Technika sensorowa. Wiadomości wstępne, charakterystyki czujników. dr inż. Wojciech Maziarz Katedra Elektroniki C-1, p.301, tel.

Transkrypt

1 Technika sensorowa Wiadomości wstępne, charakterystyki czujników dr inż. Wojciech Maziarz Katedra Elektroniki C-1, p.301, tel

2 Literatura, źródła S.M. Sze, Semiconductor Sensors, John Wiley & Sons, Inc., 1994 J.W. Gardner, V.K. Varadan, O.O. Awadelkarim, Microsensors, MEMS and Smart Devices, John Wiley & Sons, LTD, 2001 W. Göpel, J. Hesse, J.N. Zemel, Sensors A Comprehensive Survey, VCH Verlagsgesellschaft mbh, 1989 T. Pisarkiewicz, Mikrosensory gazów, Wydawnictwa AGH, Kraków 2007 Wybrane sensory gazów. Przewodnik multimedialny: Materiały na stronie www laboratorium: 2

3 Organizacja zajęć Wykład - 30 h Laboratorium - 30 h prowadzący zajęcia: dr inż. Andrzej Brudnik dr inż. Wojciech Maziarz 3

4 Wykłady - terminy Wykład Temat Data 1 Zajęcia organizacyjne, wiadomości wstępne (definicje, charakterystyki, parametry, przykłady czujników itp) Kondycjonowanie sygnału sensorowego, interfejsy czujnikowe Czujniki wielkości mechanicznych Czujniki piezorezystancyjne Czujniki mikromechaniczne Czujniki płynów (przepływu, poziomu) Czujniki wilgotności Czujniki gazów Czujniki temperatury Czujniki optyczne Czujniki magnetyczne Bioczujniki

5 Laboratorium Strona www: Login: Hasło: (np. dostęp do dodatkowych materiałów) 5

6 Laboratorium - terminy Laborat orium Temat Data 1 Sprawdzian nr 1: 2 ćwiczenia z 1 serii Sala H-24, 7:45 rano! 2 Pierwsze ćwiczenie z 1 serii Drugie ćwiczenie z 1 serii Sprawdzian nr 2: 2 ćwiczenia z 2 serii Sala H-24, 7:45 rano! 5 Pierwsze ćwiczenie z 2 serii Drugie ćwiczenie z 2 serii Odrabianie zajęć Strona www: Potrzebna lista studentów! 6

7 Czujnik - definicja Sensor (czujnik) - urządzenie, które odpowiada na fizyczny lub chemiczny czynnik pobudzający (np. ciepło, światło, dźwięk, ciśnienie, pole magnetyczne) i przekazuje wynikający z tego oddziaływania sygnał. Sygnał ten może być zmierzony lub użyty do sterowania. Sensor odbiera sygnał wejściowy i zamienia go na sygnał wyjściowy, przetwarza jeden rodzaj energii w drugi. Przykłady: czujnik rezystancyjny, optyczny, fizyczny, chemiczny, bioczujnik itd. 7

8 Transducer - definicje Transducer (łac. transducere) - urządzenie, które przekazuje energię z jednego układu do drugiego w tej samej lub innej formie. Urządzenie, które przekształca wielkość fizyczną w wielkość elektryczną. Urządzenie, którego zasadą pomiaru jest przekształcenie wielkość fizycznej w elektryczną, a relacje między jego we/wy oraz wy/we są przewidywalne z określoną dokładnością w określonych warunkach środowiskowych. Przykłady: termopara, tr. piezo-elektryczny, magnetostrykcyjny, pojemnościowy, indukcyjny, LDR (Light Dependent Resistor), LVDT (Linear Variable Differential Transformer) 8

9 Sensor czy Transducer? Oba określenie używane często synonimicznie, ale Każdy czujnik jest transducerem (przetwornikiem) ale Nie każdy transducer jest czujnikiem 9

10 Czujnik a system pomiarowy czujnik Obwód kondycjonowania Urządzenie końcowe (np. wyświetlacz) LUB czujnik Obwód przesyłania informacji Układ manipulacji na danych Układ konwersji danych 10

11 Klasyfikacja czujników Kryterium 1: 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 11

12 Klasyfikacja czujników Kryterium 2: Stosowana technika wytwarzania technika konwencjonalna grubowarstwowa półprzewodnikowa i cienkowarstwowa mikromechaniczna światłowodowa biotechnologie inne 12

13 Klasyfikacja czujników Kryterium 3: Stosowane materiały Nieorganiczne Organiczne Przewodniki Izolatory Półprzewodniki Ciekłe, gazowe, plazma Substancje biologiczne Inne 13

14 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 14

15 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):

16 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):

17 Zastosowania czujników Ilość produkowanych sensorów i ich różnorodność ciągle rosną. rolnictwo budownictwo, inżynieria środowiska procesy przemysłowe zapewnienie jakości w produkcji (miernictwo) motoryzacja, transport lotnictwo i przestrzeń kosmiczna medycyna i ochrona zdrowia ochrona środowiska, meteorologia elektronika osobista telekomunikacja, informatyka urządzenia domowe, przetwarzanie/odzysk energii gospodarka morska przestrzeń kosmiczna, badania naukowe 17

18 Wymagania odnośnie współczesnych sensorów: niska cena odporność na uszkodzenia odporność na zakłócenia (EMC) małe rozmiary niezawodność możliwość produkcji wielkoseryjnej Wymagania te spełniają technologie: mikromechanika + mikroelektronika Wytwarza się tzw. struktury MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) 18

19 Rynek MEMS dla motoryzacji (WTC report, 2007) Obroty na rynku akcelerometrów MEMS do poduszek powietrznych w mln dol. i mln sztuk (Frost & Sullivan) 19

20 Firmy wytwarzające układy MEMS ranking 2006 (wg WTC Wicht Technologie Consulting) Źródło: 20

21 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 21

22 Funkcja przetwarzania czujnika Funkcje monotoniczne f(x) f(x) f. ściśle rosnąca f. rosnąca x x Funkcja rosnąca nie odwzorowuje w sposób jednoznaczny! 22

23 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 23

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

25 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 25

26 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 26

27 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. 27

28 Wpływ temperatury i wilgotności przykład Charakterystyki czujnika gazów palnych TGS 813 firmy Figarosensor Inc. 28

29 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 29

30 Bloki funkcjonalne czujnika - przykład OBD On Board Diagnostics Źródło: Infineon, KP125 Absolute Pressure Sensor, Datasheet rev

31 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 31

32 Statyczne charakterystyki czujników Zakresy sygnału Omax Zakres sygnału wejściowego: Imax - Imin Zakres sygnału wyjściowego: Omax - Omin ZERO Omin Imin Imax 32

33 Statyczne charakterystyki czujników Zakres pomiarowy, zero Zakres pomiarowy: przedział mierzonej wielkości wyjściowej Omax - Omin Zero: Poziom sygnału na wyjściu przy zerowym sygnale wejściowym 33

34 Statyczne charakterystyki czujników Dokładność, błąd charakterystyki 2 DY Zakres błędu określenia wielkości związany z konkretnym wykonaniem czujnika Pasma błędu określane ze statystyki (f. gęstości) 34

35 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 35

36 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 36

37 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 37

38 Statyczne charakterystyki czujników Czułość y 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. 38

39 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 39

40 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) 40

41 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. 41

42 Statyczne charakterystyki czujników Próg y D Próg x Jest to zmiana wielkości wejściowej niezbędna do uzyskania zauważalnej zmiany wielkości wyjściowej. 42

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

44 Dynamiczne charakterystyki czujników Jeśli układ przetwarzający składa się z liniowych elementów dyssypacyjnych i akumulacyjnych, to zależność między pobudzeniem x i sygnałem wyjściowym y można zapisać w postaci A 0 y + A 1 y (1) + A 2 y (2) A n y (n) = k (B 0 x + B 1 x (1) + B 2 x (2) +... B m x (m) ) (1) y (1) 1-sza pochodna czasowa k statyczna czułość przetwornika m n Równanie (1) można poddać całkowemu przekształceniu Laplace`a gdzie s = σ + jω F st ( s) L e f ( t) dt f ( t) 0 (2) 44

45 Dynamiczne charakterystyki czujników Całkując (2) przez części łatwo wykazać, że df ( t) L dt sl f ( t) f (0) Poddając równanie (1) przekształceniu Laplace`a i stosując powyższą własność (przy zerowych warunkach początkowych) uzyskuje się transmitancję operatorową czujnika: 2 Y( s) 1 B1s B2s K( s) k 2 X ( s) 1 A s A s B m... A n s s m n W rezultacie od równań różniczkowych przechodzi się do równań algebraicznych. Analiza transmitancji operatorowej jest szczególnie dogodna w przypadku, gdy przetwornik tworzy łańcuch pomiarowy. Odpowiedź y(t) uzyskuje się stosując odwrotne przekształcenie Laplace`a. 45

46 Pobudzenie skokiem jednostkowym x(t) x(t) = 1(t) 1 0 1(t) = 0 dla t < 0 1 dla t t Odpowiedź układu sensorowego zależy od jego rodzaju. Może to np. być układ inercyjny, który składa się z elementów akumulacyjnych jednego rodzaju (akumulujących energię kinetyczną lub potencjalną) oraz elementów dyssypacyjnych. 46

47 Pobudzenie skokiem jednostkowym Czas odpowiedzi Czas stabilizacji odpowiedzi 47

48 Przykład przetwornika inercyjnego Termometr rezystancyjny wstawiony do cieczy o wyższej temperaturze Analog elektryczny L{1(t)} = X(s) = 1/s 1 k 1 Y( s) K( s) s 1 s s element inercyjny I-go rzędu 48

49 49 s s k s ) ( f s s / / s s e / s e s / dt e dt e k s ) / ( f dt ) e k( e dt ) ( t f e s ) ( f )t / s ( st ) / t st ( st / t st st Element inercyjny I-go rzędu, obliczanie transmitancji operatorowej s k s / s ) Y( s ) K( 1 1 A zatem

50 Czasowa odpowiedź elementu inercyjnego I-go rzędu na skok jednostkowy y( t) L t / Y ( s) k(1 e ) 1 y(t) k 0.63k τ - stała czasowa, miara bezwładności sensora; τ t Dla analogu elektrycznego τ = RC y( k( 11/ e) k co oznacza: dla t = τ mamy 63% wartości ustalonej. dla t = 3τ mamy 95% wartości ustalonej. 50

51 Umieszczenie termometru w osłonie powoduje, że staje się on elementem inercyjnym wyższego rzędu y(t) k 95% 90% 63% t 95-95% czas odpowiedzi Δt = t 90 t 10 czas narastania τ = t 63 stała czasowa 10% 0 t 10 t 90 t 95 t Odpowiedź na skok jednostkowy elementu inercyjnego wyższego rzędu 51

52 Odpowiedź układu oscylacyjnego na skok jednostkowy y(t) 1 K pseudooscylacje 2 tłumienie krytyczne 3 tłumienie nadkrytyczne 0 t Przetwornik mający charakter układu oscylacyjnego zawiera elementy akumulacyjne obu rodzajów oraz elementy dyssypacyjne. Analogiem mechanicznym jest tłumione wahadło sprężynowe (sprężyna akumuluje energię potencjalną, masa energię kinetyczną, tarcie energię rozprasza). Analogiem elektrycznym jest obwód RLC. 52

53 R S L y m k S u(t) R C u 1 (t) q = CU 1 (t) = ku 1 (t) F(t) Analog mechaniczny Analog elektryczny y Rs m y 1 mk s y F( t m ) 2 q 2q q LC R 2L 0 2 Cu( t) 0 53

54 0 Transmitancja układu oscylacyjnego 2 2 Mianownik wyrażenia na transmitancję może mieć: 1) Dwa pierwiastki rzeczywiste K( s) s 2 k 2s 0 s 2 2 1,2 0 tłumienie nadkrytyczne 2) Jeden pierwiastek rzeczywisty s 3) Dwa pierwiastki zespolone tłumienie krytyczne s 1,2 j 2 2 t y( t) k 1 e sin( t ) 0 j Po odwrotnym przekształceniu Laplace`a otrzymuje się: drgania tłumione (pseudooscylacje) 54