Sensory w systemach wbudowanych

Transkrypt

1 Sensory w systemach wbudowanych Charakterystyki współczesnych czujników dr inż. Wojciech Maziarz Wydział IET, Katedra Elektroniki C-1, p.301, tel Kontakt: Wojciech.Maziarz@agh.edu.pl 1

2 Czujnik a system pomiarowy czujnik Obwód kondycjonowania Urządzenie końcowe (np. wyświetlacz) czujnik LUB Obwód przesyłania informacji Układ manipulacji na danych Układ konwersji danych 2

3 Czujnik zintegrowany Czujnik Układy kondycjonujące A/C (mux) zmiana na postać cyfrową wzmacnianie, linearyzacja, filtrowanie, Komunikacja SPI, I 2 C, Ethernet, VAN, CAN itd. itp. 3

4 Czujnik inteligentny Czujnik Układy kondycjonujące Dodatkowe funkcje: autokalibracja, samotestowanie, sygnalizacja uszkodzeń. uc (A/C, mux, przetwarzanie sygnału, komunikacja, RAM, ROM) MEMS 4

5 Klasyfikacja czujników Kryterium: Rodzaj sygnału wyjściowego parametryczne (bierne) sygnał wyjściowy jest parametrem elektrycznym związanym ze zmianą wielkości mierzonej np. fotoelektryczne pojemnościowe rezystancyjne generacyjne (czynne) wytwarzana jest energia związana z działaniem wielkości mierzonej np. fotowoltaiczne termoelektryczne piezoelektryczne 5

6 Przetwarzanie energii w czujnikach ENERGIA RADIACYJNA ENERGIA CHEMICZNA ENERGIA MECHANICZNA ENERGIA MAGNETYCZNA ENERGIA TERMICZNA SYGNAŁ ELEKTRYCZNY Energia biologiczna Rodzaje energii przetwarzane w czujniku na sygnał elektryczny 6

7 Przetwarzanie energii w czujnikach Wielkość mierzona Chemiczna (związki: elementy, koncentracje, stany) Akustyczna (amplituda fali, faza, polaryzacja, widmo, prędkość) Biologiczna (biomasa: elementy, koncentracje, stany) Elektryczna (ładunek, natężenie prądu, potencjał, napięcie, pole elektryczne, przewodnictwo, przenikalność) Optyczna (amplituda fali, faza, polaryzacja, widmo, prędkość) Magnetyczna (pole magnetyczne: amplituda, faza, polaryzacja, strumień magnetyczny, przenikalność magnetyczna) Mechaniczna (położenie: liniowe lub kątowe, prędkość, przyspieszenie, siła, naprężenie, ciśnienie, odkształcenie, masa, gęstość, moment siły, przepływ, szybkość transportu masy, nierówności powierzchni, orientacja, sztywność, lepkość) Radiacyjna (rodzaj, energia, natężenie) Termiczna (temperatura, strumień ciepła, ciepło właściwe, przewodnictwo termiczne) R. M. White, A sensor classification scheme, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelec. Freq. Contr., UFFC-34, (1987):

8 Technologiczne aspekty czujników Czułość Zakres pomiarowy Stabilność (krótko- i długoterminowa) Rozdzielczość Selektywność Szybkość odpowiedzi Dopuszczalne warunki środowiskowe Dopuszczalne wartości graniczne Czas życia Postać sygnału wyjściowego Cena, rozmiar, waga itd. R. M. White, A sensor classification scheme, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelec. Freq. Contr., UFFC-34, (1987):

9 Miejsce czujnika w procesie pomiaru X WIELKOŚĆ MIERZONA CZUJNIK UKŁAD POŚREDNICZĄCY (W ZM., TRANS., IMP., PRZETWORNIKI A/C) UKŁAD WSKAZ.- REJESTR. Y OBRÓBKA DANYCH ZASILANIE Czujnik (sensor) - blok funkcjonalny (element), odwzorowujący w sposób jednoznaczny wartość wielkości fizycznej jednego rodzaju na sygnał fizyczny innego rodzaju. Inne określenia: przetwornik, detektor, próbnik, sonda 9

10 Funkcja przetwarzania czujnika Funkcje monotoniczne f(x) f(x) f. ściśle rosnąca f. rosnąca x x Funkcja rosnąca nie odwzorowuje w sposób jednoznaczny! 10

11 Blok funkcjonalny czujnika x y = f (x ) Blok funkcjonalny czujnika Czujnik z pojedynczym przetwarzaniem Czujnik rzeczywisty realizuje funkcję: y x y f(x) - funkcja ciągła i ściśle monotoniczna y f ( x ) 1( x ) 2( z ) 1 ( x ) - wpływ nie przewidziany przez producenta 2 ( z ) - wpływ zakłóceń 11

12 Funkcja przetwarzania f(x) - przykład Źródło: Infineon, KP125 Absolute Pressure Sensor, Datasheet rev

13 Blok funkcjonalny czujnika x 1 x 2 x 2 = f 1 (x 1 ) y = f 2 (x 2 ) y Sygnał elektryczny y = f (x 1 ) x 1 1 x 2 2 y Czujnik z podwójnym przetwarzaniem Przykład : czujnik światłowodowy 13

14 Wpływ zakłóceń na czujnik - przykłady Rezystancyjny czujnik tensometryczny (ang. strain gauge) R = R+ DR DR pochodzi od: - zmian R na skutek naprężeń (sygnał pożądany) - zmian R na skutek zmian temperatury (sygnał zakłócający) Termistor sygnał wyjściowy: rezystancja R Sygnał pożądany: zmiana R pod wpływem temperatury Zakłócenia: zmiana R pod pływem światła, naprężeń 14

15 Wpływ zakłóceń metoda eliminacji x 1 x 2 x 3.. x n y = f (x) x = {x 1, x 2,..., x n } y = {y 1, y 2,..., y m } f = {f 1, f 2,..., f m } x y m n y 1 y 2 y m Wpływ zakłóceń można ograniczyć wieloparametrową metodą pomiaru Aby wyznaczyć x 1 rozwiązuje się układ równań: y 1 = f 1 (x 1...x n ) y 2 = f 2 (x 1...x n ).. y m = f m (x 1...x n ) W praktyce trudności związane są bardziej z identyfikacją funkcji przetwarzania f m niż z wektorem zakłóceń x. Rozwój techniki mikroprocesorowej sprzyja pomiarom wieloparametrowym w miejsce eliminowania wpływu parametrów w czujniku. 15

16 Wpływ temperatury i wilgotności przykład Charakterystyki czujnika gazów palnych TGS 813 firmy Figarosensor Inc. 16

17 Czujniki inteligentne Smart Sensor Istotne cechy czujnika inteligentnego: Czujnik Analogowy układ pomiarowy A / C P integracja z układem pomiarowym samotestowanie charakterystyka kształtowana cyfrowo wieloparametrowa kompensacja zakłóceń sygnał wyjściowy w standardzie Interfejs Szyna komunikacyjna czujnika 17

18 Bloki funkcjonalne czujnika zintegrowanego/ inteligentnego - przykład OBD On Board Diagnostics Źródło: Infineon, KP125 Absolute Pressure Sensor, Datasheet rev

19 Statyczne charakterystyki czujników Określają działanie czujnika w normalnych warunkach otoczenia: - dla niezmiennej wielkości wejściowej lub - przy bardzo powolnych zmianach wielkości wejściowej. Istotne zagadnienia: kalibracji histerezy powtarzalności/precyzji liniowości czułości rozdzielczości selektywności progu działania dryfu, dryfu zera impedancji wejściowej, wpływu obciążenia 19

20 Statyczne charakterystyki czujników Zakresy sygnału Omax Zakres sygnału wejściowego: Imax - Imin Zakres sygnału wyjściowego: Omax - Omin ZERO Omin Imin Imax 20

21 Statyczne charakterystyki czujników Zakres pomiarowy, zero Zakres pomiarowy: przedział mierzonej wielkości wyjściowej Omax - Omin Zero: Poziom sygnału na wyjściu przy zerowym sygnale wejściowym 21

22 Statyczne charakterystyki czujników Dokładność, błąd charakterystyki 2 DY Zakres błędu określenia wielkości związany z konkretnym wykonaniem czujnika Pasma błędu określane ze statystyki (f. gęstości) 22

23 Statyczne charakterystyki czujników Kalibracja y wartości zmierzone wartości znane z góry x Przyrząd jest kalibrowany w określonej ilości punktów poprzez zadanie znanych wartości sygnału na wejściu i zmierzenie odpowiedzi wyjściowej układu 23

24 Statyczne charakterystyki czujników Histereza y Z P D - Maksymalna różnica na wyjściu przy określonym sygnale wejściowym. [ % PZP ( FSO-ang. ) ] D FSO Full Scale Output PZP Pełny Zakres Pomiarowy x 24

25 Statyczne charakterystyki czujników Powtarzalność charakterystyki y Cykl 1 Cykl 2 D D - Maksymalna różnica odczytów dla tego samego kierunku [ % PZP ] Zdolność czujnika do wskazywania takiej samej wielkości wyjściowej w identycznych warunkach. Lepszą miarę uzyskuje się dla dużej ilości cykli x 25

26 Statyczne charakterystyki czujników y Czułość a b dy S x dx x X D y D x a D x b x Dla dużej czułości błąd pomiaru Dx wielkości X przy danym błędzie Dy może być pomijalnie mały. Odwrotność czułości C x = 1/S x nazywana jest stałą przyrządu. 26

27 Statyczne charakterystyki czujników Liniowość charakterystyki y PZP Miara zbliżenia charakterystyki rzeczywistej do określonej linii prostej y =ax+b Charakterystykę można kształtować po stronie cyfrowej (przy przetwarzaniu cyfrowym). x 27

28 Statyczne charakterystyki czujników Offset i dryf sygnału Offset (bias) sygnału: przesunięcie między sygnałem mierzonym a rzeczywistym (po kompensacjach) Przykład: R czujnika TGS 813 dla 1000 ppm CH 4 w powietrzu: 5-15kW Dryf: Szybkość zmiany wyjścia w czasie (nie związana z wielkością wejściową) 28

29 Statyczne charakterystyki czujników Rozdzielczość y D Najmniejsza wykrywalna zmiana sygnału na wejściu, która może być wykryta na wyjściu. Wielkość stała dla czujnika. x Jest to wielkość skokowej zmiany na wyjściu w % PZP przy ciągłej zmianie wielkości wejściowej. 29

30 Statyczne charakterystyki czujników Próg y D Próg x Jest to zmiana wielkości wejściowej niezbędna do uzyskania zauważalnej zmiany wielkości wyjściowej. 30

31 Statyczne charakterystyki czujników Istotne zagadnienia: wpływ impedancji wejściowej Z we wpływ obciążenia Z 0, wpływ przewodów połączeniowych Z k dopasowanie impedancji czujnika do obwodu pomiarowego zależne od typu czujnika, rodzaju wielkości wyjściowej itd. Pożądana duża Zwe zmniejszenie wpływu obciążenia na źródło sygnału wejściowego separacja układu wzmacniającego od źródła Umożliwiają to odpowiednie układy kondycjonowania sygnału: wtórniki napięcia, wzm. pomiarowe (instrumentation amplifier itp.) 31

32 Charakterystyki czujnika - przykład Źródło: Infineon, KP125 Absolute Pressure Sensor, Datasheet rev

33 Pobudzenie skokiem jednostkowym Czas odpowiedzi Czas stabilizacji odpowiedzi 33