Ing. Erik Vavrinský, PhD.
Download
Report
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
s0
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
dSs 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/ds0) veľmi často
rovná 0
„mŕtva zóna“
dS/ds0
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