Transcript Ing. Erik Vavrinský, PhD.

ZS 2011/2012
1)
Ústav elektroniky a fotoniky
FEI STU, Bratislava
2)
Ústav riadenia a priemyselnej informatiky
FEI STU, Bratislava
1. týždeň
 Prednášajúci:
 prof. RNDr. Vladimír Tvarožek, PhD.
 E313, +421 (2) 60 291 557, [email protected]
 doc. Ing. Ján Šturcel, PhD.
 D515, +421 (2) 60 291 678, [email protected]
 Ing. Erik Vavrinský, PhD.
 E514, +421 (2) 60 291 731, [email protected]
 Ing. Soňa Flickyngerová, PhD.
 E509, +421 (2) 60 291 346, [email protected]
 Cvičiaci:
 Ing. Erik Vavrinský, PhD.
 E514, +421 (2) 60 291 731, [email protected]
 Ing. Miroslav Toman, PhD.
 D512, +421 (2) 60 291 356, [email protected]
 Sylabus
 Meracia a riadiaca technika v automobiloch. Miniaturizácia senzorov: mikroelektronické a
mikromechanické technológie výroby mikrosenzorov.
 Metrologické a prevádzkové vlastnosti snímačov (senzorov).
 Inteligentné ("smart") senzorové systémy.
 Senzory teploty. Senzory mechanických veličín. Chemické senzory plynov.
 Senzorové systémy, meracie kanály pre riadiace a zabezpečovacie systémy automobilov.
 Odporúčaná literatúra
[1] Tvarožek, V.: Senzorika, Pomocné učebné texty,
http://www.kme.elf.stuba.sk/kme/buxus/generate_page.php?page_id=652
[2] Šturcel, J.: Snímače a prevodníky, STU Bratislava, 2002
[3] Fraden, J.: Handbook of modern sensors: physics, design and applications, Springler Verlag, N.Y., 2004
[4] Jurgen, R.,K. :Automotive Electronics Handbook, McGraw-Hill Inc., N.Y., 1999
[5] Husák, M. : Mikrosenzory a mikroaktuátory, ACADEMIA, Praha, 2008
 Bodovanie
 Skúška
 Cvičenia
 Laboratórne práce
 Zápočtová písomka
100 bodov
60 bodov
40 bodov
28 bodov
12 bodov
1. Úvod: Senzory. Mikrosenzory a mikroaktuátory. Mikroelektronické a
mikromechanické technológie výroby. (Vavrinský, Flickyngerová)
2. Informačný a merací systém v automobile, číslicový merací kanál a systém, získanie
dát, úprava a prenos informácie.(Šturcel)
3. Inteligentné ("smart") senzorové systémy, ich štruktúra, vlastnosti a použitie,
primárne spracovanie informácií, diagnostika a autokalibrácia. (Šturcel)
4. Metrologické a prevádzkové vlastnosti snímačov (senzorov) a celého meracieho
kanála. (Šturcel)
5. Senzorové systémy, meracie kanály riadiacich a zabezpečovacích systémov pre
automobily, aplikačné riešenia -- vybrané príklady (Šturcel)
6. Piezoodporové senzory tlaku. Inteligentné pneumatiky (Tvarožek)
7. Senzory teploty: odporové (kovové, polovodičové), termočlánky.(Vavrinský)
8. Magnetické senzory posunutia, otáčok: magnetoodporové, Hallove. (Tvarožek)
9. Senzory mechanických veličín: polohy, posunutia, výšky hladiny a prietoku tekutín.
(Tvarožek)
10. Piezoelektrické senzory rýchlosti (Dopplerov jav), tlmenia. (Tvarožek)
11. Vibračné senzory pre snímanie zrýchlenia, nárazu (akcelerometre) a smeru pohybu
(mikrogyroskopy). (Tvarožek)
12. Chemické senzory plynov a vlhkosti: elektronické (odporové, kapacitné, FET),
elektrochemické, kalorimetrické. Lambda sonda. (Tvarožek)
1.
2.
3.
4.
5.
Organizačné pokyny, plán cvičení, bezpečnosť pri práci........................... (E324)
Informačný merací systém v automobile...................................................... (D520, D521)
Inteligentné senzorové systémy.................................................................... (D520, D521)
Metrologické a prevádzkové vlastnosti senzorov........................................ (D520, D521)
Senzory mechanických veličín...................................................................... (D520, D521)
-
polohy, posunutia, výšky hladiny a prietoku tekutín.
6. Senzory tlaku.................................................................................................. (E324)
-
základné vlastnosti a závislosti (U = f ( P ))
inteligentný senzor (U = f (P, T))
7. Magnetické senzory........................................................................................ (E324)
-
Hallove senzory (U = f (B), U = f(I))
aplikácia pri meraní otáčok
8. Senzory teploty............................................................................................... (E324)
-
U, R = f (T)
Inteligentný senzor PtTi 222
9. Test.................................................................................................................. (E324)
10. Inteligentné pneumatiky................................................................................. (E324)
-
snímanie teploty, tlaku pomocou PC
11. Zabezpečovacia technika............................................................................... (NE101)
12. Senzorové mikrosystémy pre lekársku diagnostiku stresu, krvi a svalov..(E324)
1. týždeň
 Senzorika - oblasť techniky týkajúca sa merania a spracovania informácií
 Z technického hľadiska informácia je kvantita, ktorá znižuje neurčitosť a môže byť
identifikovateľná, merateľná a lokalizovaná. Nosičom informácie (a tým aj energie) je
signál.
 Prevodník je funkčný prvok, ktorý realizuje prevod (transformáciu) energie z jedného
systému do iného v tej istej alebo inej forme. Sprostredkovateľom prevodu energie sú
signály v rôznych formách: elektromagnetické, radiačné, mechanické, tepelné,
elektrické, magnetické, chemické, biologické. V živej prírode (ale aj v chémii) odozva
na vonkajšie podnety má väčšinou elektrochemický charakter, t. zn., že nosičom
výstupného signálu sú ióny. V elektrotechnike sú hlavným nosičom informácie
elektróny (ak neuvažujeme fotóny ako vlastné a nezávislé elementy spracovania
informácií)
 Podsystém informačných technológií - merací a riadiaci systém
 triptych, zložený z troch prevodníkov: senzora, elektronického procesora a aktuátora
 Senzor je funkčný prvok, ktorý mení špecifický signál na elektrický signál
 Senzor môže byť kombináciou viacerých prevodníkov, napr. chemický senzor :
tepelný signál
chemický signál
koncentrácia
chemický reaktor
termočlánok
elektrický signál
 V praxi:
operátor udržuje konštantnú hladinu kvapaliny v nádrži pomocou ventilu.
 Informácia o hladine kvapaliny v nádrži je získaná senzorom, ktorý sa skladá z dvoch častí:
priesvitnej trubice na nádrži (mení mechanický signál - výšku hladiny - na optický signál) a
operátorových očí (prevod optického signálu na elektrický signál pokračujúci cez nervy do mozgu).
Kombináciou týchto dvoch častí dostávame selektívny senzor hladiny kvapaliny v nádrži - jeho
rýchlosť odozvy, prípadne časové oneskorenie (fázový posun) budú determinované viskozitou
kvapaliny a vhodnou konštrukciou meracej trubice.
 Spracovanie informácií prebieha v mozgu operátora – procesor - , ktorý vysiela elektrický signál do
aktuátora, tvoreného rukou operátora s ovládacím ventilom. Všetky nestability a poruchy (zmeny
vstupného prúdenia, teploty, viskozity kvapaliny) sú kompenzované operátorom.
ABS
EPS
 V reálnom svete existujú fyzikálne veličiny v pároch: vo forme "potenciálu P" a "toku F".
Sú to, napr. elektrické napätie V a elektrický prúd I, tlak p a prúdenie dM/dt, teplo Q
(teplota T) a tepelný tok dQ/dt, mechanické napätie  a deformácia .
 Potenciál P je zviazaný so vzdialenosťou l, prípadne plochou ("priečna" premenná):
 gradPdl
0
 Tok F je lokálna veličina ("cez" premenná v bode i) :
divFi  0
 Súčin týchto komplexných veličín P x F charakterizuje "energiu E" alebo "výkon P“
 Podiel P / F "impedanciu Z"
 Ideálny vzťah medzi vstupným stimulom s a výstupným elektrickým signálom S je
charakterizovaný prevodnou charakteristikou:
S (elektrický výstup)
chyba
S = f(s)
 lineárna:
Sm
S  as  b
100%
ideálna prevodná
charakteristika
 logaritmická:
S  a ln s  b
 exponenciálna:
S  asks
 mocninová:
S  a0  a1 s
odchýlky
hranice
presnosti
S
k
reálna prevodná
charakteristika
S’
 kde b je veľkosť výstupného signálu senzora
pri nulovom stimule, a je citlivosť senzora,
k je konštanta senzora
stimul
s’
 Senzory podľa excitácie výstupného signálu môžeme rozdeliť na:
 aktívne - sú vlastným zdrojom elektrického signálu
(termočlánok, potenciometrický, elektrochemický článok)
 pasívne - potrebujú zdroj elektrickej energie e
napájanie (piezoodpor, voltampérometrický článok).
s
vstupný celkový
rozsah (FSI)
 Maximálny rozsah hodnôt vstupných stimulov, ktoré je senzor schopný detekovať s
dostatočnou presnosťou a bez poškodenia sa označuje FSI (Full Scale Input).
 Maximálny rozsah hodnôt výstupných elektronických signálov (daný minimálnou a
maximálnou hodnotou stimulov) je FSO (Full Scale Output).
 V prípade, že rozsahy senzora sú veľmi široké a prevodná charakteristika je nelineárna,
je výhodné vyjadrovať pomer hodnôt veličín v decibeloch (dB), ktoré môžeme vyjadriť
pomerom:
dB  10log
výkonov P
P2
P1
síl F
dB  20log
F1
F2
Decibelová reprezentácia umožňuje zároveň vyjadriť malé signály s vysokým
rozlíšením a veľké hodnoty komprimovať
Pomer P
1,02
1,26
1,6
2
2,5
3,2
4
10
100
103
106
109
1010
dB
0,1
1
2
3
4
5
6
10
20
30
60
90
100
 Citlivosť senzora cS je pomer rozdielu hodnôt výstupných signálov S ku rozdielu
odpovedajúcich hodnôt vstupných stimulov s
 S 
cS  


s

 s0
 Pri lineárnych prevodových funkciách (S = as + b) je citlivosť konštantná a rovná smernici priamky,
ktorá zviera s osou x ( s) uhol 
cS  a  tg
 V prípade nelineárnych prevodných funkcií citlivosť cs nemá konštantnú hodnotu, ale pre každú
vstupná hodnotu stimulu s0 je definovaná ako dotyčnica v tomto bode
cS 
dSs 0 
ds
 Rozlišovacia schopnosť senzora definuje najmenší rozdiel hodnôt vstupných
stimulov, ktorý je ešte schopný detekovať
rS  s2  s1  s min
 Môže byť vztiahnuté na celkový vstupný rozsah a vyjadrené v percentách (napr. 0.1 % FSI). I keď
je senzor schopný na vstupe detekovať spojité zmeny stimulu, často jeho výstupný signál nie je
monotónny a "hladký" kvôli primárnemu rastrovaniu , šumu a podobne. Potom rozlíšenie je
determinované parametrami výstupného signálu. Ak má senzor digitálny výstup, rozlíšenie býva
špecifikované počtom bitov, napr. "8 bitové rozlíšenie".
 Dôležitým parametrom senzora je jeho presnosť
(v
realite
je
to
vlastne
nepresnosť).
Nehomogenity materiálu, nedokonalosť návrhu a
technológie senzora spôsobujú, že reálna
prevodná charakteristika sa líši od ideálnej. Pri
opakovaných meraniach nám potom limity
presnosti   definujú pásma, v ktorých sa
nachádzajú
jednotlivé
reálne
prevodné
charakteristiky. Tieto sa líšia od ideálnej
prevodnej charakteristiky o chybu merania   ,
pričom   .
 Napríklad predpokladajme stimul o hodnote s,
ktorej odpovedá na ideálnej charakteristike bod z a
výstupná
hodnota
S.
Avšak
na
reálnej
charakteristike bude stimulu odpovedať bod Z a z
toho vyplývajúca výstupná hodnota S´. Tejto
hodnote odpovedá bod z´ na ideálnej prevodnej
charakteristike a vstupný stimul s´ menší než s.
Potomsenzora
 = s´ - s < 0.
Presnosť
môžeme vyjadriť viacerými
formami: priamo v hodnotách vstupných meraných
veličín   , percentuálne vzhľadom
k
maximálnemu vstupnému alebo výstupnému
rozsahu senzora, %FSI alebo %FSO
 Lineárnu aproximáciu je možné uskutočniť:
S (el. výstup)
 (1) Prepojením koncových bodov priamkou
 (2) Metódou najmenších štvorcov
100%
 Vzorce pre lineárnu regresiu na určenie smernice a a
priesečníka b s osou y z n- hodnôt S a s:
n
a
n
n sS   s  S
 n 
n s    s 


n
2
2
n
b
n
n
koncové
body
n
kalibračný
bod
 S  s 2   s sS
 n 
n s    s 


n
2
2
odchýlky
 (3) Lokálnou linearizáciou v určitom kalibračnom bode c
d=arctang b
 dS 
a 
 ds  s c

stimul
S el. výstup
Ak je potrebná vysoká presnosť v okolí určitého kalibračného bodu
(napr. medicínsky teplomer musí byť presný v okolí teploty 37 °C),
potom daným bodom vedieme dotyčnicu ku prevodovej krivke
stimul s

V špeciálnych prípadoch môže byť senzor necitlivý v určitej oblasti
vstupného signálu. Tejto "mŕtvej zóne" odpovedá približne
konštantná hodnota výstupného signálu (dS/ds0) veľmi často
rovná 0
„mŕtva zóna“
dS/ds0
 Hysterézia je chyba senzora, ktorá je spôsobená
tým, že prevodové funkcie sa líšia podľa toho,
v akom smere nastáva zmena stimulu: či ide o
vzrast jeho hodnôt alebo ich pokles. Je to
odchýlka vo výstupných signáloch pre rovnakú
hodnotu stimulu, ktorý dosiahneme pri opačných
smeroch pohybu po prevodovej krivke
 Krížení citlivostí - senzor je citlivý na viac rôznych
vstupných
stimulov.
Typickým
stimulom,
ovplyvňujúcim nežiadúco prácu senzora je teplota.
Tento jav je možno kompenzovať - a tým zvýšiť
selektivitu senzora - viacerými spôsobmi:
 návrhovou štrukturálnou symetriou senzora
(mechanické priestorové a elektrické usporiadanie,
komparačné a pomerové metódy),
 zákazkovou kompenzáciou individuálneho senzora
(mechanické, elektrické a elektronické justovanie),
 hardverovou
a
softverovou
kompenzáciou
monitorovaním
ovplyvňujúcich
stimulov,
autokalibrácia, (inteligentné senzory),
 deduktívnou metódou softverovej kompenzácie,
využívajúcej modelovanie a simulácie senzorov.
Dynamické charakteristiky
odozva S
stimul s
časová závislosť parametrov senzora - rýchlosť odozvy, resp.
frekvenčná odozva, fázové posunutie, vlastná frekvencia
senzora, tlmenie a pod.
0. rádu
A
B
 0. rádu: statická (časovo nezávislá odozva)
S (t )  G.s(t )


Senzor popísaný touto rovnicou má schopnosť uschovať energiu
predtým než ju opäť odovzdá, t. zn., že má "zotrvačnosť" a
dosiahne skutočnú hodnotu výstupného signálu odpovedajúcu
stimulu až za určitý čas.
 2. rádu: odozva je charakterizovaná diferenciálnou rovnicou



a vyjadrená pomocou periodických funkcií sin(t), cos(t), eit
má vlastnú rezonančnú frekvenciu ω0 a tlmenie b,
ktoré odpovedajú fyzikálnym, chemickým a elektrickým
vlastnostiam senzora
1. rádu
D
G je konštantná prevodná charakteristika, ktorá nie je závislá od
času
 1. rádu: odozva je charakterizovaná diferenciálnou rovnicou
}
C
E
2. rádu
a1
dS (t )
 a0 S (t )  s(t )
dt

S (t )  S0 1  e t / 

d 2 S (t )
dS(t )
a1

a
 a0 S (t )  s(t )
2
2
dt
dt
0 
a0
a2
b
a1
a0 a 2
2