Senzori si traductoare. Prof. dr. ing. Valer DOLGA,

Senzori si traductoare Prof. dr. ing. Valer DOLGA,

Cuprins_1 Informatii generale Introducere Informatia Semnal Informatie si semnal Elementele componente ale SAD Senzori si traductoare Principii fizice si semnale Etape in dezvoltarea elementelor senzoriale Cerinte privind parametrii elementelor senzoriale Senzori inteligenti Autotestare Autocalibrare Interoperabilitate Credibilitatea informatiei Configurare Obiectul cursului Prof. dr. ing. Valer DOLGA 2

ST- Informatii generale CURS 2h / saptamina: IV mecatronica IV roboti industriali LABORATOR - 2h / saptamina: as.ing. Adriana Teodorescu - sala 311 NOTA_PARCURS = NOTA_LAB x PREZ_CURS / 14 EXAMEN..10 subiecte ( 5 subiecte teoretice + 5 probleme) NOTA_EXAMEN = Σ(note_subicte)/10 NOTA_ST= 0.36 x NOTA_PARCURS + 0.64 x NOTA_EXAMEN Bibliografie: Valer Dolga Senzori si traductoare, Editura Eurobit, Timisoara, 1999 Prof. dr. ing. Valer DOLGA 3

Introducere Vizualizarea procesului Reprezentarea cunostintelor Perceptie Planificare / control Senzor Actuator Proces mecanic Sistem de control Sistem controlat Mediu Structura sistemului mecatronic Prof. dr. ing. Valer DOLGA 4

Informatia din latina informatio cuvintul este polisemantic poate capata diverse semnificatii functie de domeniile si contextul in care este folosit termenul este legat de un proces informational (succesiunea operatiilor / actiunilor prin care se informeaza), rezultatul acestui proces (volum, varietatea de informatie) intr-o definire simpla se poate spune că informaţia reprezintă o reprezentare a realităţii printr-un set de simboluri accesibile simţurilor şi raţiunii umane intr-o structură organică a sistemului mecatronic, informaţia poate exista sub forma unui semnal (de ex. semnal electric) sau codificată într-un obiect material ( de ex.: mostră de sânge, text scos la imprimantă etc.); semnalul se poate defini ca un purtător fizic de informaţie despre varianţa în timp a energiei. Prof. dr. ing. Valer DOLGA 5

Semnal Forma purtătoare Parametrii informaţiei Forma semnalului Semnal mecanic: viteză, Amplitudine Semnal analogic forţă, masă, presiune etc. Frecvenţă Semnal discret Semnal geometric: Fază Semnal binar lungime, unghi, grosime, Număr de impulsuri Semnal digital volum, suprafaţă, nivel etc....... Semnal hidraulic: presiune, presiune diferenţială, debit etc. Semnal pneumatic: presiune, Semnal acustic: Semnal termic: Semnal magnetic: Semnal electric: curent, tensiune, sarcină Semnal optic: Semnal kern.. Semnal chimic: concentraţie, ph Prof. dr. ing. Valer DOLGA 6

Informatie si semnal mediu INFORMAŢIE PRIMARĂ X SENZOR SEMNAL ELECTRIC Y mediu INFORMAŢIE FIZICĂ PRIMARĂ X SEMNAL DE INTERFERENŢĂ SEMNAL PERTURBATOR SENZOR SEMNAL ELECTRIC Y X 1 Prof. dr. ing. Valer DOLGA 7

Ce este un traductor? Ce este un senzor? Care este rolul acestora motor curea dintata ghidaj electronica sanie Sistem de actionare pentru modulul unui RI surub efector Prof. dr. ing. Valer DOLGA 8

Elementele componente ale SAD 1 - senzorii şi traductoarele; 2 - cablurile de legătură; 3 - circuitele pentru condiţionarea semnalului; 4 - hardware pentru achiziţia datelor; 5 - software-ul aplicativ; 6 - computerul de bază. 1 S / Tr realizeaza conversia informatie primara semnal electric primar SC ACTUATOR MEDIU TRADUCTOR Tr senzor intern S senzor extern SENZOR Prof. dr. ing. Valer DOLGA 9

SENZOR Autoturism = sistemul analizat Conveior = sistemul analizat senzorii - dispozitive care sesizează date referitoare privind starea externă a unui sistem Prof. dr. ing. Valer DOLGA 10

Senzori si traductoare S / Tr parametrice = pasive De ex.: Elementul Fenomenul fizic Mărimea măsurată rezistor Variaţia lungimii l a Deplasări liniare sau l conductorului unghiulare R = ρ S Dimensiuni ale pieselor Grosimi de strat Nivelul unor materiale Variaţia lungimii, secţiunii şi Forţă rezistivităţii Presiune Variaţia rezistenţei cu Temperatura temperatura elemente pasive : rezistoare, condensatoare, inductanţe, elemente magnetoparametrice, optoparametrice, materiale cu proprietăţi fotoelastice etc Prof. dr. ing. Valer DOLGA 11

S / Tr parametrice necesita surse de alimentare in procesul de conversie FENOMEN FIZIC F U SURSA DE ENERGIE!!!! Traductor tensorezistiv = R CIRCUIT DE MĂSURARE!!!! Prof. dr. ing. Valer DOLGA 12

Schema bloc a senzorului de forţă tensometric Prof. dr. ing. Valer DOLGA 13

S / TR generatoare = active De ex.: Fenomenul fizic Generarea unei tensiuni electromotoare induse datorită acţiunii mărimii de măsurat Polarizarea electrică a unui cristal sub acţiunea mărimii de măsurat Mărimea măsurată Viteză liniară sau unghiulară Debitul unui fluid Vibraţii / acceleraţii Forţă Presiune Schema electrică de principiu a unui senzor piezoelectric Schema de principiu a unui senzor piezoelectric S / Tr generatoare nu necesita surse de energie pentru conversie informatie semnal electric!!!! Prof. dr. ing. Valer DOLGA 14

Principii fizice si semnale Informaţie PRINCIPIU FIZIC Cantitate măsurabilă Informaţie, principiu fizic şi cantitate măsurabilă Teorema lui Ampere un conductor parcurs de un current I şi aflat în câmpul magnetic B este solicitat de o forţă F Principiul lui Archimede: asupra unui corp scufundat într-un lichid acţionează o forţă ascensională egală cu greutatea lichidului deslocuit de acel corp. Greutatea lichidului deslocuit de acel corp este proporţională cu densitatea lichidului. Ecuaţia lui Bernoulli: conservarea energiei fluidice este dependentă de presiunea şi viteza particulei. Principiul al II-lea (principiul coliniarităţii forţei şi acceleraţiei - Newton): acceleraţia imprimată unui corp este proporţională cu forţa aplicată şi are aceeaşi orientare cu forţa. Realizare: senzorii pentru vibraţie / acceleraţie. Prof. dr. ing. Valer DOLGA 15

Legea conducţiei electrice (Ohm): tensiunea electrică la bornele unui circuit pasiv (fără surse) este egală cu produsul dintre intensitatea curentului şi rezistenţa circuitului: u R = R i Forţa electromagnetică (Lorentz): dacă într-o regiune din spaţiu aducem un corp de probă încărcat cu sarcină electrică q şi în acea regine există un câmp electromagnetic(e,b), asupra corpului de probă se va exercita forţa electromagnetică F = qe + q ( v x B) Efectul piezorezistiv: o rezistenţă electrică îşi modifică valoarea dacă materialul este supus unei solicitări mecanice. Factorul de proporţionalitate factorul de tensosensibilitate se defineşte prin: K ΔR = R ε = Δρ ρ + ε ( 1+ 2ν ) R este rezistenţa electrică; ε alungirea relativă a firului; ρ rezistivitatea materialului; ν coeficientul lui Poisson. Prof. dr. ing. Valer DOLGA 16

Efectul Poisson: un material suferă o deformaţie specifică în direcţie perpendiculară pe solicitarea mecanică aplicată. Coeficientul lui Poisson se defineşte ca fiind: ε transversal ν = ε E longitudinal = 2G(1 + ν ) unde: modulul de elasticitate longitudinal E, cel transversal G coeficientul lui Poisson. Efectul Coriolis (după Gaspard-Gustave Coriolis, 1835) apariţia unei deviaţii vizibile a mişcării unui obiect de la linia dreaptă dacă este privit dintr-un sistem de referinţă care se roteşte. Acceleraţia Coriolis este definită ca fiind: ac = 2ω x v unde: ω - este viteza unghiulară a mişcării de transport; v este viteza relativă. şi F C = 2mω x v Prof. dr. ing. Valer DOLGA 17

Efect pelicular : Curentul electric alternativ se repartizează neuniform în secţiunea conductoarelor, densitatea de curent fiind maximă pe suprafaţa conductorului şi scăzând spre interiorul acestuia. Fenomenul poartă denumirea de efect pelicular. Legea inducţiei electromagnetice: tensiunea electromotoare indusă în lungul unui contur Г este egală cu viteza de scădere a fluxului magnetic prin orice suprafaţă S Γ sprijinită pe această curbă: Γ E ds = e = d Φ SΓ dt Efectul de ecran : În interiorul unei cavităţi dintr-un corp metalic, introdus într-un câmp, nu pătrunde câmpul exterior. Efectul de vecinătate : Comportarea unui conductor parcurs de un curent alternativ diferă de la situaţia când este singur sau situaţia în care este în prezenţa şi a altor conductoare parcurse de curenţi alternativi. Acest efect poartă denumirea de efect de vecinătate. Prof. dr. ing. Valer DOLGA 18

Efectul piezoelectric : un cristal de o anumită configuraţie a reţelei cristaline, se va polariza electric după o anumită direcţie dacă este supus unei solicitări mecanice după o direcţie dată. Sarcina electrică ce apare pe feţele cristalului în virtutea acestui fenomen, sunt proporţionale cu efortul mecanic exercitat asupra lui. Există şi efectul piezoelectric invers : dacă pe feţele unui cristal se aplică o sarcină electrică rezultă variaţii ale dimensiunilor geometrice ale acestuia. Efectul piroelectric: piroelectricitatea este proprietatea unor cristale anizotrope prin care polarizarea electrică spontană depinde de temperatură. Substanţele care prezintă această proprietate se numesc piroelectrice, iar apariţia sarcinilor electrice la suprafaţa unui astfel de material în urma încălzii sau răcirii lui se numeşte efectul piroelectric. Una dintre aplicaţiile piroelectricităţii este în dispozitivele de detecţie a radiaţiilor infraroşii şi milimetrice, folosite de exemplu în detecţia de la distanţă a mişcării oamenilor şi animalelor. Materialele piroelectrice: cuarţul, turmalina, unele substanţe monocristaline (tantalat de litiu etc.), materiale ceramice etc. Prof. dr. ing. Valer DOLGA 19

Efectul thermoelectric : Seebeck a descoperit în 1822 că dacă temperatura contactului dintre două metale diferă de cea circuitului, apare o tensiune electromotoare termoelectrică V = T T 2 1 [ S ( T ) S ( T )]dt B A unde: S B şi S A - sunt coeficienţii Seebeck pentru materialele A şi B; T 1 şi T 2 sunt temperaturile celor două joncţiuni. Dacă coeficienţii Seebeck sunt de valoare constantă, relaţia anterioară devine: V = ( S S ) ( ) B A T 2 T 1 Efectul Seebeck Prof. dr. ing. Valer DOLGA 20

Mărime Mărimi fizice derivative fizică de bază Deplasare deplasare liniară deplasare unghiulară lungime grosime (strat de acoperire) nivel deformaţie forţă, presiune, cuplu altitudine Viteză viteză liniară viteză unghiulară debit Forţă efort unitar greutate acceleraţie cuplu presiune vâscozitate Elemente sensibile tipice rezistive inductive fotoelectrice electrodinamice (de inducţie, selsine, inductosyne) electrodinamice (de inducţie) fotoelectrice termorezistive termistoare rezistive inductive capacitive piezorezistive magnetorezistive Temperatură temperatură termorezistenţe căldură termistoare conductibilitate termică termocupluri Masă debit de masă complexe (dilatare + Concentraţie densitate componente din amestec de gaze ioni de hidrogen în soluţii Radiaţie umiditate luminoasă termică nucleară deplasare) idem forţă termorezistive electrochimice conductometrice fotoelectrice detectoare în infraroşu elemente sensibile bazate pe ionizare Prof. dr. ing. Valer DOLGA 21

Mărimea fizică de Efect utilizat Mărime de ieşire măsurat Termoelectricitate Tensiune Temperatura Piroelectricitate Sarcina Flux de radiaţie optică Fotoemisie Curent Efect fotovoltaic Tensiune Efect fotoelectric Tensiune Forţă (dinamic) Piezoelectricitate Sarcină electrică Presiune Piezoelectricitate Sarcină electrică Acceleraţie Piezoelectricitate Sarcină electrică Viteză Inducţie electromagnetică Tensiune Poziţie (magnet) Efect Hall Tensiune Comportareaîntimpa mărimii fizice de măsurat poate fi: constantă variabilă: - staţionar - periodic -- sinusoidal -- nesinusoidal - neperiodic (aleatoare) - nestationar Prof. dr. ing. Valer DOLGA 22

În cazul mărimilor staţionare se pot măsura: o valoare instantanee; ansamblul valorilor instantanee într-un interval de timp dat sau un parametru global: valoarea medie, valoarea efectivă, valoare de vârf. X med X Valoarea medie: ef = = t 2 t 1 t 2 1 t t 2 t 1 2 1 2 1 t t 1 x( t) dt Valoarea efectiva: x Valoarea de virf X m = ( t) dt maxt x( t) 1... t2 Prof. dr. ing. Valer DOLGA 23

În cazul mărimilor nestaţionare se pot măsura de asemenea: o valoare instantanee la un moment dat; valori instantanee la anumite momente de timp (sau într-un interval de timp dat); o valoarea medie pe un interval de timp dat Un semnal care la rândul său se poate reprezenta în funcţie: de timp de frecvenţă. Prof. dr. ing. Valer DOLGA 24

Etape in dezvoltarea elementelor senzoriale Patru etape în exploaterea elementelor senzoriale: Sistemul iniţial (rudimentar) - cunoaşte încǎ o largǎ rǎspîndire. Eroarea ε rezultatǎ din prelucrarea semnalului de comandǎ şi semnalul senzorului va fi prelucrat de sistemul de reglare. U(t) ε Semnal traductor Sistemul dezvoltat - cu includere de elemente de condiţionare şi transmitere a semnalelor. Senzorului îi sunt asociate elemente de condiţionarea semnalului şi de transmisie pentru a putea fi recepţionat şi utilizat la distanţǎ. Senzori inteligenţi - asocierea unui procesor cu elementul sensorial. Sisteme senzoriale cu procesor dedicat - o formǎ dezvoltatǎ a senzorilor inteligenţi cu procesor de semnal dedicat. Prof. dr. ing. Valer DOLGA 25

Cerinte pentru parametrii elementelor senzoriale Condiţii necesare privind caracteristicile şi parametrii senzorilor : să admită suprasarcină de durată; să fie amplasate aproape de locurile de măsurare; să asigure o intensitate bună a semnalului primar; să execute prelucrarea primară a informaţiilor; să posede o construcţie rigidă, rezistentă la şocuri şi protejată contra acţiunilor nefavorabile ale mediului înconjurător; să fie proiectate în construcţie modulară; să admită înglobarea şi montarea uşoară, comodă în subansamblurile RI şi a echipamentelor periferice; să asigure decuplarea influenţelor parazite. Prof. dr. ing. Valer DOLGA 26

Senzori inteligenti Avantajele senzorilor inteligenti: metrologice (preciziie ridicatǎ); funcţionale (autostare, autocalibrare, interoperabilitate); economice (reduceri de stocuri şi timp de etalonare şi calibrare, fiabilitate crescutǎ etc.) AMPLIFICATOR MICROCONTROLER CONVERTOR A / N SENZOR Se remarcǎ: prezenţa elementului de calcul cǎruia îi este asociatǎ o memorie minimǎ necesarǎ; circuitele de condiţioare ale semnalului constituie separat sub formǎ clasicǎ; structura sistemicǎ dispune de o interfaţǎ pentru conectarea în reţeaua senzorialǎ. Prof. dr. ing. Valer DOLGA 27

Senzori inteligenti Autotestare Autotestare / autosupraveghere, prin semnale proprii de autotest: depistarea eventualelor defecte sau stări care să favorizeze defectarea; este recunoscută eventuala prezenţă a unor perturbaţii şi anihilată acţiunea ei; este detectată intervenţia unor perturbaţii noi în procesul de măsurare; dacă este asigurată redundanţa - elementul parazitat se poate autodecupla din schemă; gestiune a modului de funcţionare - o evidenţă stocată pe un suport propriu sau extern de memorie nevolatilă: numǎrul de identificare a elementului senzorial, data punerii în funcţiune datele de întreţinere programatǎ caracteristicile metrologice şi de funcţionare (neliniaritate, histerezǎ, sensibilitate, dependenţǎ faţǎ de temperaturǎ, ecuaţia de corecţie în funcţie de datele transmise etc.). Prof. dr. ing. Valer DOLGA 28

Senzori inteligenti Autocalibrare Calibrarea clasicǎ -o seriede acţiuni practice prin care se urmǎreşte: Definirea mai mult sau mai puţin explicit a valoarii minime şi maximea domeniului de mǎsurare; Efectuarea unui numar de cicluri în sens crescǎtor şi descrescǎtor a mǎrimii mǎsurate; Notarea valorilor rezultate şi verificarea repetabilitǎţii mǎsurǎtorilor. Calibrarea senzorilor inteligenţi respectǎ algoritmul: Definirea unei relaţii bijective între ansamblul valorilor mǎsurandului şi valorile semnalului furnizat, asociate unui sistem de unitǎţide mǎsurǎ; Definirea limitelor domeniului de mǎsurare; Definirea acţiunilor care se impun în cazul în care intervalul de mǎsurare este depǎşit; Definirea şi activarea relaţiei care caracterizeazǎ relaţia între mǎsurǎ şi mǎsurand; Validarea calibrǎrii senzorului. Prof. dr. ing. Valer DOLGA 29

Senzori inteligenti Interoperabilitate Interoperabilitatea senzorilor inteligenţi = schimb de informaţii între senzori diferiţi, funcţie denumită interoperabilitatea senzorilor inteligenţi. comunicarea între senzori aflaţi în locuri diferite în scopul obţinerii unor date care să permită funcţionarea optimă. stabilirea acţiunilor urmǎtoare, a unor decizii care se impun; estimarea valorilor din proces Pentru a fi eficace, trebuie îndeplinite o serie de condiţii: serviciul executat ca răspuns să fie exact cel cerut; existenţa unor reguli de intercomunicare senzorială, a unor norme, pentru a realiza o comunicare unitară, şi nu haotică; crearea şi utilizarea unui limbaj de interoperabilitate senzorială, care să permită comunicări între sistem senzoriale destinate unor mărimi diferite; definirea unor modele corespunzătoare pentru astfel de sisteme senzoriale. Prof. dr. ing. Valer DOLGA 30

Senzori inteligenti Credibilitatea informatiei Credibilitatea senzorială se obţine prin: Validarea informaţiei transmise; Testare, diagnoză, istoric a operaţiei de măsurare, sistem şimediu. Autodiagnosticare Autosupraveghere Autoadaptare Asistarea mentenanţei Comanda la distanţă Măsurarea mărimilor de influenţă Credibilitatea afectata de: VALIDARE TEHNOLOGICĂ CREDIBILITATE SENZORIALĂ Defecte proprii ale senzorului: deteriorări, modificări ale caracteristicilor. Defecte datorate circuitelor electrice şi electronice ataşate Defecte colaterale datorate operaţiei de măsurare: depăsiri ale domeniului de măsurare, factori perturbatori etc. Erori de transmitere a informaţiei. Prof. dr. ing. Valer DOLGA 31

Senzori inteligenti Configurare Funcţia de configurare - adaptarea senzorului la condiţiile impuse de regimul de exploatare ales. Configurare tehnologicǎ - rezultatul ansamblului de acţiuni care vizeazǎ integrarea senzorului inteligent în mediul de lucru; Configurarea funcţionalǎ - rezultatul unor acţiuni care vizeazǎ operaţia de conversie a informaţiei primare şi comunicarea realizatǎ de sensor cu restul sistemului; Configurarea operaţionalǎ - acţiunile care vizeazǎ dedicarea senzorului pentru o aplicaţie specificǎ. Schimbul de informaţie - prin intermediul interfeţei senzoriale este posibil datorită a trei coduri: Domeniul nume (name space)- necesar pentru înţelegerea semnificaţiei valorilor transmise; Domeniul timp (time space) serveşte pentru definirea momentului de existenţă a unui eveniment în comunicaţie; Domeniul valoare (value domain) asigură schema de codificare a valorilor de transmis. Prof. dr. ing. Valer DOLGA 32