοζυγισμένων αντιστατών... 468 18.3.3 Μετατροπέας Κλίμακας R-2R...469 Κεφάλαιο 19 Κυκλώματα παραγωγής τάσης αναφοράς...471 19.1 Εισαγωγή... 471 19.2 Κυκλώματα τάσης αναφοράς παράλληλου τύπου... 472 19.3 Κυκλώματα τάσης αναφοράς τύπου σειράς... 473 19.4 Τεχνικές σχεδιασμού και κατασκευής κυκλωμάτων τάσης αναφοράς... 473 19.4.1 Κυκλώματα τάσης αναφοράς τύπου Bandgap... 474 19.4.2 Κυκλώματα τάσης αναφοράς τύπου Zener... 475 19.4.3 Κυκλώματα τάσης αναφοράς τύπου XFET... 477 19.5 Ολοκληρωμένα κυκλώματα παραγωγής τάσης αναφοράς... 477 Κεφάλαιο 20 Συστήματα απ κτησης και επεξεργασίας δεδομένων μέτρησης...479 20.1 Εισαγωγή... 479 20.2 Αρχιτεκτονικές συστημάτων απόκτησης δεδομένων... 479 20.3 Συστήματα μέτρησης που βασίζονται σε μικροεπεξεργαστή... 484 20.4 Συστήματα μέτρησης που βασίζονται σε Η/Υ... 487 20.4.1 Γενική περιγραφή των καρτών DAQ... 487 20.4.2 Ο ενισχυτής οργανολογίας προγραμματιζόμενου κέρδους... 491 20.4.3 Οι αναλογικές είσοδοι... 492 20.4.4 Η λειτουργία «dithering»... 497 20.4.5 Οι αναλογικές έξοδοι... 500

14 ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 20.4.6 Οι ψηφιακές είσοδοι/έξοδοι... 500 20.4.7 Χαρακτηριστικά λειτουργίας των καρτών DAQ... 501 20.4.8 Το λογισμικό... 502 Κεφάλαιο 21 Ηλεκτρικές και μαγνητικές διαταραχές στα συστήματα μέτρησης...505 21.1 Εισαγωγή... 505 21.2 Ηλεκτρικές και μαγνητικές επιδράσεις... 506 21.2.1 Χωρητική σύζευξη... 506 21.2.2 Επαγωγική σύζευξη... 509 21.2.3 Σύζευξη αγωγιμότητας... 513 21.3 Γείωση της θωράκισης καλωδίων... 521 21.4 Η θωράκιση προστασίας των ενισχυτών... 525 21.5 Σφάλματα μέτρησης λόγω ενίσχυσης του κοινού σήματος... 527 21.6 Σφάλματα μέτρησης λόγω σύζευξης των γραμμών τροφοδοσίας... 529 Κεφάλαιο 22 Διεπικοινωνία συστημάτων μέτρησης και δίκτυα αισθητήρων...531 22.1 Εισαγωγή... 531 22.2 Συστήματα τηλεμετρίας... 532 22.3 Συστήματα διαύλου πεδίου... 536 22.4 Μετάδοση πληροφορίας με βρόχο ρεύματος 4-20 mα... 540 22.5 Μετάδοση πληροφορίας με υπέρυθρη ακτινοβολία... 542 22.6 Παράλληλη επικοινωνία... 543 22.7 Σειριακή επικοινωνία... 548 22.8 Το πρότυπο επικοινωνίας USB... 554 22.9 Το πρότυπο επικοινωνίας FireWire... 554 22.10 Το πρότυπο GPIB... 555 22.10.1 Η δομή του προτύπου GPIB... 556 22.10.2 Υλοποίηση της διεπικοινωνίας με το GPIB... 557 22.10.3 Οι προδιαγραφές του προτύπου GPIB... 560 22.10.4 Ο Ελεγκτής ενός συστήματος GPIB... 561 22.10.5 Οι μετατροπείς GPIB... 561 22.10.6 Το λογισμικό ελέγχου του διαύλου GPIB... 561 22.11 Το πρότυπο επικοινωνίας SDI-12... 562 22.12 Το πρότυπο επικοινωνίας I 2 C... 563 22.13 To πρότυπο 1-Wire... 563 22.14 Το πρότυπο επικοινωνίας SPI... 564 22.15 Το πρότυπο επικοινωνίας CAN... 564 22.16 Το πρότυπο επικοινωνίας ΕΙΒ... 565 22.17 Το πρότυπο επικοινωνίας LonWorks... 568 22.18 Το πρότυπο επικοινωνίας Foundation Fieldbus... 569 22.19 Διασύνδεση δικτύων αισθητήρων με δίκτυα TCP/IP... 572 22.20 Το πρότυπο Power over Ethernet... 573

Περιεχ μενα 15 Κεφάλαιο 23 Έξυπνοι αισθητήρες...575 23.1 Εισαγωγή... 575 23.2 Τα χαρακτηριστικά λειτουργίας των έξυπνων αισθητήρων... 578 23.3 Παραδείγματα σχεδιασμού έξυπνων αισθητήρων... 580 23.4 Το πρότυπο ΙΕΕΕ 1451... 583 Κεφάλαιο 24 Ασ ρματοι αισθητήρες και ασ ρματα δίκτυα αισθητήρων...589 24.1 Εισαγωγή... 589 24.2 Πρότυπα ασύρματης επικοινωνίας... 592 24.2.1 Το πρότυπο ΙΕΕΕ 802.11... 592 24.2.2 Το πρότυπο HomeRF... 592 24.2.3 Το πρότυπο Bluetooth... 592 24.2.4 Το πρότυπο IrDA... 592 24.2.5 Το πρότυπο ZigBee... 593 24.2.6 Το πρότυπο RFID... 593 24.3 Τα χαρακτηριστικά λειτουργίας των ασύρματων αισθητήρων και των ασύρματων δικτύων αισθητήρων... 594 24.4 Παράγοντες αξιολόγησης της απόδοσης των ασύρματων δικτύων αισθητήρων... 595 24.5 Η δομή των ασύρματων δικτύων αισθητήρων...597 24.5.1 Μοντέλα επικοινωνίας... 597 24.5.2 Μοντέλα παράδοσης της πληροφορίας... 598 24.5.3 Μοντέλα δυναμικής δικτύου... 598 24.6 Το μοντέλο αναφοράς ISO/OSI στα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων... 600 24.7 Οργάνωση ασύρματων δικτύων αισθητήρων με βάση τη χαμηλή κατανάλωση ενέργειας... 601 24.8 Δρομολόγηση... 602 24.8.1 Δεδομενοκεντρικά πρωτόκολλα... 602 24.8.2 Ιεραρχικά πρωτόκολλα... 604 24.8.3 Πρωτόκολλα δρομολόγησης βασισμένα στη θέση... 606 24.8.4 Πρωτόκολλα δρομολόγησης τύπου ροής δικτύου και τύπου εγγύησης ποιότητας υπηρεσιών... 607 24.9 Εντοπισμός της θέσης ενός κινητού αισθητήρα... 608 Κεφάλαιο 25 Εφαρμογές αισθητήρων σε αυτοματισμο ς και παραδείγματα σχεδίασης συστημάτων μέτρησης και έλεγχου...615 25.1 Εισαγωγή... 615 25.2 Το σύστημα ελέγχου... 615 25.3 Ο ενεργοποιητής... 617 25.3.1 Ενεργοποιητές ανοικτού βρόχου...617 25.3.2 Ενεργοποιητές κλειστού βρόχου... 618 25.3.3 Κινητήρας συνεχούς ρεύματος με μόνιμους μαγνήτες... 618 25.3.4 Κινητήρας εναλλασσόμενου ρεύματος... 619 25.3.5 Βηματικός κινητήρας... 620 25.3.6 Ηλεκτρονόμος (ρελέ)... 620 25.3.7 Ηλεκτροβάνα... 621

16 ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 25.3.8 Ηλεκτροστατικοί ενεργοποιητές... 622 25.3.9 Ενισχυτές ισχύος... 623 25.4 Συστήματα μηχανικής όρασης... 623 25.5 Καταγραφικά δεδομένων... 624 25.6 Παραδείγματα σχεδιασμού συστημάτων μέτρησης και ελέγχου... 626 25.6.1 Παρακολούθηση μεταβλητών κατάστασης ενός συστήματος... 626 25.6.2 Σύστημα παρακολούθησης της λειτουργίας ενός χώρου στάθμευσης οχημάτων... 631 25.6.3 Σύστημα ελέγχου ακινητοποίησης των τροχών ενός αυτοκινήτου... 634 25.6.4 Έλεγχος της ποσότητας που περιέχεται σε δεξαμενή σε μια βιομηχανική διαδικασία... 636 25.6.5 Έλεγχος διαστάσεων σε βιομηχανικές κατασκευές... 637 25.6.6 Σύστημα ελέγχου τόρνου... 639 25.6.7 Μέτρηση ηλεκτρικής ισχύος και ενέργειας... 641 25.6.8 Μέτρηση ποιότητας ισχύος... 644 25.6.9 Σύστημα απόκτησης δεδομένων υβριδικού συστήματος Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας... 645 25.6.10 Σύστημα αυτόματης άρδευσης... 650 25.6.11 Μαγνητικό έδρανο... 651 25.6.12 Σύστημα ελέγχου της κίνησης ενός ρομπότ... 653 Κεφάλαιο 26 Όργανα μετρήσεων...655 26.1 Εισαγωγή... 655 26.2 Όργανα μέτρησης περιβαλλοντικών μεγεθών... 655 26.2.1 Ανεμόμετρα... 655 26.2.2 Μετρητές διεύθυνσης ανέμου... 659 26.2.3 Υγρόμετρα... 659 26.2.4 Ψυχρόμετρο... 660 26.2.5 Μέτρηση ύψους βροχής... 660 26.2.6 Βαρόμετρα... 664 26.2.7 Πυργεώμετρα... 664 26.2.8 Φωτόμετρα... 665 26.2.9 Πυρανόμετρα... 665 26.2.10 Πυρηλιόμετρο... 667 26.2.11 Ηλιακό φωτόμετρο... 668 26.2.12 Ραδιόμετρα... 668 26.2.13 Πυραδιόμετρο... 668 26.2.14 Μετρητής της διάρκειας ηλιοφάνειας... 668 26.2.15 Μετρητής εξάτμισης... 669 26.2.16 Σεισμογράφοι... 669 26.3 Ιατρικά όργανα μέτρησης... 669 26.3.1 Ηλεκτρονικό σφυγμομανόμετρο... 669 26.3.2 Ηλεκτροκαρδιογράφημα... 670 26.3.3 Μετρητές του καρδιακού ρυθμού... 672 26.3.4 Παλμικά οξύμετρα... 672 26.3.5 Ιατρικά απεικονιστικά συστήματα με υπερήχους... 673 26.3.6 Μέτρηση ροής αίματος... 673 26.3.7 Απεικονιστικά συστήματα ακτίνων Χ... 674 26.3.8 Μαγνητική τομογραφία... 675 26.3.9 Τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίων... 676

Περιεχ μενα 17 26.4 Όργανα μέτρησης σε οχήματα... 678 26.4.1 Οδόμετρα... 678 26.4.2 Ταχύμετρα... 678 26.4.3 Ταχογράφοι... 678 26.4.4 Άλλοι αισθητήρες αυτοκινήτων... 678 26.5 Όργανα μέτρησης θέσης και απόστασης... 681 26.5.1 Μετρητές απόστασης... 681 26.5.2 Μετρητές βημάτων... 681 26.5.3 Μετρητές απόστασης βαδίσματος... 681 26.5.4 Υψομετρητές... 682 26.5.5 Μετρητές κλίσης... 682 26.5.6 Ταχόμετρα... 682 26.5.7 Μετρητής δονήσεων... 683 26.5.8 Βυθόμετρα... 683 26.5.9 Ηλεκτρονικές μετροταινίες... 683 26.5.10 Ηλεκτρονική πυξίδα... 684 26.5.11 Θεοδόλιχος... 686 26.5.12 Global Positioning System... 686 26.6 Όργανα μέτρησης διαστάσεων αντικειμένων... 686 26.6.1 Ηλεκτρονικό παχύμετρο... 686 26.6.2 Ηλεκτρονικά μικρόμετρα... 687 26.6.3 Διαστολόμετρα... 687 26.6.4 Μετρητές των διαστάσεων πόρων σε πορώδη υλικά... 687 26.6.5 Δενδρόμετρα... 689 26.7 Όργανα μέτρησης παραμέτρων του εδάφους... 690 26.7.1 Μετρητές της ποσότητας νερού του εδάφους... 690 26.7.2 Τενσιόμετρα... 690 26.7.3 Μπλοκ γύψου... 691 26.7.4 Πιεζόμετρα... 692 26.7.5 Λυσίμετρο... 695 26.8 Όργανα μέτρησης ιδιοτήτων σωμάτων... 696 26.8.1 Μετρητές της υγρότητας σωμάτων... 696 26.8.2 Μετρητές αγωγιμότητας νερού... 696 26.8.3 Μετρητές θολότητας του νερού... 696 26.8.4 Μετρητές αντίστασης διείσδυσης...696 26.8.5 Μετρητές διάβρωσης... 697 26.8.6 Μετρητές ποιότητας μαγειρικού λαδιού... 697 26.8.7 Θερμόμετρα... 697 26.8.8 Ιξωδόμετρα... 698 26.8.9 Πυκνόμετρα... 698 26.8.10 Σκληρόμετρα... 700 26.8.11 Ηλεκτρονικές ζυγαριές... 701 26.8.12 Μανόμετρα... 701 26.8.13 Αναλυτές αερίων... 701 26.8.14 Φασματόμετρα... 701 26.8.15 Θερμιδόμετρα... 702 26.8.16 Ποιοτικός έλεγχος των πλακιδίων ημιαγωγών... 702

18 ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ 26.9 Όργανα μέτρησης ηλεκτρικών μεγεθών... 702 26.9.1 Βολτόμετρα... 702 26.9.2 Αμπερόμετρα... 702 26.9.3 Μετρητές ωμικής αντίστασης... 702 26.9.4 Πολύμετρα... 703 26.9.5 Ηλεκτρόμετρο... 703 26.9.6 Αμπερομετρικές πένσες... 703 26.9.7 Μετρητές αντίστασης γείωσης... 704 26.10 Όργανα μέτρησης μαγνητικού πεδίου... 705 26.10.1 Μετρητές πυκνότητας μαγνητικής ροής... 705 26.10.2 Μετρητές μαγνητικού πεδίου... 705 26.11 Όργανα μέτρησης της έντασης του ήχου... 705 26.11.1 Τα μικρόφωνα... 705 26.11.2 Υδρόφωνα... 707 26.12 Άλλα όργανα μέτρησης... 707 26.12.1 Δοσίμετρα... 707 26.12.2 Συσκευές ανάγνωσης γραμμωτού κώδικα... 708 26.12.3 Μετρητές λίπους του ανθρώπινου σώματος... 708 Κεφάλαιο 27 Θεωρία ανάλυσης σφαλμάτων & επεξεργασία μετρήσεων...709 27.1 Εισαγωγή... 709 27.2 Συστηματικά και τυχαία σφάλματα... 709 27.2.1 Συστηματικά σφάλματα... 710 27.2.2 Τυχαία σφάλματα... 711 27.3 Βασικές έννοιες θεωρίας σφαλμάτων... 713 27.3.1 Ακρίβεια οργάνου (accuracy)... 713 27.3.2 Σφάλμα μέτρησης... 713 27.3.3 Ακρίβεια προσέγγισης (precision)... 713 27.3.4 Σημαντικά ψηφία (significant digits)... 715 27.3.5 Διακριτικότητα (resolution) οργάνου... 715 27.3.6 Συνέπεια (consistency) ενός οργάνου... 716 27.3.7 Επαναληπτικότητα (repeatability) οργάνου... 716 27.3.8 Άμεση μέτρηση (direct measurement)... 716 27.3.9 Έμμεση μέτρηση (indirect measurement)... 716 27.3.10 Εκτίμηση (estimation)... 717 27.3.11 Ευαισθησία (sensitivity)... 717 27.4 Τυχαία σφάλματα κατά τις άμεσες μετρήσεις... 718 27.5 Τυχαία σφάλματα κατά τις έμμεσες μετρήσεις... 726 27.6 Παλινδρόμηση... 729 27.6.1 Γραμμική παλινδρόμηση... 729 27.6.2 Η μέθοδος των ελαχίστων τετραγώνων... 730 27.6.3 Εκθετική παλινδρόμηση... 731 27.6.4 Πολυωνυμική παλινδρόμηση... 732 27.7 Εύρεση και απόρριψη λανθασμένων τιμών... 734 27.7.1 Το κριτήριο του Chauvenet... 734 27.7.2 Το τεστ-q... 735

Περιεχ μενα 19 Κεφάλαιο 28 Συγχώνευση δεδομένων...737 28.1 Εισαγωγή... 737 28.2 Η εφαρμογή της συγχώνευσης δεδομένων στα συστήματα μετρήσεων... 738 28.2.1 Πλεονασμός... 738 28.2.2 Ποικιλομορφία... 738 28.2.3 Συμπληρωματικότητα... 738 28.2.4 Συνεργατικότητα... 739 28.2.5 Παρατηρήσεις για τους πολλαπλούς αισθητήρες... 740 28.3 Μέθοδοι συγχώνευσης δεδομένων... 741 28.4 Ταξινόμηση των μεθόδων συγχώνευσης δεδομένων με βάση τον τύπο των αισθητήριων δεδομένων... 743 28.5 Ταξινόμηση των μεθόδων συγχώνευσης δεδομένων με βάση τα επίπεδα αναπαράστασης των δεδομένων... 743 Βιβλιογραφία... 745 Ευρετήριο... 749

Κεφάλαιο 14: Άλλοι αισθητήρες 333 14.12 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 14-14. 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 14-14. Αισθητήρας μέτρησης της ηλεκτρικής αγωγιμ τητας μη-σιδηρομαγνητικών μεταλλικών υλικών. 14.13 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 14-15. Οι αντιδράσεις αυτές πραγματοποιούνται σε πολλά διαφορετικά σημεία της επιφάνειας επαφής του μετάλλου και του υγρού. Έτσι,

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 14-15. 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 2 2 ++ 2Fe + 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 14-16. Σχήμα 14-16. Το ισοδ ναμο κ κλωμα του αισθητήρα κατά τη μέτρηση της διάβρωσης με τη μέθοδο γραμμικής αντίστασης π λωσης.

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. 14.14 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. 14.14.1 Ωμικές διατάξεις αντίληψης αφής Οι ωμικές διατάξεις αντίληψης αφής αποτελούνται από δύο στρώματα διαφανούς υλικού αντίστασης (πχ. Indium tin oxide), όπως φαίνεται στο Σχήμα 14-17.

336 ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ Σχήμα 14-17. 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 14-18. Σχήμα 14-18. 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 14-19. 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.

Κεφάλαιο 14: Άλλοι αισθητήρες 337 Σχήμα 14-19. Το ισοδ ναμο κ κλωμα κατά τη μέτρηση της θέσης του σημείου αφής στο επίπεδο Χ. 14.14.2 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 14-20. 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 14-21.

338 ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ Σχήμα 14-21. Λειτουργία ανίχνευσης αφής με προσέγγιση. Η μεταβολή της χωρητικότητας μετατρέπεται σε τάση με κατάλληλο κύκλωμα, όπως φαίνεται στο Σχήμα 14-22. Σχήμα 14-22. 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 14-23. Σημειώνεται ότι η κατασκευή του Σχήματος 14-21 επιτρέπει τη λειτουργία της χωρητικής διάταξης αντίληψης αφής τόσο με την αρχή της προσέγγισης, όσο και με την αρχή της πίεσης. f

Κεφάλαιο 14: Άλλοι αισθητήρες 339 Σχήμα 14-23. Λειτουργία ανίχνευσης αφής με πίεση. 14.14.3 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 14-24. Οι συντεταγμένες X και Y του σημείου αφής υπολογίζονται από τη θέση των δύο φωτοτρανζίστορ που δεν λαμβάνουν οπτική ακτινοβολία. Σχήμα 14-24. 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 14-25. 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.

340 ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ Σχήμα 14-25. Οπτικ ς αισθητήρας αφής του οποίου η λειτουργία στηρίζεται στην ανάκλαση οπτικής ακτινοβολίας. 14.14.4 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 14-26. 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 14-26. Διάταξη αντίληψης αφής που λειτουργεί χρησιμοποιώντας κ ματα SAW.

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 14-27. 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 14-27. Ανίχνευση των συντεταγμένων X-Y σε μια διάταξη αντίληψης αφής που λειτουργεί χρησιμοποιώντας κ ματα SAW. 14.14.5 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 14-28. 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.