1 Η ΕΝΟΣΗΣΑ ΕΙΣΑΓΩΓH ΣΤΟΥΣ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ Διδάσκων: Κων/νος Τσίκνας Δρ. Ηλεκτρολόγος Μηχανικός ktsik@teiemt.gr
ΣΊ ΕΊΝΑΙ ΑΙΘΗΣΉΡΕ; Οι αισθητήρας είναι μια διάταξη που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση ενός φυσικού μεγέθους Μετατρέπει το φυσικό μέγεθος σε ηλεκτρικό σήμα Υυσικά μεγέθη: θέση, ταχύτητα, επιτάχυνση, δύναμη, πίεση, θερμοκρασία, κλπ. Ειδικοί αισθητήρες μπορούν να ανιχνεύσουν χημικές ποσότητες, ήχο, ακτινοβολία κλπ. Σο ηλεκτρικό σήμα εξόδου ενός αισθητήρα είναι είτε τάση, είτε ρεύμα 2
ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΣΑ ΑΙΘΗΣΗΡΩΝ Οι αισθητήρες και γενικότερα τα συστήματα μέτρησης και ελέγχου μπορεί να είναι μηχανικές, ηλεκτρικές ή μικτές κατασκευές. Πολλοί αισθητήρες παράγουν ηλεκτρικές εξόδους με αποτέλεσμα μία φυσική ποσότητα να μετριέται μέσω της τιμής μίας αντίστασης, τάσης, ρεύματος ή συχνότητας. Σο θερμίστορ και ο ανιχνευτής μηχανικής τάσης (πίεσης) παράγουν ως έξοδο την αλλαγή μιας ηλεκτρικής αντίστασης. Σο ελατήριο παράγει ως έξοδο την αλλαγή θέσης και έτσι μία βελόνα μπορεί να μετατοπίζεται κατά μήκος μίας κλίμακας, ανάλογα με το βάρος που έχει αναρτηθεί στο ελατήριο. Ο σωλήνας Venturi μετράει τη διαφορά δύο πιέσεων και μπορεί έτσι να μετρηθεί ο ρυθμός ροής ενός υγρού. 3
ΕΥΑΡΜΟΓΕ ΑΙΘΗΣΗΡΩΝ: ΑΙΘΗΣΗΡΕ ΜΈΣΡΗΗ Οι αισθητήρες χρησιμοποιούνται κυρίως σε δύο πεδία: τη συλλογή πληροφορίας (αισθητήρες μέτρησης) και στον έλεγχο συστημάτων (βιομηχανική χρήση) Ενα τυπικό παράδειγμα εφαρμογήσ αιςθητήρων για ςυλλογή πληροφορίασ είναι οι μετρήςεισ διάφορων μεγεθών ςε ζνα χώρο. Οι μετρήςεισ αυτζσ χρηςιμοποιοφνται ςτη λειτουργία ενόσ ςυςτήματοσ ελζγχου των ςυνθηκών ςτο εςωτερικό του χώρου με ςτόχο των άνεςη των ενοίκων, τη λειτουργία ενόσ ςυςτήματοσ ςυναγερμοφ, κλπ. 4
ΕΥΑΡΜΟΓΕ ΑΙΘΗΣΗΡΩΝ: ΕΛΕΓΦΟ ΤΣΗΜΑΣΩΝ Παράδειγμα εφαρμογήσ αιςθητήρα για τον ελζγχο ςυςτημάτων είναι ο τερματικόσ διακόπτησ. Χρηςιμοποιείται ςτη βιομηχανία για για διακόπτει τη λειτουργία του ςερβοκινητήρα όταν ανιχνευθεί επαφή με το αντικείμενο (τερματιςμόσ κορδζλασ). 5
ΚΑΣΗΓΟΡΙΕ ΑΙΘΗΣΉΡΩΝ Ενεργοί (active): Παράγουν ένα ηλεκτρικό σήμα ως απόκριση σε κάποιο ερέθισμα χωρίς να απαιτούν ηλεκτρική ισχύ. Παθητικοί (passive): Προκειμένου να παράγουν το σήμα εξόδου απαιτούν κατανάλωση ενέργειας, η οποία προέρχεται από εξωτερική πηγή. Πιεζοηλεκτρικός (ενεργός) αιαθητήρας μετακίνησης: όταν το υλικό υπόκειται σε κάποιο μηχανικό φορτίο, τότε εμφανίζεται ηλεκτρικό φορτίο, ανάλογης τιμής Παθητικός αισθητήρας θερμοκρασίας με τρανζίστορ και αντίσταση. 6
ΦΑΡΑΚΣΗΡΙΣΙΚΑ ΑΙΘΗΣΗΡΑ: ΤΝΑΡΣΗΗ ΜΕΣΑΥΟΡΑ Η συνάρτηση μεταφοράς (transfer function) ή χαρακτηριστική καμπύλη ενός αισθητήρα είναι η σχέση (συνάρτηση) του ηλεκτρικού σήματος στην έξοδο του αισθητήρα με την τιμή του φυσικού μεγέθους που μετριέται: Ηλεκτρικό σήμα εξόδου = f(φυσικό σήμα εισόδου) Μη γραμμική συνάρτησης μεταφοράς αισθητήρα αισθητήρα Γραμμική συνάρτηση μεταφοράς 7
ΥΑΛΜΑ ΑΙΘΗΣΗΡΑ φάλμα (error): ενός αισθητήρα είναι η διαφορά ανάμεσα στην έξοδο του ασθητήρα και τη μετρούμενη (πραγματική) τιμή. Τπάρχουν δύο βασικές κατηγορίες σφαλμάτων: τα συστηματικά σφάλματα, και τα τυχαία ή στατιστικά σφάλματα. υστηματικά σφάλματα, είναι τα σφάλματα τα οποία επηρεάζουν συστηματικά και με τον ίδιο τρόπο όλες τις μετρήσεις. Σέτοια είναι τα σφάλματα που οφείλονται σε λάθος βαθμονόμηση του αισθητήρα (για παράδειγμα η χρήση ενός θερμομέτρου του οποίου η κλίμακα βαθμονόμησης έχει μετατοπιστεί). Σα συστηματικά σφάλματα τις περισσότερες φορές μπορούν να αναγνωρισθούν και να διορθωθούν κατά την ανάλυση των μετρήσεων. Σα τυχαία σφάλματα επηρεάζουν όλες τις μετρήσεις αλλά με τυχαίο τρόπο και επομένως δεν μπορούν να αφαιρεθούν κατά την επεξεργασία τους. Σα τυχαία σφάλματα οφείλονται σε ατέλειες της πειραματικής διάταξης και στην πεπερασμένη ακρίβεια των μετρητικών οργάνων. 8
ΑΚΡΙΒΕΙΑ ΑΙΘΗΣΉΡΑ Η επιλογή ενός αισθητήρα εξαρτάται από παράγοντες όπως το κόστος, η διαθεσιμότητα καθώς και από περιβαλλοντικούς παράγοντες. Επίσης, όταν επιλέγουμε έναν αισθητήρα είναι σημαντικό τα xαρακτηριστικά του να είναι κατάλληλα για την ποιότητα της εξόδου που απαιτούμε. Ακρίβεια (accuracy): ενός αισθητήρα είναι η διαφορά που παρουσιάζει το σήμα εξόδου του σε σχέση με την πραγματική του τιμή και εκφράζεται ως ποσοστό (%) του εύρους μέτρησης: όπου r: η μετρούμενη (πραγματική) τιμή x: η τιμή εξόδου αισθητήρα (αποτέλεσμα μέτρησης) Πρόβλημα: σε θερμόμετρο ακρίβειας 0.98 ή 98% εάν η μέτρηση είναι 20.5 βαθμούς Κελσίου, τότε μεταξύ ποιών τιμών θα βρίσκεται η πραγματική θερμοκρασία; Απάντηση: Μεταξύ 20,09 και 20,91 βαθμών Κελσίου 9
ΕΤΡΟ ΛΕΙΣΟΤΡΓΙΑ - ΓΡΑΜΜΙΚΟΣΗΣΑ Εύρος λειτουργίας (operating range): όρια στα οποία ένας αισθητήρας ή σύστημα λειτουργεί αξιόπιστα (μέγιστη και ελάχιστη τιμή που μπορεί να μετρήσει). Οι προδιαγραφές περιλαμβάνουν συνήθως και άλλες έννοιες εύρους (π.χ. θερμοκρασίας, πίεσης) Γραμμικότητα (linearity): βαθμός στον οποίο η γραφική παράσταση της εξόδου ως προς την είσοδο ενός αισθητήρα προσεγγίζει μία ευθεία γραμμή. Ένας αισθητήρας μπορεί να είναι γραμμικός σε μία περιοχή τιμών εισόδου και η γραμμικότητα να δίνεται ως ποσοστό επί του εύρους λειτουργίας του. 10
ΛΟΙΠΑ ΦΑΡΑΚΣΗΡΙΣΙΚA ΑΙΘΗΣHΡΩΝ (1) Φρόνος λειτουργίας (operating life): χρονικό διάστημα κατά το οποίο αναμένεται να λειτουργεί ο αισθητήρας στα πλαίσια των προδιαγραφών του (σε μονάδες χρόνου ή αριθμό φορών ή κύκλων λειτουργίας) Ολίσθηση (drift): Υυσική τάση ενός αισθητήρα να μεταβάλλει τα χαρακτηριστικά του με το χρόνο λόγω γήρανσης υλικών και λόγω περιβαλλοντικών μεταβολών (π.χ. μεταβολή θερμοκρασίας). Αποτέλεσμα είναι να εμφανίζεται μεταβολή στην έξοδο, ενώ η είσοδος παραμένει αμετάβλητη. Αξιοπιστία (reliability): ικανότητα της συσκευής να λειτουργήσει στα πλαίσια των προδιαγραφών της, κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες και για μία δεδομένη περίοδο ή αριθμό κύκλων λειτουργίας. υγγενές χαρακτηριστικό με το χρόνο λειτουργίας και την ολίσθηση. Απόκριση (response) ή καθυστέρηση (lag): χρόνος που απαιτείται για να λάβει η έξοδος ενός αισθητήρα ή συστήματος την τελική της τιμή, για μία δεδομένη είσοδο (σε μονάδες χρόνου μόνο ή και με ποσοστό της τελικής τιμής εξόδου, π.χ. απόκριση 95 % = 3 sec, δηλ. 3 sec για να φτάσει η έξοδος στο 95% της τελικής τιμής της). Διακριτική ικανότητα (resolution): αναφέρεται στη μικρότερη αλλαγή εισόδου που μπορεί να ανιχνεύσει (μετρήσει) ένας αισθητήρας (σύστημα). Όσο μεγαλύτερη είναι η διακριτική ικανότητα, τόσο μικρότερο είναι το βήμα που μπορεί να μετρηθεί. 11
ΤΜΠΕΡΑΜΑΣΑ το κεφάλαιο αυτό διενεργήθηκε μία εισαγωγή στους αισθητήρες και στα συστήματα μέτρησης και ελέγχου, καθώς και στη βασική ορολογία και τα χαρακτηριστικά αυτών. Οι αισθητήρες είναι συσκευές σχεδιασμένες να μετρούν διάφορες φυσικές παραμέτρους, ανιχνεύουν ένα σήμα ή μία διέγερση και παράγουν από αυτό μία μετρήσιμη έξοδο. Τπάρχουν δύο πεδία στα οποία χρησιμοποιούνται οι αισθητήρες και η χρήση της τεχνολογίας αισθητήρων στα πεδία αυτά διαφέρει ως προς τον τρόπο αξιοποίησης της πληροφορίας που λαμβάνεται από τους αισθητήρες: συλλογή πληροφορίας (συστήματα μέτρησης) και έλεγχος συστημάτων. Για την επιλογή ενός αισθητήρα είναι απαραίτητο να διερευνηθούν τα χαρακτηριστικά τους, όπως: ακρίβεια, αξιοπιστία, χρόνος απόκρισης, καθυστέρηση, χρόνος λειτουργίας, επαναληψιμότητα, εύρος λειτουργίας, ευαισθησία, κόστος κλπ. 12