|
|
|
Elemente de senzoristica
Masurarea unei marimi presupune in primul rand detectarea sa.
Elementele sensibile care
detecteaza marimea de masurat sunt denumite senzori.
Senzorul este elementul sensibil cu rolul de a sesiza marimea de
masurat aplicata la intrarea sa, x(t) si de a converti intr-o
alta marime fizica, de aceeasi natura sau de
natura diferita,y
(t), care poate fi usor masurata, cel mai
frecvent pe cale electrica.
Conversia. marimii de intrare in marime de iesire la senzori se bazeaza pe efecte fizice sau chimice.
Senzorii care servesc numai la detectarea prezentei unei marimi constituie o categorie aparte si se numesc detectori (detectori de proximitate, detectori de radiatii ionizante etc.).
Ansamblul format din elementul sensibil (senzorul) si elementele de adaptare si prelucrare (conditionarea semnalelor) se numeste traductor (figura 1). In unele lucrari de specialitate nu se face o distinctie clara intre senzor si traductor.
Figura 2.1: Schema functionala a unui traductor.
Traductorul poate avea in structura sa mai multi senzori, capabili sa efectueze conversia marimii de masurat intr-o marime electrica, indirect, prin mai multe etape intermediare, pana la obtinerea marimii de iesire finale y(t).
Ansamblul format dintr-un senzor integrat in acelasi circuit (chip) cu elementul de adaptare poarta numele de traductor 'integrat'. Recent a aparut conceptul de senzor sau traductor "inteligent' care prezinta asocierea unui traductor cu un microprocesor (microcontroler). Astfel se pot obtine semnale de iesire cu mare imunitate la perturbatii, liniarizarea caracteristicii de conversie a marimii de intrare x(t) in marime de iesire y(t), autocalibrare, corectii fata de diversi factori de influenta, generarea unor marimi de control. Traductoarele inteligente s-au dezvoltat rapid ca elemente componente principale ale sistemelor automate, de masura, monitorizare si control, precum si in domeniul domoticii.
Varietatea senzorilor este foarte mare deoarece, pe de o parte, asa cum le va vedea mai jos, exista un numar considerabil de marimi de masurat, iar pe de alta parte, pentru fiecare marime de masurat pot exista diferite metode de masura, in functie de fenomenul care sta la baza conversiei. Din multitudinea de senzori se remarca amploarea considerabila a utilizarii senzori lor electrici. Luand in considerare principiul de lucru si respectiv tipul de energie care se transforma in energie electrica, avem urmatoarele tipuri de senzori:
1. Senzori de radiatie: transforma energia radianta in energie electrica, respectiv semnalul radiant in semnal electric. Ca semnale radiante avem: intensitatea luminoasa, lungimea de unda, polarizarea, faza, reflectanta, transmitanta, activitatea radioactiva.
2. Senzori mecanici: transforma energia mecanica in energie electrica, respectiv semnalul mecanic in semnal electric. Ca semnale mecanice putem avea: forta, presiune, torsiune, nivel de vid, viteza de curgere, debit, volum, grosime, nivel, pozitie, deplasare, viteza, acceleratie, rotatie, lungime de unda acustica, amplitudine de vibratie.
3. Senzori termici: transforma energia termica in energie electrica, respectiv semnalul termic in cel electric. Ca semnale termice putem avea: temperatura, caldura, entropia. caldura specifica, entropia, fluxul de caldura.
4. Senzori magnetici: transforma energia magnetica in energie electrica respectiv semnalul magnetic in semnal electric. Ca semnale magnetice putem avea: intensitatea campului magnetic, inductia campului magnetic, permeabilitatea magnetica, magnetizarea.
5. Senzori chimici: transforma semnalul (energia) chimica in semnal (energie) electric. Ca exemple de semnal chimic putem avea: compozitia. concentratia. viteza de reactie, toxicitatea. potentialul de oxidare-reducere.
Conversia de energic si respectiv semnal prezentata mai sus se poate rezuma in schema de mai jos:
Fig. 2.2: Tranformarile semnalelor neelectrice in semnale electrice
Din figura 2.2 se remarca faptul ca un semnal neelectric poate fi convertit direct in semnal electric sau poate suferi mai multe conversii de tip neelectric inainte de a fi transformat in semnal electric. Ca un exemplu de conversii multiple se prezinta mai sus cu linie punctata transformarea semnalului mecanic in semnal termic care apoi este transformat in semnal electric. Pe acest principiu functioneaza anemometrul cu fir de platina folosit la masurarea debitului de fluide (gaz, lichide), care este un semnal de tip mecanic (cm³/min. , kg/min). In curgerea sa fluidul intalneste un fir incalzit (rezistenta electrica de platina). Datorita fluidului firul se raceste si atunci isi scade rezistenta electrica. Aceasta variatie de rezistenta este apoi sesizata ca o variatie de tensiune (la alimentarea in curent constant) sau curent (la alimentarea rezistentei in tensiune constant). Deci semnalul mecanic (debit) a produs mai intai o modificare de temperatura (semnal termic) si aceasta din nou a produs o modificare de tensiune sau curent (in functie de modul de alimentare al anemometrului), deci a fost convertita in semnal electric.
Trebuie sa mentionam ca o anumita marime neelectrica poate fi detectata cu ajutorul mai multor tipuri de senzori. De exemplu deplasarea poate fi convertita in variatie de rezistenta, de inductanta, de capacitate electrica etc.
Toti senzorii de mai sus se numesc senzori electrici, datorita conversiei semnalului neelectric in semnal electric. Noi ne vom ocupa cu studiul senzorilor electrici datorita avantajelor semnalelor electrice:
1. Semnalele electrice sunt foarte sensibile la variatia semnalului ne-electric corespunzator (cel care le-a generat prin efectul de senzor).
2. Masurarea semnalelor electrice provenite de la sursa necesita puteri electrice mici datorita curentilor mici de utilizare (impedante de intrare foarte mari) in amplificatoarele operationale ale instrumentelor folosite.
3. Semnalele electrice (aferente unor fenomene fizice care variaza foarte rapid in timp) care se modifica foarte repede in timp pot fi usor masurate cu circuitele electronice care pot efectua mii de masuratori pe secunda.
4. Semnalele electrice primite de la senzori pot fi transmise cu mare viteza la mare departare (telemetrie) unde pot fi procesate ori stocate de calculatoare.
5. Semnalele electrice primite de la senzori sunt procesate in circuite integrate de o complexitate din ce in ce mai mare (sisteme integrate) realizate monolitic care au siguranta in functionare inegalabila de catre circuitele traditionale cu conexiuni prin fire.
6. Semnalele electrice ofera o mare varietate de metode de masura. De exemplu o tensiune electrica poate fi masurata prin intermediul unei frecvente.
Din punct de vedere al energiei, indispensabila desfasurarii procesului de masurare, senzorii se pot clasifica in:
Senzori activi (generatori);
Senzori pasivi (parametrici);
Senzorii activi
efectueaza transformarea directa a energiei marimii de
masurat,intr-o energie asociata marimii de iesire, de
regula o marime electrica. Pentru a nu se perturba marimea
de masurat si a nu afecta exactitatea masurarii, este
necesar ca energia necesari formarii semnalului de iesire y
(t) preluata chiar de la fenomenul studiat, sa fie
suficient de mica.
Senzorii activi furnizeaza un semnal electric, de obicei o tensiune electrica. In consecinta, acesti senzori sunt intalniti in literatura de specialitate si sub denumirea de senzori generatori sau senzori energetici.
Exemple de senzori generatori sau energetici sunt: senzori termoelectrici, senzori de inductie la care marimea de intrare este transformata direct intr-o tensiune electrica.
Marele avantaj pe care il prezinta acesti senzori, consta in posibilitatea de masurare directa a marimii de iesire cu un mijloc electric,de masurare.
Senzorii pasivi (parametrici) sunt destinati masurarii unor marimi, care nu permit eliberarea energiei de masurare. Senzorii pasivi prezinta, ca marime de iesire, o impedanta electrica sau componente ale acesteia:rezistenta, capacitate, inductanta.
Senzorii pasivi se mai numesc si senzori parametrici sau modulatori. Pentru formarea semnalului de iesire, in cazul senzorilor parametrici, este necesara folosirea unei surse auxiliare de energie. Ansamblul senzor pasiv - sursa de alimentare creeaza semnalul electric, ai carui parametri (amplitudine, frecventa) sunt dependenti de caracteristicile marimii de masurat. Exemple de senzori parametrici sunt: termorezistentele, fotorezistentele, traductorii capacitivi si inductivi de deplasare etc .
Alte criterii de clasificare ale senzorilor si traductoarelor se fac in functie de:
natura marimii de intrare;
natura marimii de iesire (in tensiune, curent, frecventa etc.);
modul de variatie al marimii de iesire (senzori analogici, digitali).
