Senzori Curs [PDF]

Zitiervorschau

CAPITOLUL 1

NOŢIUNI INTRODUCTIVE

1.1 Definiţia şi clasificarea traductoarelor electronice Traductoarele electronice transformă mărimea fizică de măsurat într-o mărime electrică, utilizând tehnici electronice. Transformarea mărimii fizice de la intrare se poate realiza în două moduri: - prin transformare directă, într-un singur element fizic sau - prin transformare indirectă, atunci când sunt necesare mai multe transformări succesive ale mărimii fizice de intrare. Criteriile de clasificare a traductoarelor electronice sunt următoarele: a) După natura mărimii fizice neelectrice de intrare, traductoarete sunt: pentru semnale radiante, termice, chimice, mecanice, magnetice, etc. b) După modul în care se face transformarea semnalului, traductoarele sunt directe şi complexe. c) După principiul de funcţionare, traductoarele sunt parametrice (modulatoare) şi energetice (generatoare). Traductoarele parametrice sau modulatoare transformă variaţia mărimii neelectrice de la intrare într-o variaţie a unui parametru electric (rezistenţă, inductanţă mutuală, capacitate) şi necesită o sursă de energie auxiliară (termorezistenţa, marca tensometrică, fotorezistenţa, piezorezistenţa, bolometrul, etc.). Traductoarele energetice sau generatoare transformă mărimea neelectrică de intrare într-o tensiune, curent sau sarcină electrică fără a avea nevoie de o sursă auxiliară de energie. Exemple: termopila, fotodioda, fotodetectorul piroelectric, traductorul piezoelectric, etc. d) După forma semnalului electric de ieşire, traductoarele sunt analogice şi numerice. 1.2 Schema bloc a traductorului electronic Structura generală a unui traductor electronic este reprezentată în fig. 1.1.

9

La intrarea traductorului se aplică mărimea de măsurat X (temperatură, debit, presiune, nivel, viteză, etc.). Mărimea de ieşire Y este un semnal electric unificat sau specializat, în funcţie de aparatele sau sistemelor de achiziţii de semnale folosite în aplicaţie. Pentru sistemele complexe este necesară caracterizarea procesului de transformare printr-o mărime de calitate rezultată din combinarea mai multor parametri. Mărimea de calitate se obţine prin operaţii specifice măsurătorilor indirecte, efectuate asupra mai multor mărimi componente din traductor sau asupra semnalelor de ieşire de la mai multe traductoare cu structura din fig. 1.1. X

SENZOR

Elemente de legătură şi transmisie

Adaptor electronic

Y

Surse de alimentare

Fig. 1.1

Funcţiile blocurilor componente din structura generală a traductorului electronic sunt următoarele: Senzorul (elementul sensibil) detector sau captor, este elementul specific fiecărui traductor şi are funcţia de a detecta mărimea fizică ce trebuie măsurată. Senzorul detectează doar mărimea de intrare X, eliminând sau reducând la minim influenţele celorlalte mărimi fizice existente în mediul respectiv. Sub acţiunea mărimii de intrare are loc o modificare de stare a elementului sensibil, modificare ce se manifestă sub forma unui semnal electric la ieşirea senzorului. Adaptorul electronic are rolul de a adapta informaţia obţinută la ieşirea senzorului la cerinţele impuse de sistemele de achiziţii de semnale. La intrare, adaptorul electronic se caracterizează printr-o mare diversificare, pentru a putea prelua diferitele forme ale semnalelor de la ieşirea senzorilor. La ieşire, adaptoarele electronice sunt prevăzute cu elemente constructive comune, specifice generării semnalelor electrice unificate şi care nu depind de tipul sau domeniul de valori al mărimii de intrare. Funcţiile realizate de adaptorul electronic sunt: condiţionări de semnale, adaptare de nivel, adaptare de putere sau adaptare de impedanţă. Adaptorul electronic asigură conversia variaţiilor de stare ale senzorilor în semnale calibrate reprezentând valoarea mărimii de intrare. Realizează operaţia specifică măsurării (comparaţia cu unitatea de măsură adoptată). Modurile de comparaţie depind de

10

metodele de măsurare aplicate şi determină diferenţieri structurale ale adaptoarelor electronice. Comparaţia se face cu o mărime elalon, care exercită o acţiune permanentă şi simultană asupra mărimii de intrare. În multe cazuri, comparaţia este nesimultană, mărimea etalon fiind aplicată din exterior iniţial în cadrul operaţiei de calibrare, anumite elemente constructive memorând efectele sale şi utilizându-le apoi pentru comparaţia cu mărimea de măsurat, singura care se aplică din exterior în aceste cazuri (comparaţie succesivă). Din acest motiv, adaptorul realizează uneori operaţii de calcul liniare (atenuare, amplificare, sumare, integrare, diferenţiere), operaţii de calcul neliniare (produs, ridicare la putere, logaritmare) sau funcţii neliniare particulare (compensarea neliniarităţilor unor componente, asigurarea liniarităţii intrare – ieşire). Uneori, particularităţi tehnologice sau economice impun prezenţa unor elemente auxiliare. De exemplu, la măsurarea temperaturilor ridicate, senzorul nu poate fi amplasat în aceeaşi unitate constructivă cu adaptorul, fiind necesare elemente de legătură pentru transmiterea semnalului de la senzor către adaptorul electronic. Elementele de transmisie realizează conexiuni electrice, mecanice, optice, etc. Dacă mărimea generată de senzor este neadecvată pentru transmisie (de exemplu în cazul transmisiilor la mare distanţă) elementele de transmisie au şi componente de conversie, în funcţie de cerinţele canalelor de transmisie. Din categoria elementelor auxiliare fac parte şi sursele de alimentare, care pot fi surse de tensiune sau curent continuu sau alternative, tipic stabilizate sau surse de referinţă de precizie. 1.3 Tipuri de adaptoare electronice Rolul adaptorului electronic este de a converti mărimea generată de senzor în semnal electric la ieşirea traductorului electronic. În scopul standardizării echipamentelor de automatizare şi a sistemelor de achiziţie de semnale, adaptoarele electronice dau la ieşire semnale electrice unificate, adică tensiuni sau curenţii electrici între limitele: 0 ... + 10 V, -5 ... +5 V, -10 … + 10 V sau 2 ... 10 mA, 4 ... 20 mA, indiferent de natura şi domeniul de variaţie al mărimii de intrare în traductor. În cazul semnalelor de ieşire unificate în curent, se impun game de variaţie cu limita inferioară diferită de zero, pentru a evita situaţia când la mărime neelectrică de intrare zero corespunde curent zero la ieşire, caz care poate apărea şi la defecte. Etajele de ieşire ale adaptoarelor electronice sunt similare pentru acelaşi tip de semnal unificat. Diferenţierile importante sunt la circuitele de intrare, unde se primesc de la senzori semnale diversificate ca natură fizică şi gamă de variaţie. Adaptoarele electronice pentru senzori parametrici au la intrare circuite specifice mărimilor electrice de circuit R, L, sau C. Cele mai utilizate sunt punţile

11

de curent continuu sau de curent alternativ funcţionând în regim dezechilibrat. Semnalul de dezechilibru obţinut este amplificat şi aplicat etajului de ieşire, care îl converteşte în semnalul unificat. Pentru eliminarea influenţei perturbaţiilor, se foloseşte o reacţie negativă care are în buclă cât mai multe din blocurile componente. Atunci când fie senzorul, fie schema de măsurare are neliniarităţi importante, se prevăd blocuri de liniarizare sub forma unor generatoare de funcţii, plasate fie pe legătura directă, fie pe calea de reacţie. În unele cazuri, metoda de măsurare sau necesitatea eliminării unor semnale parazite impun folosirea unor blocuri speciale de condiţionare: multiplicatoare, extractoare de radicali, ridicare la pătrat, mediere, filtrare, etc. Pentru alimentarea schemei de măsurare în punte Wheatstone în curent continuu şi regim dezechilibrat, este necesară o sursă de tensiune stabilizată, tensiunea de dezechilibru fiind direct influenţată de variaţiile acesteia. În fig. 1.2 este reprezentată schema bloc a unui adaptor electronic pentru un senzor rezistiv. ∆R

Schema de măsurare

Amplificator de tensiune continuă

Bloc de comparaţie

Bloc de liniarizare

U

Ur

Bloc de reacţie

Fig. 1.2

Amplificatorul de tensiune continuă poate fi de tipul cu cuplare directă, cu modulare-demodulare, de instrumentaţie sau cu izolaţie. Pentru a obţine ieşire în curent se foloseşte un convertor tensiune-curent realizat cu amplificatoare operaţionale, tranzistoare sau circuite specializate. Blocul de reacţie este un divizor rezistiv de tensiune sau de curent. Blocul de liniarizare este un generator de funcţii, realizat cu diode, diode Zener sau tranzistoare şi introduce nelinearităţi de sens opus celor determinate de senzor sau de schema de măsurare, astfel încât relaţia intrare – ieşire a traductorului să fie liniară. Pentru celelalte tipuri de senzori parametrici, inductivi şi capacitivi structura adaptorului electronic este similară. Deosebirile apar în modul de realizare al blocurilor componente. Astfel, schemele de măsurare sunt punţi de curent alternativ în regim dezechilibrat iar amplificatoarele sunt de curent alternativ

12

selective, acordate pe frecvenţa de alimentare a punţilor. Separarea galvanică se face mai simplu, prin transformator sau optic. Se complică în schimb liniarizarea şi bucla de reacţie are mai multe elemente. Senzorii de tip generator dau la ieşire tensiuni, curenţi sau sarcini electrice continui sau alternative. Structura adaptorului electronic pentru senzori tip generator este aproximativ aceeaşi ca pentru senzorii parametrici, din care lipseşte însă schema de măsurare, tensiunea dată de senzor fiind similară cu tensiunea de dezechilibru a punţii Comparaţia cu semnalul de reacţie se realizează cu un amplificator diferenţial de tensiune. În locul schemei de măsurare poate fi un etaj adaptor de impedanţă. Cerinţele amplificatoarelor folosite în aceste adaptoare de impedanţă depind de caracteristicile semnalului generat de senzor, cazurile cele mai frecvent întâlnite fiind: tensiuni continui de nivel mic, tensiuni de frecvenţă variabilă în limite largi şi tensiuni continui sau alternative obţinute de la surse cu impedanţă internă foarte mare. Amplificatoarele pentru tensiuni continui de nivel redus trebuie să aibă o mare stabilitate a parametrilor, obţinută prin compensarea statică a derivei cu temperatura sau prin termoreglarea substratului, cu derive sub 0.25 µV/ °C. Amplificatoarele de tensiune de bandă largă, exemplu 1Hz … 1MHz, se folosesc la senzorii electromagnetici, piezoelectnci, magnetostrictivi, etc. Aceste amplificatoare au cuplaje RC între etaje şi o puternică reacţie negativă pentru asigurarea liniarităţii pe întreaga bandă. Amplificatoarele pentru senzori cu rezistenţă internă foarte mare, de ordinul 109Ω (de exemplu, la traductoarele de pH), denumite amplificatoare electrometrice, trebuie să aibă rezistenţa de intrare foarte mare (1012 ... 1014 Ω), de aceea folosesc la intrare tranzistoare TECMOS sau TECJ sau modulator cu diode varicap.

13

CAPITOLUL 2

TRADUCTOARE DE RADIAŢII OPTICE

2.1 Structura generală a unui traductor optoelectronic Diferenţa între un traductor electronic şi un traductor optoelectronic este la senzor, care în acest caz este optoelectronic. Schema bloc a unui senzor optoelectronic este prezentată în fig. 2.1.

Sursa de radiaţie optică

Radiaţie optică

Senzor optic pasiv

Radiaţie optică modulată în intensitate

Mărime de măsurat

Senzor optic activ

Semnal electric

Sursa de tensiune alimentare

Fig. 2.1

Sursa de radiaţie optică poate fi de orice tip: coerentă sau necoerentă, de bandă largă sau de bandă îngustă şi putere optică mare sau mică, în funcţie de mediul de propagare ales, de distanţa până la senzorul optic pasiv, tipul senzorului optic pasiv, tipul mărimii de măsurat şi aplicaţie. Mărimea de măsurat determină variaţia unuia din parametrii undei de radiaţie optică în senzorul optic pasiv: intensitate, fază, polarizare, lungime de undă sau frecvenţă de modulaţie. Senzorul optic activ (denumit şi detector optic sau fotodetector) converteşte variaţia intensităţii undei de radiaţie optică de la ieşirea senzorului optic pasiv în variaţia unui semnal electric: tensiune, curent, sarcină sau rezistenţă. În fig. 2.2 este reprezentată schema bloc a senzorului optoelectronic cu variaţia polaizării radiaţiei optice. În acest caz, sursa de radiaţie optică trebuie să fie monocromatică şi să permită o definire corectă a stării de polarizare. Blocul polarizor este un element optic care permite obţinerea unei polarizări bine definite. Conţine un polarizor şi mai multe lame ce permit un defazaj fix sau continuu variabil între două polarizări

14

ortogonale. Senzorul optic pasiv este un mediu a cărui birefringenţă depinde de mărimea de măsurat. Conversia se face prin efect elasto-optic, electro-optic sau magneto-optic. Sursa de radiaţie optică

Polarizor

Senzor optic pasiv

Analizor de polarizare

Senzor optic activ

Mărime de măsurat Sursa de tensiune alimentare

Fig. 2.2

Blocul analizor de polarizare permite analiza stării de polarizare a undei de radiaţie optică de la ieşirea modulatorului optic şi se complică dacă se măsoară toţi parametrii care descriu starea de polarizare. În cele mai multe cazuri, este suficientă măsurarea unuia sau a doi parametri cu ajutorul unor elemente fixe, ceilalţi parametri fiind cunoscuţi. Acest lucru este posibil dacă se cunoaşte evoluţia birefringenţei senzorului optic pasiv în funcţie de variaţia mărimii de măsurat. Analizorul de polarizare transformă variaţia polarizării în variaţii de intensitate. Rolul senzorului optic pasiv este acela al unui modulator optic, însă transformă şi variaţia parametrului modulat în variaţie de intensitate optică. 2.2 Surse de radiaţii optice 2.2.1 Surse de radiaţii optice necoerente Principalele surse de radiaţii optice necoerente sunt sursele cu incandescenţă, lămpile cu descărcare şi diodele electroluminiscente (LED). a) Sursele cu incandescenţă sunt lămpile cu halogen iod sau brom şi filament de tungsten, care produc radiaţie optică stabilă, strălucitoare, în domeniul vizibil şi infraroşu. Radiaţia optică se emite datorită excitării termice a atomilor sau moleculelor sursei. Spectrul radiaţiei este continuu şi aproximează un corp negru. Distribuţia spectrală şi fluxul total radiat depind de temperatură, suprafaţa de incidenţă şi emisivitate.

15

Sursele cu incandescenţă produc o temperatură de aproximativ 3000 K iar emisivitatea este de 0,4 în domeniul vizibil. În aceste lămpi, halogenul înlătură tungstenul depus în interiorul balonului de cuarţ şi îl reîntoarce la filamentul cald, lăsând interiorul balonului lămpii curat şi crescând durata de viaţă. Acest proces poartă numele de ciclu halogen. Energia radiată are un maxim pentru lungimea de undă de aproximativ 1 µm. Avantaje: energie radiată mare, spectru de emisie întins, cost scăzut. Dezavantaje: fragilitate mare, durată scurtă de viaţă (4000 ore), radiaţie puţină în domeniul vizibil, inerţie termică mare, absenţa directivitaţii. b) Lămpile cu descărcare sunt de două tipuri: - cu descărcare în gaz la presiune scăzută şi - cu descărcare în gaz la presiune mare. În lămpile cu descărcare în gaz la presiune scăzută, datorită ionizării atomilor sau moleculelor gazului în urma descărcării bruşte a unui condensator apare un curent electric. Electronii din atomii de gaz devin excitaţi la nivele energetice superioare şi cad pe nivele inferioare emiţând radiaţie optică, sub forma unor linii spectrale înguste, fixe, cu radiaţie mică. Lămpile cu arc cu densitate mare de curent, cu descărcare în gaz cu presiune mare sunt sursele convenţionale de radiaţie optică cu strălucirea cea mai mare. Atomii sau moleculele de gaz sunt puternic excitaţi. Rezultatul este obţinerea plasmei în tot volumul interior. Plasma fierbinte emite ca o sursă incandescentă, în timp ce atomii ionizaţi emit linii lăţite. Distribuţia spectrală a radiaţiei este o combinaţie de spectru continuu şi spectru de linii. Cele mai uzuale surse de acest tip sunt lămpile cu arc scurt cu xenon sau vapori de mercur. Se pot folosi şi alte gaze ca argon, kripton, neon, deuteriu, hidrogen, vapori de sodiu, vapori de zirconiu sau amestecuri de gaze. Carcasa se realizează din material transparent, de obicei safir, datorită proprietăţilor de transfer de căldură foarte bune. Dezavantajul safirului este prelucrarea dificilă. Forma optică este cilindrică, specifică aplicaţiei, cu doi electrozi la extremităţi. Pentru a extinde gama spectrală a radiaţiei emise se folosesc ferestre de florură de magneziu, spectrul radiaţiei ajungând de la 110 nm la IR apropiat. Lămpile cu arc cu descărcare în gaz cu presiune mare se folosesc în undă continuă sau în impulsuri de putere mare, curenţii fiind 1... 700 A. cu impulsuri de 1 .. 10 ms. Aplicaţiile lor sunt: ca surse de pompare pentru laserele optice cu cristale solide şi în aplicaţii industriale, de măsurare, comerciale, etc. c) Diode electroluminescente Caracteristicile diodelor electroluminescente Radiaţia optică emisă de o diodă electrolumincscentă (LED) nu este riguros monocromatică. Lăţimea tipică de emisie este de aproximativ 40 nm (măsurată la jumătatea înălţimii vârfului de radiaţie spectrală). La creşterea temperaturii,

16

spectrul se translează spre lungimi de undă mai mari deoarece lăţimea benzii energetice interzise Wg variază cu temperatura. Diodele electroluminescente cele mai eficiente se bazează pe structuri cu heterojoncţiune dublă: cu emisie de suprafaţă şi cu emisie laterală. Dioda cu emisie laterală are caracteristică de radiaţie cu directivitate mai bună decât dioda cu emisie de suprafaţă, astfel eficienţa de cuplare la fibra optică este mai bună. Schema echivalentă electrică a unei diode electroluminescente este în fig. 2.3. Ls C

Rs

R

C0

Fig. 2.3

Elementele neliniare R şi C reprezintă joncţiunea şi variază cu tensiunea de polarizare directă. Elementele Ls, Rs şi C0 depind de conexiunile la capsulă şi la porţiunile semiconductoare din afara joncţiunii. Dacă Rs 100mW) au o configuraţie apropriată de a unei diode laser, cu strat activ şi o faţă reflectoare, amplificarea radiaţiei făcându-se în urma unei singure treceri prin dispozitiv. Aceste LED-uri se mai numesc şi diode superluminescente (SLED). Structura tipică a unei SLED verde este reprezentată în fig 2.4. ZnSe este transparent pentru radiaţia verde a stratului activ ZnTeSe, astfel puterea optică radiată fiind mai mare. La trecerea unui curent direct de 10 mA, se obţin 1,3 mW putere optică, cu lungimea de undă la vârful radiaţiei spectrale de 512 nm.

17

Electrod metalic HgSe ZnTeSe ZnSe p Strat activ din ZnTeSe Electrod metalic

ZnSe n Substrat ZnSe

Fig. 2.4

Materialele folosite nu trebuie să aibă calităţi foarte bune, de exemplu LEDurile pe bază de azot conţin 109... 1011 dislocaţii/cm2 în timp ce diodele laser se realizează din materiale cu mai puţin de 106 dislocaţii/cm2. Dislocaţiile sunt defecte liniare create de perturbaţii în periodicitatea reţelei cristaline. Densitatea dislocaţiilor influenţează direct fiabilitatea dispozitivului. Sau obţinut deja cristale XnSe cu densitatea de 103 dislocaţii/cm2, existând certitudinea obţinerii unor dispozitive cu performanţe superioare. LED-uri cu cavitate rezonantă (RCLED) Structura tipică tipică a unui RCLED este dată în fig. 2.5. Electrod

Au ZnxCd1-xTe p (x = 0,1) Strat activ Hg0,49Cd0,51Te/HgTe

Hg1-xCdxTe n (x = 0,75)

Hg1-xCdxTe (x = 0,51)

Hg1-xCdxTe (x = 0,75)

Substrat ZnCdTe

Fig. 2.5

18

Există LED-uri cu cavitate rezonantă pentru lungimi de undă de 3...5 µm. LED-urile cu cavitate rezonantă (RCLED) sunt mai eficiente decât cele simple deoarece folosesc tehnologii similare cu ale diodelor laser cu cavitate verticală şi emisie de suprafaţă (VCSEL). RCLED sunt mai uşor de realizat decât VCSEL, necesitând un număr mic de perioade Bragg. Reflectoarele Bragg se fac din aliaje HgCdTe, deoarece au un contrast mare al indicelui de refracţie, de până la 20% pentru λ = 1 … 10 µm. RCLED se obţin prin creştere epitaxială moleculară pe substrat ZnCdTe. Oglinda de jos este un reflector Bragg distribuit. Cavitatea în λ/2 este realizată din acelaşi material, având un rezervor de 50 nm din pseudoaliaj. Ultimele trei perioade ale oglinzii de jos şi primii 100 nm ai cavităţii sunt dopaţi cu In n. La capătul cavităţii există un strat de 100 nm de ZnCdTe tip p dopat cu N. Oglinda de sus este realizată dintr-un strat de Au. Reflectorul Bragg cu perioada de 10,5 are reflectivitatea maximă de 86 % măsurată la λ = 3,2 µm. Când dispozitivul este polarizat direct, emisia radiaţiei se face la lungimea de undă de rezonanţă a cavităţii de 3,19 µ. Lăţimea liniei de emisie depinde doar de lăţimea cavităţii rezonante. Astfel, s-a îmbunătăţit directivitatea, obţinându-se un unghi sub 50° la jumătatea înălţimii vârfului de radiaţie optică şi eficienţă cuantică externă de (0,2... 1,7).10-3. LED-uri din polimer cu radiaţie optică polarizată Constau dintr-un strat de politiofen întins între doi electrozi subţiri, pe un substrat de sticlă. Macromoleculele din polimer sunt orientale aleatoriu şi radiaţia emisă este nepolarizată. Lanţurile însă pot fi întinse şi aliniate prin întindere mecanică Tranziţiile dipolilor sunt orientate de-a lungul direcţiei dominante a lanţurilor iar electroluminiscenţa este paralelă cu această orientare. Emisia unui strat întins va fi astfel polarizată. Raportul dintre radiaţia optică emisă perpendicular pe direcţia de orientare şi radiaţia emisă paralel este de 2,4 ... 3,1, în funcţie de material. Materialul folosit este polinom tip PTOPT. Radiaţia optică emisă este în gama roşu-portocaliu pentru un curent direct de 3 mA. Eficienţa cuantică este aproximativ 0,01 % la tensiunea directă de 2 V şi < 0,1 % la 4 V. 2.2.2 Surse de radiaţii optice coerente Sursele de radiaţii optice coerente sunt denumite uzual surse laser şi au următoarele proprietăţi: - Monocromaticitate mare, echivalentă cu o lăţime spectrală îngustă şi o mare coerenţă temporală;

19

-

divergenţă mică, dimensiune mică a fascicolului, coerenţă spaţială mare sau focalizare limitată de difracţie; putere mare: în undă continuă (mW … MW), impulsuri (GW … EW); gamă mare de acord, existând surse laser pentru aproape tot spectrul optic; impulsuri laser cu lăţimi foarte înguste.

2.2.2.1 Diode laser a. Diode laser cu cavitate optică rezonantă Fabry - Perot Sunt realizate cu structura de tip heterojoncţiune dublă. Stratul activ este încadrat între două straturi cu benzi interzise mai mari (pentru captivitate electrică) şi indici de refracţie mai mici (pentru captivitate optică). Creşte astfel eficienţa, putându-se obţine funcţionarea în undă continuă. Structura este crescută pe GaAs multistrat dopat. Factorii care determină eficienţa emisiei radiaţiei laser sunt banda interzisă, indicele de refracţie, constanta reţelei cristaline, structura dispozitivului şi calitatea materialelor. Lungimea de undă a radiaţiei laser depinde de grosimea benzii interzise a stratului activ. GaAs pur are energia benzii interzise de 1,35 eV la temperatura camerei, corespunzând unei lungimi de undă de 905 nm. Adăugând Al în structura GaAs, creşte energia benzii interzise, mutând emisia laser spre lungimi de undă mai mici. Pentru concentraţi variabile de Al, în structura GaAlAs se obţin emisii până 620nm. Schimbarea structurii nivelelor energetice reduce eficienţa emisiei laser la lungimi de undă mai mici, limitând durata de viaţă. Lungimile de coerenţă ale diodelor laser multimod sunt de câţiva mm. Constructiv, diodele laser nu diferă de diodele LED decât prin calitatea materialelor şi contactele metalice necesare pentru asigurarea densităţilor ridicate a purtătorilor de sarcină injectaţi. Cel mai adesea aceste contacte sunt sub formă de bandă cu lăţimea de câţiva microni, situată deasupra zonei active, diodele laser având denumirea de diode laser cu geometrie de bandă. Diodele laser cu heterojoncţiune dublă cu geometrie de bandă, se realizează în două variante: - cu ghidare prin câştig şi - cu ghidare prin indicele de refracţie. În cazul diodei laser cu heterojoncţiune dublă cu geometrie de bandă, cu ghidare prin câştig, lăţimea benzii determină lăţimea zonei active, doar regiunea de sub bandă, unde captivitatea curentului este suficientă, prezintă câştig optic. Radiaţia laser emisă este ghidată transversal. Există diverse variante de structuri cu

20

ghidaj prin căştig, realizate în sisteme GaAs-GaAlAs şi InP-GalnAsP: cu localizarea curentului prin izolant, cu localizarea curentului cu diode Schottky, etc. Diodele laser cu heterojoncţiune dublă, cu geometrie de bandă, cu ghidare prin indicele de refracţie folosesc o structură de ghid de undă pentru a forţa optic radiaţia în regiunea îngustă a stratului activ. S-au dezvoltat mai multe heterostructuri de acest tip: îngropată, îngropată crescătoare, îngropată plană bicanal, cu ghid de undă crestat, cu substrat plan canelat, etc Aceste diode au eficienţă şi coerenţă foarte bună şi fascicol de radiaţie laser emis mai îngust, dar au puteri mai mici decât diodele laser cu ghidare prin câştig. Suprafeţe de diode laser Pentru obţinerea unor puteri optice emise mari (> 100 mW), diodele laser se împerechează formând suprafeţe de diode laser, conectate în serie şi în paralel. Se pot obţine suprafeţe de diode laser cu ghidare prin câştig cu faza blocată la care separarea între benzile active este doar 10 µm. Apropierea între benzi facilitează cuplarea optică, sincronizarea sau blocarea fazelor fasciculelor de radiaţie optică învecinate, simplificând sistemul optic. S-a putut obţine blocarea fazei în suprafeţele cu ghidare prin indice de refracţie cât şi în suprafeţe ghidate invers (anti-guided). La suprafeţele anti-guided indicele de refracţie al benzii active este mai mic decât al materialului înconjurător, permiţând astfel interferenţa optică. Dacă separarea între benzi este egală cu un număr impar de jumătăţi de lungimi de undă, radiaţia optică devine cuplată rezonant. Aceste suprafeţe cu ghid de undă rezonant permit obţinerea unor nivele de putere de 0,5 W în undă continuă şi 2,1 W în impulsuri. Suprafeţele cu diode laser cu puterea cea mai mare sunt barele monolitice cu zone de benzi active de 1 cm, aranjate în linie. Puterea este de 100 W în undă continuă. Structuri de diode laser cu rezervor cuantic Dezvoltarea tehnicilor de fabricaţie avansate ale semiconductoarelor, ca epitaxia cu fascicul molecular şi depunerea metalică în faza de vapori chimici organici, a permis obţinerea unor structuri foarte subţiri (prin depunere metalică în fază de vapori s-au crescut straturi cu grosimi de câţiva atomi). Dacă grosimea stratului activ într-o heterostructură dublă ajunge sub 50 nm, mişcarea electronilor şi golurilor este limitată. Se schimbă astfel energia globală şi momentul purtătorilor de sarcină în material, modificând proprietăţile optice. Ca efect, banda de conducţie şi banda de valenţă se divid în subbenzi discrete, cu distribuţia energetică dependentă de grosimea materialului, deci se poate modifica lungimea de undă a radiaţiei laser emise variind grosimea stratului activ. O altă consecinţă este schimbarea probabilităţii tranziţiei între o subbandă de conducţie şi o subbandă de valenţă, rezultând inversiunea de populaţie.

21

Dioda laser cu o singură heterostructură dublă cu un strat activ cu grosime sub 50 nm este denumita rezervor cuantic unic (SQW – single quantum well). Diodele laser SQW au câştiguri ridicate şi curenţi de prag mult mai mici decât dispozitivele convenţionale, iar radiaţia optică este mai coerentă. Pentru amplificări mai mari, straturile cu heterostructură cu un singur rezervor cuantic pot fi stivuite, obţtnându-se astfel structura de rezervor cuantic multiplu: MQW. Diodele laser MQW au performanţe superioare, combinând captivitatea foarte strânsă a purtătorilor, dată de structura SQW şi captivitatea optică superioară a straturilor multiple. La fel ca structurile cu heterostructură dublă, structurile cu rezervor cuantic pot fi realizate în ambele variante, cu ghidare prin câştig sau cu ghidare prin indice de refracţie. Realizările în domeniul structurilor cu rezervor cuantic includ structuri cu fire cuantice, puncte cuantice şi cascadă cuantică. Diodele laser cu structură tip cascadă cuantică folosesc tranziţiile electronice între subbenzi ale benzii de conducţie pentru a crea radiaţie optică în domeniile spectrale de la infraroşu mijlociu până la infraroşu îndepărtat. Avantajele diodelor laser cu structuri cu rezervor cuantic sunt curentul mic de prag, sensibilitate scăzută cu temperatura, comportare dinamică excelentă, puteri optice de câţiva mW în undă continuă. b) Diode laser cu alte cavităţi rezonante În afară de cavitatea optică clasică Fabry - Perot s-au realizat şi cavităţi optice pentru cuplarea radiaţiei optice de la ieşirea diodelor laser, pentru aplicaţii care necesită fascicol cu înaltă coerenţă şi bandă de frecvenţă îngustă. Aceste cavităţi optice pot fi folosite în structuri specifice de diode laser sau pot fi adăugate la structurile existente Fabry - Perot. Cea mai simplă modalitate este o reţea de difracţie cu oglindă externă posterioară. Oglinda frontală

Acoperire antireflectorizantă Regiune activă

Lentilă de colimare

Oglindă posterioară (reţea)

Fig. 2.6

Două alte variante de cavităţi de diode laser mai importante care folosesc reţele de difracţie sunt cavitatea cu reacţie distribuită (DFB), fig. 2.7 şi cavitatea cu reflexie distribuită Bragg (DBR), fig 2.8.

22

Oglinda posterioară

Fig. 2.7

Fig. 2.8

La dioda laser cu cavitate distribuită, o reţea de difracţie plasată pe suprafaţa stratului activ realizează reacţia cu reflexie înapoi (difractată) doar pentru o anumită lungime de undă. La toate celelalte lungimi de undă se produc pierderi mai mari în cavitate, neatingându-se pragul de emisie laser. Dioda laser cu reflexie distribuită Bragg, fig. 2.8, are reţeaua poziţionată în prelungirea stratului activ şi necesită un strat cu ghidare prin indice de refracţie pentru a face legătura optică la regiunea de câştig a cavităţii optice. Diode laser cu emisie prin suprafaţă Toate structurile de diode laser descrise până acum emit radiaţia optică lateral. Există însă şi o altă clasă de diode laser, la care emisia se face prin suprafaţă. Pentru acestea, cavitatea optică are două variante: - cavitate optică plană (PCSEL – planar cavity surface emitting laser) şi - cavitate optică verticală (VCSEL – vertical cavity surface emitting laser). Ambele variante formează suprafeţe bidimensionale de diode laser. Dioda laser cu emisie de suprafaţă cu cavitate optică plană constă dintr-o diodă laser cu emisie laterală şi două structuri optice (frontală şi posterioară) care redirecţionează fascicolul laser în sus, perpendicular pe suprafaţa structurii. Fascicolul emis are formă eliptică. Dioda laser cu emisie de suprafaţă cu cavitate optică verticală este realizată pe straturi de GaAs. Regiunea activă şi oglinzile superioară şi inferioară sunt realizate sub formă de straturi depuse succesiv, stivuite vertical. La punerea sub tensiune, fascicolul emis este circular, facilitând cuplarea cu eficienţă mare la fibre optice. Deoarece depunerile pentru contactele p şi n sunt pe aceeaşi faţă a substratului, VCSEL pot fi testate în timpul fabricaţiei, înainte de a fi tăiate. 2.2.2.2 Lasere cu stare solidă Laserele cu stare solidă au mediul laser alcătuit din dopanţi (ioni de pământuri rare sau metale de tranziţie) care emit radiaţie laser, implantaţi în matrici

23

transparente din materiale solide izolatoare, cristaline sau sticlă, denumite gazdă. Inversiunea de populaţie se obţine prin pompare cu lămpi cu descărcare sau cu diode laser. În materialele laserelor solide, atomii responsabili de generarea radiaţiei laser sunt mai întâi excitaţi la nivelele energetice superioare prin absorbţia fotonilor: felul în care aceşti atomi se relaxează din stările excitate determină calitatea şi cantitatea radiaţiei laser emise. Laserele cu stare solidă au putere radiată mare, dând la ieşire impulsuri laser foarte scurte sau radiaţii cu lungimea de undă acordabilă în domeniul vizibil şi infraroşu apropiat. Există mai multe tipuri de lasere cu stare solidă: - lasere solide cu neodimiu, la care mediul activ este neodimiu triplu ionizat ca material dopant, într-o matrice cristalină sau sticlă. Este foarte versatil, putându-se dubla, tripla sau cvadrupla lungimea de undă prin generarea de armonici. Dă la ieşire impulsuri scurte prin comutarea factorului de calitate sau blocarea modului. - lasere solide cu rubin, realizate din bastonaşe de rubin crescute pe safir dopat cu crom. Emite raze laser în impulsuri de ordinul ms, dar necesită răcire. - lasere solide vibronice acordabile. Lungimea de undă acordabilă se obţine la funcţionarea pe tranziţii vibronice în care mediul activ schimbă şi stările electronice şi cele de vibraţii. Pot funcţiona in unda contină sau în impulsuri. Laserul vibronic cu alexandrit are benzile de absorbţie vizibile în regiunile spectrale albastru şi roşu. Ca surse, foloseşte pompe cu xenon sau diode laser cu emisie roşie. - lasere solide cu holmiu, tuliu sau erbiu; - lasere solide cu fibre optice. Lasere solide şi amplificatoare cu fibre optice Amplificatoarele cu fibre optice amplifică direct semnalul optic, eliminând conversia iniţială în semnal electric, amplificarea electronică şi apoi reconversia în semnal optic. Procesul este ilustrat în fig. 2.9. Laserul cu fibră optică este realizat dintr-o fibră optică unimod, tipic din sticlă siliconică dopată cu un ion ce emite radiaţie laser cu lungimea de undă dorită, λ1. Această fibră optică primeşte printr-un capăt radiaţia optică de nivel scăzut cu lungimea de undă λ1 şi radiaţia optică puternică cu lungimea de undă λ2 care excită ionul din fibră la nivelul laser superior. Trecerea semnalului de nivel scăzut λ1 prin fibra optică stimulează emisia unei radiaţii optice cu lungimea de undă λ1 de către ionii excitaţi. Radiaţia optică cu lungimea de undă de 1,3 µm este amplificată folosind neodimiu ca ion dopant iar radiaţia optică de 1,54 µm este amplificată folosind ioni de erbiu. Ca surse se folosesc diode laser. La capete sunt necesare

24

filtre şi izolatoare optice pentru a înlătura la ieşire radiaţia optică de excitare şi a elimina zgomotul. Semnal slab de intrare (λ1)

Amplificator cu fibră optică (λ1)

Semnal de ieşire amplificat (λ1)

Radiaţie optică pompată (λ2)

Fig. 2.9

Fibrele optice dopate cu pământuri rare şi plasate într-o cavitate rezonantă se pot folosi la obţinerea de surse laser. Câştigul lor mare permite tolerarea pierderilor semnificative ale cavităţii. Capătul lustruit al unei fibre optice, cu reflectivitate doar 4% se poate folosi drept cuplor de ieşire. Se utilizează lasere liniare cu fibre optice, dar cel mai mult se folosesc cavităţile inelare sau în forma de opt, deoarece pot genera impulsuri scurte. 2.2.2.3 Lasere cu gaz Laserele cu gaz au lungimile lor de undă centrale de emisie în regiunea vizibilă. Mediul laser este un gaz format din atomi neutri (gaze rare), ioni (Hg), molecule (CO2) sau vapori metalici. Inversiunea de populaţie se obţine prin descărcare electrică în gaz, unde de radiofrecvenţă, fotoni, etc. Randamentul laserelor cu gaz este slab, de câteva procente. Există următoarele categorii de lasere cu gaz: - Lasere cu He – Ne, folosite pentru puteri mici, în undă continuă. Mediul activ este un amestec de gaze rare He-Ne închis într-o incintă de sticlă la presiunea de 1 mbar, prevăzută cu un anod şi un catod la capete. Au performanţe remarcabile, fiind folosite fără filtrare. Durata de viaţă este de ordinul anilor. - Lasere cu ion de gaz nobil (Ar, Kr, Ne, Xe). Laserul cu Ar are linii de emisie în regiunea albastru – verde şi linii mai slabe în regiunea UV. Laserele cu Kr au ieşiri cu puteri mai mici, dar produc o gamă largă de lungimi de undă în UV, vizibil şi infraroşu apropiat: Amestecurile gazoase de Ar şi Kr produc un laser multigaz care emite pe liniile spectrale ale ambelor gaze. Singurul laser cu funcţionare în impulsuri este Xe, care emite pe linii între 488 nm şi 540 nm. Laserele cu neon şi xenon sunt puţin folosite.

25

- Lasere cu He – Cd au linii în spectrul vizibil şi UV şi sunt folosite în undă continuă. - Laserele cu gaz molecular sunt variate, cu lungimi de undă în domeniul infraroşu în gama 5 µm …1 mm, cele mai reprezentative fiind laserele cu dioxid de carbon (CO2), cu oxid de carbon (CO), oxid de azot (N2O), metanol (CH3OH), alcooli, alte amestecuri simple de carbon, etc. - Lasere chimice, denumite astfel datorită reacţiilor care produc energia de activare, cauza tranziţiilor în gaze, finalizate cu emisia radiaţiei optice. Mediile laser folosite sunt: iod, acid fluorhidric, acid clorhidric, florură de deuteriu, acid bromhidric, monoxid de carbon, dioxid de carbon, etc. Laserele chimice folosesc în general substanţe toxice, care se înlătură în final cu ajutorul unei pompe de vid şi au puteri de ordinul MW, funcţionând în undă continuă. - Laserele cu vapori de metal (Cu sau Au) funcţionează numai în impulsuri, cu durate de maxim zeci ns şi frecvenţe de repetiţie sub zeci de kHz. Alte lasere cu vapori de metal sunt cele cu vapori de Ba, Pb, Mn sau Ca. - Lasere cu azot (N2). Mediul laser este azotul gazos, pur. Au câştig optic foarte mare. Funcţionează în mediu superradiant, fără cavitate cu oglinzi, dar energia impulsurilor de ieşire poate fi dublată dacă se foloseşte o oglidă posterioară cu reflexivitate totală şi o oglidă frontală cu reflexivitate 4%. Laserele cu azot au coerenţă scăzută, fascicolele de ieşire fiind ovale sau dreptunghiulare. 2.2.2.4 Lasere cu lichid Laserele reprezentative cu lichid sunt laserele dye, al căror mediu activ este o substanţă lichidă, colorată, organică, fluorescentă, dizolvată într-un solvent lichid, la temperatura camerei. Pomparea se face cu lămpi cu descărcare sau laser extern. Lungimea de undă de ieşire poate fi variată de la UV apropiat până la IR apropiat. Laserele dye funcţionează în undă continuă, într-o lăţime de bandă spectrală foarte îngustă şi produc impulsuri foarte scurte, cu durate sub 1 ps. Au o construcţie complexă, care necesită elemente optice complicate iar obţinerea lungimilor de undă în tot spectrul vizibil impune schimbarea mediului activ. Au eficienţă şi coerenţă mare. 2.2.2.5 Metode de creştere a performanţelor laserelor 1. Modificarea lungimii de undă a laserelor, realizată prin generarea amonicelor laser sau folosirea unor oscilatoare parametrice optice. Generarea armonicelor se bazează pe interacţiunile neliniare între radiaţia optică şi materie (uzual un cristal neliniar), care pot genera armonici de frevenţă

26

egală cu un multiplu al fecvenţei undei de radiaţie optică. În majoritatea aplicaţiilor se produc doar armonica a doua, a treia şi a patra. Oscilatoarele parametrice optice sunt de două tipuri: simplu rezonante sau dublu rezonante. Răspunsul neliniar al cristalelor oscilatoarelor parametrice optice converteşte radiaţia laser de pompare în două frecvenţe noi, de semnal şi întârziată. Reglarea temperaturii cristalului, a lungimii de undă a laserului de pompare sau a unghiului între axa oscilatorului şi axa cristalului, permite acordul fin la ieşire. 2. Obţinerea impulsurilor laser scurte, în următoarele moduri: - comutarea factorului de calitate al cavităţii laser; - bascularea cavitătii laser; - blocarea modului de oscilaţie laser; - folosirea unor materiale optice neliniare. 3. Îngustarea lăţimii liniei laser prin: - folsirea etalonului Fabry – Perot (etalonul este o placă trasparentă cu două suprafeţe reflectorizante care formează un rezonator scurt, ce poate fi introdus în interiorul cavităţii laser.). Se pot obţine astfel lăţimi de bandă de minim 500kHz; - folosirea unor reţele cu una sau mai multe prisme. Acestea se cupleaza în afara cavităţii laser. Sunt robuste, compacte, uşor de aliniat, cu eficienţă mare de conversie şi nivele scăzute ale emisiei spontane. 2.2.2.6 Surse de alimentare pentru lasere Nu există un singur model de sursă de alimentare optimizată pentru toate tipurile de lasere. Pentru lasere solide pompate de la lămpi cu descărcare se folosesc surse în comutaţie de mare viteză, comandate de la un computer (de exemplu, cu încărcarea unui condensator). Unele lasere folosesc surse de alimentare convenţionale, de tensiune continuă (de exemplu, un transformator, redresor şi filtru). Pentru creşterea flexibilităţii surselor de alimentare se folosesc dispozitive electronice noi ca tranzistoare bipolare cu poartă izolată şi circuite integrate specifice aplicaţiei Aplicaţiile cu diode laser folosesc surse de curent specifice (drivere) şi circuite electronice pentru controlul temperaturii (controlere) pentru a menţine constantă intensitatea şi lungimea de undă de lucru a diodei laser. Se folosesc şi surse de tensiune continuă cu limitare de curent. Diodele laser cu lăţime îngustă a liniei necesită surse de curent cu zgomot scăzut. Suprafeţele de diode laser de putere mare necesită nivele ridicate pentru curenţi şi tensiuni. Diodele laser în undă continuă au nevoie de curent continuu în timp ce diodele laser în impulsuri sau modulate au nevoie de furnizarea la timp a energiei, astfel încât să se obţină impulsul optic dorit. O sursă de curent pentru diode laser trebuie să aibă zgomot

27

scăzut şi stabilitate mare. Fluctuaţiile curenţilor de alimentare produc zgomot de ieşire şi influenţează lăţimea liniei. Sursele de curent pentru diode laser funcţionează în două moduri de lucru: - curent constant sau - putere optică de ieşire constantă. În modul curent constant, controlul nivelului curentului de alimentare este realizat printr-o buclă de reacţie. Pentru performanţe optime, se realizează şi controlul temperaturii diodei laser. Modul de lucru cu putere optică de ieşire constantă este util când este necesară intensitate optică stabilă, dar controlul temperaturii este fie scăzut, fie greu de realizat. Pentru a controla curentul de alimentare şi a compensa fluctuaţiile mici de temperatură, fotodioda de monitorizare este conectată într-o buclă de reacţie. Dezavantajul metodei este variaţia lungimii de undă cu temperatura. Există şi aplicaţii ale diodelor laser care folosesc dependenţa lungimii de undă de ieşire de curentul de alimentare. În aceste cazuri, curentul de alimentare al laserelor este sub forma unor rampe repetate: pentru aceasta se foloseşte un generator de rampe inclus în sursa de alimentare a diodelor laser sau un modulator analog extern cu bandă de frecvenţă de câteva sute de kHz. Se recomandă utilizarea diodelor laser la temperaturi cât mai scăzute şi cât mai stabile, funcţie de aplicaţie. Pentru diode laser de putere scăzută se pot folosi radiatoare simple pasive. Suprafeţele de diode laser de putere necesită uzual răcire cu apă. Dacă aplicaţia necesită un grad mare de stabilitate a temperaturii, se folosesc circuite de control cu elemente de răcire Peltier. 2.3 Senzori optici pasivi (SOP) În funcţie de mărimea care variază, se întâlnesc mai multe tipuri de senzori optici pasivi (SOP): - cu variaţia intensităţii radiaţiei radiaţiei optice, - cu variaţia fazei radiaţiei optice, - cu variaţia polarizării, - cu variaţia lungimii de undă spectrală, - cu variaţia frecvenţei de modulaţie, etc. 2.3.1 Senzori optici pasivi cu variaţia intensităţii radiaţiei optice Sunt cel mai simplu de realizat, deoarece nu impun exigenţe particulare nici sursei de radiaţie şi nici senzorilor optici activi. Au fiabilitate mare şi preţ scăzut. Mărimea detectată de senzorii optici activi este intensitatea undei după trecerea

28

printr-un mediu atenuator sau dispersiv. Se realizează într-o mare diversitate, prin transmisia sau prin reflexia undei. Pot măsura: turaţii (prin întreruperea totală a fascicolului de radiaţie optică), deplasări, poziţii relative şi vibraţii (prin poziţionarea faţă în faţă a fibrelor optice), forţe şi presiuni (prin variaţia pierderilor optice în funcţie de raza de curbura a unei fibre optice), coduri de bare prin reflexie, densităţi ale substanţelor (prin absorbţie sau difuzie), temperaturi prin fluorescenţă, etc. Radiaţia optică trebuie să aibă o bună directivitate, dimensiuni mici ale fascicolului şi intensitate sufiientă pentru a fi detectată uşor. Aceste cerinţe sunt asigurate prin folosirea unui laser, a unei surse necoerente (de exemplu LED) şi a unei fibre optice unimod pentru directivitate. 2.3.2 Senzorii optici pasivi cu variaţia fazei radiaţiei optice Sunt mai complicaţi şi au o sensibilitate foarte mare. Necesită compensarea mărimilor care interferă. Cel mai întâlnit senzor de acest tip este interferometrul. Mărimea de măsurat acţionează asupra unui element optic aflat în unul din braţele interfcrometrului şi are ca efect variaţia fazei undei de radiaţie la trecerea prin elementul optic. Faza radiaţiei optice are două părţi: o parte care depinde de timp şi este denumită fază temporală şi o parte care depinde de poziţie şi este denumită fază spaţială. Ambele se măsoară faţă de o fază (defazaj) de referinţă. a. Senzorii optici activi cu variaţia fazei temporale pot fi de două feluri: - cu modificarea frecvenţei, - cu modificarea timpului. Singurul efect cunoscut care poate modifica continuu frecvenţa undei monocromatice este efectul Doppler. Pentru a obţine o variaţie de fază temporală semnificativă, trebuie ca raportul vr/c >> 1, unde vr este viteza relativă a sursei. Variaţia fazei temporale poate fi mărită prin creşterea timpului de propagare. Un exemplu de senzor cu variaţia fazei temporale prin modificarea timpului este girometrul cu fibre optice, folosit pentru măsurarea vitezei unghiulare şi a sensului de rotaţie (fig. 2.10). Constructiv, este format dintr-un interferometru Sagnac cu două fascicole de radiaţie optică, obţinute prin divizarea undei monocromatice cu un despicător de fascicole. Cele două fascicole sunt trecute simultan prin cele două extemităţi ale fibrei optice şi apoi recombinate la ieşire. Cât interferometrul este în repaus, drumurile optice ale celor două unde a şi b sunt egale şi au vaoarea 2πR, unde R este raza buclei de fibră optică. Dacă interferometrul se roteşte cu viteza Ω în sens trigonometric, drumul optic al undei a (care are sens trigonometric) este alungit iar

29

cel al undei b (cu sens invers trigonometric) este scurtat, rezultând un defazaj temporal:

∆Φ = ω ⋅ ∆t = 4πR 2ω ⋅ N ⋅ Ω / c 2 Defazajul este proporţional cu viteza de rotaţie Ω a interferometrului. Pentru creşterea sensibilităţii se poate creşte drumul optic folosind mai multe spire N, de fibră optică. La revenirea în despicătorul de fascicol, cele două unde interferă producând franje de interferenţă. Aplicaţia tipică este în domeniul navigaţiei. Fotodetectoare

Laser

Ω DF a

b

Fig. 2.10

b. Senzorii optici pasivi cu modificarea fazei spaţiale sunt de tip interferometric, cei mai cunoscuţi fiind interferometrul Michelson (fig. 2.11) şi interferometrul Mach – Zehnder (fig. 2.12). OF

X OF

OM

Brat 1

OF Brat 2

Laser

Laser DF

Brat 2

Brat 1 DF

DF

Fotodetector

Fotodetectoare

Fig. 2.11

Fig. 2.12

30

Senzorii interferometrici transformă variaţia fazei radiaţiei optice în variaţie de intensitate (flux optic sau putere optică) la intrarea fotodetectoarelor. Unda monocromatică provenită de la sursa coerentă este divizată în două fascicole care urmează parcursuri diferite înainte de a se recombina. Braţul I, denumit braţ de referinţă, este ferit de perturbaţii. Celălalt braţ, denumit braţ de măsurare, este supus mărimii de intrare X şi produce modificarea fazei spaţiale a undei de radiaţie optică prin braţul 2. Notaţiile folosite în cele două figuri sunt următoarele: DF - divizor de fascicol, OF - oglindă fixă, OM - oglindă mobilă. Sensibilitatea interferometrului, notată cu Φ(x)/∆x, depinde de lungimea braţului de măsurare (denumit şi braţ de captură) şi de indicele său de refracţie, ceilalţi parametri fiind fixaţi. Condiţiile necesare bunei funcţionări a unui senzor interferometric sunt următoarele: - rigiditate mecanică a sistemului, pentru a evita variaţiile braţului de referinţă; - izolare termică şi mecanică (antivibratorie); - sursă optică de radiaţie coerentă spaţial şi temporal pentru buna evidenţiere a franjelor de interferenţă; - distribuţie egală a câmpurilor de polarizare pentru cele două braţe; - lungime mare a braţului de măsurare. Pentru obţinerea unor perfomanţe ridicate se recomandă folosirea fibrelor optice unimod. 2.3.3 Senzori optici pasivi cu variaţia polarizării radiaţiei optice Aceşti senzori conţin un element birefringent asupra căruia acţionează mărimea de măsurat. Pentru determinarea stării de polarizare trebuie calculaţi mai mulţi parametri şi aplicaţi unui analizor de polarizare. Starea de polarizare a unei unde plane de radiaţie optică se determină matematic, pornind de la vectorii: intensitate câmp electric E , intensitate câmp magnetic H şi deplasare electrică D . 2.3.3.1 Plăci polarizoare Pentru analiza stării de polarizare a radiaţiei optice, se plasează în calea fascicolului diferite tipuri de filtre polarizoare. Dacă radiaţia optică este incidentă la interfaţa dintre două medii cu indici de refracţie diferiţi, atunci radiaţia reflectată

31

şi radiaţia transmisă îşi schimbă starea de polarizare faţă de starea de polarizare a radiaţiei optice incidente. Interacţiunea radiaţiei optice cu atomii sau moleculele unui material optic depinde de lungimea de undă. Consecinţele acestei dependenţe sunt interacţiunile rezonante legate de dispersia materialelor şi birefrimgenţa, adică schimbarea indicelui de refracţie cu polarizarea radiaţiei optice. Aranjarea ordonată a atomilor în anumite cristale are ca efect diferite frecvenţe de rezonanţă pentru orientări diferite ale vectorului electric faţă de axele cristaline. Birefringenţa poate fi folosită şi la schimbarea stării de polarizare a radiaţiei optice. Componentele optice care realizează acest lucru sunt denumite plăci de undă birefringente (sau plăci de undă) sau plăci cu întârziere. Tăind un cristal după axele cristaline, se obţine indicele minim de refracţie pentru polarizarea vectorului electric al undei plane. Se spune că unda este polarizată de-a lungul axei rapide atât timp cât viteza de fază este maximă. O undă plană polarizată cu planul rotit cu 900 se propagă cu indice de refracţie maxim şi viteză de fază minimă. În acest caz, unda este polarizată de-a lungul axei lente. Diferenţa între numerele de lungimi de undă dintre cele două unde va determina raportul celor doi indici de refracţie nr / n. Diferenţa între aceste două deplasări de fază este denumită întârziere. Dacă se schimbă frecvenţa optică, întârzierea se va schimba la o viteză mai mare decât ar fi pentru o placă întârziată doar cu o treime de undă, placa fiind denumită placă treime de undă de ordin multiplu. Placa jumătate de undă se foloseşte la rotirea planului de polarizare al radiaţiei optice plane, de exemplu, din polarizare verticală în polarizare orizontală. Plăcile sfert de undă se folosesc pentru a obţine radiaţie optică polarizată circular din radiaţie optică polarizată plan şi invers. Pentru aceasta, placa sfert de undă trebuie orientată astfel ca unda incidentă plană să fie la 45° faţă de axa rapidă (sau lentă). Plăcile sfert de undă se folosesc şi ca izolator optic, pentru evitarea reflexiilor nedorite. Placa undă întreagă se foloseşte la ştergerea polarizării, la oglinzi metalice. Plăcile de undă se realizează din cristale birefringente (mica sau cuarţul). Polarizorul liniar sau plan are proprietatea de a transmite radiaţia optică al cărei vector de câmp este paralel cu direcţia de transmisie a polarizorului. Polarizorul liniar este o reţea de fire conductoare, echidistante, paralele, cu spaţiere foarte mică între ele (unda incidentă pentru care câmpul oscilează paralel cu firele este absorbită, toate celelalte unde fiind transmise). Radiaţia optică emisă de surse de radiaţie optică obişnuite este nepolarizată deoarece direcţia instantanee a polarizării variază rapid şi aleator în timp între 0 şi 2π. Radiaţia nepolarizată are intensitatea neafectată când este transmisă printr-o placă de undă şi devine polarizată liniar când este transmisă printr-un polarizor liniar: intensitatea ei nu depinde de direcţia de transmisie a polarizorului.

32

2.3.3.2 Birefringenţa Cristalele optice ale căror proprietăţi variază cu orientarea radiaţiei optice care le traversează sunt anizotrope. În acest caz, vectorii câmp electric E şi deplasare electrică D nu mai sunt coliniari, chiar dacă modulele lor rămân proporţionale. Anizotropia îşi are originea fie în structura materialului, fie în existenţa unei direcţii privilegiate rezultate în urma aplicării unui câmp exterior. Într-un mediu anizotrop, direcţia de propagare a undei nu coincide cu direcţia razelor de propagare a energiei. Propagarea în medii anizotrope poate fi interpretată ca propagarea a două unde polarizate liniar în plane ortogonale şi având fiecare un indice de refracţie diferit. În interiorul mediilor uniaxă, unda incidentă se divide în două unde: - o undă ordinară care se propagă cu indicele n0, acelaşi cu al razei ordinare corespunzătoare şi - o undă extraordinară, având un indice de refracţie variabil cu direcţia de incidenţă, indice diferit de al razei extraordinare corespunzătoare. Fenomenul de propagare cu doi indici de refracţie poartă numele de birefringenţă liniară sau dublă refracţie. Unda incidentă polarizată eliptic se divide în două unde polarizate liniar care se propagă cu viteze diferite. Dacă după trecerea prin mediul liniar birefringent razele sunt apropiate, ele se suprapun parţial. Zona de suprapunere rămâne polarizată eliptic iar părţile distincte îşi menţin polarizările liniar ortogonale. Propagarea în ghidurile de undă optice de tbrmă .cilindrică este dictată de o singură constantă de propagare dublu degenerată, adică două unde polarizate ortogonal alese arbitrar pentru a descompune unda care traversează ghidul optic îşi conservă pe toată lungimea propagării defazajul lor iniţial. În acest caz, comportarea fiecărei polarizări este dictată de constante de propagare diferite. 2.3.3.3 Efecte care acţionează asupra polarizării radiaţiei optice În urma aplicării unor câmpuri exterioare care modifică anizotropia mediului traversat, distribuţia câmpurilor electromagnetice se schimbă local, ceea ce modifică interacţiunea lor cu unda de radiaţie optică. Variaţiile locale sunt însă slabe faţă de câmpurile create de legăturile atomice. Macroscopic, aceasta se exprimă printr-o dependenţă a permitivităţii relative ε0 în funcţie de câmpul exterior aplicat.

33

a. Efectul elasto-optic Se datorează câmpului de tensiuni interne determinate de forţe mecanice de joasă frecvenţă. Variaţia indicilor de refracţie este proporţională cu deformaţiile. b. Efectul acusto - optic Câmpul electric aplicat modifică tensiunile interne cu frecvenţe ridicate (kHz...zeci kHz) induse prin efect piezoelectric. Spre deosebire de efectul etastooptic care este datorat deformaţiilor statice şi de foarte joasă frecvenţă, efectul acusto-optic introduce deformaţii cu frecvenţe ridicate. c. Efectul Pockels Un câmp electric static induce birefringenţă liniară în anumite medii. Se induce o polarizare care determină mediul să devină anizotrop. d. Efectul Kerr Apare pe lângă efectul Pockels şi este un efect electro-optic de ordinul doi în puteri ale câmpului electric E. Cristalele care au un centru de simetrie au doar efect Kerr, fără efect Pockels. Cel mai pronunţat efect Kerr este întâlnit la nitrobenzen. e. Activitate optică Anumite medii pot roti planul de polarizare al undei plane incidente, unghiul de rotaţie θ fiind proporţional cu lungimea mediului traversat. O undă polarizată dreapta sau stânga îşi conservă polarizarea la trecerea printrun mediu optic activ. Activitatea optică este un fenomen de birefringenţă circulară prin care unda incidentă se separă în două unde polarizate circular, cu indicii nd respectiv ns. La ieşirea din mediu, undele se recombină şi refac unda polarizată liniar, al cărei azimut depinde de variaţia fazei relative a celor două propagări polarizate circular. După cum diferenţa nd - ns este pozitivă sau negativă, rotaţia va avea loc în sens trigonometric sau în sensul acelor de ceas. f. Efectul Faraday Dacă o undă polarizată liniar traversează un câmp magnetic de inducţie B, planul de polarizare al undei se roteşte cu un unghi proporţional cu valoarea inducţiei, după direcţia de propagare Oz şi proporţional cu lungimea L a mediului traversat: Efectul Faraday este nereciproc: două treceri în sens invers în acelaşi mediu care prezintă efect Faraday conduc la o rotaţie de 2θ; nu acelaşi lucru se întâmplă în cazul activităţii optice, unde rotaţia finală este nulă. g. Efectul Voigt Este un efect magneto-optic de ordin unu care induce birefringenţă liniară. h. Efectul Cotton - Mouton Este un efect magneto-optic de ordin doi care apare pe lângă efectul Kerr şi induce birefringenţă liniară.

34

2.3.4 Senzori pasivi cu fibre optice 2.3.4.1 Introducere După locul interacţiunii dintre mărimea de măsurat şi radiaţia optică, senzorii pasivi cu fibre optice (SOP) sunt de trei tipuri: - intrinseci, la care acţiunea de modulare se petrece în interiorul fibrei optice. Exemple: senzorii bazaţi pe microîndoiri, care schimbă condiţiile de reflexie internă totală a radiaţiei optice. - extrinseci, la care acţiunea de modulare se petrece în exteriorul fibrei optice. Exemple: senzorii bazaţi pe reflexia radiaţiei optice înapoi în fibră, după ce a fost modulată de mărimea de măsurat.. - bazaţi pe câmp slab, de suprafaţă (evanescent), la care acţiunea de modulare se face direct pe suprafaţa exterioară, dezvelită, a miezului. Exemple: unii senzori chimici. Senzorii optici pasivi cu fibre optice se bazează în general pe variaţia intensităţii sau fazei radiaţiei optice. Sunt realizaţi din fibre optice unimod sau multimod. Senzorii cu modulaţia fazei necesită fibre optice unimod sau chiar unimod cu menţinerea polarizării. Pentru senzorii extrinseci cu variaţia intensităţii, un rol important îl are capabilitatea de putere, definită ca posibilitatea fibrelor optice de a transmite puterea optică. Pentru aceste aplicaţii se recomandă fibrele optice cu miezuri cu diametru şi aperturi numerice mari. Senzorii cu fibre optice cu variaţia intensităţii au dezavantajul suprapunerii peste semnalul util a perturbaţiilor determinate de variaţia intensităţii radiaţiei optice a sursei, eficienţa de cuplare a fibrei optice, îndoiri, etc. O clasă de senzori pasivi cu fibre optice o constituie senzorii înglobaţi în structuri pentru determinarea eforturilor, temperaturilor, deformaţiilor, formelor, forţelor, vibraţiilor, agenţilor chimici sau a deteriorărilor. Senzorii cu fibre optice au gamă dinamică mare, pot fi montaţi pe suprafaţa structurilor noi sau existente folosind adezivi convenţionali şi pot fi incluşi în materialele compozite în timpul fabricaţiei. Mai mult, senzorii cu fibre optice pot fi realizaţi cu sensibilitate optimă la un parametru sau să exploateze diferite proprietăţi ale radiaţiei optice, în scopul modulării simultane a mai multor parametri, folosind acelaşi senzor. Senzorii cu fibre optice cu variaţia fazei sunt de mai multe tipuri: - interferometru Mach-Zehnder cu fibre optice, - senzori cu faza codată, bazaţi pe interferenţa dintre radiaţiile optice reflectate de suprafeţe apropiate. De exemplu, senzorii etalon liniari, care folosesc două lungimi de FO unimod lipite prin topire de un microtub scurt din siliciu, de 0,1 mm, al cărui diametru este identic cu al fibrei.

35

- senzori cu reţea Bragg în fibra optică – au reţeaua realizată în fibrele optice. Măsurarea efortului se face prin injectarea unei radiaţii optice de la o sursa de bandă largă (diodă superluminiscentă, LED cu emisie laterală sau sursă superfluorescentă) în fibră şi detectarea lungimii de undă de vârf a radiaţiei reflectate. Senzorii etalon liniari se aseamănă cu interferometrul Fabry - Perot extrinsec în care cele două fibre sunt introduse într-un tub cu diametru mai mare. O clasă specială o constituie senzorii cu fibre optice pentru radiaţie optică infraroşie. Materialele folosite pentru realizarea lor sunt: safirul, fluoruri şi sticle calcogenide cu o gamă variată de ferestre spectrale de transmisie. Senzorii cu fibre optice pentru IR pot fi multiplexaţi de-a lungul unei fibre optice pentru a obţine măsurători discrete, distribuite. Senzorii cu variaţia intensităţii pot fi multiplexaţi necoerent (cu divizare spaţială, cu divizare în timp, cu divizare în frecvenţă sau cu divizarea lungimii de undă), iar senzorii interferometrici pot fi multiplexaţi prin mai multe tehnici: cu purtătoare cu generarea impulsului, interferometrie diferenţială cu împerecherea căilor, multiplexare coerentă, cu divizare în timp sau în frecvenţă. Una din tehnicile cele mai folosite este multiplexarea necoerentă cu divizare în timp, tehnica fiind denumită reflectometrie optică în domeniul timp (OTDR). În reflectometrul optic în domeniul timp se măsoară diferenţa de timp între impulsul laser emis în fibră şi impulsul laser reflectat şi împrăştiat înapoi (de către defect). Instrumentul se foloseşte la testarea fibrelor optice. 2.3.4.2 Senzori pasivi cu fibre optice cu variaţia intensităţii a. Senzori pasivi hibrizi cu capetele fibrelor optice faţă în faţă Un astfel de senzor, de vibraţii sau de închidere, constă din două fibre optice apropiate faţă în faţă. Radiaţia optică este transmisă prin una din fibrele optice iar la ieşire radiaţia optică este expandată într-un con al cărui unghi depinde de diferenţa dintre indicele de refracţie al miezului şi învelişului FO. Cantitatea de radiaţie optică capturată de a doua FO depinde de unghiul de acceptanţă şi de distanţa dintre fibre. O variantă a acestui senzor foloseşte cele două fibre optice în aceeaşi parte iar în faţa lor o oglindă flexibilă care răspunde la un efect extern (presiunea sau deplasarea). Aranjând două fibre optice în linie, se obţine un senzor prin translaţie, ca în fig. 2 13. Un senzor rotativ de poziţie conţine o placă codată cu zone cu reflectanţă variabilă, plasată astfel încât fiecare poziţie are un cod unic. Pentru a determina prezenţa sau absenţa unei zone reflectorizante, se foloseşte un anumit număr de fibre optice.

36

Fibră optică de intrare

Fibre optice de colectare

Fig. 2.13

b. Senzori de poziţie cu multiplexare cu divizarea lungimii de undă Sursa de radiaţie optică folosită este de bandă largă, de exemplu o diodă LED şi se utilizează o singură fibră optică care transportă fascicolul până la un multiplexor cu divizarea lungimii de undă (WDM), fig. 2.14.

CD

Sursă de radiaţie optică

VDM

λ1 λ2 λ3

VDM

λ1

λ2

Placă codată

λ3

Fotodetectoare

Fig. 2.14

Multiplexorul divide fascicolul de radiaţie optică şi-l trimite la o placă codată pentru determinarea poziţiei liniare. Semnalele reflectate sunt apoi recombinate şi separate de al doilea multiplexor cu divizarea lungimii de undă, astfel încât fiecare semnal de la fibra optică de interogare este citit de un fotodetector separat (CD este un cuplor direcţional cu fibră optică). c. Senzori de poziţie cu FO cu multiplexare şi divizare în timp Utilizează o sursă de radiaţie optică în impulsuri, care sunt divizate în mai multe fibre optice de interogare, fig. 2.15. Fibrele optice sunt aranjate astfel încât au întârzieri care separă semnalul reflectat de la placa codată cu un timp mai mare decât durata impulsului. Când semnalele reflectate se recombină la detector,

37

rezultatul este o secvenţă codată de impulsuri de semnal care corespund cu poziţia plăcii codate. Sursă de radiaţie optică în impulsuri

CD

FD

Placă codată

Fig. 2.15

d. Senzori cu fibre optice bazaţi pe reflexie internă totală Radiaţia optică se propagă prin miezul FO şi ajunge la capătul tăiat la un anumit unghi critic al FO, fig. 2.16. Dacă mediul în care se plasează capătul FO tăiat oblic are indicele de refracţie mic, toată radiaţia optică este reflectată când ajunge la oglindă şi se întoarce în fibra optică. Dacă însă indicele de refracţie al mediului se apropie de acela al materialului miezului fibrei optice, o parte din radiaţia optică se propagă în afara fibrei, rezultând modulaţia de intensitate.

Radiaţie optică

Învelişul fibrei optice

n0 Oglindă

Miezul fibrei optice

Fig. 2.16

Acest tip de senzor este folosit la măsurarea cu acurateţe scăzută (10 %) a variaţiilor presiunii sau indicelui de refracţie într-un lichid sau gel. Pentru măsurarea nivelului de lichid, ca suprafaţă oglindă se foloseşte o prismă reflectorizantă. Atunci când nivelul de lichid ajunge la prisma reflectorizantă, radiaţia optică se scurge în lichid atenuând semnalul reflectat. e. Senzori cu fibre optice bazaţi pe câmp slab de suprafaţă Transferul puterii optice între două miezuri de FO fără înveliş şi apropiate se foloseşte pentru a obţine senzori cu FO bazaţi pe câmp slab de suprafaţă. Pentru FO unimod, această distanţă este 10... 20 µm şi există pierderi considerabile de radiaţie în înveliş şi în jurul miezului. Dacă în apropiere se plasează un al doilea miez de fibră optică, câmpul slab de suprafaţă se va cupla în miezul fibrei optice alăturate. Cuplajul depinde de mai mulţi parametri: lungimea

38

de undă a radiaţiei optice, indicele de refracţie relativ al mediului în care sunt miezurile, distanţa dintre senzori şi lungimea de interacţiune. Acest tip de senzor cu FO se foloseşte pentru măsurarea lungimii de undă, filtrare spectrală, măsurarea indicelui de refracţie şi a efectelor mediului înconjurător asupra miezurilor (temperatură, presiune, efort). f. Senzori bazaţi pe microîndoirea periodică a fibrei optice Microîndoirea FO este folosită la realizarea de senzori pentru măsurarea vibraţiilor, presiunii, forţelor şi a altor efecte din mediul înconjurător. Un astfel de traductor conţine o sursă de radiaţie optică, o porţiune de fibră poziţionată într-un senzor cu microîndoiri pentru modularea în intensitate a radiaţiei optice în funcţie de un efect din mediu şi un fotodetector. Senzorul cu microîndoiri poate fi implementat şi folosind cabluri speciale cu fibre optice sau FO optimizate să fie sensibile la pierderi prin microîndoire. g. Senzori cu fibre optice bazaţi pe reţele de difracţie Un fascicol de radiaţie optică este colimat de o lentilă şi trece printr-un sistem de două reţele de difracţie, una fixă şi una mobilă, fig. 2.17.

Fibră optică de intrare

montură fixă

Lentilă Fibră optică de ieşire

Montură elastică

Fig. 2.17

Dezavantaj: mişcarea relativă a reţelelor de difracţie are ca efect o caracteristică sinusoidală a sensibilităţii relative. Pentru sensibilitate optimă, poziţia iniţială a reţelelor trebuie să fie jumătate deschisă, jumătate închisă. Pentru creşterea sensibilităţii se folosesc reţele cu spaţieri mai fine care însă, limitează gama dinamică. Pentru a mări sensibilitatea fără limitarea gamei dinamice se folosesc reţele multiple decalate cu 90°. În cazul reţelelor duble ieşirile sunt în cuadratură. Când una din ieşiri este la sensibilitate optimă cealaltă este la sensibilitate minimă şi invers. Folosind ambele ieşiri pentru urmărire, se pot scana mai multe linii ale reţelei, crescând astfel gama dinamică şi evitând scăderea la zero a semnalului la poziţiile de sensibilitate minimă şi uniformizând sensibilitatea.

39

Senzorii pasivi cu fibre optice bazaţi pe modularea intensităţii au limitări impuse de pierderile variabile din sistem care nu sunt legate de mărimea ce trebuie măsurată. Sursele de erori sunt pierderile variabile datorate conectoarelor, divizoarelor, îndoirilor şi nealinierea surselor de radiaţie optică şi a fotodetectoarelor. Pentru a elimina aceste probleme se folosesc două lungimi de undă, una fiind pentru calibrare prin evitarea regiunii de detecţie. O concepţie alternativă este utilizarea unor senzori pasivi cu fibre optice rezistenţi la erori induse de variaţii de intensitate 2.3.4.3 Senzori spectrali cu fibre optice Senzorii spectrali cu fibre optice se bazează pe modulaţia lungimii de undă a radiaţiei optice de către mărimea de măsurat. În această categorie se încadrează senzorii bazaţi pe radiaţia corpului negru, cu absorbţie, cu fluorescenţă şi cu reţele de difracţie etalon şi dispersive. a. Senzori spectrali cu fibre optice bazaţi pe corp negru Structura unui astfel de senzor este dată în fig. 2.18. Filtru de banda ingusta

Lentila

Cavitate tip corp negru

FD Despicator de fascicol

Filtru de banda ingusta Fibra optica

FD

Fig. 2.18

O cavitate de tip corp negru este plasată la capătul unei fibre optice. Când temperatura cavităţii creşte, ea începe să se comporte ca o sursă de radiaţie optică, permiţând măsurarea temperaturilor peste 300°C. Se folosesc două fotodetectoare (FD) împreună cu filtre de bandă îngustă pentru a determina profilul curbei corpului negru şi astfel temperatura. Senzorul este folosit la măsurarea temperaturilor mari, cu acurateţe de câteva grade Celsius. În prezenţa câmpurilor de radiofrecvenţă acurateţea scade sub 200°C. b. Senzori spectrali cu fibre optice bazaţi pe absorbţie Folosesc un senzor din GaAs, o sursă de radiaţie optică de bandă largă şi fibre optice de intrare şi ieşire. Profilul de absorbţie depinde de temperatură şi presiune (fig. 2.19).

40

Fibră optică de intrare Probă senzor din GaAs

Fibră optică de ieşire

Fig. 2.19

c. Senzori spectrali cu fibre optice bazaţi pe fluorescenţă Sunt folosiţi pentru aplicaţii medicale, chimice şi pentru măsurarea parametrilor fizici ca temperatura, vâscozitatea şi umiditatea. Configuraţiile cele mai folosite sunt cu materialul fluorescent la capăt şi multipunct, fig. 2.20. Fibră optică Senzor de capăt Material fluorescent Senzor multipunct

Fig. 2.20

Se bazează pe dependenţa de timpul de stingere a impulsului de radiaţie optică emis de materialul fluorescent, excitat cu impulsuri de radiaţie optică. 2.4 Senzori optici activi (SOA) 2.4.1 Clasificarea senzorilor optici activi Senzorii optici activi, denumiţi şi fotodetectoare, transformă variaţia intensităţii radiaţiei optice (fluxului sau puterii optice) modificate de mărimea de măsurat în senzorii optici pasivi, într-o variaţie a unei mărimi sau parametru electric (tensiune, curent, sarcină, rezistenţă sau capacitate). După modul în care se face absorbţia radiaţiei optice şi transformarea ei în alte forme de energie, senzorii optici activi se împart în două grupe:

41

- electronici (sau cuantici), în care absorbţia radiaţiei optice determină excitarea electronilor pe nivele energetice superioare şi - termici, în care absorbţia radiaţiei optice este însoţită de creşterea temperaturii sistemului reţea cristalină - electroni. a. Fotodetectoarele electronice sunt selective deoarece răspund numai la acei fotoni a căror energie minimă depăşeşte energia de prag determinată de lărgimea benzii interzise a semiconductorului. La baza funcţionării fotodetectoarelor electronice stă efectul fotoelectric. Dacă în urma absorbţiei, radiaţia optică determină ieşirea electronilor din solid şi formarea unui flux de electroni între catod şi anod, atunci apare efectul fotoelectric extern. Excitarea internă a reţelei cristaline sub acţiunea radiaţiei optice absorbite ce determină trecerea electronilor din stările legate în stările libere poartă denumirea de efect fotoelectric intern. O formă a efectului fotoelectric intern este apariţia purtătorilor de sarcină şi creşterea conductivităţii electrice. O altă formă a efectului fotoelectric intern în semiconductoare cu neomogenităţi (contact metalsemiconductor, joncţiune p-n), este separarea purtătorilor de sarcină în câmpurile interne şi apariţia unei tensiuni fotoelectromotoare (efect fotovoltaic). b. Fotodetectoarele termice nu sunt selective deoarece energia absorbită este transformată în energie termică. Ele utilizează acele proprietăţi ale solidelor ce se modifică la creşterea temperaturii în urma absorbţiei radiaţiei optice. De aceea, fotodetectoarele termice au viteză de răspuns mult mai mică decât fotodetectoarete electronice. Fiecare din cele două tipuri de fotodetectoare se clasifică în parametrice (sau modulatoare) şi energetice (generatoare), după cum radiaţia optică are ca efect modificarea unui parametru electric (rezistenţă, capacitate) sau generarea unei tensiuni, curent sau sarcini electrice. 2.4.2

Fotodetectoare electronice

2.4.2.1 Fotodiode a. Fotodiode p-n (planare) Fotodiodele cele mai răspândite sunt cele din siliciu, realizate dintr-un singur substrat cristalin din Si pur, similar celor folosite la circuite integrate. Puritatea Si este direct legată de rezistivitatca sa. Valorile tipice pentru rezistivitatea Si sunt 10 Ωcm ... 10 kΩcm. O secţiune transversală printr-o fotodiodă plană din Si este dată în fig. 2.21.

42

Radiaţie optica incidentă

Contact pentru anod Acoperire antireflectorizantă SiO2 Si p Jonctiune p-n Regiune de sărăcire

Si n de volum

Si n Metalizare catod

Fig. 2.21

Prin difuzia termică sau implantarea ionică a unui material dopant (de obicei bor) în Si tip n, se formează stratul subţire tip p de la suprafaţa frontală. Pe suprafaţa frontală se aplică un contact mic de metal iar suprafaţa posterioară este complet metalizată. Se formează astfel o joncţiune p-n care diferă de cele de la diode prin faptul că stratul p este foarte subţire, în funcţie de gama de lungimi de undă selectate. Adâncimea regiunii de sărăcire poate varia prin modificarea tensiunii inverse aplicate pe joncţiune. Capacitatea electrică a joncţiunii p-n depinde de grosimea regiunii de sărăcire, rezistivitatea siliciului şi mărimea suprafeţei active. Crescând tensiunea de polarizare inversă, creşte adâncimea regiunii de sărăcire şi se micşorează capacitatea până se atinge sărăcirea completă. Când radiaţia optică este absorbită în regiunea activă, se formează perechi electron - gol care sunt separate, electronii trecând în regiunea n, iar golurile în regiunea p. Rezultă astfel un curent foarte puţin afectat de temperatură, variind cu mai puţin de 0,2 %/°C pentru spectrul vizibil. La aplicarea unei polarizări inverse, în lipsa iluminării, prin fotodiodă va trece un curent mic, denumit curent de întuneric. Parametrii fotodiodelor p – n sunt următorii: - Responsivitatea este o măsură a sensibilităţii fotodiodei şi este definită ca raportul dintre fotocurentul de ieşire şi puterea radiantă incidentă. În fig 2.22 se dă responsivitatea spectrală a unei fotodiode de siliciu. - Eficienţa cuantică se exprimă în procente şi este capabilitatea fotodiodei de a converti energia radiaţiei optice în energie electrică. - Puterea echivalentă de zgomot este puterea optică incidentă minimă necesară unei fotodiode pentru a genera un fotocurent egal cu curentul de zgomot total al

43

fotodiodei şi se defineşte ca raportul între curentul de zgomot şi responsivitate. Puterea echivalentă de zgomot depinde de lăţimea benzii de frecvenţă a sistemului de măsurare. Responsivitatea spectrala [A/W]

0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 Lungimea de unda λ [nm]

0.1

0 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

Fig. 2.22

Zgomotul generat de o fotodiodă cu Si polarizată invers este o combinaţie de zgomot de alice, datorat curentului de întuneric de scurgere, şi zgomot Johnson, datorat rezistenţei interne paralel a dispozitivului şi temperaturii. Zgomotul de alice este componenta dominantă a curentului de zgomot a unei fotodiode polarizate invers cu tensiune mare. Dacă dispozitivele sunt folosite în mod fotovoltaic (cu polarizare zero), zgomotul Johnson este predominant, iar curentul de întuneric se apropie de zero. Când se lucrează fără polarizare, se reduce curentul de zgomot, deci şi puterea de zgomot. - Timpul de creştere reprezintă măsura vitezei de răspuns a fotodiodei la un impuls dreptunghiular de radiaţie optică şi este timpul necesar pentru fotodiodă săşi crească nivelul de ieşire de la 10 % ia 90 % din nivelul final de ieşire. Timpul de colectare al sarcinii depinde de tensiune şi are două componente: una rapidă, care este timpul de tranzit al purtătorilor de sarcină prin regiunea de sărăcire, sub influenţa unui câmp electric şi una lentă, timpul de difuzie. O clasă specială de fotodiode sunt cele pentru domeniul infraroşu. b. Fotodiode PIN Fotodiodele PIN au o regiune cu Si intrinsec între regiunile p şi n. Pe o plachetă de Si intrinsec cu rezistivitate mare se difuzează un strat epitaxial tip n cu grosimea de 30 ... 40 µm. Pe cealaltă faţă a plachetei se difuzează un strat subţire, de 2 ... 5 µm, de conducţie mare, tip p. Urmează apoi depunerea unor straturi antireftectorizante de SiO şi a contactelor ohmice.

44

Fotodiodele PIN se realizează cu iluminare frontală sau cu iluminare laterală. Datorită sensibilităţii la radiaţia optică incidentă şi a vitezei mari de răspuns, ele înlocuiesc des fotodiodele cu joncţiune p-n. Pentru polarizări inverse, câmpul electric din regiunea intrinsecă accelerează purtătorii de sarcină liberi spre regiunile puternic dopate. Începând cu tensiuni mici de polarizare inversă, toţi purtătorii de sarcină generaţi de radiaţia optică incidentă ajung în regiunile puternic dopate într-un interval de timp mai scurt decât timpul de viaţă. Pentru Si, timpul de răspuns este ≈ 0.5 ns şi randamentul cuantic este mare (η = 0.6). c. Fotodiode Schottky Curbarea benzilor energetice ale unui semiconductor în vecinătatea contactului cu un metal dă naştere unei bariere de potenţial numită barieră Schottky. Dispozitivul obţinut este fotodioda Schottky, cu un principiu de funcţionare asemănător cu al fotodiodei p-n Spre deosebire de fotodiodele cu joncţiune p-n, fotodiodele Schottky se pot utiliza şi ca fotodetectoare pentru regiunea UV a spectrului radiaţiei optice. În domeniul UV, coeficientul de absorbţie al materialelor semiconductoare este foarte mare (α = 108 cm-1), astfel că adâncimea efectivă de absorbţie a radiaţiei incidente este dλ = 1/α = 0,1 µm sau chiar mai mică. Pentru realizarea fotodiodelor Schottky eficiente în detecţia radiaţiei optice cu lungimi de undă mici, se alege grosimea stratului de metal şi a stratului antireflectorizant astfel încât radiaţia optică incidentă să fie absorbită în regiunea de la suprafaţa semiconductorului. Fotodiodele Schottky din Au-Si au timpi de răspuns de ordin 0,1 ns şi randament mare (η = 70%). d. Fotodiode cu avalanşă Fotodioda cu avalanşă (APD) detectează nivele foarte scăzute de radiaţie optică datorită câştigului intern. Structura fotodiodei cu avalanşă din Si are o regiune de absorbţie şi o regiune de multiplicare, existând trei variante: - cu muchie teşită (bevelled-edge), - epitaxială şi - întinsă. La fotodiodele cu avalanşă cu muchia teşită, se aplică o tensiune de polarizare de 1500 V şi 2400 V, cu plusul la catod (determinată de câştig), care crează un câmp electric puternic în joncţiunea sărăcită de purtători. La creşterea câmpului electric, regiunea de sărăcire (denumită şi de sarcină spaţială) se extinde. Când fotonii ating regiunea p, ei sunt convertiţi în perechi electron-gol. Electronii sunt traşi în regiunea de sărăcire unde sunt acceleraţi, atingând viteza de saturaţie. Lângă joncţiune, aceşti electroni primari au destulă energie pentru a ioniza perechi secundare electron-gol, când se lovesc de atomii de Si. Electronii secundari sunt acceleraţi şi repetă procesul în avalanşă până când toţi sunt colectaţi la cealaltă

45

margine a regiunii de sărăcire. În acest fel se amplifică semnalul. Debitul intern de purtători produce un curent electric în circuitul extern. Structura unei fotodiode cu avalanşă cu muchie teşită este dată în fig. 2.23. Acoperire antireflectorizantă

Radiaţie optica incidentă

Contact anod p Inel de Si Si p Regiune de sărăcire Si n Metalizare catod

Fig. 2.23

Dispozitivul are o tensiune de străpungere peste care detecţia liniară este dificilă datorită zgomotului mare generat de avalanşă. Odată atinsă străpungerea, tensiunea trebuie micşorată pentru a reseta fotodioda cu avalanşă. Acesta este modul de lucru Geiger, unde câştigul este mare, dar neliniar. Eficienţa cuantică (randamentul) este probabilitatea conversiei fotoelectrice a unui foton incident şi este funcţie de lungimea de undă. Peste 1100 nm, fotonii nu au destulă energie pentru a trece electronii de valenţă peste banda interzisă în banda de conducţie. Sub 1100 nm fotonii sunt absorbiţi la diferite adâncimi medii în fotodioda cu avalanşă, funcţie de coeficientul de absorbţie. Curba eficienţei cuantice în funcţie de lungimea de undă este un clopot. Alegând convenabil grosimea stratului antireflectorizant, se optimizează funcţionarea în domeniul vizibil sau infraroşu apropiat, obţinându-se eficienţă cuantică de 70... 80% între 500 nm şi 800 nm. Câştigul intern este funcţie de lungimea de undă şi tensiunea aplicată. De exemplu, pentru λ = 670 nm, dependenţa câştigului de tensiunea aplicată este dată în fig. 2.24. Fotocurentul de ieşire din fotodioda cu avalanşă cu câştigul M este:

I = M ⋅ I0 + ID unde I0 = fotocurentul primar fără amplificare, iar ID = curentul total de întuneric.

46

Deoarece curentul de întuneric circulă paralel cu cel de semnal, el limitează semnalul minim amplificat de fotodioda cu avalanşă. Curentul de întuneric total are două componente: o componentă de suprafaţă şi una de volum. Curentul de întuneric de volum este amplificat cu acelaşi câştig ca şi curentul de semnal. La câştiguri mici predomină curentul de suprafaţă, în timp ce la câştiguri mari predomină curentul de volum.. Câştigul M 1000 100 10 1

Tensiune de polarizare inversă [V] 0

400

800

1200

1600

2000

2400

Fig. 2.24

Sursele principale de zgomot în fotodioda cu avalanşă sunt: - zgomotul de alice, independent de frecvenţă, ce provine din fotocurentul primar; - zgomotul efectiv de întuneric; - zgomotul în exces, care măsoară variaţiile câştigului fotocurentului şi curentului de zgomot introdus în timpul multiplicării; - zgomotul electronic al circuitului de conversie curent - tensiune de la ieşirea fotodiodei cu avalanşă. Puterea echivalentă de zgomot se defineşte ca puterea optică incidentă la fotodioda cu avalanşă pentru care raportul semnal / zgomot este egal cu 1. În aplicaţiile unde se analizează amplitudinea unor secvenţe scurte de impulsuri, zgomotul nu mai este caracterizat în domeniul frecvenţă ci în domeniul timp. Frecvenţa de taiere este: f t =

2,2 2π ⋅ t r

unde tr este timpul de creştere al impulsului de la ieşirea fotodiodei cu avalanşă.

47

Fotodiodele cu avalanşă au curenţi de ieşire liniari într-o gamă dinamică mare a amplitudinii impulsurilor de intrare. Impulsurile de radiaţie optică incidente care generează sarcină de peste 1 µC sau nivelele continue de radiaţie care generează peste 1 W putere optică, produc neliniarităţi datorită încălzirii reţelei cristaline. Stabilitatea câştigului se obţine prin compensarea fluctuaţiilor de temperatură cu ajutorul tensiunii de alimentare. În limitele a 10°C faţă de temperatura camerei, tensiunea de alimentare poate varia cu aproximativ ± 1,8 V la o variaţie cu 1 °C. e. Fotodioda cu avalanşă şi vacuum Conţine un fotocatod şi o fotodiodă cu avalanşă într-an tub cu vid (fig 2.25) şi se foloseşte la detecţia fotonilor singulari şi a nivelelor foarte mici de radiaţie optică, la temperatura camerei. Radiaţie optică

Fereastră de sticlă

Fotocatod Electroni primari

8 kV Anod (masa) 2,3 kV Catod

Fotodioda cu avalanşă

Fig. 2.25

Configuraţia are câştig de maxim 106 prin intermediul unui proces în două etape. Fotonii incidenţi generează fotoelectroni la fotocatod, care este menţinut la o tensiune negativă mare faţă de suprafaţa frontală a fotodiodei cu avalanşă (tipic 8kV). Energia electronilor emişi creşte de aproximativ 2000 ori prin accelerare în câmp electric. Când electronii lovesc fotodioda cu avalanşă, ei eliberează noi electroni în Si. Acest proces este denumit conductivitate indusă prin bombardare cu electroni. Spre deosebire de fotonul vizibil, a cărui energie este suficientă pentru a produce o pereche primară electron-gol, electronii fierbinţi au energii de 2000 ori mai mari decât energia benzii interzise a Si (3,6 eV). Corespunzător, avalanşa de electroni secundari rezultantă începe cu mai mult de 2000 electroni în loc de unul singur. Fotodioda cu avalanşă are un câştig tipic de 500.

48

Fotodiodele cu avalanşă şi vacuum (VAPD) au fotocatodul din materiale bialcaline, multialcaline sau GaAs, permiţând optimizarea răspunsului de la UV apropiat până la IR apropiat. Diametrul tipic este 18 mm. Sursele de zgomot din semnal sunt: - zgomotul fotonic de alice (din semnalul optic), - curentul de zgomot de întuneric, - zgomotul datorat fluctuaţiilor câştigului. Contribuţia majoră la zgomotul de întuneric este curentul de întuneric de volum al fotodiodei cu avalanşă. Zgomotul poate fi redus prin răcirea VAPD la 0°C. Gama dinamică este 107, folosindu-se la numărarea fotonilor singulari şi la detectarea semnalelor mari. Câmpul magnetic perturbator paralel cu câmpul electric al VAPD nu are nici un efect asupra câştigului. La schimbarea triunghiului între câmpul magnetic şi câmpul electric, fotoelectronii din vid sunt deplasaţi cu o valoare care depinde de mărimea câmpului magnetic şi de distanţa între fotocatod şi fotodioda cu avalanşă. Pentru polarizarea inversă a APD se recomandă surse stabilizate în comutaţie, cu tensiunea de ieşire reglabilă în gama 0 V...+2600 V, riplu mai mic de 0,005 % vârf la vârf şi carcasa legată la pământ, pentru protecţie. Preamplificatoarele folosite sunt identice pentru APD şi VAPD. Deoarece fotodioda cu avalanşă este o sursă de curent, preamplificatoarele folosite sunt convertoare curent-tensiune (pentru liniaritate bună sau gamă dinamică mare) sau convertoare sarcină-tensiune (pentru rezoluţie bună). Alegerea schemei particulare a preamplificatorului depinde de durata pachetului de impulsuri, frecvenţa, intensitatea şi gama dinamică. Legătura cu fotodioda cu avalanşă se face în curent alternativ sau în curent continuu. f. Fotodiode cu intensificare Într-o fotodiodă cu intensificare (IPD) radiaţia optică incidentă pătrunde printr-o fereastră semitransparentă de sticlă din carcasa cu vid. Structura fotodiodei cu intensificace este prezentată în fig. 2.26.

49

R1

R2

R3

-8 kV Conector coaxial Fotodioda

Fotocatod

Electrozi de focalizare

Carcasa ceramica

Fig. 2.26

Suprafaţa interioară a ferestrei frontale din sticlă este acoperită cu un catod din material fotosensibil (GaAs, GaAsP sau InGaAs-InP). Fotoelectronii generaţi de catod sunt acceleraţi cu o tensiune de 8 kV şi focalizaţi pe suprafaţa mică a unei fotodiode PIN sau Schottky, aflată de asemenea în interiorul carcasei vacuumate. Fiecare electron accelerat generează câteva mii de electroni în joncţiunea p-n, rezultând astfel câştigul tipic al fotodiodei cu intensificare de 1000. Fotocatozii standard au lungimea de undă de tăiere sub 1100 nm. Fotocatozii cu electroni transferaţi au lungime de undă de tăiere mai mare şi polarizează fotocatozii InGaAs-InP pentru a adăuga energie electronilor liberi fotogeneraţi. Polarizarea aplicată transferă electronii în una din văile stratului de emisie InP. Electronii sunt apoi emişi prin stratul cu barieră Schottky, ce a fost folosit pentru aplicarea polarizării, şi scapă în vacuum. Un dezavantaj al fotodiodei cu intensificare este necesitatea tensiunii mari. Există însă variante de ansambluri integrate împreună cu multiplicatoare de tensiune care se alimentează la 12 V. g. Fotodiode duale Fotodetecţia duală sau diferenţială este recunoscută ca fiind mai sensibilă decât fotodetecţia simplă, deoarece elimină zgomotul de mod comun. În schema de bază a unui fotoreceptor dual, fotocurentul de la intrarea amplificatorului este egal cu fotocurentul primei fotodiode minus fotocurentul celei de-a doua, fig. 2.27.

50

+U Intrare 1 +

Intrare 2 +U

Fig. 2.27

Când cele două intrări optice au puteri identice şi responsivităţi împerecheate, spre amplificator nu trece nici un fotocurent continuu. Dacă răspunsurile în frecvenţă ale fotodiodelor sunt împerecheate, se elimină fluctuaţiile de intensitate de mod comun ale radiaţiei optice (aceeaşi amplitudine şi fază). Această situaţie este valabilă când cele două intrări provin de la acelaşi laser şi au întârzieri egale în timp. Dacă întârzierile sunt diferite, ieşirea va fi proporţională cu sin(ωtd/2), unde td este diferenţa de timp de întârziere iar ω este pulsaţia de modulaţie. Există fotodiode duale într-o singură capsulă şi chiar patru fotodiode în aceeaşi capsulă, pentru realizarea fotodetectoarelor în cuadratură. Tipic, fotodiodele de pe aceeaşi capsulă au catozii legaţi în comun. h. Fotodiode sensibile la poziţie O fotodiodă sensibilă la poziţie (PSD - Position Sensitive Detector) este o fotodiodă cu siliciu cu rezistenţă uniformă. PSD liniară are doi anozi şi un catod, fig. 2.28. Fascicol focalizat de radiaţie optică Anod 2

Anod 1

Catod

Fig.2.28

Când un fascicol focalizat de radiaţie optică ajunge la suprafaţa activă a fotodiodei sensibile la poziţie, la fiecare din cei doi anozi se generează câte un

51

fotocurent invers proporţional cu distanţa dintre centrul fascicolului şi anod. O PSD cu lungimea, de exemplu 24 mm are o rezoluţie de ± 30 µm şi un timp de răspuns de 50 ms. PSD se folosesc la măsurarea rapidă a poziţiei capurilor unităţilor de disc magneto-optice, sursa de radiaţie optică fiind un LED. Există şi fotodelectoare sensibile la poziţie pe două axe, cu patru anozi şi un catod, în aceeaşi capsulă. De asemenea, există circuite hibride cu fotodiode sensibile la poziţie pe o axă sau două axe, împreună cu amplificatoare operaţionale, ieşirea fiind sub forma semnalelor sumă şi diferenţă de tensiuni, în exterior fiind necesară doar adăugarea unui circuit de împărţire de precizie pentru obţinerea informaţiilor de poziţie. i. Fotodiode cu filtru optic Filtrul optic se obţine prin depunerea mai multor straturi pe faţa inferioară a unei fotodiode p-n, aceasta fiind faţa expusă la radiaţia optică incidentă. Nu mai este necesară utilizarea unui filtru integral sau separat, filtrul fiind realizat chiar în structura fotodiodei, prin modificarea grosimii şi a structurii stratului n şi a multistraturilor realizate prin evaporare. Se obţin astfel filtre trece bandă în regiunea 340... 1080 nm, cu o transmisie în bandă > 80 % şi rejecţie în afara benzii de 99, 9 %. Scade astfel dimensiunea şi creşte raportul semnal / zgomot, putându-se folosi în prezenţa radiaţiei optice puternice de fond. Configuraţia se utilizează la fotodetecţia bidirecţională sau fotodetecţia simultană a două semnale diferite, unul cu partea superioară şi celălalt, filtrat, cu partea inferioară. 2.4.2.2 Fotodetectoare hibride sau integrate Fotodetectoarele hibride sau integrate conţin o fotodiodă legată împreună cu un amplificator operaţional în schemă de convertor curent-tensiune. Avantajele fotodetectoarelor hibride faţă de soluţia cu fotodiode discrete şi schemă cu amplificator operaţional sunt următoarele: - construcţia compactă şi rigidă, - zgomot scăzut, datorită firelor scurte de legătură şi substratului cu suprafaţă mai mică, - capacitatea parazită mică la intrarea preamplificatorului. Amplificatoarele operaţionale folosite la intrare sunt cu tranzistoare cu efect de câmp cu Si, iar pentru creşterea benzii şi sensibilităţii şi scăderea zgomotului se folosesc amplificatoare operaţionale cu TEC cu GaAs. Circuitul hibrid este acoperit şi sudat într-o capsulă metalică izolată de circuit şi ecranată faţă de sursele exterioare de tensiuni de zgomot. Capacul ansamblului are o fereastră de sticlă, lentilă, filtru şi montură cu fibră optică.

52

Fotodetectoare hibride se mai folosesc şi pentru structuri cu diodă laser sau diodă electroluminescentă în acelaşi ansamblu. 2.4.2.3 Fototranzistoare Datorită expunerii la radiaţie optică, în joncţiunea colector-bază a fototranzistoarelor bipolare apare un curent care este amplificat de tranzistor. Pentru amplificare mai mare, emitorul fototranzistorului se leagă în baza unui tranzistor, formând un etaj Darlington şi denumit fotodarlington. Amplificarea fotodarlingtoanelor este > 105, însă răspunsul este mai lent ca la fotodiode. Tipuri de fototranzistoare: cu barieră Schottky, unijoncţiune, unipolare, bipolare din Si sau cu heterojoncţiuni. Cele mai folosite sunt fototranzistoarele bipolare, TECMOS şi TECj din Si. Fototranzistoarele bipolare din Si cu baza polarizată au două intrări: una optică şi una electrică. Intrarea electrică este utilizată pentru fixarea punctului static de funcţionare în regiunea liniară a caracteristicii. Domeniul de sensibilitate spectrală al fototranzistoarelor bipolare din Si este acelaşi cu al fotodiodelor de Si, adică 400 … 1100 nm, cu un maxim la ~ 850nm. Fototranzistoarele bipolare din Si cu baza în aer au aceleaşi caracteristici curent-tensiune pentru diferite nivele ale fluxului optic incident. Curentul de întuneric la fototranzistoarele din Si este de ordinul 50 nA şi depinde neliniar de nivelul fluxului optic. La intensităţi mai mari ale radiaţiei optice incidente, factorul de amplificare trece printr-un maxim şi apoi scade rapid. În domeniul liniar al dependenţei fotocurentului de nivelul de iradiere optică, sensibilitatea fototranzistoarelor bipolare din Si este de ordinul 10 ... 15 mA/klx. 2.4.2.4 Fotorezistoare Numite şi fotoconductoare, fotorezistoarele au un strat semiconductor omogen cu grosimea 50...100 µm din CdS, PbS, PbSe sau amestecuri de CdS şi CdSe depuse între doi electrozi. Radiaţia optică incidentă determină scăderea neliniară a rezistenţei de la valori mari (106... 109Ω) în lipsa radiaţiei optice, până la valori de zeci de ohmi la nivele mari de iradiere optică. Fotorezistoarele se polarizează cu tensiune alternativă sau continuă cu orice polaritate (< sute volţi) şi în urma iradierii la putere optică de µW...mW apare un curent. Variaţia rezistenţei electrice este determinată de efectul fotoelectric intern. Când un foton incident trece un electron din banda de valenţă în banda de conducţie peste banda interzisă, creşte conductivitatea semiconductorului.

53

Dezavantajele fotorezistoarelor sunt răspunsul neliniar, timp mare de răspuns (zeci - sute ms) şi memoria de termen lung. Caracteristicile curent - tensiune ale fotorezistoarelor sunt simetrice faţă de originea axelor de coordonate, rezistenţa nedepinzând de polaritatea tensiunii. Variaţia fotocurentului în funcţie de nivelul de iradiere optică este logaritmică. 2.4.2.5 Tuburi fotomultiplicatoare Tuburile fotomultiplicatoare sunt tuburi cu vacuum, formate dintr-o carcasă din sticlă, ceramică sau metal, un fotocatod din material fotoemisiv, electrozi cu emisie secundară (dinozi) şi un electrod colector, anodul. Structura unui tub fotomultiplicator este prezentată în fig. 2.29. Un foton care trece prin fereastra tubului fotomultiplicator (PMT) este absorbit de fotocatod dacă energia sa depăşeşte energia de legătură a materialului fotocatodului. Conform efectului fotoelectric extern, se eliberează un electron care, dacă are energie suficientă scapă în vidul tubului şi este accelerat spre primul dinod de diferenţa de potenţial dintre fotocatod şi primul dinod. În urma coliziunii, energia electronului primar produce un număr de electroni secundari. Aceştia, la rândul lor, sunt acceleraţi spre al doilea dinod, unde se formează alţi electroni. Procesul se repetă până când anodul colectează un nor de electroni (peste un milion de electroni), rezultând un curent de semnal la ieşire.

Radiaţie optică

Electroni secundari

Vid = 10-4 Pa

-

e

Fotocatod Electrod de focalizare

Electrozi de multiplicare a electronilor (dinozi)

Anod

Ultimul dinod

Fig. 2.29

Tipic se folosesc două configuraţii de fotocatozi: - opac (sau prin reflexie), folosit la PMT laterale şi - semitransparent (sau prin transmisie), folosit la tuburile fotomultiplicatoare frontale.

54

Fotocatozii opaci au sensibilitate mai bună în domeniul UV şi IR, în timp ce fotocatozii semitransparenţi au sensibilitate mai bună în regiunile albastru şi verde ale spectrului vizibil. Numărul şi configuraţia dinozilor determină amplificarea, viteza, liniaritatea şi uniformitatea răspunsului. Există şapte tipuri de tuburi fotomultiplicatoare: circular, cutie cu grilă (fig. 2.29), cu focalizare liniară, veneţian, cu reţea fină, placă microcanal şi canal. Plăcile microcanal se folosesc pentru intensificarea semnalului, datorită dimensiunilor mici, rigidităţii, vitezei, liniarităţii şi imunităţii la câmpuri magnetice. O placă microcanal conţine milioane de tuburi capilare paralele. Amplificarea se realizează prin ciocnirea electronilor de pereţii interiori, din materiale semiconductoare, ai tuburilor capilare. Pentru aplicaţii de preluare de semnale la nivel de element de imagine (pixel), fără interferenţă între pixeli, se folosesc tuburi fotomultiplicatoare multicanal, denumite şi PMT multianod sau PMT sensibile la poziţie, cu 64 de canale sau cu de 96 canale. PMT multicanal sunt realizate cu 10 etaje şi asigură o amplificare de 106 (ca în PMT convenţionale) la o tensiune de alimentare de 1000 … 1200 V. Diferenţa de câştig între cele 96 PMT este de 3:1. Curentul de întuneric anodic este tipic 5 nA şi de ordinul 100 pA/pixel. Interferenţa între canale este doar 35 % la un pixel faţă de toţi ceilalţi opt vecini. În versiunea cu 64 canale interferenţa scade la 12 %. Tuburile fotomuttiplicatoare singulare (convenţionale), pentru un singur foton incident, produc sute mV pe o sarcină de 50 Ω. În aplicaţii de numărare a fotonilor, de exemplu pentru creşterea sensibilităţii, tuburile trebuie răcite pentru scăderea zgomotului. Produsul amplificare bandă este 1016 iar timpul mediu de bună funcţionare 10000 ... 100000 ore. Dezavantajele PMT sunt următoarele: - posibilitatea defectării la nivele mari de iradiere optică, datorită saturaţiei date de norul de electroni de la anod, - fragilitate mecanică şi dimensiuni mari, - perturbare în câmp magnetic, - existenţa impulsurilor ecou, - tensiune mare de alimentare şi - reţea rezistivă de divizare a tensiunii. 2.4.3 Fotodetectoare termice Fotodetectoarele termice (senzorii optici activi termici) detectează radiaţia optică răspunzând la creşterea temperaturii în urma absorbţiei energiei radiaţiei optice în material.

55

Pentru a arăta diferenţa de funcţionare între senzorii optici activi termici şi cei electronici (cuantici), se trasează răspunsul lor spectral (fig. 2.30). Răspunsul spectral măsoară responsivitatea unui fotodetector la diferite lungimi de undă. Rλ Fotodetector cuantic ideal

Fotodetector termic ideal

Fotodetector cuantic real

λ

Fig. 2.30

Fotodetectoarele termice au răspunsul spectral plat pentru o gamă foarte mare de lungimi de undă. Fotodetectoarele cuantice au o responsivitate care creşte cu lungimea de undă până la un punct de tăiere caracteristic, unde responsivitatea scade spre zero. Acest lucru se datorează faptului că energia fotonilor este invers proporţională cu lungimea de undă si responsivilatea măsoară ieşirea electrică a unui fotodetector la o putere optică dată. Responsivitatea creşte astfel cu lungimea de undă pentru că ieşirea unui fotodetector cuantic este proporţională cu numărul de fotoni incidenţi. Tipuri de fotodetectoare termice: termopilele, fotodetectoarele piroelectrice, bolometrele, celulele Golay, etc. 2.4.3.1 Termopile O termopilă este formată din mai multe termocupluri legate în serie pentru a creşte sensibilitate cu temperatura. Termocuplul a fost descoperit în anul 1821 de J. Seebeck care a observat că, dacă extremităţile a două fire din metale diferite sunt legate împreună pentru a forma o buclă, prin buclă va trece un curent electric când o joncţiune este menţinută la o temperatură diferită de cealaltă. Tensiunea care determină curentul electric generat de termocuplu este direct proporţională cu diferenţa de temperatură dintre cele două joncţiuni, constanta de proporţionalitate fiind denumită coeficient Seebeck. O schemă simplă de fotodetecţie cu termocuplu este dată în fig. 2 31.

56

Element absorbant

Metal B

Metal A

Joncţiune rece (de referinţă) Metal B

∆U

Fig. 2.31

În cazul termopilelor, joncţiunile calde (de măsurare) sunt concentrate pe o suprafaţă comună de absorbţie, subţire, iar joncţiunile reci sunt fixate pe un radiator comun cu masă termică mare. Cea mai folosită tehnologie de realizare a termopilelor este microprelucrarea siliciului prin procedee fotolitografice. Construcţia unei termopile începe cu un substrat de Si din care se înlătură partea de jos din mijloc, rămânând o membrană groasă de 1 µm din SiO2 / Si3N4 de conductivitate termică scăzută. Pe membrană se depun conductoare subţiri din două materiale termoelectrice diferite. Conductoarele au joncţiunile calde în centrul membranei, iar joncţiunile reci pe partea superioară a substratului de Si. Stratul absorbant de radiaţie optică acoperă joncţiunile calde. Cipul senzor se montează cu un contact termic într-o capsulă metalică închisă ermetic cu un filtru integral pentru radiaţie infraroşie. Numărul maxim de elemente termoelectrice legate în serie este 40. Senzorii termoelectrici necesită sensibilitate mare şi zgomot redus. Senzorul ideal trebuie să aibă coeficient termoelectric mare, conductivitate termică scăzută şi rezistivitate de volum scăzută. Materialele termoelectrice folosite sunt bismut şi antimoniu dopate cu seleniu sau teluriu, materiale semiconductoare (Si cristalin sau policristalin). Rezistivitatea şi puterea termoelectrică se pot modifica prin schimbarea concentraţiei dopanţilor. Avantajul de bază al Si este compatibilitatea cu procesele CMOS, fiabilitate, stabilitate termică. Produsele realizate în această tehnologie includ termopile cu polisiliciu dopat n şi aluminiu. Senzorul se montează în capsulă cu un termistor pentru măsurarea temperaturii ambiante de referinţă. Sensibilitatea unei termopile este dată de raportul între tensiunea de ieşire şi puterea optică incidentă:

S=

U Φ

[V/W]

57

unde U este valoarea efectivă a tensiunii de ieşire şi Φ este valoarea efectivă a fluxului radiaţiei optice. Sensibilitatea depinde de transmisia filtrului optic, de absorbţia suprafeţei receptoare a senzorului şi de proprietăţile termice ale ansamblului senzor capsulat. Cu filtru optic, sensibilitatea este de 5 … 100 V/W. Constanta de timp este durata răspunsului semnalului după o variaţie a puterii radiaţiei optice incidente, măsurată când semnalul a atins 63 % din valoarea sa finală. Tipic, valoarea este 10 … 100 ms. Răspunsul în frecvenţă al unei termopile depinde de constanta de timp. Termopilele din Si microprelucrat au benzi de frecvenţă de la 0 … 5Hz până la 0 Hz … 10Hz. Radiaţia incidentă afectează adesea nu numai suprafaţa senzorului ci şi capsula sa; dacă şi capsula se încălzeşte, semnalul de ieşire va fi afectat. Acurateţea cea mai bună de detecţie se obţine când radiaţia optică incidentă este focalizată pe suprafaţa senzorului. Un alt factor care afectează acurateţea măsurătorii estetemperatura ambiantă. Pentru minimizarea acestui efect se folosesc tehnici electronice de compensare a temperaturii. Termopilele au coeficienţi de sensibilitate cu temperatura de 0,01 .. 0,5 %/ K. 2.4.3.2 Fotodetectoare piroelectrice Fotodetectoarele piroelectrice folosesc un element absorbant feroelectric care are moment de dipol electric intern permanent, adică dipolii atomici ai substanţei au o direcţie preferenţială de polarizare, chiar în absenţa unui câmp electric aplicat. La creşterea temperaturii, vibraţiile reţelei cristaline a materialului feroelectric reduc polarizarea materialului până la dispariţia sa, la punctul Curie. La orice temperatură fixă sub punctul Curie, polarizarea internă a materialelor feroelectrice nu se manifestă extern pentru că este neutralizată de purtătorii de sarcină liberi din material sau din afara lui, care migrează la suprafeţe. Dacă temperatura variază, variaţia corespunzătoare de polarizare generează o variaţie măsurabilă a sarcinii electrice la suprafaţă. Pentru a obţine o tensiune electrică utilizabilă, se folosesc preamplificatoare de tensiune sau convertoare curent-tensiune. Amplitudinea semnalului depinde direct de suprafaţa elementului absorbant, de coeficientul piroelectric (dP/dT) şi de rezistenţa de sarcină. Factorii termodinamici ca emisivitatea, capacitatea calorică şi conductivitatea termică afectează responsivitatea la fel ca la celelalte fotodetectoare termice. Absorbanţii feroelectrici sunt realizaţi din: - materiale dielectrice fără simetrie centrală (sulfat de triglicina (TGS), TGS deuterat, niobat de stronţiu şi bariu şi tantalat de litiu);

58

- materialele dielectrice ceramice; - straturi subţiri din materiale elastice. Structura fotodtectoarelor piroelectrice este dată în fig. 2.32. R = 1010

+U U0 FDPE

R 1011 Ω

FDPE

RL 5 10 Ω

U0

+

Fig. 2.32

Avantajele fotodetectoarelor piroelectrice (FDPE) sunt următoarele: - gamă mare a temperaturii ambiante, fără răcire sau termostatare; - cost scăzut; - gama frecvenţelor de modulaţie a radiaţiei optice 1 … 60 Hz; - se pot realiza preamplificatoare simple cu amplificatoare operaţionale; - nu au cerinţe speciale pentru sursa de alimentare. Dezavantajele fotodetectoareior piroelectrice: - răspund numai la variaţii ale nivelului radiaţiei optice; - răspunsul în frecvenţă nu este plat la un dispozitiv standard, ducând la dificultăţi de interpretare a semnalului la ieşire; - raportul semnal / zgomot este mai mic decât la alte fotodetectoare; - toate dispozitivele piroelectrice sunt piezoelectrice şi deci au un răspuns parazit la vibraţii; - sunt afectate de variaţiile temperaturii ambiante şi de mişcările de aer; - raportul semnal / zgomot scade la creşterea frecvenţei de modulaţie; - frecvenţa maximă este de ordinul kHz. Din punct de vedere termic, fotodetectorul piroelectric se conectează într-o structură care se comportă ca un radiator: La frecvenţe de modulaţie foarte mari structura nu are nici un efect deoarece căldura absorbită nu are timp să părăsească fotodetectorul. La frecvenţe de modulaţie scăzute, semnalul de ieşire scade spre zero deoarece căldura generată de radiaţia optică incidentă este preluată de radiator în loc să crească temperatura fotodetectorului. Domeniul lungimilor de undă este 0,1 ... 100 µm.

59

Analiza responsivităţii în tensiune (folosind schema din fig. 2.32.a) duce la o dependenţă de frecvenţă ca în fig. 2.33. log R

log ω

ωT =

1

ωE

τT Fig. 2.33

Constanta de timp termică ti este raportul între căldura care poate fi menţinută de fotodetector şi viteza la care ea poate fi eliminată în exterior:

H , unde H este capacitatea calorică iar GT este conductanţa termică. GT 1 , Frecvenţa de tăiere electrică este: ω E = RC ti =

unde R este rezistenţa în circuitul de grilă al TECj iar C este capacitatea fotodetectorului piroelectric. 2.4.3.3 Bolometre Bolometrele folosesc variaţia rezistenţei electrice a materialelor expuse la radiaţia optică. Primul bolometru realizat în 1880 de către Langley folosea un element absorbant din platină înnegrită, legat în punte Wheatstone. Rezistenţa electrică a bolometrului creşte când platina absoarbe energia radiaţiei optice. Tipurile moderne de bolometre au două elemente absorbante împerecheate, montate în braţe opuse ale punţii. Unul din elementele absorbante nu este expus la radiaţia optică incidentă, el realizând compensarea cu variaţiile temperaturii ambiante. Se folosesc diverse materiale absorbante, chiar şi termistoare (oxizi de nichel, mangan şi cobalt cu capacitate calorică mică şi coeficient de temperatură mai mare decât metalele pure ca platina sau nichelul). Coeficientul de temperatură al metalelor este aproximativ 0,005/ °C la temperatura camerei, coeficientul de

60

temperatură al termistoarelor este aproximativ - 0,06/ °C, mai bun cu mai mult de un ordin de mărime decât al metalelor. Coeficientul de temperatură negativ al termistoarelor este la fel ca la semiconductoare. Ca elemente absorbante se folosesc semiconductoare intrinseci şi extrinseci (Ge, Si, triseleniură de arseniu). Funcţionarea criogenică a bolometrelor măreşte coeficientul de temperatură, micşorează capacitatea calorică, elimină sursele de zgomot dependente de temperatură (zgomotul Johnson), cresc rezistenţa electrică şi fac posibilă realizarea bolometrelor superconductoare. Aceste bolometre funcţionează la temperatura de tranziţie a superconductoarelor, unde rezistenţa variază radical cu temperatura, rezultând sensibilităţi foarte mari. Dezavantajul bolometrelor este că temperatura lor ambiantă trebuie să fie precis controlată pentru a evita variaţiile ridicate nedorite ale rezistenţei. 2.4.4 Suprafeţe de fotodetectoare Suprafeţele de fotodetectoare realizate pe acelaşi substrat au mai multe avantaje faţă de fotodetectoarele singulare: rezoluţie spaţială, preluarea rapidă a semnalelor pentru multiplexare, sensibilitate foarte mare şi semnalele pot fi integrate pentru a obţine timpi mari de expunere. Sunt două tipuri de astfel de suprafeţe, şi anume: a. Suprafeţe de fotodetectoare electronice - suprafeţe de fotodiode (fotodiode p-n polarizate invers din Si, fotodiode p-n nepolarizate din Ge sau fotodiode Schottky din PtSi); - suprafeţe de fotorezistoare, realizate din Si extrinsec; - suprafeţe cu transfer de sarcină electrică (suprafeţe de condensatoare MOS şi amplificatoare de sarcină MOS). Transferul de sarcină reprezintă transferul unei sarcini electrice mobile stocată într-un element semiconductor, spre un element de stocare similar aflat în vecinătate, prin manipularea externă a valorii unor potenţiale. Sarcina electrică se transferă în două moduri: prin cuplaj sau prin injecţie. - suprafeţe CMOS, compatibile cu tensiunile TTL. b. Suprafeţe de fotodetectoare termice Fotodetectoarele termice sunt folosite în domeniul infraroşu, la temperatura camerei, deoarece performanţele variază puţin cu temperatura. Sunt sensibile pentru radiaţia optică din gama 8 ... 14 nm, unde transmisia atmosferică este mai mare. Dintre fotodetectoarele termice, pentru realizarea suprafeţelor se folosesc bolometrele şi fotodetectearele piroelectrice. Avantajele acestora faţă de suprafeţele de folodeteetoare cuantice constau în simplitate, funcţionare fără răcire,

61

rezultând astfel preţ scăzut. O cameră de luat vederi cu suprafeţe de bolometre poate fi folosită în aplicaţii de larg consum.

62

CAPITOLUL 3

TRADUCTOARE DE RADIAŢII NUCLEARE

3.1 Noţiuni fundamentale Radiaţiile nucleare sunt de mai multe tipuri. După modul de alcătuire, ele se clasifică astfel: a. Radiaţii electromagnetice, formate din particule fără masă de repaus: - radiaţii X (λ = 10-8 … 10-11 m), - radiaţii Γ (λ.= 10-11 ... 10-14 m); b. Radiaţii corpusculare, alcătuite din particule cu masă de repaus: - fascicule de particule elementare: electroni, neutroni, protoni, etc; - fascicule de nuclee de atomi: deuteroni, helioni, etc; - fascicule de atomi ionizaţi în mişcare: He+ , Li+ , etc. Radiaţiile nucleare cu importanţă deosebită în industrie sunt: radiaţiile α (nuclee de He24 încărcate), radiaţiile β (electroni), radiaţiile X şi radiaţiile Γ. Un fascicul de particule se caracterizează fie prin numărul de particule, fie prin energia particulelor sale. În timpul interacţiunii dintre radiaţia nucleară şi substanţă apar procese specifice prin care particula incidentă este scoasă din fascicul sau cedează o parte din energia sa atomilor substanţei respective. Interacţiunea depinde de proprietăţile particulei incidente şi ale substanţei şi are rol decisiv în alegerea detectorului de radiaţii. Procesele de interacţiune predominante ale particulelor încărcate electric cu substanţa sunt ionizarea şi excitarea atomilor din mediu. Acestea conduc la pierderi succesive de energie din partea particulei incidente, datorită ciocnirilor ei cu electronii sau nucleele atomilor din substanţă Sursele de radiaţii nucleare au construcţie simplă, specifică radiaţiei pe care o emit. Izotopii radioactivi sunt surse nucleare artificiale care emit în mod spontan radiaţii. Sursele Γ şi sursele de neutroni sunt construite din cilindri de plumb sau oţel inoxidabil, prevăzuţi cu fereastră pentru iradiere, incluşi în ecrane de plumb sau oţel inoxidabil cu grosimea impusă de fondul de radiaţie admis pentru mediul înconjurător. Sursele tipice de radiaţii Γ sunt: Co60, care are timp de înjumătăţire 5,3 ani, este foarte puternică, necesită condiţii speciale de ecranare şi protecţie

62

şi se foloseşte tot mai puţin, şi Cs137, care are timp de înjumătăţire 30 ani şi radiaţie scăzută. Sursele α, fiind puţin penetrante, nu au condiţii speciale de ecranare, iar sursele β au construcţii specifice, în funcţie de energia electronilor emişi. 3.2 Detectoare de radiaţii nucleare 3.2.1 Generalităţi Detectorul de radiaţii nucleare converteşte particulele incidente pe suprafaţa sa activă în semnal electric (sarcină sau tensiune) sub formă de impulsuri. După modul de interacţiune a radiaţiei cu partea activă a detectorului sunt două tipuri de detectoare: - detectoare cu ionizare directă (camere de ionizare, contoare proporţionale, contoare Geiger – Muller, detectoare cu semiconductoare), - detectoare cu ionizare indirectă (cu scintilaţie, Cerenkov, etc.). Pentru radiaţiile X se folosesc detectoare umplute cu gaz, tip numărător proporţional, calorimetre, plăci microcanal, suprafeţe de fotodetectoare, detectoare superconductoare cu joncţiune tunel, etc. Caracteristicile specifice detectoarelor de radiaţii nucleare sunt: - amplitudinea impulsului de ieşire, - viteza de numărare, egală cu raportul dintre numărul total de impulsuri şi timpul de măsurare, - puterea de rezoluţie, egală cu numărul de impulsuri de ieşire în unitatea de timp, - eficacitatea, egală cu raportul dintre numărul de particule care dau impulsuri la ieşire şi numărul total de particule incidente, - selectivitatea faţă de radiaţie, - volumul sensibil al detectorului. 3.2.2 Detectoare semiconductoare de radiaţii nucleare 3.2.2.1 Introducere Energia necesară formării unei perechi de purtători într-un detector din material semiconductor este mai mică cu un ordin de mărime faţă de energia necesară în camerele de ionizare. În funcţie de cristalul semiconductor folosit, detectoarele sunt omogene (n sau p) sau heterogene (joncţiuni p-n).

63

Detectoarele omogene se realizează din material cu rezistivitate mare (>108Ωcm), pentru a avea zgomot mic. Sunt utilizate pentru detecţia particulelor penetrante. Detectoarele heterogene (joncţiuni p-n) sunt polarizate invers şi se deosebesc de joncţiunile diodelor uzuale, prin faptul că au o regiune de sarcină spaţială mai groasă (pentru volum mare) şi mai apropiată de suprafaţă (pentru ca fereastra detectorului să aibă o grosime neglijabilă). Timpul de răspuns este mic şi se poate micşora mai mult dacă se modifică dimensiunile geometrice ale joncţiunii. Pentru detecţia radiaţiilor X de energie mică se folosesc fotodiode Schottky din siliciu, cu electrozi transparenţi şi acoperiri antireflectorizante. Pentru a evita ineficienţa de colectare datorată recombinării de suprafaţă cu coeficienţi mari de absorbţie, se folosesc fotodiode cu heterojoncţiuni iradiate prin materialul cu banda interzisă mare. Un alt tip de fotodiodă folosit la detecţia radiaţiilor electromagnetice de mare energie şi a particulelor nucleare este fotodioda PIN relativ groasă, cu substraturi semiconductoare intrinseci. Când tensiunea de polarizare inversă este mare (pentru a sărăci întreaga regiune intrinsecă), volumul sensibil al detectorului este egal cu volumul dintre electrozi. Se folosesc adesea şi fotodiode cu avalanşă datorită câştigului intern mare, însă necesită circuite de procesare pentru control. Ca adaptor electronic se utilizează un convertor sarcinâ-tensiune cu amplificator operaţional cu rezistenţă mare de intrare, cu TECMOS sauTECj. Pentru detecţia radiaţiilor nucleare cu fototranzistoare bipolare este nevoie de o joncţiune mare colector-bază. 3.2.2.2 Fotodiode pentru energii mari Pentru detecţia radiaţiei de mare energie şi a particulelor nucleare se folosesc fotodiode PIN. Materialele utilizate în construcţia lor sunt Si (pentru energii mai mici) şi Ge (pentru energii mai mari). Se aleg cristale de mare puritate, rezistivitate mare şi concentraţie mică la defecte structurale. Pentru a reduce concentraţia de dopant se folosesc ioni de Li. Alte materiale folosite pentru fotodiode PIN la temperatura camerei sunt CdTe şi GaAs. Din cauza dificultăţii obţinerii cristalelor de mare puritate, aceste fotodiode sunt mult mai lente decât cele din Si sau Ge.

64

3.2.2.3 Senzori de poziţie pentru radiaţii X Pentru determinarea poziţiei radiaţiei nucleare pe o singură dimensiune, se divide electrodul superior al senzorului în benzi. Dacă senzorul este din siliciu, el este prescurtat SSD (Silicon Strip Detector). Fiecare bandă funcţionează ca element de detecţie separat, ceea ce determină o rezoluţie spaţială pe o singură dimensiune, de ordinul 5 µm. Pentru detecţia bidimensională a radiaţiei nucleare, se folosesc SSD cu două feţe, care au benzi p pe faţa superioară supusă la radiaţie şi benzi n pe faţa posterioară, perpendiculare pe benzile p. Dimensiunile unui astfel de senzor sunt de ordinul 5 cm. Dezavantajul SSD bidimensionale constă în faptul că trebuie citite mii de canale, fiecare cu circuite de preamplificare de zgomot redus, convertoare analog-numerice şi circuite de memorare şi analiză. Pentru a minimiza numărul canalelor care trebuie citite, s-a realizat un senzor bazat pe o schemă de transport denumit SDC (Semiconductor Drift Chamber) cu cameră de deviaţie. Structura senzorului SDC este prezentată în fig. 3 1. p

p

p

n

n Radiatii X

p

p

p

Fig. 3.1

Pe un substrat de tip n se realizează benzi p paralele, pe ambele feţe. Pe una din feţe se realizează şi o bandă n. Când dispozitivul este polarizat invers, regiunile de sărăcire se extind în volum, de la joncţiunile p - n de pe cele două feţe. La creşterea polarizării, adâncimea regiunilor de sărăcire creşte până când acestea se întâlnesc în mijlocul dispozitivului. În punctul lor de unire apare un canal de electroni de potenţial minim, paralel cu suprafaţa. Un al doilea câmp electric, independent de primul, se suprapune pentru a transporta electronii colectaţi în canal spre contactul de anod n+, prin polarizarea corespunzătoare a celor două suprafeţe de electrozi p+. Electronii creaţi de absorbţia radiaţiei X sunt focalizaţi spre canalul îngropat şi se deplasează prin deviere şi difuzie la anodul de colectare. Când ajunge aproape de anod, norul de electroni dă un

65

impuls la ieşire. Sarcina colectată este o măsură a energiei radiaţiei. Golurile sunt colectate la cea mai apropiată bandă p+ şi impulsul rezultat este folosit pentru declanşarea începerii măsurării timpului în care norul de electroni ajunge la anod. Numărul ieşirilor necesare unui senzor SDC este de sute de ori mai mic decât la un SSD cu aceleaşi dimensiuni. Un alt avantaj al senzorului cu cameră de deviaţie (SDC) faţă de alţi senzori de radiaţie din semiconductoare este capacitatea electrică mică a anodului de colectare şi independentă de suprafaţa activă a detectorului. Se poate astfel realiza un detector cu suprafaţă mare şi capacitate electrică de ieşire mică, reducându-se zgomotul. Preamplificatoarele folosite trebuie să aibă rezistenţă foarte mare de intrare, tipic cu tranzistoare cu efect de câmp şi capacităţi de intrare mici, de 2 . . . 3 pF. Banda de frecvenţă trebuie să fie peste 200 MHz şi sistemul să aibă posibilitatea memorării pe condensator. 3.2.2.4 Măsurarea dozei de radiaţii cu tranzistoare TECMOS Pentru măsurarea cantităţii de radiaţii emise se folosesc dozimetre. Un dozimetru MOS este un tranzistor MOS cu o poartă izolatoare specială (tipic din SiO2 omogen), cu canal n sau p (cele cu canal p au zgomot mai mic), fig. 3.2. Poarta

Drena (VD < 0) IDS

Sursa SiO2 Si p

Si p Si n

Fig. 3.2

Avantajele dozimetrelor MOS faţă de alte tipuri sunt: preţ scăzut, dimensiuni şi greutate reduse, robusteţe, acurateţe, gamă dinamică mare, sensibilitate la radiaţii de energii scăzute, citire în timp real sau întârziată, memorarea informaţiei, posibilitatea integrării monolitice cu alţi senzori şi

66

circuite de măsurare, condiţionarea semnalului, procesarea informaţiei şi posibilitatea folosirii fără tensiune de polarizare. Partea sensibilă a tranzistorului MOS este poarta izolatoare. Iradierea crează perechi electron – gol în întreg volumul. În funcţie de câmpul electric din izolator, anumite perechi generate se recombină, iar cele care rămân sunt separate. Electronii sunt respinşi de izolator iar golurile se mişcă lent spre catod, câteva fiind prinse într-o regiune îngustă de lângă catod, în capcane de goluri generate anterior în procesul de producţie. Stările de interfaţă sunt create în timpul iradierii la interfaţa izolator - Si. Rezultatul este apariţia unei sarcini pozitive permanente, care modifică tensiunea de prag Vp a tranzistorului cu o cantitate ∆VP. Această ID0 variaţie depinde de doza de radiaţii absorbită, polarizarea porţii în timpul iradierii, tipul şi energia radiaţiei şi grosimea izolatorului. VS Parametrul măsurat este ∆Vr şi se obţine în Poarta timpul şi după iradiere, folosind schema de Sursa măsurare din fig. 3.3, unde IDO este o sursă de curent constant. ∆Vp se obţine prin măsurarea tensiunii de Fig. 3.3 ieşire Vs înainte şi după o perioadă fixă de iradiere. Răspunsul dozimetrului la iradiere depinde de polarizarea aplicată porţii faţă de substrat şi este reprezentat în fig. 3.4. -∆Vp [V] Eir = 0,25MV/cm Eir = 0,4MV/cm 30 20 Eir = 1MV/cm 10 d = 0,1µm 0

500

1000 1500 2000 2500 3000

Fig. 3.4

67

Doza [Gy]

3.2.3 Detectoare de radiaţii cu gaz cu microbenzi Detectorul de radiaţii cu gaz cu microbenzi este o suprafaţă paralelă de numărătoare proporţionale realizate fotografic pe un substrat rigid, ca în fig. 3.5.

Catod Anod

Gaz Electod de deviere Particula incidenta

Benzi de colectare a sarcini

Un element

Fig. 3.5

La pătrunderea radiaţiei în volumul detectorului, electronii ionizaţi sunt atraşi spre anozi. Regiunea de câmp electric puternic de lângă anozi produce o multiplicare proporţională mare a numărului de electroni. Sarcina rezultantă colectată la anozi este dată de relaţia:

Q=M⋅

E AB , W

unde EAB este energia absorbită de detector, W este energia medie necesară creerii unei perechi electron - gol în gaz şi M reprezintă multiplicarea, cu valori de 100 ... 1000. Detectorul cu gaz cu microbenzi este o îmbunătăţire faţă de camera proporţională cu multe fire. Datorită spaţierii fine, de 0,2 mm între anozi, se obţine o rezoluţie spaţială mai bună decât la camera proporţională cu multe fire. Apropierea catozilor de anozi are ca efect evacuarea mai rapidă a ionilor pozitivi din regiunea de multiplicare a gazului.

68

Detectorul cu gaz cu microbenzi are viteza de numărare mai mare decât a camerelor proporţionale cu mai multe fire şi anume peste 106 s-1m-2 şi acurateţe mare, fiind folosit în radiografia numerică, la măsurarea energiei şi poziţiei fotonilor individuali de radiaţie X la viteze de numărare radiologice. Cele mai multe tehnici radiografice folosesc în prezent o combinaţie de ecran fluorescent şi film fotografic. Cu toate că această tehnologie este convenabilă, are rezoluţie bună şi este optimizată, ea are limitări semnificative cum ar fi eficienţa de detecţie cuantică scăzută şi zgomotul granulaţiei filmului, care elimină detaliile imaginii la frecvenţe spaţiale mari. De asemenea, cu un contrast de afişare fix şi gamă dinamică limitată, detaliile sunt pierdute în zonele de supraexpunere sau subexpunere din imaginea de pe film. Sistemele radiografice numerice, concepute pentru a elimina limitările sistemului cu ecran şi film, sunt următoarele: fluoroscopie numerică, radiografie pe calculator, sisteme bazate pe dispozitive cuplate prin sarcină (CCD) şi tehnici de conversie directe bazate pe seleniu amorf. Toate aceste sisteme funcţionează în modul de integrare a energiei. Nici una din tehnologiile enumerate nu are posibilitatea de numărare a fotonilor la vitezele sistemelor de preluare a imaginilor în domeniul radiaţiilor X. Un sistem numeric de preluare a imaginilor bazat pe detector cu microbenzi are contrast ajustabil al imaginii, într-o gamă dinamică determinată doar de statistica de numărare a fotonilor, ceea ce este un avantaj faţă de film. În plus, acest sistem are şi alte avantaje: - eficienţă cuantică de detecţie mare, - posibilitatea de îmbunătăţire ulterioară a caracteristicilor imaginii folosind energia măsurată a radiaţiilor X. Detectoarele cu gaz cu microbenzi sunt folosite şi pentru microdozimetrie, în centralele nucleare care au câmpuri complexe de radiaţie (spectru larg de câmpuri de neutroni în prezenţa unei radiaţii Γ de fond). 3.2.4 Detectoare numerice pentru radiaţii X Un detector cu suprafaţă mare este esenţial în radiologia medicală. În mod curent există două tendinţe principale pentru realizarea radiografiilor numerice: - digitizarea semnalului de la o cameră video cuplată la un intensificator de imagini pentru radiaţii X (instalaţie voluminoasă) şi - sistemul cu material fosforescent stimulabil. Ambele sisteme sunt disponibile în variante care permit citirea instantanee, cu toate că varianta cea mai uzuală a sistemului cu material fosforescent stimulabil necesită transportul casetei la scaner cu laser pentru citire. Însă calităţile acestor sisteme nu le fac acceptabile pentru toate utilizările. De

69

aceea, există detectoare numerice care pot funcţiona în toate modalităţile radiologice curente, inclusiv radiografia şi fluoroscopia. Detectorul este o suprafaţă mare, plată, care se potriveşte dimensional cu sistemele convenţionale. Folosind unul sau mai multe straturi pentru absorbţia radiaţiilor X, el converteşte energia în sarcină electrică folosind o suprafaţă integrată matricială activă pentru autoscanarea sarcinii electrice a imaginii. Pentru realizarea conversiei se folosesc două metode: - metoda directă, care foloseşte suprafaţă fotorezistivă pentru conversia radiaţiilor X în sarcini electrice şi - metoda indirectă, cu strat din material fosforescent şi suprafaţă de fotodiode. Modelarea teoretică arată că fluoroscopia este dificilă datorită semnalelor mici şi citirii în timp real. O comparaţie între senzorii medicali convenţionali pentru radiaţii X şi anume cu strat din pudră de material fosforescent şi cu material fosforescent structurat, sau cu straturi fotorezistive arată creşterea rezoluţiei la cei din urmă. Radiaţiile X absorbite într-un ecran din material fosforescent eliberează lumină care trebuie să ajungă la suprafaţă pentru a crea o imagine. Împrăştierea laterală a luminii este limitată doar de difuzie. Astfel, diametrul elementului de imagine este comparabil cu grosimea ecranului. Cu cât ecranul este mai gros (pentru a creşte eficienţa de absorbţie cuantică) scade rezoluţia imaginii. Folosind ecran fosforescent, creşte rezoluţia imaginii. O altă metodă este utilizarea unei suprafeţe fotorezistive nestructurată. Radiaţiile X care interacţionează cu placa fotorezistivă eliberează electronii şi golurile, ghidându-i direct la suprafeţele plăcii fotorezistive. Cerinţele unui detector de radiaţii X numeric, ideal sunt: - să accepte imaginea în acelaşi timp (detector cu integrarea imaginii), - citirea trebuie să fie imediată şi electronică (fără casetă în mişcare), - calitatea imaginii trebuie să fie apropiată de limita teoretică pentru toţi parametrii relevanţi ai operaţiunilor de preluare de imagini care interesează (eficienţă cuantică mare de absorbţie a radiaţiilor X şi nu trebuie să se degradeze semnificativ imaginea prin zgomotul excesiv de fluctuaţie al câştigului, zgomotul amplificatorului folosit sau zgomotul cuantic secundar). Într-o structură cu citire şi autoscanare imaginea creată într-un anumit plan este citită în acelaşi plan. Când sunt necesare dispozitive cu suprafaţă foarte mare (de exemplu, 30 cm x 30 cm), nu se pot folosi circuite integrate din siliciu de mare puritate. Se utilizează circuite mai simple, denumite matricial active, cu substraturi ieftine, de exemplu sticlă. Cel mai folosit semiconductor în suprafeţele matriciale active cu straturi subţiri este siliciul amorf hidrogenat a – Si : H. Acesta are un număr mic de dispozitive (condensatoare mici 1 … 2 pF, tranzistoare cu strat subţire).

70

Elementul de control al tranzistorului cu strat subţire este poarta ce permite deschiderea şi închiderea tranzistorului, variind potenţialul porţii (fig. 3.6). Canal

Sursa

Izolator

Poarta

Drena

Fig.3.6

O asemenea suprafaţă mare poate fi folosită ca afişaj sau ca senzor. În ambele cazuri scanarea se face prin activarea liniei comune de grilă pentru un rând, activând astfel câte un rând de tranzistoare cu strat subţire. Sarcina poate fi citită (pentru senzori) de la un rând, folosind liniile de date conectate la fiecare coloană. După citirea unui rând, linia porţilor blochează tranzistoarele din acel rând. Secvenţa se repetă citindu-sc întreaga suprafaţă. Pentru utilizare ca senzor de radiaţii X, se depune un strat fotorezistiv astfel încât fiecare electrod citeşte imaginea latentă a sarcinilor creată de acţiunea radiaţiilor X. Acest lucru se realizează fie direct (în stratul fotorezistiv), fie indirect folosind un strat fosforescent pentru a converti energia radiaţiilor X în lumină, care ulterior este detectată în stratul fotorezistiv. 3.2.5 Dozimetre cu fibre optice Dacă absorbţia optică indusă într-o fibră optică multimod de radiaţia ionizantă depinde doar de doza absorbită, fibra optică conectată la un reflectometru optic în domeniul timp (OTDR) este folosită pentru monitorizarea distribuită la distanţă, pe termen lung a dozei de radiaţii pe o suprafaţă mare. Se pot folosi fibre optice din silică dopate cu fosfor, pământuri rare sau plumb, dopanţi care produc centre de culoare stabile induse de radiaţie. Informaţia dată de dozimetru depinde de doză şi de temperatură, fiind parţial ştearsă când se opreşte radiaţia. La creşterea dozei de radiaţii, absorbţia este saturată. De exemplu, fibra optică de silică dopată cu fosfor nu poate fi folosită la măsurarea dozelor mari. Un efect reversibil indus de radiaţie este difuzia hidrogenului din învelişul cu număr mare de grupări hidroxil OH spre miezul cu număr mic de grupări OH a unei fibre optice, determinând creşterea benzilor de absorbţie ale

71

grupărilor OH. În fibrele optice cu miez din silică nedopat, înveliş cu număr mare de grupări OH şi miez cu număr mic de grupări OH, radiaţia ionizată desface legaturile O-H şi lasă hidrogenul să difuzeze din înveliş spre miez, unde face din nou legături cu oxigenul. Ca rezultat, amplitudinea benzilor de absorbţie ale grupării OH creşte. Pentru a determina variaţia benzii de absorbţie optică a grupării OH se pot măsura pierderile optice la două lungimi de undă apropiate, situate pe unul din flancurile benzii. O altă cale de a extrage semnalul util este să se folosească trei lungimi de undă.

72

CAPITOLUL 4

TRADUCTOARE CU ULTRASUNETE

4.1 Generalităţi Ultrasunetele, ca şi sunetele, sunt oscilaţii elastice care se datorează vibraţiilor mecanice ale particulelor mediului, în jurul unor poziţii de echilibru. Domeniul de frecvenţă al ultrasunetelor este 16 kHz ... 100 GHz. În gaze şi lichide se propagă un singur tip de unde elastice, undele longitudinale. Acestea se găsesc şi în solidele ale căror dimensiuni depăşesc foarte mult lungimea de undă a oscilaţiilor elastice. Generatoarele şi receptoarele de ultrasunete se bazează pe efectul piezoelectric şi efectul piezomagnetic. Unii dielectrici formaţi din dipoli permanenţi care nu au centru de simetrie (de exemplu substanţele feroelectrice) au efect piezoelectric direct. Dacă un astfel de cristal este supus unei deformări elastice de întindere, compresiune sau torsiune, atunci dipolii săi moleculari se rotesc şi cristalul se polarizează. Ca urmare, pe feţele opuse ale cristalului apar sarcini legate care creează un câmp electric şi o diferenţă de potenţial între aceste feţe. Mărimea polarizării este proporţională cu deformaţia mecanică. La schimbarea sensului deformaţiei, se schimbă şi semnul polarizării. Cristalele piezoelectrice sunt cristale naturale (cuarţul, sarea Seignette - tartrat dublu de sodiu şi potasiu) şi cristale artificiale (metatitanatul de bariu). Efectul piezoelectric invers apare dacă se aplică o diferenţă de potenţial cristalului. Ca urmare a rotirii dipolilor, apare o deformaţie de întindere, comprimare sau torsiune. Cristalele pot fi tăiate astfel încât câmpul electric şi deformaţia să fie reciproc perpendiculare (efect piezoelectric transversal) sau câmpul electric şi deformaţia să fie paralele (efect piezoelectric longitudinal). Efectul piezoelectrie invers nu rebuie confundat cu fenomenul de electrostricţiune, care apare la dielectricii cu legături ionice (de exemplu NaCl). Reţelele ionilor pozitivi şi ale celor negativi din dielectricul situat într-un câmp electric, se deplasează în direcţii opuse, producând o deformare. Datorită deplasării reciproce a particulelor încărcate cu sarcini electrice de semne contrare, electrostricţiunea, spre deosebire de efectul piezoelectric, nu depinde

73

de sensul câmpului aplicat: deformaţia prin electrostricţiune depinde pătratic de câmp, în timp ce efectul piezoelectric depinde liniar de câmp. Efectul magnetostrictiv constă în deformarea unui material feromagnetic sub acţiunea câmpului magnetic, independent de sensul acestuia şi depinzând doar de mărimea câmpului şi de natura materialului. Efectul este reversibil. Materialele magnetostrictive sunt metalele feromagnetice (Ni, Co, Fe) şi unele aliaje ale acestora: (permendur (75 % Co, 25 % Fe), alifer (13 % Al, 87 % Fe), hipert (50 % Ni, 50 % Fe), permalloy (40 % Ni, 60 % Fe) precum şi unele ferite. Proprietăţile piezoelectrice şi piezomagnetice dispar când materialele respective sunt încălzite peste temperatura Curie a acestora. 4.2 Tehnici de defectoscopie ultrasonoră În practică se întâlnesc următoarele metode de defectoscopie ultrasonoră: 1. Metoda vizualizării. Imaginea obţinută prin examinarea obiectului cu ajutorul ultrasunetelor se transformă în imagine optică; după străbaterea obiectului, fasciculul ultrasonic nu mai are intensitate uniformă în toate punctele şi se foloseşte un convertor acustico-optic pentru a obţine zone luminoase sau întunecate. Convertorul acustico-optic se bazează pe unul din următoarele efecte: - reliefarea suprafeţei unui lichid sub acţiunea combinată a presiunii ultrasonice şi a gravitaţiei, - modificarea indicelui de refracţie a luminii în lichidele supuse acţiunii ultrasunetelor, - orientarea unor suspensii metalice în lichide, datorită ultrasunetelor şi examinarea acestor orientări la iluminare oblică; 2. Metoda rezonanţei ultrasonice se bazează pe formarea undelor staţionare, în cazul existenţei unui anumit raport între lungimea de undă a fasciculului ultrasonor şi grosimea piesei examinate. 3. Metoda umbrei are la bază analogia dintre propagarea ultrasunetelor în spatele unui defect şi propagarea luminii în spatele unui corp opac. 4. Metoda impulsului reflectat. Ultrasunetele emise sunt trenuri de oscilaţii, a căror propagare în material poate fi urmărită cu precizie. Emiţătorul şi receptorul de ultrasunete se fixează de o parte şi de alta a piesei examinate sau ambele pe aceeaşi parte.

74

4.3. Traductoare semiconductoare cu ultrasunete 4.3.1 Unde ultrasonore în materiale solide Cea mai importantă proprietate a undelor ultrasonore este viteza scăzută în comparaţie cu viteza undelor electromagnetice. Viteza ultrasunetelor în solide este de 1,5.105... 12.105 cm/s iar viteza ultrasunetelor în cazul senzorilor cu unde ultrasonore de suprafaţă (SAW – Surface Acoustic Waves) este de 3,8.105 ... 4,2.105 cm/s. Se observă că viteza ultrasunetelor este cu cinci ordine de mărime mai mică decât viteza undelor electromagnetice, rezultând astfel senzori de dimensiuni foarte mici. Frecvenţele fundamentale ale senzorilor cu unde ultrasonore de suprafaţă sunt de aproximativ 5 GHz, au suprafeţe de câţiva mm2 şi pot fi fabricaţi monolitic pe acelaşi substrat împreună cu circuitele electronice necesare. Undele elastice care se propagă în materiale solide sunt de patru tipuri: - unde longitudinale de volum, cu viteza de fază v = 4000 … 12000 m/s, - unde transversale de volum, v = 2000 ... 6000 m/s, - unde de suprafaţă (Rayleigh), v = 2000 … 6000 m/s şi - unde plate (Lamb) în două variante: simetrice, v = 2000 ... 12000 m/s şi antisimetrice, v = 100 ... 4000m/s. 4.3.2 Senzori semiconductori cu ultrasunete 4.3.2.1 Clasificarea senzorilor semiconductori cu ultrasunete Există mai multe tipuri de senzori microelectromecanici cu ultrasunete din materiale semiconductoare şi anume: - cu torsionarea grosimii (TSM - thickness shear mode), fig. 4.1.a, - cu unde ultrasonore de suprafaţă (SAW), fig. 4 1 b, - cu unde plate de flexiune (FPW- flexural plate waves), fig. 4.1.c, - cu mod plat ultrasonor (APM - acoustic plate mode) şi tip suprafaţă de microtobe, fig 4 1 d. În cazul senzorilor cu torsionarea grosimii, TSM, frecvenţa de rezonanţă depinde de numărul de molecule absorbite în stratul activ de deasupra. La senzorii cu mod plat ultrasonor, APM, undele sar cu un unghi ascuţit între planele vecine ale plăcii. Din punct de vedere constructiv, arată la fel ca senzorii SAW.

75

a

b

c

d

Fig. 4.1

4.3.2.2 Senzori cu unde ultrasonore de suprafaţă (SAW) Se obţin prin fotolitografie, pe straturi subţiri din materiale piezoelectrice depuse pe materiale semiconductoare (ZnO pe Si sau AlN pe GaAs). Se realizează sub formă de linii de întârziere, filtre, spirale, rezonatoare sau oscilatoare, ca senzori de gaze, acceleraţie, presiune, etc. Materialele piezoelectrice folosite pentru senzorii SAW sunt: cuarţ cristalin SiO2, cristal feroelectric artificial şi straturi subţiri depuse de ZnO. Senzorii SAW din ZnO pe Si au latura de 2,5 mm şi generează ultrasunete în gama 100 ... 500 MHz. Deplasarea particulelor aproape de suprafaţa unui solid prin care se propagă o undă Rayleigh de suprafaţă are două componente: una longitudinală (înainte şi înapoi, paralelă cu suprafaţa) şi una verticală de torsiune (în sus şi în jos). Suprapunerea celor două componente determină traiectorii eliptice ale particulelor suprafeţei, în jurul poziţiilor de echilibru. Undele de suprafaţă au cea mai mare parte a energiei localizată în una sau două lungimi de undă, ceea ce permite o interacţiune puternică şi uşoară cu mediul adiacent suprafeţei. Undele Rayleigh se generează uşor, într-o mare varietate de substraturi piezoelectrice, folosind un senzor interdigitat (IDT, interdigitate transducer). Acesta este fabricat microlitografic, dintr-un strat subţire de metal, cu grosime 100...200 nm prin evaporare în vid, pe un substrat piezoelectric lustruit. La aplicarea unei tensiuni de radiofrecvenţă, senzorul genereză o undă Rayleigh de suprafaţă în substratul piezoelectric. Lungimea de undă a undei Rayleigh depinde de distanţa dintre electrozii senzorului. Impedanţa electrică a senzorului depinde de numărul electrozilor şi de lungimea lor de suprapunere. Lungimea de suprapunere a electrozilor determină şi adâncimea undei ultrasonore

76

generate. Limitele frecvenţelor de lucru ale senzorilor cu unde ultrasonore de suprafaţă sunt de 10 MHz. … 3 GHz.. Din punct de vedere electric, senzorul interdigitat este o încărcare capacitivă pentru sursa de tensiune de radiofrecvenţă şi pentru a îmbunătăţi transferul de putere este nevoie de o inductanţă serie de cuplaj. Senzorii cu undă ultrasonoră de suprafaţă tip linie de întârziere au câte un senzor interdigitat la fiecare capăt al substratului. Un senzor interdigitat acţionează ca emiţător şi celălalt ca receptor al energiei ultrasonore. Unda Rayleigh care se propagă interacţionează cu materia de la suprafaţa liniei de întârziere şi modifică caracteristicilor undelor (amplitudine, fază, viteză, conţinutul în armonici, etc). Senzorii interdigitaţi sunt bidirecţionali, o cantitate mare de energie fiind reflectată de muchia substratului de lângă senzor. Acest lucru provoacă un efect cunoscut sub numele de ecou de trecere triplă, ce se poate elimina prin aplicarea absorbanţilor de energie ultrasonoră (de exemplu adeziv siliconic) la capetele liniei de întârziere, sau prin tăierea oblică a capetelor, astfel ca undele ultrasonore să fie reflectate în afara axei. O altă problemă apare când o cantitate mică de energie a undei ultrasonore de suprafaţă este împrăştiată în substrat şi convertită în unde ultrasonore de volum, care apoi se reflectă de suprafaţa de jos a substratului şi interferă cu unda de suprafaţă de sus. Acest efect se reduce uşor prin realizarea unor striaţiuni sau se foloseşte material absorbant pe partea inferioară a substratului, pentru a distruge coerenţa de fază a undelor ultrasonore de volum. Senzorii cu unde ultrasonore de suprafaţă tip linie de întârziere sunt folosiţi la monitorizarea variaţiilor de amplitudine sau variaţiilor de viteză a undelor ultrasonore. - măsurările de amplitudine: unda Rayleigh este excitată cu o sursă de putere de radiofrecvenţă şi se măsoară puterea undelor ultrasonore la capătul receptor al liniei de întârziere. - măsurările de viteză: se fac indirect, cu o precizie mult mai bună dacă se utilizează linia de întârziere ca element rezonant. În fig. 4.2 este prezentată schema de măsurare a variaţiilor de viteză pentru undele ultrasonore, folosind linia de întârziere. Schema conţine un amplificator de putere de RF legat în buclă cu senzorul SAW tip linie de întârziere. Sistemul oscilează pe frecvenţa de rezonanţă a senzorului interdigitat, oscilaţiile având loc doar când câştigul amplificatorului este mai mare decât pierderile liniei de întârziere. Frecvenţa de rezonanţă a traductorului se modifică datorită variaţiilor vitezei undelor Rayleigh şi se poate măsura cu acurateţe cu un frecvenţmetru numeric.

77

Frecvenţmetru numeric

1µH

1µH 50Ω

Acoperire sensibila

50Ω

ieşire

Fig. 4.2

4.3.2.3 Senzori cu unde ultrasonore plate de flexiune (FPW) Senzorii de acest tip au o membrană nepiezoelectrică din Si îmbogăţit şi nitrat de Si pe care se depune ZnO, fig. 4.l.c. Dacă grosimea membranei este mult mai mică decât lungimea de undă, modul de flexiune cu ordinul cel mai scăzut se va propaga în membrană cu o viteză de fază de sute de m/s, mai mică decât viteza ultrasunetelor în majoritatea lichidelor (viteza ultrasunetelor în apă la 25°C este 1480 m/s). Când membrana intră în contact cu un fluid nevâscos ideal, unda de flexiune produce doar o perturbaţie în fluid la suprafaţa membranei şi nu se radiază energie din membrană în fluid. Senzorii cu unde ultrasonore plate de flexiune (FPW) se folosesc în următoarele tipuri de aplicaţii: - ca senzori gravimetrici (variaţia masei datorită absorbţiei unor vapori); - ca senzori de vâscozitate; - ca senzori pentru microdebit; - în micropompe, micromixere, etc.

78

CAPITOLUL 5

TRADUCTOARE DE TEMPERATURĂ

5.1 Generalităţi Traductoarele de temperatură sunt cunoscute sub denumirea de termometre. Sunt de două tipuri: - cu contact cu obiectul de măsurat şi - fără contact cu obiectul de măsurat. Traductoarele cu contact cu obiectul de măsurare se împart la rândul lor în două categorii: a) cu senzori neelectrici: - bazate pe dilatarea: - solidelor (metale). Sunt cu tijă sau cu bimetal; - lichidelor (mercur, alcool); - gazelor (manometre). - cu senzori chimici, la care orice dilatare a unui corp poate fi preluată de un traductor de deplasare, realizându-se astfel un termometru bazat pe dilatare. Ca exemple, amintim: termometrele cu bimetal (–20°C ... +400°C, acurateţe ±2% şi timp de răspuns 45 s); b) cu senzori electrici: termorezistoare, termocupluri, joncţiuni p-n. etc Când contactul direct al traductorului cu obiectul de măsurare nu este posibil (temperatura este foarte înaltă sau punctul în care trebuie măsurată nu este accesibil), pentru măsurarea temperaturii se utilizează pirometre, termometre în infraroşu, captatoare de imagini în infraroşu (scanere IR), senzori cu fibre optice. Datorită inerţiei termice, constanta de timp a termometrelor depinde de tipul senzorului, rezistenţa termică dintre senzor şi obiectul de măsurare, starea de agregare şi de agitaţie a mediului, locul de montare al senzorului, tipul adaptorului electronic folosit, etc. Pentru termometrele cu termorezistoare, termistoare şi termocupluri fără teacă de protecţie, constantele de timp sunt de aproximativ 1s. Pentru senzori cu teacă metalică, constantele de timp cresc. Constante de timp foarte mici au termometrele cu fotodetectoare cuantice în IR. Adaptorul electronic folosit trebuie poziţionat lângă punctul de măsurare, pentru a preveni degradarea semnalului datorită erorilor introduse de diferenţele de temperatură (instabilitatea temperaturii joncţiunii de referinţă, la termocupiuri sau dezechilibrarea rezistenţei firelor de legătură, la termorezistoare).

79

Tensiunile furnizate de termocupluri sau de adaptoarele electronice ale termorezistoarelor şi termistoarelor au nivel mic şi sunt supuse la zgomote. De aceea, adaptoarele electronice convertesc uzual tensiunea în curent, de exemplu 4 ... 20 mA, acesta putând fi transmis pe distanţe mari, fără a fi afectat de perturbaţii. Unităţile de condiţionare folosite asigură atât filtrarea trece jos, pentru eliminarea zgomotelor de înaltă frecvenţă, cât şi izolarea electrică, pentru eliminarea buclelor de masă. În funcţie de tipul ieşirii şi de modul de comandă, traductoarele de temperatură se încadrează în patru clase: - analogice, - cu intrări şi ieşiri numerice, - cu ieşiri numerice şi - pentru monitorizarea proceselor. Un traductor analogic ideal dă la ieşire o tensiune care depinde liniar de temperatură. În cazul traductoarelor cu intrări şi ieşiri numerice, datele numerice reprezentând temperatura sunt transmise spre un microcontroler printr-o magistrală serie. Pe aceeaşi magistrală se transmit şi datele de la microcontroler la traductor, pentru a stabili limita de temperatură la care o ieşire numerică de la traductor va întrerupe microcontrolerul. Acest tip de traductor se utilizează de exemplu la controlul vitezei unui ventilator sau a frecvenţei de tact a unui microprocesor, la măsurarea temperaturii în calculatoare, unităţi de disc dur, etc. Traductoarele din a treia clasă au diverse tipuri de ieşiri numerice pe o singură linie. Adăugând o referinţă de tensiune şi un comparator la un traductor analogic, ieşirea se poate întrerupe atunci când se depăşeşte o anumită temperatură fixată. De asemenea, aceste traductoare pot avea încorporate linii de întârziere, caz în care datele de ieşire sunt sub forma frecvenţei sau perioadei unui semnal logic. A patra clasă de traductoare de temperatură, pentru monitorizarea proceselor, în plus faţă de facilităţile celor cu intrări şi ieşiri numerice, monitorizează tensiunile de alimentare ale sistemului. 5.2 Traductoare de temperatură cu termorezistoare Termorezistoarele (engl. RTD - resistance temperature detector) funcţionează pe baza creşterii rezistivităţii la creşterea temperaturii. Variaţia rezistenţei RT a conductoarelor metalice creşte astfel cu temperatura mediului, după o relaţie de forma:

(

RT = R0 1 + A ⋅ T + B ⋅ T 2

) 80

în care R0 este rezistenţa electrică la 0°C în [Ω] iar A şi B sunt două constante de material. Metalele tipice folosite la realizarea termorezistoarelor sunt platina (-200 … +850°C), nichelul (-60 … +150°C) şi cuprul (-50 … +150°C). Platina este cel mai folosit material, datorită gamei mari de temperaturi, stabilităţii şi rezistenţei la agenţi chimici de coroziune. Constructiv, termorezistoarele pot fi: - cu teacă de protecţie (din cupru, oţel carbon sau oţel inoxidabil); - fără teacă de protecţie, pentru măsurători de laborator. Termorezistoarele se realizează în două variante: - bobinate sau - miniatură, prin depunere pe suport ceramic. Termorezistoarele bobinate au o înfăşurare plană sau cilindrică pe suport izolat din mică, ceramică sau sticlostratitex, cu un fir bobinat neinductiv şi fixat pe suport prin impregnare sau presare mecanică. În interiorul carcasei se introduce praf de ceramică de mare puritate iar conexiunile de legătură sunt scoase printr-un izolator de ceramică. Pentru realizarea legaturilor electrice se folosesc două, trei sau chiar patru fire, la scheme de măsurare tip punte Wheatstone. Varianta cu două fire de legătură este destinată aplicaţiilor în care termorezistorul este conectat direct la schema de măsurare, pentru a reduce erorile date de rezistenţa firelor lungi de legătură. Când există o distanţă semnificativă între termorezistor şi schema de măsurare se foloseşte legătura cu trei fire. Acurateţea acestei variante este utilă în multe aplicaţii industriale. În configuraţia cu patru fire, o pereche de fire furnizează curentul de excitaţie, iar cealaltă pereche măsoară tensiunea pe termorezistor, minimizând căderea de tensiune pe firele de legătură şi dând acurateţe mare. Curentul de măsurare maxim admis este aproximativ 1mA. Valori mai mari produc încălziri ale termorezistorului şi deci creşterea erorilor. Avantajele termorezistoarelor sunt următoarele: - repetabilitate şi stabilitate: termometrul cu termorezistenţă de Pt este folosit ca instrument standard; - sensibilitate mai mare decât la termocupluri - termorezistoarele de Pt şi Cu dau răspuns mai liniar decât termocuplurile; - neliniantăţile pot fi corectate prin proiectarea corespunzătoare a schemei de măsurare; - flexibilitate; - folosesc fire de legătură de Cu şi nu necesită compensări suplimentare.

81

5.3 Traductoare de temperatură cu termocupluri Termocuplurile sunt realizate din două fire de metale sau aliaje diferite, sudate împreună la unul din capete, formând astfel joncţiunea de măsurare (joncţiunea caldă). Celelalte două capete formează joncţiunea de referinţă (joncţiunea rece). Prin încălzirea joncţiunii de măsurare, datorită efectelor Seebeck, Peltier şi Thomson, la capetele libere apare o tensiune termoelectromotoare proporţională cu diferenţa de temperatură între cele două joncţiuni şi dependentă de materialul termoelectrozilor:

ET ≈ ST (T − T0 ) . În tabelul 5.1 sunt date principalele tipuri de termocupluri şi caracteristicile acestora. Tabelul 5.1 Electrodul pozitiv 70%Pt – Rh 90%Pt – Rh 87%Pt – Rh Cromel Cu Fe Cromel

Electrodul negativ

94%Pt – Rh Pt Pt Alumel Constantan Constantan Constantan

Domeniul de temperatură [°C] 0 … 1700 0 … 1500 0 … 1500 150 … 1200 -150 … 350 -150 … 700 0 … 950

Sensibilitatea medie [µV/°C]

Notaţie standard

7 10 11 39 44 53 76

B S R K T J E

Cromel este un aliaj Ni-Cr-Fe-Mn, alumel este un aliaj Ni-Mn-Al-Si-Fe, iar constantan este un aliaj Cu-Ni. Avantajele termocuplurilor sunt următoarele: - gamă mare de temperaturi (-190 … +1820°C), - rezistenţă la şocuri şi vibraţii, - dimensiuni reduse şi - timp mic de răspuns. Dependenţa tensiunii termoelectromotoare generată de temocupluri de diferenţa de temperatură între joncţiunea de măsurare (caldă) şi joncţiunea de referinţă (rece) nu este perfect liniară. De aceea, pentru măsurători de precizie, ea se citeşte din tabele speciale, elaborate de organismele de standardizare. Pentru a nu modifica legea de variaţie a tensiunii electromotoare generată de un termocuplu, prelungirea firelor de legătură se face prin conductoare de aceeaşi

82

natură cu electrozii (pentru termocuplurile ieftine, cu erori mai mari) sau prin conductoare cu proprietăţi apropiate de cele ale electrozilor, dar care să realizeze şi o compensare pentru gama de temperatură uzuală a joncţiunii de referinţă (+50 … +100°C). Orice variaţie a temperaturii jonctiunii de referinţă se transmite integral ca eroare a temperaturii de măsurare. Pentru a îndepărta această sursă de eroare, fie se termostatează joncţiunea de referinţă (soluţie folosită numai în măsurătorile de laborator), fie în circuitul de măsurare se generează o tensiune compensatoare liniar dependentă de temperatura joncţiunii de referinţă. În funcţie de modul de legătură al joncţiunii de măsurare la teaca de protecţie, temocuplurile sunt disponibile în trei variante: - legate la teaca de protecţie (conectată la masă): varianta asigură un bun transfer al caldurii la joncţiunea de măsurare; - izolate de teaca de protecţie: timpul de răspuns este mare; - cu sudura expusă în afara tecii de protecţie: timpul de răspuns este foarte scurt. Liniarizarea termocuplurilor Pentru măsurarea temperaturii folosind termocuplul este nevoie de două canale de măsurare, unul pentru transmiterea tensiunii generate de termocuplu (tipic cu etaje cu ieşire în curent), iar celălalt pentru monitorizarea temperaturii joncţiunii de referinţă (cu termistor sau cu traductor integrat liniar de temperatură). Compensarea joncţiunii de referinţă Înainte de a converti tensiunile termoelectrice în valori echivalente de temperatură, este necesar să se compenseze tensiunile generate la punctul în care firele termocuplului intră în contact cu firele de cupru ale circuitelor de condiţionare a semnalelor. Tabelele de conversie şi algoritmii standard se bazează pe menţinerea joncţiunilor de referinţă la 0°C. 5.4 Traductoare de temperatură cu termistoare Termistoarele sunt rezistoare dependente de temperatură, realizate din oxizi metalici (mangan, nichel, cobalt, cupru şi fier) sau din materiale semiconductoare. În funcţie de curba de variaţie a rezistenţei cu temperatura, termistoarele sunt de două feluri: - cu coeficient negativ de variaţie a rezistenţei cu temperatura (NTC) şi - cu coeficient pozitiv de variaţie a rezistenţei cu temperatura (PTC).

83

La termistoarele de tip NTC, rezistenţa scade la creşterea temperaturii după o lege exponenţială dată de material:

RT = RT0 ⋅ e

⎛1 1 − ⎝ T T0

β ⎜⎜

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

,

unde RT este rezistenţa la temperatura măsurată T [K], RT0 este rezistenţa la temperatura de referinţă, tipic +25°C (are valori de 10Ω … 40 MΩ) iar β este o constantă de material. Sensibilitatea termistoarelor de tip PTC este foarte mare, dar domeniul de temperaturi este limitat (-100 .. +400°C pentru cele din oxizi metalici şi -150 .. +150°C pentru cele din materiale semiconductoare). Caracteristica de variaţie a rezistenţei cu temperatura este neliniară (fig. 5.1), utilizându-se pentru liniarizare rezistoare serie şi paralel. În funcţie de tipul aplicaţiei, există disponibile modele liniarizate de producător şi modele cu gamă extinsă de temperatură. R [Ω] 105 NTC

PTC

4

10

3

10

102

Termorezistenţă 0 T [ C]

-50

0

50

100

150

200

Fig. 5.1

Caracteristica de variaţie a rezistenţei termistoarelor cu coeficient negativ de temperatură (NTC) cu temperatura este o funcţie exponenţială negativă. Sensibilitatea termistoarelor de tip NTC este tipic -3 … -6 iar gama temperaturilor de funcţionare este cuprinsa în limitele –250 … +650°C.

84

Variantele uzuale de termistoare sunt cele în suport de sticlă, disc, baghetă sau cip. Dimensiunile mici au ca efect timp scurt de răspuns. Termistoarele cu coeficient pozitiv de temperatură (PTC) sunt caracterizate de o scădere lentă a rezistenţei până la o temperatură de prag, după care rezistenţa creşte cu peste trei ordine de mărime, aşa cum se observă în fig. 5.1. Termistoarele PTC sunt utilizate ca dispozitive cu prag de temperatură sau ca siguranţe cu revenire automată, în aplicaţiile de comutare. 5.5 Traductoare integrate de temperatură 5.5.1 Senzori integraţi de temperatură Termorezistoare integrate cu peliculă subţire În tehnologia siliciului, valorile absolute ale rezistenţelor au toleranţe mari (tipic ± 20 %), însă împerecherea raportului a două rezistenţe este foarte bună (± 0,1 %). De aceea, pentru rezistoarele integrate, schema de măsurare tipică este în punte. Gama de temperaturi măsurate este –50 ... + 180°C. Termorezistoarele cu straturi subţiri au avantajul unei game de temperaturi mai mari. Materialele folosite pentru construcţia acestora sunt polisiliciul, care însă are dependenţă la efort, şi platina. Termorezistorul de platină, tip Pt 100, are valoarea rezistenţei de 100 Ω la 0°C şi este folosit ca senzor de referinţă de temperatură. Termorezistorul de tip Pt.1000, cu rezistenţa de 1000 Ω la 0°C, este folosit pentru curenţi de măsurare mai mici. Termocupluri integrate Termocuplurile integrate se bazează pe efectul Seebeck termoelectric şi sunt obţinute prin sudarea la un capăt a două fire din metale diferite. Se măsoară diferenţa de temperatură între sudură şi capetele libere. Variaţia de tensiune la ieşire este direct proporţională cu diferenţa de temperatură:

∆V = α S ⋅ ∆T unde αS este coeficientul Seebeck exprimat în [V/K]. Mai multe termocupluri legate în serie formează o termopilă. Materialele folosite pentru realizarea termopilelor sunt aliaje de tip: Si-Al, polisiliciu-Al, polisiliciu-Au, bismut-antimoniu, bismut-Te, etc. Cele mai utilizate termopile sunt cele din polisiliciu, datorită compatibilităţii cu procesele circuitelor integrate standard.

85

Tranzistoare integrate Dependenţa de temperatură a joncţiunii p-n din siliciu se foloseşte ca senzor în diode şi tranzistoare, în configuraţie cu două terminale (baza şi colectorul sunt scurtcircuitate), însă acurateţea tranzistoarelor este mai bună. Când tranzistorul este folosit la un curent de colector constant sau proporţional cu temperatura absolută, tensiunea VBE scade aproape liniar cu temperatura, conform relaţiei:

V BE = V BE 0 − λT , unde λ este o constantă care depinde de densitatea curentului de polarizare şi de parametrii de proces iar T este temperatura absolută. Sensibilitatea tranzistorului este de ordinul - 2 mV/K. Când se scurtcircuitează baza şi colectorul, se obţine o variaţie logaritmică a tensiunii pe joncţiune:

V BE =

IC kT ln q AE ⋅ J S ,

unde IC este curentul de colector, AE este suprafaţa emitorului, Js este densitatea curentului de saturaţie ce depinde de profilul de dopare, T este temperatura absolută, q este sarcina electronului şi k este constanta Boltzmann (k/q = 86,17µV/K). 5.5.2 Traductoare integrate cu ieşire proporţională cu temperatura absolută În traductoarele integrate de temperatură, circuitele electronice de amplificare, polarizare, liniarizare şi conversie analog-numerică sunt integrate pe acelaşi substrat cu tranzistorul senzor de temperatură. Semnalul folosit este diferenţa ∆VBE între tensiunile bază emitor a două tranzistoare care funcţionează la raport constant al densităţilor curenţilor de emitor:

V BE =

kT ln ( p ⋅ r ) q

86

unde cele două tranzistoare sunt identice, r = AE2/ AE1 este raportul suprafeţelor de emitor iar p = IC1 / IC2 este raportul curenţilor de colector menţinut constant. Sursele de curent care folosesc tranzistoare integrate ca senzori de temperatură dau un curent calibrat de ieşire, de 1 µA/K, stabilizat la variaţiile tensiunii de alimentare. Când gama de temperatură de interes este mică, se foloseşte o referinţă de tensiune sau alt tranzistor şi un amplificator diferenţial, pentru a obţine semnal de ieşire zero la temperatura dorită (scalare pentru măsurare în °C). Se realizează tipic traductoare integrate de temperatură cu ieşire în curent, în tensiune sau în frecvenţă (pentru interfaţare cu microcontrolere). 5.5.3 Traductoare integrate de temperatură cu ultrasunete Aceste traductoare măsoară temperatura prin detectarea timpului de întârziere a undelor ultrasonore care se propagă în substraturi piezoelectrice. Se folosesc undele ultrasonore de suprafaţă şi undele ultrasonore plate, ce pot fi generate şi detectate cu traductoare interdigitate. Materialele folosite şi dimensiunile substratului depind de temperatură. Traductorul integrat de temperatură cu unde ultrasonore conţine senzorul ultrasonor şi circuite electronice dedicate, legate într-o buclă de reacţie pozitivă, ce formează un oscilator cu frecvenţa dependentă de temperatură. Cristalul piezoelectric folosit este cuarţul cu tăieturi speciale, în gama de temperaturi de -100 … +200°C. 5.6 Termometre în infraroşu Termometrele în infraroşu (IR) măsoară temperaturi fără contact cu obiectul de măsurat, cu un timp de răspuns de ordinul ms. În cazul termometrului în IR, nu interesează conductivitatea termică a obiectului măsurat, factorii importanţi fiind următorii: - vederea directă între termometrul în IR şi obiectul de măsurat, - elementele optice trebuie să fie protejate împotriva prafului şi condensului, - în general, termometrele în IR măsoară doar temperatura suprafeţelor, radiaţia termică depinzând de materialul obiectului măsurat şi de gradul de finisare a suprafeţei. Teoria radiaţiei IR se bazează pe principiul că toate corpurile cu temperatură mai mare ca zero absolut (0K = -273,16°C) radiază energie. Căldura din aceste corpuri determină vibraţii moleculare care induc vibraţii electronice, deci emisie electromagnetică.

87

Amplitudinea radiaţiei depinde de emisivitatea corpului, ce se defineşte ca raportul între energia radiată de un obiect la o anumită temperatură şi energia emisă de un radiator perfect (corp negru) la aceeaşi temperatură. Un corp negru este un corp ideal care emite toată radiaţia termică primită. Alte proprietăţi ale corpului care influenţează radiaţia emisă sunt transparenţa şi reflectivitatea. Cele mai multe obiecte nemetalice au reflectivitate scăzută, nu sunt transmisive şi au emisivitate > 0,9. Metalele cu suprafaţă strălucitoare sau lustruite au reflectivitate mare şi emisivitate scăzută. Distribuţia radiaţiei emise se deplasează spre lungimi de undă mai mici cu creşterea temperaturii. Astfel, termometrele în IR sunt realizate cu diverse scări de lungimi de undă, pentru a oferi performanţe bune pe diverse game. Din punct de vedere constructiv, termometrele în IR sunt instrumente portabile, cu afişaj numeric, dotate cu microcontroler pentru compensare şi calibrare şi senzori sensibili în infraroşu. Realizează măsurători rapide şi fără contact cu obiectul de măsurat pentru temperaturi de –40 … +1700°C. Obiectul măsurat poate avea dimeniuni foarte mici. Termometrele moderne în infraroşu au ca parte analogică fotodetectoarele şi preamplificatoarele, în rest toate celelalte circuite sunt numerice (convertoare analog-numerice, circuite-numerice programabile, memorii ROM şi EEPROM şi procesoare numerice de semnale), ieşirile fiind analogice şi /sau numerice. Cele mai folosite sunt termometrele în infraroşu cu două lungimi de undă. Legăturile de date permit transferul datelor între termometre în infraroşu, calculatoare şi alte instrumente şi dispozitive de control. Interfeţele standard cele mai folosite sunt cele serie, RS-232 sau RS-485. 5.7 Pirometre Pirometrele se folosesc la măsurarea temperaturilor mari, tipic peste I000°C, pe baza radiaţiilor totale, parţiale sau monocromatice emise de corpurile măsurate. Pirometre de radiaţie totală. Se compun dintr-un sistem optic şi un sistem electric de măsurare, închise întro carcasă metalică denumită lunetă. Sistemul optic este format din lentile obiectiv şi ocular şi diafragme. Sistemul electric de măsurare este alcătuit din termopile, montate cu joncţiunile de măsurare pe plăcuţe receptoare de radiaţii din platină înnegrită, centrate pe axul lunetei. Constantele de timp ale măsurătorilor sunt 2...3 s. Pirometre de radiaţie parţială. - Pirometrul optic cu filamemt funcţionează pe baza comparării, prin intermediul ochiului, a densităţii spectrale a luminanţei energetice a corpului

88

măsurat, cu luminanţa spectrală variabilă a unei lămpi cu incandescenţă. Curentul prin filament dă informaţia de temperatură a corpului. - Pirometrul fotoelectric măsoară densitatea spectrală a emitanţei energetice a corpurilor, utilizând fotodetectoare în benzi de câţiva µm în jurul unei anumite lungimi de undă. Tipic, se folosesc două fotodetectoare identice pentru măsurare (de exmplu, fotodiode duale), pentru eliminarea inconvenientului recalibrărilor periodice. - Pirometrele de culoare funcţionează pe baza raportului densităţilor spectrale ale emitanţelor energetice, pentru două lungimi de undă ale radiaţiilor corpului a cărui temperatură se măsoară. Radiaţiile sunt trecute printr-un disc rotitor prevăzut cu filtre de culoare pentru cele două lungimi de undă, de exemplu roşu şi verde. Semnalul electric de la fotodetector, cu faza variabilă în funcţie de lungimea de undă la care emitanţa energetică este maximă, este amplificat şi aplicat unui servomotor care deplasează un filtru colorat în calea radiaţiilor până la obţinerea egalităţii emitanţelor energetice spectrale pentru cele două lungimi de undă. 5.8 Termografie în infraroşu Termografia în infraroşu descrie echipamentele de preluare a imaginilor termice în IR, utilizate în următoarele aplicaţii: - inspecţia sistemelor electrice, în scopul depistării conexiunilor sau echipamentelor calde sau anormal de reci; - inspecţia sistemelor mecanice, pentru frecări excesive şi curgeri anormale ale fluidelor; - inspecţia acoperişurilor, pentru detectarea izolărilor umede: detectarea pierderilor de energie prin pereţii exteriori ai clădirilor; - monitorizarea proceselor, - analize medicale, cantitative şi ale plăcilor de circuit electronice, etc. Un sistem de termografie în IR conţine un captator termic de imagini în infraroşu (scaner IR sau IR imager), o placă de achiziţie de imagini, soft pentru procesarea de imagini şi un monitor video. Măsurătorile sunt făcute în două benzi spectrale: 3...5 µm sau 8...12 µm, datorită transmisiei bune a radiaţiei infraroşii prin atmosferă, în aceste două benzi de lungimi de undă. Informaţia obţinută trebuie corectată, astfel încât temperatura măsurată să fie funcţie numai de temperatura obiectului. Trebuie să se ţină seama de asemenea de mărimea obiectului. Pentru un obiect a cărui imagine spectrală pe fotodetector este mai mică decât fotodetectorul, scanerul va măsura o temperatură care este o medie a temperaturii obiectului şi mediului înconjurător. Pentru mărirea rezoluţiei, se foloseşte un sistem optic de

89

mărire a imaginii obiectului şi nu o amplificare electronică a semnalului. Se elimină astfel efectele difracţiilor optice, aberaţii sau umbriri. Rezultatele măsurătorilor nu sunt identice în cele două benzi de lungimi de undă. Acestea diferă datorită condiţiilor atmosferice, distanţei până la obiect, tipul obiectului a cărui temperatură se măsoară, radiaţia obiectelor înconjurătoare, etc. Toate aceste condiţii specifice aplicaţiei se compensează prin programul software din sistemul de procesare de imagini. Scanerele în infraroşu sunt, în general, de două tipuri: - cu suprafeţe de fotodiode care necesită răcire la temperaturi criogenice, au diferenţe de temperaturi echivalente de zgomot de 0,01°C, sunt scumpe, se folosesc în aborator şi lucrează în banda 3. ..5 µm; - cu suprafeţe de fotodiode la temperatura camerei, în banda 0,9 … 2,5 µm, cu diferenţe de temperaturi echivalente de zgomot de 1°C. 5.9 Emisometre cu transformată Fourier în infraroşu Emisometrele cu transformată Fourier în infraroşu (FT-IR) sunt instrumente folosite în procesul de măsurare simultană a emitanţei spectrale a suprafeţelor şi temperaturii în gama 100...2000 °C, prin determinarea unor parametri ca radianţa, reflexia direcţională şi transmisia direcţională într-o gamă spectrală mare, în infraroşu apropiat şi mijlociu, folosind tehnici interferometrice cu laser. Emisometrele cu transformată Fourier în IR au aplicaţii în: - controlul calităţii proprietăţilor radiative ale materialelor în industrie, - cercetarea şi producerea de noi materiale, - măsurări de temperatură prin tehnici optice în infraroşu apropiat şi mijlociu, - determinarea proprietăţilor de transfer de căldură ale unor materiale. 5.10 Traductoare de temperatură cu fibre optice Traductoarele de temperatură cu fibre optice permit măsurarea fără contact a temperaturilor mari, de până la 1800°C. Există două variante de traductoare de temperatură cu FO şi anume: - cu senzor tip sondă din FO: acestea au timpul de răspuns de ordinul 0,5 s şi acurateţea de ± 0,5 % - cu FO dispusă în buclă, în tot spaţiul măsurat: acestea folosesc variaţia indicelui de refracţie a FO cu temperatura, au lungimi de zeci de km (în clădiri mari, tunele, etc.) şi pot detecta variaţii de temperatură de 1°C până la distanţa de aproximativ 5 m de FO, folosind reflectometru optic în domeniul timp.

90

CAPITOLUL 6

TRADUCTOARE DE VITEZĂ

Viteza este o mărime vectorială. Deoarece direcţia de deplasare a corpului în mişcare este în majoritatea cazurilor fixată, traductoarele de viteză dau un semnal care reprezintă modulul vitezei şi eventual, sensul. Există traductoare care măsoară fie viteza unghiulară, fie viteza liniară, în funcţie de cerinţele aplicaţiei. 6.1 Traductoare de viteză unghiulară (turaţie) Tahogeneratoare de curent continuu Sunt dispozitive electrice construite pe principiul generatoarelor de curent continuu, care dau la ieşire o tensiune continuă proporţională cu turaţia, cu nivele şi puteri ce permit şi folosirea directă în instalaţiile de automatizare. După modul de excitaţie, tahogeneratoarele de curent continuu sunt: - cu excitaţie separată; - cu magneţi permanenţi (mai folosite). Rotorul poate fi de tip cilindric, disc sau pahar. Constantele de timp ale tahogeneratoarelor de curent continuu cu rotor cilindric sunt mai mici de 10 ms iar ale celor cu rotoare tip disc sau pahar mai mici de 1 ms. Ansamblul colector-perii fiind un redresor mecanic, tensiunea la ieşire nu este strict continuă, având ondulaţii datorită comutaţiilor periilor pe colector. Aceste ondulaşi devin cu atât mai mici cu cât creşte numărul de lamele, însă creşte gabaritul Se pot folosi şi filtre trece jos la ieşire, dar creşte timpul de răspuns. Gama de turaţii este de 50… 5000 rot/min, iar sensibilitatea 1…10 mV/rot/min. Tahogeneratoare de curent alternativ Pot fi de două tipuri: sincrone sau asincrone. Cele sincrone sunt cele mai simple; ele generează tensiune alternativă sinusoidală monofazată, cu valoarea efectivă şi frecvenţa dependente de turaţie. Sunt formate dintr-un stator bobinat pe miez din tole de oţel electrotehnic şi rotor din magneţi permanenţi, cu mai multe perechi de poli. Domeniul turaţiilor de lucru este 100...5000 rpm, la turaţii mici crescând erorile. Caracteristicile tehnice, folosite şi la tahogeneratoarele de curent continuu,

91

sunt: valoarea efectivă a tensiunii electromotoare la 1000 rpm, turaţia maximă, frecvenţa tensiunii electromotoare la 1000 rpm, curentul nominal, rezistenţa înfăşurării statorice. Dacă informaţia este dată de tensiunea de ieşire, adaptorul conţine un redresor şi filtru de mediere. Stroboscopul (strobotahometrul) Se bazează pe efectul stroboscopic. Obiectul de măsurat în rotaţie este iluminat periodic cu impulsuri de mare intensitate şi de scurtă durată. Dacă între frecvenţa impulsurilor luminoase şi frecvenţa de rotaţie a obiectului există egalitate sau raport de numere întregi, obiectul va fi iluminat mereu în aceeaşi poziţie şi, datorită inerţiei ochiului, se va obţine o imagine stabilă. Turaţia se determină numeric, înmulţind frecvenţa impulsurilor cu raportul între numărul marcajelor stabile (care apar datorită iluminării) şi numărul marcajelor reale. Adaptoare numerice pentru senzori de turaţie în impulsuri După modul în care se determină turaţia din trenurile de impulsuri obţinute la ieşirea senzorului, adaptoarele sunt de două feluri: - cu numărarea impulsurilor, care fac o mediere a răspunsului şi au timp de răspuns mare la turaţii joase; - cu inversarea perioadei, care nu fac o mediere a răspunsului, dar au timp de răspuns foarte mic, maxim două perioade de rotaţie, fiind folosite la turaţii joase şi foarte joase, inclusiv în aplicaţii de timp real. Traductor de turaţie cu senzor cu efect Hall Acest traductor monitorizează viteze de rotaţie între 0,01 rpm şi 10000 rpm, aproape în orice mediu. Sunt sisteme complexe, cu disc în impulsuri sau carcasă în impulsuri. Discul în impulsuri, de diverse dimensiuni şi materiale în funcţie de aplicaţie, se montează pe capătul arborelui în rotaţie. Carcasa în impulsuri constă într-o brăţară din două piese asamblate şi este recomandată în situaţiile când capătul arborelui nu este disponibil. Discul şi carcasa conţin 16 magneţi permanenţi de polaritate alternantă, al căror câmp magnetic este monitorizat de un senzor intern cu efect Hall. Când discul sau carcasa se roteşte, alternanţa polilor magnetici prin dreptul senzorului Hall creează o tensiune dreptunghiulară la ieşire, cu 8 impulsuri/rotaţie. Se măsoară frecvenţa acestor impulsuri de ieşire şi se compară cu valoarea fixată pentru semnalizare. Valoarea de semnalizare este fixată cu un comutator de game cu două poziţii şi două comutatoare rotative cu zece poziţii fiecare, pentru zeci şi unităţi. Distanţa radială între senzor şi magneţi poate fi până la 12 mm, astfel încât aceste traductoare se pot folosi şi pentru arbori cu vibraţii mari.

92

Traductor de turaţie cu senzor capacitiv de poziţie Adaptorul electronic pentru acest traductor conţine un convertor sarcină tensiune, un convertor analog - numeric şi microcontroler. Senzorul are un rotor plasat între două plăci stator coaxiale, fig. 6.1. Emiţător

Rotor

Receptor

Fig. 6.1

O placă stator conţine electrozii receptori pentru sarcina indusă de la sectoarele emiţătoare plasate pe cealaltă placă stator. Suprafaţa totală a emiţătorului este împărţită în 4N sectoare circulare, conductoare, identice, unde N este numărul de poli, întreg, pozitiv şi diferit de zero. Numerotând periodic toate sectoarele de la 1 la 4, se obţin exact N seturi de segmente numerotate S1, S2, S3 şi S4. Toate segmentele cu acelaşi număr sunt legate electric între ele. Rotorul este realizat din N sectoare circulare simetrice, cu unghiul la centru al fiecărui sector egal cu π/N. Unghiul de rotaţie ϕr influenţează capacităţile de cuplaj între cele patru sectoare emiţătoare şi electrodul receptor. Cele patru capacităţi formate de electrozii emiţători şi electrodul receptor, notate Cs1, …, Cs4 se măsoară aplicând o tensiune constantă U0 segmentului CSi şi tensiune zero tuturor celorlalte sectoare. Aceasta induce sarcina Q în electrodul receptor, care este cuplat capacitiv la convertorul sarcină-tensiune (amplificatorul de sarcină). Rotorul este legat la masă şi este folosit ca ecran. Viteza de rotaţie se evaluează măsurând variaţia unghiului dϕ într-un timp dt şi calculând raportul: ω = dϕ / dt. Algoritmul de calcul al unghiului ϕ dă poziţia unghiulară absolută, într-o gamă de măsurare de 2π/N radiani, unde 2π/N este unghiul la centru al celor patru sectoare emiţătoare. Informaţia unghiulară este eşantionată cu viteza 1/T. Viteza unghiulară se calculează ca diferenţa a două măsurători consecutive de unghi multiplicată cu viteza de eşantionare:

ω (nT ) = [Φ (nT ) − Φ ((n − 1)T )] / T , unde n este un număr întreg arbitrar. Această ecuaţie este valabilă dacă nu există salt de unghi în semnalul de ieşire, între ϕ(nT) şi ϕ((n-1)T.

93

Când se detectează un salt între două măsurători, formula de calcul a vitezei unghiulare se schimbă în:

⎡ ⎣

ω (nT ) = ⎢Φ(nT ) − Φ((n − 1)T ) ±

2π ⎤ /T N ⎥⎦

unde semnul ± este dictat de semnul saltului unghiular. 6.2 Traductoare de viteză liniară 6.2.1 Determinarea vitezei liniare din turaţie Determinarea vitezei liniare când se cunoaşte turaţia se face asociind viteza liniară cu o mişcare de rotaţie (ca în cazul motoarelor electrice rotative care antrenează o cremalieră sau a unei role care calcă pe materialul ce se deplasează liniar). Principiul este următorul: se măsoară turaţia cu un traductor de turaţie şi, alegând convenabil constanta traductorului, acesta poate indica direct valoarea vitezei. Metoda este aplicabilă doar în cazurile când nu există alunecare. 6.2.2 Determinarea vitezei prin cronometrarea timpului de parcurgere a unei distanţe cunoscute Paralel cu traiectoria mobilului a cărui viteză se măsoară, în două puncte fixe se află două ansambluri optoelectronice formate din sursă optică şi fotodetector, ce lucrează prin reflexie. Distanţa între ansambluri este cunoscută şi se alege astfel încât să rezulte calcule cât mai simple. Impulsul cu durată invers proporţională cu viteza mobilului (reflectorizant) se obţine folosind un circuit bistabil care este setat de impulsul dat de primul ansamblu fotoelectric şi resetat de impulsul dat de al doilea fotodetector. Viteza mobilului se calculează împărţind distanţa cunoscută dintre cele două sonde fotoelectrice la durata impulsului obţinut la ieşirea bistabilului. 6.2.3 Determinarea vitezei prin măsurarea distanţei parcurse într-un interval de timp cunoscut Metoda foloseşte un senzor optoelectronic incremental de deplasare. Impulsurile primite de la un fotodetector sunt numărate într-un timp fix T. O riglă

94

gradată cu repere distanţate uniform cu ∆x, se mişcă solidar cu mobilul şi se găseşte între o sursă de radiaţii optice şi un fotodetector. Impulsul de durată T este obţinut de la un generator monoimpuls. Impulsurile date de fotodetector şi formate cu formatorul de impulsuri sunt numărate de numărător pe durata T, atât timp cât o poartă logică ŞI este deschisă de impulsul de la generatorul monoimpuls. Numărul înscris în numărător este N = f . T, unde f este frecvenţa impulsurilor date de fotodetector. Dacă în timpul T mobilul parcurge distanţa x, atunci: f = x / (∆x -T) şi N = x . T/ (T.∆x). Deoarece T / ∆x = k = const., rezultă: N = kx / T = k.v 6.2.4 Vitezometru cu efect Doppler cu laser multilinie În varianta de bază a unui vitezometru cu laser cu efect Doppler se măsoară deplasarea de frecvenţă Doppler a radiaţiei laser reflectate înapoi de suprafaţa în mişcare. Sistemele convenţionale permit măsurarea vitezelor în gama km/s într-o perioadă de aproximativ 20µs, cu o rezoluţie temporală sub 50 ns. Deplasarea de frecvenţă Doppler ∆f este proporţională cu viteza v a punctului de împrăştiore a suprafeţei solide: ∆f ~ f.v/c , unde f este frecvenţa laserului şi c viteza luminii. Informaţia este obţinută cu analizoare ca interferometrele Michelson sau Fabry-Perot, ce au însă contrast al franjelor şi gama scăzute. Pentru a mări contrastul trebuie mărită intensitatea radiaţiei laser. Analiza deplasării de frecvenţă Doppler necesită folosirea radiaţiei optice monocromatice cu lăţimea spectrală sub gama spectrală liberă a interferometrului, uzual laser cu o frecvenţă. Rezultate mai bune se obţin dacă se foloseşte radiaţie optică multilinie: dacă mai multe radiaţii monocromatice iluminează simultan un interferometru FabryPerot, fiecare radiaţie produce un sistem de franje de interferenţă. Când distanţa dintre liniile radiaţiei optice este egală cu gama spectrală liberă a interferometrului, franjele de interferenţă se suprapun. Cele mai bune rezultate s-au obţinut cu un spectru de canale dat de un interferometru Fabry-Perot, care filtrează un fascicol colimat de la un laser de bandă largă. Interferometrul Fabry-Perot este transparent doar pentru frecvenţele optice în rezonanţă cu frecvenţa fundamentală a cavităţii, distanţa dintre frecvenţe fiind egală cu gama spectrală a interferomctrului. Viteza se calculează cu formula:

95

⎛ D 2 − D02 ⎞ v = v a ⎜⎜ 2 − q ⎟⎟ 2 ⎝ D1 − D0 ⎠ unde D este diametrul inelului dinamic, D0 şi D1 sunt diametrele a două inele statice vecine, q numărul inelului dinamic iar va este viteza care induce o deplasare Doppler, astfel încât inelul dinamic se suprapune cu următorul inel static:

va =

λ ⋅c 4e

, e = distanţa înre oglinzile interferometrului.

6.2.5 Traductor de viteză cu senzor potenţiometric Pentru măsurarea vitezelor scăzute, sub 1 rot/min, metodele numerice uzuale necesită timp de măsurare mare, deoarece trebuie detectat cel puţin un front crescător al semnalului de la senzorul de viteză, în timpul de măsurare. Senzorul de viteză cu potenţiometru rezistiv fără contact poate avea o acurateţe de 0,8 % pentru viteza de 1 rot/min, într-un timp de măsurare de 0,2 s. Schema de principiu a traductorului cu senzor de viteză potenţiometric fără contact este dată în fig. 6.2.

Oscilator Martin modificat

R0 Coff

R2 Is

Rss R1

Cc VR

+

Inversor

Cint +

Vio

Integrator

Comparator Vs/2

Fig. 6.2

96

V0

Schema conţine un potenţiometru fără contact şi un oscilator. Senzorul de viteză scăzută este un potenţiometru rezistiv modificat, cu contactul alunecător fără contact cu stratul rezistiv. Senzorul are două părţi, electrodul mobil şi stratul rezistiv, între care se formează capacitatea de cuplaj Cc. Rezistenţa stratului rezistiv este Rss = R1 + R2. Mişcarea electrodului mobil are ca efect modificarea curentului Is prin capacitatea Cc. Curentul Is dă informaţia despre viteza de măsurat şi poate fi convertit în semnale cu perioada modulată folosind un oscilator cu relaxare. Semnalele modulate în durată sunt decodate cu un microcontroler. Formele de undă ale tensiunii Vi0 de la ieşirea integratorului, pentru cazul când se mişcă electrodul mobil al senzorului, sunt reprezentate în fig. 6.3. Vi0 Ti

Panta = (I0 – Is)/Cint t

tii+1

ti

Tii+1

V Cint

⎛ R1 (t i ) ⎜⎜ Cc + Coff R ss ⎝

⎞ ⎟⎟ ⎠

Fig. 6.3

Există două intervale de timp: timpul de încărcare Ti şi timpul de descărcare TI+1 , egale cu:

⎛ R (t ) V ⎜⎜ C c 1 i + C off Rss Ti = ⎝ I0 − Is

⎞ ⎟⎟ ⎠;

Ti +1

⎛ R (t ) V ⎜⎜ C c 1 i +1 + C off Rss = ⎝ I0 − Is

⎞ ⎟⎟ ⎠

unde V este tensiunea de alimentare şi Is este un curent determinat de variaţia rezistenţei în timp:

97

I s = Cc

dV R V ⋅ C c dR1 (t ) = ⋅ dt Rss dt

Pentru potenţiometrul liniar, viteza instantanee rezultă:

v=

Le dR1 (t ) , unde Le este lungimea efectivă a stratului rezistiv liniar. ⋅ Rss dt

Rezultă: I s =

V ⋅ Cc ⋅v Le

Pentru viteză constantă: R1 (t i +1 ) = R1 (t i ) +

dR1 Ti dt

Viteza v măsurată în timpul Ti + Ti+1 este:

v=

I 0 ⋅ Le Ti +1 − Ti Le T −T ⋅ = ⋅ i +1 i V ⋅ Cc Ti +1 2 R0 C c Ti +1

Metoda de măsurare are câteva dezavantaje, determinate de: - eroarea dată de timpul de întârziere td al circuitului de procesare; - influenţa tensiunilor de decalaj şi a curenţilor de polarizare ai integratorului şi comparatorlui; - zgomotul mare de eşantionare, în special pentru timp scurt de măsurare. Aceste dezavantaje pot fi eliminate dacă se măsoară mai multe perioade ale semnalului de ieşire din oscilator. În aceste condiţii rezultă o viteză medie:

vm =

I 0 ⋅ Le V ⋅ Cc 2N

⎛ Le T ⎞ ⎜1 − 2 N 11 ⎟ = ⎜ T22 ⎟⎠ 2 R0 C c ⎝

unde: T11 = ∑ Ti , T22 = i =1

⎛ T ⎞ ⎜1 − 2 N 11 ⎟ ⎜ T22 ⎟⎠ ⎝

4N

∑ Ti

iar semnul rezultatului indică sensul vitezei.

i = 2 N +1

98

CAPITOLUL 7

TRADUCTOARE DE VIBRAŢII

7.1 Principiile fizice ale traductoarelor de vibraţii Vibraţiile sunt mişcări oscilante care apar în urma aplicării unei forţe oscilante sau variabile asupra unei structuri. Vibraţiile pot fi continui sau intermitente, periodice sau neperiodice. Oscilaţiile depind de natura forţei aplicate şi de structură. Cele mai multe vibraţii pot fi modelate ca sisteme cu un singur grad de libertate şi mulţi senzori de vibraţii folosesc un sistem cu arc elastic şi masă. Arcul este caracterizat de constanta elastică k, iar masa m de greutatea sa, G. Aceste caracteristici determină atât comportarea statică (deformarea statică, d) a structurii, cât şi comportarea dinamică. Dacă g = 9,81 m/s2 este acceleraţia gravitaţională, atunci: F = ma, G = mg, k = F/d ~ G/d, d = F/k = G/V = m-g/k. Comportarea dinamică a unui sistem cu masă şi arc poate fi exprimată de comportarea sistemului în vibraţie liberă şi / sau în vibraţie forţată. a) Comportarea dinamică a unui sistem în vibraţie liberă. Vibraţia liberă apare atunci când arcul este deformat şi apoi eliberat, vibrând liber. Trebuie evidenţiate două caracteristici: - prin amortizarea sistemului, amplitudinea oscilaţiilor scade în timp; - frecvenţa oscilaţiei nu depinde de amplitudinea deflexiei iniţiale (cât timp nu se depăşesc limitele de elasticitate). Frecvenţa oscilaţiilor libere este numită frecvenţă naturală şi are expresia:

f =

1 2π

k m

b) Comportarea dinamică unui sistem în vibraţie forţată. Vibraţiile forţate apar când se adaugă continuu energie sistemului masă şi arc, printr-o forţă oscilantă, cu o frecvenţă de forţare, ff. Dacă energia aplicată depăşeşte amortizarea, mişcarea va continua atât cât continuă excitaţia. Vibraţiile forţate pot fi: - autoexcitate, dacă forţa de excitaţie este generată în sau pe masa excitată;

99

-

cu excitaţie externă, dacă forţa de excitaţie se aplică arcului, de exemplu când baza pe care este stă arcul se mişcă. Când oscilează baza şi forţa este transmisă masei suspendate prin intermediul arcului, mişcarea masei va fi diferită de mişcarea bazei. Mişcarea bazei este denumită mişcare de intrare, I, iar mişcarea masei reprezintă răspunsul, R. Se defineşte transmisibilitatea T, ca raportul acestor mărimi: Tr =

R . I

La frecvenţe de forţare mult sub frecvenţa naturală a sistemului, R ~ I şi Tr ~ 1. Cu cât frecvenţa de forţare este mai apropiată de frecvenţa naturală, transmisibilitatea creşte datorită rezonanţei. Rezonanţa reprezintă stocarea energiei în sistemul mecanic. La frecvenţe de forţare apropiate de frecvenţa naturală, energia se acumulează şi creşte, rezultând o creştere a amplitudinii răspunsului. Creşte de asemenea amortizarea şi energia absorbită de amortizare într-o perioadă egalează energia forţei de excitaţie, atingându-se echilibrul. Vârful transmisibilităţii se obţine pentru ff ≈ fn, condiţia fiind numită rezonanţă. Dacă frecvenţa de forţare creşte peste fn , răspunsul R scade. Atunci când ff = 1,414 fn se obţine R = I şi Tr = 1; la frecvenţe superioare, R < I şi Tr < 1. La frecvenţe pentru care R < I, sistemul se spune că este în izolare, adică o parte a mişcării vibratorii de intrare este izolată de masa suspendată. Din relaţiile de mai sus se observă că frecvenţa naturală este proporţională cu rădăcina părată a constantei elastice k şi invers proporţională cu rădăcina pătrată din greutatea G sau masa m. Astfel, crescând constanta elastică a arcului sau scăzând masa, va creşte frecvenţa naturală. Amortizarea este orice efect care înlătură energia cinetică potenţială din sistemul masă şi arc. Este uzual rezultatul efectelor vâscozităţii fluidelor sau a frecării. Toate materialele şi structurile au un anumit grad de amortizare internă. În plus, mişcarea prin aer, apă sau alte fluide absoarbe energia şi o converteşte în căldură. Frecarea internă intermoleculară sau intercristalină converteşte tensiunea mecanică a materialului în căldură. De asemenea, şi frecarea externă produce amortizare. Amortizarea determină scăderea amplitudinii vibraţiei libere în timp şi limitează transmisibilitatea maximă în vibraţie forţată. Se notează uzual cu litera grecească ζ şi se defineşte ca raportul ζ = C / Cc, unde C este amortizarea structurii sau materialului iar Cc este amortizarea critică. Amortizarea critică este dată de expresia C = 2 k ⋅ m şi se defineşte ca mărimea amortizării care permite ca sistemul masă şi arc deplasat să revină la poziţia de echilibru, fără supracreşteri şi oscilaţii. Un sistem subamortizat va avea supracreşteri şi va oscila când este deplasat şi eliberat.

100

Un sistem supraamortizat nu se va întoarce niciodată la poziţia sa de echilibru, el deplasându-se asimptotic spre echilibru. Deplasarea, viteza şi acceleraţia vibraţiei Deoarece vibraţia este definită ca o mişcare oscilatorie, ea implică o schimbare a poziţiei sau deplasării. Viteza este definită ca viteza de variaţie în timp a deplasării, iar acceleraţia este viteza de variaţie în timp a vitezei. Se foloseşte uneori şi viteza de variaţie în timp a acceleraţiei, denumită şoc. Sistemul masă şi arc cu un singur grad de libertate în vibraţie forţată, menţinut la o amplitudine constantă a deplasării are o mişcare armonică simplă sau sinusoidală. Pentru o deplasare maximă X şi o frecvenţă f, deplasarea instantanee este dată de relaţia:

x = X ⋅ sin 2πft Viteza este derivata în timp a deplasării. Viteza instantanee este:

v = 2πfX ⋅ cos 2πft Deoarece deplasarea vibraţiei este măsurată vârf la vârf, se notează D = 2 X şi relaţia devine:

v = πfD ⋅ cos 2πft , unde V = πfDX reprezintă viteza de vârf, rezultă: Similar, acceleraţia este derivata expresiei vitezei:

a = 4π 2 f 2 X ⋅ (− sin 2πft ) cu A = 2π 2 f 2 D = acceleraţia de vârf. În concluzie, mişcarea de joasă frecvenţă produce acceleraţii de amplitudine scăzută, chiar dacă deplasările sunt mari. Mişcarea cu frecvenţă mare produce deplasări de amplitudine scăzută, chiar dacă acceleraţia este mare. 7.2 Măsurarea deplasării vibraţiei Pentru măsurarea deplasării vibraţiei se folosesc: - tehnici optice de măsurare, - senzori electromagnetici şi capacitivi de deplasare, - senzori de deplasare pe bază de contact şi - senzori bazaţi pe dubla integrare a aceleraţiei.

101

Tehnicile optice de măsurare diferă în funcţie de frecvenţă. La frecvenţe joase şi când deplasarea este mare (> 2,5mm) se folosesc pentru măsurare rigle, şublere, filme de mare viteză, camere video sau stroboscoape. La frecvenţe mari, tehnicile optice sunt mai complicate, de exemplu variaţia intesităţii sau unghiului unui fascicol de radiaţie optică pe o suprafaţă reflectorizantă. Instrumentul cel mai sensibil şi mai precis care poate fi folosit în aceste cazuri este interferometrul Michelson. Principiul de funcţionare este următorul: fascicolul reflectat de piesa in mişcare interferă cu fascicolul reflectat de o oglindă plată fixă, producând fanje de interferenţă. Se pot măsura astfel deplasări de peste 100 mm, prin numărarea franjelor. Interferometrele cu laser se folosesc drept instrumente standard de calibrare până la frecvenţe ale vibraţiilor de 25 kHz. Senzorii electromagnetici de proximitate sunt fără contact şi măsoară distanţa relativă în funcţie de cuplajul electromagnetic sau capacitiv (electrostatic). Deoarece aceşti senzori se bazează pe efecte inductive sau capacitive, este necesar ca obiectul de măsurat (ţinta) să fie conductiv. Calibrarea se face pentru fiecare tip de material dintre ţintă şi sonda senzorului şi pentru fiecare ţintă. Senzorii de proximitate electromagnetici sunt denumiţi şi senzori de curenţi induşi deoarece folosesc ca mecanisme de conversie curenţii generaţi în ţintă prin legea inducţiei electromagnetice. Cu cât distanţa dintre bobina senzor şi ţintă este mai mare, cu atât cuplajul electromagnetic este mai mic, curenţii induşi în ţintă mai mici şi energia generată mai mică. Alţi senzori electromagnetici sesizează distorsionarea unui câmp electromanetic generat de snzor ca o măsură a distanţei dintre senzorul generator şi ţintă. Traductoarele capacitive de proximitate măsoară capacitatea între senzor şi ţintă şi o convertesc în distanţă. Senzorii de deplasare pe bază de contact folosesc contactul direct între două obiecte pentru a măsura distanţa dintre ele. Exemple: transformatorul diferenţial liniar variabil, traductoarele potenţiometrice rezistive. Senzorii bazaţi pe dubla integrare a acceleraţiei se mai numesc accelerometre. Sunt robuste, au raport mare semnal/zgomot, calitate bună. 7.3 Măsurarea vitezei vibraţiei Viteza vibraţiei se măsoară folosind: - senzori electrodinamici de viteză, - vibrometre cu laser, - traductoare de viteză cu integrarea acceleraţiei. Senzorii electrodinamici de viteză conţin un magnet fixat pe un sistem cu arc pentru a forma un sistem inerţial. Magnetul este suspendat într-o carcasă cu una sau mai multe bobine cu spire. Când carcasa vibrează la frecvenţe peste frecvenţa

102

naturală a sistemului masă şi arc, masa magnetului este izolată de vibraţia carcasei. Astfel, magnetul este staţionar şi carcasa cu bobine se mişcă peste el cu viteza structurii de care este ataşată. Tensiunea electrică generată la ieşire este proporţională cu viteza bobinei care se mişcă în câmp magnetic. Senzorii de viteză sunt folosiţi pentru frecvenţe între 10 Hz şi sute Hz, au dimensiuni mari, sunt grei, supuşi la uzură şi pot produce tensiuni electrice false la ieşire. Vibrometrele cu laser sunt instrumente mai noi, denumite şi vitezometre cu laser, având sensibilitate mare şi acurateţe. Folosesc un fascicol laser care este divizat în fascicol obiect şi fascicol de referinţă. Fascicolul obiect reflectat de obiectul în vibraţie are imprimată o deplasare instantanee de frecvenţă Doppler, proporţională cu viteza instantanee a vibraţiei obiectului. Un modulator acusto optic (celulă Bragg) a introduce o deplasare statică de frecvenţă de 40 MHz pe unul din fascicule. Sunt critice alinierea şi distanţa faţă de obiectul care vibrează. Gama de frecvenţă de lucru este de 0 Hz ... 1 MHz, iar gama dinamică poate ajunge la 0 ... 10 m/s. O versiune a vibrometmlui cu laser scanează fascicolul laser pe suprafaţa unui câmp de imagine, măsurând viteza în fiecare punct. Semnalul compus rezultat este afişat ca o hartă a contururilor sau o imagine pseudocolor. Harta vibraţiilor este suprapusă pe o imagine video pentru a obţine cantitatea maximă de informaţii despre variaţiile vitezei pe o suprafaţă mare. Traductoarele de viteză cu integrarea acceleraţiei folosesc circuite de procesare numerică pentru integrarea semnalelor de la accelerometre. Există şi accelerometre care au în aceeaşi capsulă integratoare electronice analogice sau numerice, crescând astfel raportul semnal / zgomot. 7.4 Măsurarea acceleraţiei vibraţiei Traductoarele care măsoară acceleraţia sunt denumite obişnuit accelerometre. Există cinci tipuri de accelerometre de bază şi anume: - piezoelectric, - piezoelectric cu adaptor electronic în aceeaşi capsulă, - piezorezistiv, - cu capacitate variabilă şi - tip balanţă de forţe (servoaccelerometru). Cu toate că au senzori electromecanici diferiţi, toate accelerometrele folosesc variaţia sistemului masă - element elastic, denumit obişnuit senzor seismic (inerţial). Accelerometrele seismice folosesc o masă seismică suspendată de o structură elastică, ambele închise într-o carcasă. Când carcasa este supusă acceleraţiei, masa seismică este şi ea accelerată de forţa transmisă prin structura elastică. Apoi deplasarea elementului elastic, deplasarea masei în interiorul carcasei sau forţa

103

transmisă de arcul elastic este transformată într-un semnal electric, proporţional cu acceleraţia. 7.4.1 Accelerometre piezoelectrice Accelerometrele piezoelectrice nu necesită tensiune de alimentare. Folosesc efectul piezoelectric al elementelor sensibile pentru a genera sarcină electrică la ieşire. Elementele piezoelectrice cu rol de elemente elastice produc sarcină electrică proporţională cu efortul aplicat. Materialele piezoelectrice au o structură moleculară cristalină regulată cu o distribuţie a sarcinilor care variază când sunt supuse la efort (materiale naturale sau artificiale cum sunt cristalele, materialele ceramice, unii polimeri). Materialele piezoelectrice au un dipol (separare netă a sarcinilor pozitive şi negative de-a lungul unei direcţii cristaline particulare) când nu sunt supuse la efort. În aceste materiale pot fi generate câmpuri electrice prin deformarea produsă de efort sau temperatură, determinând respectiv ieşire piezoelectrică sau piroelectrică. Ieşirile piroelectrice sunt semnale perturbatoare mari, au loc în perioade lungi de timp şi variaţii de temperatură (de exemplu, materialele piezoelectrice din polimeri). Sarcinile electrice nu sunt generate ci doar deplasate (ca şi energia şi momentul, sarcinile se conservă). Când se generează un câmp electric de-a lungul direcţiei dipolului, electrozii metalici de pe feţe opuse produc electroni mobili care se mută de la o faţă, prin rezistenţa de sarcină (rezistenţa de intrare a circuitului de condiţionare, tipic, convertor sarcină - tensiune electrică), spre cealaltă faţă a senzorului, pentru a anula câmpul electric generat. Cantitatea de electroni depinde de tensiunea creată şi de capacitatea dintre electrozi. Unitatea de sarcină electrică produsă de accelerometrul piezoelectric este pC. Alegerea materialului piezoelectric reprezintă un compromis între sensibilitatea de sarcină, coeficientul dielectric, coeficienţii termici, temperatura maximă, caracteristicile de frecvenţă şi stabilitate. Raporturile cele mai bune semnal / zgomot se obţin pentru coeficienţii piezoelectrici mari. Cristalele piezoelectrice naturale (turmalina, cuarţul) au sensibilitate de 100 de ori mai mică decăt materialele feroelectrice, care sunt ceramici artificiale. Turmalina este un cristal natural care are depolarizare, de acea se foloseşte la temperaturi foarte mari. Senzorii piezoelectrici nu pot fi folosiţi la măsurarea acceleraţiilor sau forţelor statice. Măsurarea tensiunii generate de senzorii piezoelectrici necesită atenţie la comportarea dinamică a cablului de semnal şi a caracteristicilor de intrare ale preamplificatorului. Deoarece capacitatea cablului de legătură afectează direct amplitudinea semnalului, mişcarea excesivă a cablului în timpul măsurării poate determina variaţii ale capacităţii sale şi trebuie evitată. Trebuie acordată atenţie şi

104

impedanţei de intrare a preamplificatoailui, care trebuie să fie > 1 GΩ pentru a asigura răspunsul la joasă frecvenţă. În practică, pentru senzori piezoelectrici se folosesc convertoare sarcină tensiune cu amplificator operaţional, denumite obişnuit preamplificatoare de sarcină electrică. Acestea conţin un amplificator operaţional integrator, cu impedanţă mare de intrare, fig. 7.1.

Qa

Ca

Cr

Cc A +

Accelerometru piezoelectric

V0

Cablu coaxial Convertor sarcina - tensiune

Fig. 7.1

Tensiunea de ieşire este proporţională cu sarcina generată de accelerometru şi invers proporţională cu capacitatea de reacţie şi nu depinde de capacitatea de ieşire a accelerometrutui sau capacitatea cablurilor, deoarece capacitatea de intrare a convertorului sarcină – tensiune este A ⋅ C r prin efect Miller, unde A este amplificarea în buclă deschisă:

V0 =

− Qa Cr

Se pot astfel folosi cabluri de legătură de diverse lungimi, fără necesitatea recalibrării. Frecvenţa limită superioară este fixată de condensatorul şi rezistenţa de reacţie a convertorului sarcină - tensiune şi nu de caracteristicile accelerometrului. Impedanţa de ieşire a accelerometrului piezoelectric schimbă caracteristicile de zgomot, nu şi frecvenţa. Limitarea importantă introdusă de impedanţa mare de ieşire a accelerometrelor piezoelectrice este utilizarea unor cabluri de legătură speciale, cu impedanţă foarte mare şi zgomot redus (de exemplu, cu izolaţie cu teflon). Tipurile cele mai comune de accelerometre piezoelectrice sunt cele care lucrează prin compresie şi cele cu torsiune. Variantele prin torsiune au izolaţie mai

105

bună la efecte perturbatoare din mediul înconjurător cum sunt variaţiile de temperatură şi de efort ale bazei şi sunt în general mai scumpe. Variantele tip grindă (fixată într-un singur capăt) care lucrează prin compresie sunt mai fragile şi au bandă de frecvenţă limitată. 7.4.2 Accelerometre piezoelectrice cu preamplificator electronic Aceste accelerometre conţin un preamplificator electronic hibrid miniatură şi, datorită semnalului mare de ieşire de pe impedanţa mică de ieşire, nu mai au nevoie de cabluri speciale de legătură de zgomot mic. Cele mai multe necesită surse de curent constant de alimentare. Curentul de alimentare şi semnalul de ieşire sunt produse pe aceleaşi două fire. Impedanţa mică de ieşire oferă imunitate faţă de rezistenţa de izolaţie mică a cablului, zgomotului electric şi a semnalelor perturbatoare. Sensibilitatea accelerometrelor cu preamplificator încorporat este mai mare decât la accelerometrele piezoelectrice fără preamplificator. În partea electronică se pot introduce şi funcţii suplimentare, de exemplu, filtre, circuite de protecţie şi autoidentificare, iar circuitele de condiţionare exterioare sunt minime. Sensibilitatea accelerometrelor piezoelectrice cu preamplificator electronic încorporat nu este afectată semnificativ de variaţiile sursei de alimentare. Gama dinamică a tensiunii de ieşire este însă afectată de tensiunea de alimentare. La variaţii mari ale curentului de alimentare apar probleme la răspunsul în frecvenţă, când se comandă sarcini cu capacitate electrică mare. Un dezavantaj al circuitelor electronice încorporate este limitarea gamei de temperaturi de lucru şi a fiabilităţii. Preamplificatorul electronic intern nu este necesar să fie convertor sarcină tensiune deoarece capacitatea electrică dintre firele de legătură între senzor şi preamplificator este mică şi bine controlată. Cuarţul este folosit ca generator de tensiune electrică. Preamplificatoarele de tensiune ajută şi ceramicile feroelectrice care au răspunsul în frecvenţă mai scăzut la folosirea convertoarelor sarcină tensiune; datorită coeficientului dielectric dependent de frecvenţă. În cazul preamplificatoarelor de tensiune răspunsul în frecvenţă este destul de plat. 7.4.3 Accelerometre piezorezistive Un accelerometru piezorezistiv conţine o punte Wheatstone de rezistoare, pe unul sau mai multe braţe, ce îşi schimbă valoarea rezistenţei electrice sub acţiunea efortului. Deoarece senzorii sunt alimentaţi cu tensiune electrică exterioară, ieşirea poate fi cuplată în curent continuu pentru a răspunde şi la condiţii statice.

106

Sensibilitatea unei punţi Wheatstone variază direct proporţional cu tensiunea de alimentare (de excitaţie), care trebuie să fie stabilă şi nezgomotoasă. Ieşirea punţii este flotantă, fiind nevoie de un amplificator diferenţial sau ambele legături de la tensiunea de excitaţie trebuie să fie flotante pentru ca ieşirea din punte să fie faţă de masă. Configuraţia cu ieşire diferenţială are avantajul rejecţiei de mod comun. Cele mai multe punţi cu senzori piezorezistivi folosesc două sau patru elemente active. Tensiunea la ieşire a unei punţi cu două braţe active (semipunte) este jumătate din cea a unei punţi cu patru braţe active (punte completă). Cerinţele de stabilitate a tensiunii de excitaţie a punţii cu piezorezistoare şi a elementelor de condiţionare sunt mai severe decât la preamplificatoarele încorporate cu accelerometrele piezoelectrice. Traductoarele cu senzori piezorezistivi au impedanţă mică şi imunitate la zgomote. Sensibilitatea provine din răspunsul elastic al structurii şi rezistivitatea materialului. Senzorii piezorezistivi sunt fabricaţi dintr-o singură piesă din Si, cu avantajul realizării întregului senzor într-un singur bloc de material omogen, adică stabilitate mai bună, coeficienţi termici buni şi fiabilitate mare. Sunt folosiţi la eforturi mari, chiar dacă Si este un material fragil. Datorită răspunsului în curent continuu, sunt folosiţi la măsurători de lungă durată. Accelerometrele piezorezistive de mare sensibilitate sunt proiectate cu amortizare pentru a extinde gama de frecvenţă şi posibilităţile de depăşire a gamei dinamice. 7.4.4 Accelerometre cu variaţia capacităţii electrice Sunt realizate sub formă de condensatoare plane cu plăci paralele şi dielectric aer, în care mişcarea este perpendiculară pe plăci. La unele variante există o placă centrală fixată de o muchie, astfel că mişcarea devine rotaţie. Alte plăci sunt fixate elastic de jur împrejur. Într-un accelerometru cu variaţia capacităţii, excitaţia este dată de un oscilator cu frecvenţă mare. Variaţiile de capacitate ale senzorilor datorită acceleraţiei sunt sesizate de o pereche de convertoare curent - tensiune. Senzorii cu variaţia capacităţii sunt realizaţi prin microprelucrare pe mai multe substraturi suprapuse de Si, cu un interstiţiu de aer de câţiva µm, pentru a permite amortizarea. Deoarece vâscozitatea aerului variază cu câteva procente pe o gamă largă de temperaturi de lucru, se obţine un răspuns în frecvenţă mai stabil decât la accelerometrele piezorezistive amortizate cu ulei. Pentru creşterea robusteţii se plasează opritoare în interstiţii, pe direcţia sensibilă, iar rezistenţa la acceleraţii mai mari decât cele maxime pe direcţii transversale este dată de suspensie.

107

Senzorul unui accelerometru cu variaţia capacităţii, obţinut prin microprelucrare, are trei elemente de Si îmbinate într-un ansamblu închis ermetic. Două elemente sunt electrozii unui condensator cu plăci paralele cu dielectric aer. Elementul din mijloc este gravat chimic pentru a forma o masă centrală rigidă, suspendată pe legături subţiri, flexibile. Caracteristicile de amortizare sunt controlate de debitul de gaz prin orificiile din masa centrală. Accelerometrele cu variaţia capacităţii au cele mai bune caracteristici de funcţionare. Dezavantajele sunt costul, gabaritul mare, complexitatea circuitelor de condiţionare. Pentru detecţia capacităţii se folosesc circuite de înaltă frecvenţă, frecvenţele purtătoare fiind de peste 1000 ori mai mari decât frecvenţele maxime ale semnalelor de ieşire. 7.4.5 Accelerometre cu balanţă de forţe Sunt denumite tipic servoaccelerometre şi sunt folosite în sistemele de ghidare inerţiale, în aplicaţii de măsurare de vibraţii. Toate accelerometrele descrise anterior sunt dispozitive în buclă deschisă, în care ieşirea datorată deflexiei elementului sensibil se citeşte direct. În accelerometrele cu servo control, sau în buclă închisă, semnalul de deflexie se foloseşte ca reacţie într-un circuit care comandă fizic sau reechilibrează masa înapoi, în poziţia de echilibru. Deplasările sunt menţinute foarte mici prin reechilibrarea electrică a masei, crescând liniaritatea şi acurateţea. Servoaccelerometrele sunt realizate în două variante: - liniare (de exemplu difuzor) şi - tip pendul Varianta tip pendul este cel mai mult folosită. Forţa de reechilibrare este electrică şi există doar când există tensiune de alimentare. Elementele elastice au coeficient elastic mare, iar în zona părţii electronice sunt prevăzute amortizoare. Stabilitatea polarizării este controlată de circuitele electronice de reacţie, deriva de zero fiind mică. Se folosesc în măsurători de vibraţii, la frecvenţe de 0 ... 1000 Hz.

108

CAPITOLUL 8

TRADUCTOARE DE DISTANŢE ŞI POZIŢII

8.1 Traductoare pentru deplasări liniare mici Aceste traductoare sunt destinate, în special conversiei intermediare a unor mărimi a căror variaţie se materializează, prin sisteme mecanice, în deplasări liniare mici. Domeniul acoperit este aproximativ până la 10 cm. Cele mai răspândite traductoare de acest tip sunt cele parametrice: inductive, capacitive şi rezistive. 8.1.1 Traductoare inductive pentru deplasări liniare mici a) Senzori inductivi cu miez mobil În varianta de bază, senzorul este format dintr-o bobină în interiorul căreia se deplasează un miez feromagnetic sub acţiunea mărimii de măsurat. Această deplasare provoacă o variaţie neliniară în formă de clopot a inductanţei proprii a bobinei, datorită câmpului magnetic neomogen creat în bobină. În plus, apar forţe de atracţie care influenţează deplasarea miezului, forţe care pot fi eliminate în varianta diferenţială. În acest caz, se utilizează două bobine în interiorul cărora se deplasează miezul mobil; în poziţia 0, de referinţă, miezul este introdus în mod egal în cele două bobine. Varianta diferenţială creşte sensibilitatea, iar caracteristica statică este mult mai liniară. Principiul de funcţionare se bazează pe modificarea reluctanţelor circuitelor de închidere a fluxurilor, deci şi modificarea inductanţelor. Punerea în evidenţă a variaţiei de impedanţă se face prin conectarea bobinelor în braţele adiacente ale unei punţi de impedanţe, alimentată cu tensiune alternativă cu frecvenţa de sute Hz ... 5 kHz. Transformatorul liniar diferenţial variabil (TLDV) Este format dintr-o bobină primară şi două bobine secundare plasate simetric într-o capsulă cilindrică. Bobinele secundare sunt legate în serie, în sensuri contrare şi deci tensiunile induse sunt în opoziţie de fază. Astfel, la ieşire se obţine diferenţa tensiunilor induse în cele două bobine secundare. Diferenţa este nulă când miezul se află în centru. Caracteristica de transfer reprezintă o dreaptă în cadranele

109

I şi III ce trece prin zero. Tensiunea de alimentare a bobinei primare are valoarea efectivă 1...10 V, iar frecvenţa este 40 Hz … 20 kHz. Un avantaj al transformatorului liniar diferenţial variabil faţă de senzorul inductiv diferenţial în punte este tensiunea de ieşire mai mare (50 ... 300 mV/mm). Performanţele senzorilor cu miez mobil sunt următoarele: - la deplasarea miezului nu se produc frecări, rezultând fiabilitate ridicată, moment de inerţie redus şi robusteţe; - rezoluţie şi reproductibilitate bune; - insensibilitate la deplasări radiale ale miezului; - protecţia bobinei la medii corozive, presiune şi temperaturi înalte; - separare galvanică; - optimizarea factorului de calitate. b) Senzori inductivi cu întrefier variabil Aceşti senzori îşi modifică grosimea întrefierului prin deplasarea unei armături mobile în dreptul unui miez feromagnetic. Miezul este alcătuit din tole sau ferită pe care se află o bobină alimentată la tensiune alternativă. Prin variaţia fluxului, datorită variaţiei reluctanţei magnetice, variază şi inductanţa, cu atât mai neliniar cu cât domeniul de variaţie al întrefierului este mai mare. O îmbunătăţire a liniarităţii şi sensibilităţii se obţine la montajul diferenţial. Condiţiile de liniaritate şi sensibilitate nu pot fi îndeplinite simultan, compromisul optim fiind dat de relaţia:

∆δ

δ max

= 0,3 ... 0,4 pentru

∆L = 0,1... 0,3 . L

În relaţia de mai sus, s-a notat cu δ întrefierul, iar cu L inductanţa. Senzorii cu modificarea întrefierului se construiesc şi tip transformator, simplu sau diferenţial. Transformatorul diferenţial cu modificarea întrefierului poate fi cuplat cu etaje tip amplificator redresor dar cel mai des este folosit montajul tip oscilator cuplat magnetic, realizat dintr-un amplificator şi un cuadripol de reacţie de tip circuit oscilant acordat. Traductoarele de acest fel au gabarit redus, rezoluţie foarte bună şi robusteţe. Sursa principală de erori este îmbătrânirea circuitului magnetic. Domeniul mic pentru deplasări (câteva zeci de µm) le recomandă ca elemente de conversie intermediară în traductoarele pentru mărimi mecanice, bazate pe principiul balanţei de forţe.

110

c) Traductoare bazate pe curenţi turbionari Sunt formate dintr-o bobină senzor şi un adaptor electronic. Procesarea semnalelor se face cu circuite specializate. Când bobina senzorului este alimentată în curent alternativ, ea generează un câmp magnetic variabil, ce induce curenţi turbionari în orice obiect metalic apropiat. Aceşti curenţi circulă în sens invers câmpului magnetic produs de bobină, reducând fluxul magnetic şi deci inductanţa. Curenţii turbionari disipă energie, crescând rezistenţa bobinei. Un senzor cu curenţi turbionari poate fi modelat ca un transformator al cărui coeficient de cuplaj depinde de distanţa dintre obiectul până la care se face măsurarea (ţintă) şi bobină. Modelul poate fi simplificat sub forma unei inductanţe în serie cu o rezistenţă ce depind de distanţa x, dintre ţintă şi bobină. La micşorarea distanţei dintre senzor şi ţintă, inductanţa scade şi rezistenţa creşte. În figura 8.1 este reprezentată variaţia rezistenţei R, a inductanţei L şi a factorului de calitate Q, la o frecvenţă de 1MHz.

35

Q

30

L [µH]

25 20 15 10

R [Ω]

x / raza bobinei

5 0 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Fig. 8.1

Materialele folosite pentru ţintă sunt aluminiul sau oţelul inoxidabil. Ţinta din oţel inoxidabil are conductivitatea de 28 ori mai mică decât a aluminiului, rezultând pierderi mai mari în curenţi induşi şi rezistenţe mai mari, în special la distanţe mici. Conductivitatea ţintei afectează foarte puţin inductanţa. Din punctul de vedere al răspunsului în frecvenţă, pentru senzorul anterior se observă o rezonanţă la aproximativ 7 MHz, cauzată de cablul de legătură şi de capacitatea parazită a înfăşurării. Frecvenţa la care inductanţa are un maxim este denumită frecvenţă de autorezonanţă, iar senzorul trebuie folosit până la o frecvenţă de trei ori mai mică decât aceasta. Frecvenţa de lucru se alege cât mai mare pentru a creşte factorul de

111

calitate Q, valorile de frecvenţă practice pentru bobine fără miez fiind 100 kHz … 10 MHz. Variaţia temperaturii este principala sursă de eroare pentru senzorii cu inducţie magnetică. Inductanţa şi rezistenţa senzorului au coeficienţi de temperatură pozitivi, care depind de frecvenţă. Răspunsul unui senzor cu inducţie magnetică depinde de conductivitatea şi permeabilitatea magnetică a ţintei. Cele mai bune materiale pentru ţintă sunt metalele nemagnetice de mare conductivitate, ca aluminiul şi cuprul şi metalele magnetice. Şi alte caracteristici ale ţintei afectează comportarea senzorului: dimensiunile ţintei sunt mai mici decât dublul diametrului bobinei senzor, ţinta are suprafaţa curbată sau rugozitatea suprafeţei ţintei este comparabilă cu adâncimea de pătrundere. Bobina senzor se realizează prin bobinare şi impregnare sau pe cablaj imprimat, variantă mai ieftină şi cu dimensiuni mai mici. Cablul de legătură al bobinei senzor poate fi coaxial, plat, cu două fire răsucite sau legături pe cablaj imprimat. Cablul afectează performanţele, deoarece toate cablurile au inductanţă, capacitate şi rezistenţă electrică. Inductanţa cablului se adaugă la cea a senzorului. Deoarece inductanţa cablului nu este sensibilă la deplasare, ea reduce sensibilitatea senzorului. Capacitatea cablului este o parte a circuitului rezonant, astfel că orice instabilitate a capacităţii cablului degradează acurateţea măsurătorii. Variaţia cablului cu temperatura şi mişcarea cablului produc erori, de aceea se folosesc cabluri ecranate. Rezistenţa cablului trebuie să fie mică, pentru a nu reduce factorul de calitate Q. Circuitul de bază pentru senzorii cu curenţi turbionari este redat în fig. 8.2. V

R(x) C L(x)

Fig. 8.2

Adăugând un condensator în paralel, se obţine un senzor rezonant care măreşte sensibilitatea raportului impedanţă / deplasare. Rezonanţa determină variaţii rapide ale impedanţei circuitului, fig. 8.3. Mărimea vârfului frecvenţei de rezonanţă depinde Q, deci de deplasarea ţintei.

112

R [Ω] 104 x = 4 mm

x = 19 mm

x = 1mm

102

Frecventa [Hz] 1

106

105

107

Fig. 8.3

Un mod simplu de a converti deplasarea în tensiune este să se comande un circuit rezonant cu o sursă de curent la o frecvenţă fixă şi să se demoduleze, fie amplitudinea, fie faza tensiunii de la ieşirea senzorului. Detecţia amplitudinii şi a fazei este complexă, necesitând un oscilator independent, un detector de fază, un filtru trece jos şi circuite analogice de postcondiţionare. Un senzor de poziţie ieftin, cu circuit autooscilant este prezntat în figura 8.4.

x

10 nF Rs

10 M

+2V V0

L(x)

10 nF Cp

Ţinta

R(x)

Fig. 8.4

Schema este un oscilator comandat realizat cu porţi logice CMOS de tensiune scăzută, 2 V. Cele două inversoare au câştig mare de tensiune, pozitiv, astfel că schema oscilează la o frecvenţă la care deplasarea de fază a senzorului cu reţea rezonantă este zero.

113

Ieşirea este sub formă de impulsuri dreptunghiulare cu frecvenţa dependentă de deplasare. Frecvenţa se măsoară cu un microcontroler, prin legarea ieşirii direct la portul numărător / temporizator. Microcontrolerul liniarizează, deplasează şi scalează numeric ieşirea, folosind constante memorate în timpul calibrării. 8.1.2 Traductoare capacitive pentru deplasări liniare mici a) Senzori capacitivi cu modificarea distanţei dintre armături Sunt alcătuiţi dintr-un condensator plan cu două armături, una fixă şi cealaltă mobilă sub acţiunea deplasării. Variaţia capacităţii în funcţie de deplasare este neliniară. Liniaritatea creşte dacă se foloseşte un montaj diferenţial cu două condensatoare plane, având o armătură comună, mobilă. Schema unui traductor cu senzor capacitiv diferenţial foloseşte o punte Sauty, alimentată de un oscilator sinusoidal de referinţă, cu frecvenţa de 500 Hz … 5 kHz. b) Senzori capacitivi cu modificarea dielectricului Sunt construiţi din doi electrozi cilindrici ficşi, între care se deplasează un manşon izolator, cu o constantă dielectrică diferită de a aerului. Sunt folosiţi la măsurarea nivelului lichidelor sau pulberilor dielectrice. Senzorii capacitivi cu modificarea dielectricului de tip condensator plan au o caracteristică neliniară şi se utilizează la determinrea grosimii unor folii din material izolant, hârtie sau carton. Adaptorul electronic necesită etaj de amplificare cu impedanţă de intrare mare, deoarece la modificări mici de capacitate, 20 .. .200 pF, rezultă impedanţe de ieşire de sute kΩ … MΩ. 8.1.3 Traductoare rezistive pentru deplasări liniare mici Se bazează pe dependenţa liniară între rezistenţa electrică a unui conductor şi lungimea acestuia. Deşi traductoarele cu senzori rezistivi sunt simple, utilizarea lor este redusă datorită erorilor şi rezoluţiei scăzute. Senzorii rezistivi cu variaţie cvasicontinuă sunt realizaţi prin bobinarea cu pas uniform a unui fir conductor pe un suport izolator. Deoarece principalele surse de erori sunt variaţia temperaturii mediului şi erorile de contact, se impun următoarele condiţii: - firul conductor se realizează dintr-un material cu coeficient de variaţie a rezistivităţii cu temperatura foarte mic (manganină, constantan, nicrom); - pentru cursor, se folosesc lamele sau perii din argint cu grafit; - pentru suport, se folosesc materiale ceramice cu izolaţie şi stabile cu temperatura.

114

Schemele de conversie sunt de două feluri: - montaj reostatic, cu ieşire în curent şi variaţie neliniară; - montaj potenţiometric, cu ieşire în tensiune şi caracteristică statică liniară doar pentru rezistenţă de sarcină infinită; neliniaritatea este cu atât mai mare cu cât rezistenţa de sarcină este mai mică. O altă eroare de neliniaritate apare datorită pasului de bobinaj, după cum cursorul calcă pe una sau pe mai multe spire. De aici rezultă că nici rezoluţia nu este constantă, ea ajungând la valori de 10-3 … 10-4 din mărimea măsurată. Senzorii rezistivi se protejează împotriva impurităţilor prin încapsulare şi sunt folosiţi la măsurători de precizie scăzută, pentru deplasări de 10 ... 30 cm. 8.1.4 Traductoare optoelectronice numerice de poziţie Senzorul optoelectronic numeric de poziţie este o structură de fotodiode cu mulţi electrozi individuali, sub formă de benzi aranjate în suprafeţe suprapuse perpendiculare, ca în fig. 8.5. 1 2 3 …..…… n 1 2 .

Selectie program

m

Control intensitate

EPROM RAM Microcontroler

Multiplexor CAN Semnal

I/U

Intensitate laser

I /O

Fig. 8.5

Spotul de lumină se alege destul de mare pentru a acoperi mai multe benzi. Poziţia se determină numeric, prin scanarea tuturor fotodiodelor, digitizarea fotocurentului de la fiecare fotodiodă şi calculul celei mai bune estimări a centrului spotului. Poziţia spotului corespunde cu poziţia electrozilor X şi Y cu iluminare maximă. Comanda multiplexoarelor de ieşire, digitizarea şi calculul poziţiei spotului sunt realizate pe o placă separată a microcontrolerului.

115

Se pot realiza astfel, senzori de poziţie cu suprafaţă mare şi performanţe excelente de măsurare. Traductorul este imun la lumina ambiantă, deoarece algoritmul de găsire a centrului spotului luminos nu este afectat de un nivel rezonabil de lumină ambiantă uniformă. Traductorul poate oferi informaţii despre profilul spotului luminos şi lumina ambiantă. Eroarea de detectare a poziţiei este de ± 5 µm. În modul standard, traductorul măsoară intensitatea luminoasă la toţi electrozii benzii şi calculează centrul spotului la fiecare scanare, în aproximativ 10 ms. Pentru viteză mai mare, maxim 1 kHz, traductorul funcţionează în modul cu urmărire, măsurând doar benzile din vecinătatea poziţiei anterioare a spotului. 8.2 Traductoare pentru deplasări unghiulare Măsurarea deplasărilor unghiulare are două aspecte: - măsurarea unghiului, în domeniul 0 ... 360° şi - măsurarea indirectă de deplasare liniară, situaţie în care un domeniu liniar dat corespunde mai multor rotaţii complete. Traductoarele pentru măsurarea deplasărilor unghiulare sunt de mai multe tipuri, în funcţie de parametrul folosit: rezistive, capacitive, inductive sau numerice rotative. 8.2.1 Traductoare rezistive pentru deplasări unghiulare Aceste traductoare includ senzori care funcţionează liniar, de obicei în montaj potenţiometric, motiv pentru care se mai numesc servopotenţiometre. Sunt de două tipuri: - servopotenţiometre unitură, cu o singură rotaţie, începând cu o poziţie de zero până la un unghi maxim de 355 ...358°, delimitat de zonele în care se dispun contactele: dacă se doreşte unghi mai mic, se folosesc opritori; - servopotenţometre multitură, pentru game de peste 360°, deoarece au rezistenţa aplicată pe suport elicoidal. Variantele tipice au trei sau zece ture. Se pot utiliza şi pentru măsurări de deplasări liniare, în domenii de 5 ... 10 m, folosind un sistem mecanic adecvat. 8.2.2 Traductoare capacitive pentru deplasări unghiulare Singura variantă a unui astfel de traductor este cu modificarea suprafeţei. Traductorul este realizat în două variante:

116

-

pe principiul condensatorului variabil de acord din radioreceptoare (un condensator cu mai multe armături fixe, între care se deplasează armături mobile), - în varianta diferenţială. Ca schemă de măsurare se foloseşte puntea Sauty cu redresor sensibil la fază. Prima variantă poate fi utilizată şi în scheme de tip rezonant, împreună cu o inductanţă care constituie secundarul unui transformator. Este folosit ca indicator de nul pentru deplasări unghiulare, nulul corespunzând tensiunii de ieşire maxime. 8.2.3 Traductoare inductive pentru deplasări unghiulare a) Senzori inductivi cu miez feromagnetic mobil Cel mai folosit este transformatorul rotativ diferenţial variabil, TRDV, care constă dintr-o bobină primară şi două bobine secundare înseriate, dispuse pe miez feromagnetic. Inductanţa de cuplaj se modifică datorită deplasării unui rotor feromagnetic. Caracteristica Us(α) are formă sinusoidală în domeniul -180°… +180°. Datorită neliniarităţii tensiunii de ieşire, TRDV se utilizează într-un domeniu restrâns, - 40° … +40°. Schemele de măsurare sunt de tipul celor de la TLDV, cu demodulator sincron şi ieşire în curent alternativ sau curent continuu. În plus, necesită protecţie împotriva câmpurilor electromagnetice externe. b) Senzori inductivi cu modificarea inductanţei Sunt alcătuiţi din două bobine înseriate, dispuse la 90° şi un rotor mobil. Schema de măsurare este tip punte. În afară de varianta standard, se mai folosesc şi alte două variante: Transformatorul rotativ tip microsyn are patru poli statorici, fiecare cu două bobine, una făcând parte din cele patru bobine primare legate în serie, cealaltă din cele patru bobine secundare, legate tot în serie, dar conectate astfel încât tensiunea indusă în prima şi a treia să fie de semn opus celei induse în a doua şi a patra. Rotorul nu are înfăşurări şi este feromagnetic. Tensiunea de ieşire are variaţie asemănătoare cu a senzorului inductiv cu miez feromagnetic mobil. Generatorul de semnal cu spiră în scurtcircuit are patru poli, pe fiecare câte o înfăşurare; înfăşurările de pe polii opuşi sunt primar, respectiv secundar, prin înseriere. Rotorul este format dintr-o singură spiră în scurtcircuit (bobină scurtă), a cărei deplasare modifică fluxurile magnetice create de primar şi astfel se induce în bobinele secundare o tensiune cu caracteristică sinusoidală.

117

c) Potenţiometrul inductiv Este de tip autotransformator şi conţine o înfăşurare primară bobinată pe rotor, solidar cu sistemul a cărui deplasare unghiulară dorim să o măsurăm şi un stator cu o singură bobină sau două bobine înseriate. Tensiunea în secundar variază liniar într-un domeniu de ± 40°. d) Senzor inductiv cu modulator magnetic Modulatoarele magnetice rotative cu magnet permanent mobil, permit transformarea unei deplasări unghiulare (semnal modulator) în tensiune alternativă modulată în amplitudine. Variaţia mărimii primare neelectrice este convertită în deplasare unghiulară. Modulatorul magnetic este realizat dintr-un stator toroidal cu tole inelare de permalloy, pe care se află dispuse două înfăşurări identice. În interiorul statorului, coaxial cu acesta, se află un magnet permanent în formă de disc, fixat pe axul prin care se transmite deplasarea unghiulară. Cele două înfăşurări statorice sunt parcurse de trei curenţi: - un curent de excitaţie alternativ, cu frecvenţa şi amplitudinea constante, determinat de tensiunea de excitaţie generată de un oscilator; - un curent continuu de reacţie, proporţional cu valoarea semnalului unificat de la adaptor; - un curent continuu de premagnetizare, reglabil, prin care se poate schimba punctul de funcţionare al miezului magnetic, permiţând reglajul fin al punctului de zero. Miezul magnetic statoric este supus acţiunii simultane a patru fluxuri magnetice: trei fluxuri datorate celor trei curenţi specificaţi şi fluxul magnetic al magnetului permanent. Rezultanta acestor fluxuri determină miezul magnetic să lucreze în zona de saturaţie. Schema de măsurare este tip punte. 8.2.4 Traductoare optoelectronice numerice rotative Traductoarele numerice sunt denumite uzual codoare şi sunt de două tipuri: incrementale şi absolute. Traductoarele numerice rotative absolute păstrează acest caracter doar pentu deplasări unghiulare mai mici sau egale cu 360°. Pentru deplasări unghiulare > 360°, măsuraea are un caracter ciclic absolut, în sensul că măsurătoarea este absolută în cadrul unui ciclu de 360° iar pentru restul deplasării este necesară memorarea numărului de cicluri parcurse. Atât traductoarele numerice incrementale cât şi cele numerice absolute, oricât de precis ar fi executate, măsoară discret deplasarea, nepunând în evidenţă mişcări sub valoarea ±∆L. Prin ∆L s-a notat incrementul de deplasare şi reprezintă un impuls de la ieşire.

118

În figurile 8.6 şi 8.7 sunt reprezentate două traductoare rotative. Disc gradat

Riglă gradată

Bloc de citire optoelectronic

Fig. 8.6

Bloc de citire optoelectronic

Riglă codificată

Disc codificat

Fig. 8.7

Traductoarele optoelectronice folosesc tehnici de scanare optice. Radiaţia optică emisă de o diodă LED trece printr-un disc rotitor şi o mască fixă. La ieşire se obţine semnal în funcţie de forma de pe disc. Codoarele incrementale au un set de linii pentru numărare şi un altul opţional pentru comutaţie. Numărul de perechi de zone transparente şi opace cu spaţieri identice de pe marginea discului corespund rezoluţiei codorului. Discurile codate ale codoarelor absolute au piste concentrice, cu forme precis spaţiate de segmente transparente şi opace, care formează un cod numeric. Fiecare pistă reprezintă un bit al rezoluţiei. Codoarele incrementale sunt dispozitive cu reacţie, pentru poziţii relative, în care semnalul de reacţie este referit la o poziţie de start sau de referinţă. La ieşire

119

se obţine un impuls numeric pentru fiecare poziţie estimată, impuls care este numărat şi referit la poziţia de referinţă. Impulsuri sunt transmise apoi la un numărător de mare viteză, situat într-o interfaţă de comandă sau control. Codoarele incrementale sunt susceptibile la zgomote şi la întreruperi ale tensiunii de alimentare, de aceea trebuie reiniţializate. Impulsurile generate de zgomote electrice sunt cumulative şi pot fi eliminate doar prin soft. Sistemele de comandă care folosesc codoare incrementale cu motoare sincrone necesită semnale adiţionale de comutaţie ce trebuie aliniate fizic cu înfăşurările motorului, cerinţă dificilă, scumpă şi care consumă timp. Codoarele absolute dau la ieşire un cuvânt unic de cod pentru fiecare unghi al arborelui, fără poziţie de referinţă. Deoarece nu există două cuvinte de cod identice, poziţionarea este precis determinată la pornire, chiar dacă sistemul este mişcat în timpul întreruperii tensiunii de alimentare. Erorile nu sunt cumulative. Când un zgomot intermitent modifică o valoare a poziţiei, este afectată doar acea poziţie. Valoarea poziţiei următoare nu este influenţată de zgomotul anterior şi orice eroare anterioară va fi corectată la citirea următoare. În plus, sistemele de comandă pot folosi valoarea absolută pentru a crea informaţia de comutaţie necesară motorului. 8.3 Traductoare pentru deplasări şi distanţe liniare mari 8.3.1 Traductorul liniar pentru deplasări şi distanţe liniare mari Traductorul liniar, ca şi cel circular, este format dintr-o riglă a cărei lungime acoperă domeniul de măsurare şi un cursor care se deplasează deasupra riglei. Pe riglă şi pe cursor se află înfăşurări din folie de cupru imprimate. Rigla are o înfăşurare iar cursorul două, toate realizate cu acelaşi pas p = 2.τ p (fig. 8.8). Traductorul se foloseşte ca traductor absolut în domeniul unui semipas (semiperioadă), tipic de 2 mm şi ca traductor ciclic absolut, contorizând numărul de semipaşi (numărul de treceri prin zero ale tensiunii proporţionale cu defazajul) şi apoi măsurând numeric sau analogic faza în cadrul unui pas. Există două variante şi anume: - cu alimentare pe riglă, cu prelucrarea a două semnale culese din înfăşurările cursorului; - cu alimentare pe cursor, cu două tensiuni şi prelucrând un singur semnal la ieşire. Această ultimă soluţie este cea mai răspândită. Traductorul liniar are o rezoluţie bună (tipic 1 µm). Lungimile mai mari de 1 m se măsoară prin înseriere de riglete. Trebuie acordată atenţie evitării excentricităţilor la înseriere şi păstrării constante a interstiţiilor dintre rigiă şi cursor, a paralelismului faţă de ghidaj şi a planeităţii.

120

L Ur p

Ec1 x

Ec2

d

Fig. 8.8

Erorile de măsurare mai mari sunt cele de temperatură, datorate dilatării inegale a riglei şi a suportului. Erorile datorate câmpurilor perturbatoare externe se elimină prin ecranarea părţii active a cursorului cu o folie de metal conectată la masă. Pentru domenii mari se folosesc traductoare liniare cu pas mare (rigle de 2 m sau 4 m), dar în acest caz scade rezoluţia. 8.3.2 Traductoare optoelectronice numerice liniare Un traductor optoelectronic liniar are două părţi: o unitate de scanare şi o riglă. Unitatea de scanare conţine o sursă de radiaţie optică, o lentilă condensoare, un reticul cu ferestre cu reţele de linii şi fotodetectoare. Se folosesc reţele de linii pe sticlă sau rigle metalice, pe baza maşinii, în timp ce unitatea de scanare este conectată la sania deplasabilă a maşinii. La mişcarea unităţii de scanare, un fascicol paralel de radiaţie optică trece prin lentila condensoare, apoi prin ferestrele reticulului de scanare până la rigla cu reţea de linii reflectorizante. Radiaţia optică reflectată trece înapoi prin ferestrele de scanare până la fotodetectoare, care convertesc fluctuaţiile intensităţii radiaţiei optice în semnale electrice sinusoidale, cu o deplasare de fază de 90°. Ieşirile sunt

121

trimise la un controler numeric pentru interpolare şi decodare, care numără înainte / înapoi şi indică poziţia saniei mobile. Traductoarele optoelectronice liniare au o scară gradată autoadezivă din oţel şi o parte optoelectronică pentru a obţine informaţia despre poziţie. Capetele de citire au înălţimea de 10,7 mm şi greutatea de doar 22 g, putând suporta viteze de până la 5 m/s. Dimensiunile mici, viteza mare şi robusteţea permit acestui sistem să fie uşor integrat în aplicaţii cu motoare liniare, dispozitive de acţionare, etaje x-y de mare viteză, etc. 8.3.3 Traductoare electronice de distanţă 8.3.3.1 Traductoare de distanţă care folosesc metoda impulsului Se bazează pe măsurarea timpului parcurs de un impuls de radiaţie optică sau de unde radio de la sursă până la obiectul faţă de care se măsoară distanţa (ţinta) şi înapoi, prin reflexie, până la receptor (timp de zbor). Distanţa până la ţintă este dată de relaţia:

2d = c ⋅ ∆t ' = c(t R − t E ) unde d este distanţa între instrument şi ţintă, c este viteza luminii în mediu, ∆t’ este timpul de zbor al impulsului, tE timpul de start al impulsului iar tR timpul de sosire al impulsului la receptor. Principiul de măsurare este ilustrat în figura 8.9. Instrument Ţintă reflectorizantă Emiţător Receptor

tE Impuls tR

Fig. 8.9

În funcţie de puterea impulsului de radiaţie optică şi de distaţa măsurată, ţinta reflectorizantă poate fi o formă naturală sau artificială din teren, sau un retroreflector special, pentru a mări distanţa şi precizia. Acurateţea distanţei depinde de acurateţea măsurării timpului de zbor.

122

Instrumentele de distanţă alimentate de la baterii au formă binoculară şi sunt folosite manual, cu tripod sau ataşate la periscoapele vehiculelor. Ca surse se folosesc lasere cu comutarea factorului de calitate, distanţele măsurate fiind de 50m … 20km. Instrumentele de măsurare a distanţei de uz general se împart în trei grupuri, majoritatea folosind drept surse diode laser de putere: - instrumente industriale şi de inginerie civilă, pentru distanţe de 8 ... 100m şi ţinte mate negre sau ţinte mate albe; - instrumente portabile pentru game de măsurare de 100m şi ţinte pasive (necooperante) sau game de pănă la 3km şi ţinte cu prismă; - instrumente cu acurateţe foarte mare, de ± 5 mm. 8 3.3.2 Traductoare de distanţă care folosesc metoda diferenţei de fază Din această categorie fac parte două tipuri de traductoare: - traductoare care măsoară diferenţa de fază între semnalul transmis şi semnalul recepţionat; - traductoare care măsoară diferenţa de fază între două semnale recepţionate. a) Traductoare care măsoară diferenţa de fază între semnalul transmis şi cel recepţionat Semnalul de măsurat, care modulează o undă purtătoare de radiaţie optică la emiţător este transmis spre reflector, unde este reflectat înapoi la receptor. La receptor se compară fazele semnalului emis şi a celui recepţionat şi se măsoară diferenţa de fază ∆Φ. Semnalul emis este descris de ecuaţia:

y E = A sin ωt = A sin Φ iar semnalul recepţionat este:

y R = A sin ω (t + ∆t ) = A sin (Φ + ∆Φ ) Deoarece se foloseşte un semnal continuu, valorile yE şi yR variază în timp, iar diferenţa de fază ∆Φ şi diferenţa de timp ∆t rămân constante. Se măsoară astfel diferenţa de fază constantă, chiar dacă amplitudinile celor două semnale variază continuu. Distanţa se calculează cu relaţia:

123

∆t ' d = c⋅ 2 Ca dezavantaj, ∆t' nu se poate obţine prin comparaţie de fază. Trebuie să se adauge la ∆t un timp echivalent numărului de perioade complete trecute în timpul zborului semnalului pentru a obţine timpul total de zbor:

∆t ' = m ⋅ t ∗ + ∆t unde ∆t' este timpul de zbor al semnalului, m numărul întreg de lungimi de undă complete pe calea de măsurare (ambiguitatea), t* timpul scurs pentru o perioadă completă a semnalului de modulaţie, iar ∆t diferenţa de timp de măsurare a fazei.

∆t = ∆Φ

d=

λ λ t∗ = 2πc ; c;

λ ∆Φ λ c c ⎛ λ ∆Φ λ ⎞ mt ∗ + ∆t = ⎜ m + ⎟=m + 2 2 ⎝ 2 2π c ⎠ 2 2π 2

(

)

Cu excepţia lui m, toate variabilele din ecuaţia de mai sus sunt cunoscute. Dacă se înlocuieşte λ/2 = U = unitatea de lungime a instrumentului şi

∆Φ λ = L = fracţiunea din unitatea de lungime care trebuie determinată prin 2π 2 măsurarea fazei, obţinem:

d = mU + L b) Traductoare care măsoară diferenţa de fază între două semnale recepţionate Aceste traductoare sunt folosite în sistemele de navigaţie. Principiul de funcţionare este următorul: Două emiţătoare radio M şi S transmit semnale continui nemodulate, cu frecvenţe egale, care sunt recepţionate la o staţie R, de poziţie necunoscută. Dacă ΦM şi ΦS sunt unghiurile de fază ale celor două semnale radiate în orice moment, diferenţa lor de fază la staţia R va fi:

124

ω ω ⎞ ⎞ ⎛ ⎛ ∆Φ = (Φ M + ∆Φ M ) − (Φ S + ∆Φ S ) = ⎜ Φ M + MR ⎟ − ⎜ Φ S + SR ⎟ = c c ⎠ ⎠ ⎝ ⎝ 2π = (Φ M − Φ S ) + MR − SR λ

(

)

unde ∆Φ este diferenţa de fază la staţia R, ΦM şi ΦS sunt unghiurile de fază ale transmiţătoarelor M şi respectiv S, f este frecvenţa emiţătoarelor, c viteza luminii,

MR distanţa între emiţătorul M şi receptorul R şi SR distanţa între emiţătorul S şi receptorul R. Unghiurile de fază ΦM şi ΦS sunt menţinute constante, diferenţa lor fiind de asemenea constantă. Al doilea termen al ecuaţiei este variabil şi depinde de diferenţa lungimii căilor la cele două emiţătoare. Determinarea poziţiei exacte necesită un al treilea emiţător. 8.3.3.3 Traductoare de distanţă care folosesc metoda Doppler Efectul Doppler este valabil nu numai pentru unde sonore, ci şi pentru unde electromagnetice. În fig. 8.10 este prezentat un instrument mobil format dintr-un emiţător şi un receptor de microunde. Instrumentul se mişcă cu viteza v spre o suprafaţă reflectorizantă. Semnalul emis este reflectat de această suprafaţă şi recepţionat de receptor. x=0 x Emiţător Receptor Suprafaţă reflectorizantă

d

Fig. 8.10

Frecvenţa emisă se exprimă prin relţia: f E =

125

c

λ

La suprafaţa reflectorizantă, expresia frecvenţei este: f S = iar la receptor, frecvenţa este: f R =

c + 2v

λ

c+v

λ

,

.

Prin mixarea celor două frecvenţe, rezultă frecvenţa Doppler:

fD = fR − fE =

2v

λ .

În funcţie de tipul undelor folosite, frecvenţa Doppler poate fi obţinută astfel: - prin numărarea bătăilor pe secundă, în cazul undelor sonore, - prin număraea franjelor luminoase (sau întunecate) pe secundă a unei forme de interferenţă, în cazul radiaţiei optice, - prin numărarea perioadelor semnalului Doppler pe secundă, pentru unde radio. Distanţa parcursă de instrument de la timpul t1 la timpul t2 este:

d12 =

t2

1

∫ 2 f D λdt

t1

Metoda Doppler se foloseşte la poziţionarea sateliţilor şi măsurarea distanţelor cu cea mai mare precizie. De exemplu, interferometrul cu laser cu efect Doppler măsoară distanţa până la un reflector cu rezoluţia de 10 nm. 8.3.3.4 Traductoare interferometrice de distanţă Primul interferometru a fost realizat de Michelson, în anul 1880, în Germania. Fascicolul laser este transmis către un despicătorul de fascicol DF, care lasă o parte a fascicolului să treacă spre oglinda mobilă OM iar cealaltă parte o deviază spre reflectorul fix. Fascicolele reflectate produc în despicătorul de fascicol o formă de interferenţă deoarece sunt unde coerente, provin de la acelaşi laser, au aceeaşi frecvenţă şi amplitudine. Ele au însă, diferenţa de fază constantă datorită diferenţei între căile optice. Cele două unde sunt descrise de ecuaţiile:

y1 = A sin ωt

si

y 2 = A sin (ωt + ∆Φ )

126

Semnalul suprapus este descris de relaţia:

∆Φ ⎞ ⎛ ∆Φ ⎞ ⎛ y = y1 + y 2 2 A cos⎜ ⎟ ⎟ sin⎜ ωt + 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠ ⎝ şi atinge un maxim pentru ∆Φ = 0 (interferenţă constructivă) şi un minim pentru ∆Φ = π (interferenţă distructivă). În timpul deplasării reflectorului mobil, fotodetectorul numără franjele luminoase din forma de interferenţă. Distanţa între prima şi ultima poziţie a reflectorului este: 2d = (numărul de franje luminoase) . λ, unde λ este lungimea de undă a radiaţiei laser, adică: d = (numărul de franje luminoase) . λ/2 Interferometrele uzuale au gama maximă de măsurare de aproximativ 60 m şi sunt utilizate nu doar pentru măsurarea precisă a lungimii ci şi pentru măsurarea rectiliniarităţii, perpendicularităţii, paralelismului, planeităţii şi unghiului. 8.3.3.5 Traductoare optoelectronice de distanţă care folosesc metoda triangulaţiei Triangulaţia este metoda cea mai veche de măsurare a distanţei, principiul de bază fiind prezentat în fig. 8.11. Sistemul de măsurare stabileşte o pereche de triunghiuri asemenea, triunghiul imagine şi triunghiul obiect. Linia de bază b a triunghiului obiect şi înălţimea h a triunghiului imagine sunt considerate cunoscute. Se măsoară linia de bază ∆x a triunghiului imagine şi se calculează înălţimea triunghiului obiect, egală cu distanţa z de măsurat:, cu relaţia:

z=

bh ∆x

127

z Obiect b

h Triunghi obiect

∆x Triunghi imagine

Fig. 8.11

Pe măsură ce dimensiunile h şi b se modifică, această tehnică poate fi scalată pe o gamă mare de valori ale lui z. Distanţa de măsurat este limitată doar de sistemul de detecţie. Cel mai simplu traductor optoelectronic cu triangulaţie este cel punctual, în care un singur spot luminos este proiectat pe obiect şi apoi focalizat pe fotodetector. Principiul de funcţionare al acestui traductor este prezentat în fig. 8.12.

∆x

Sursa de radiatie optică

θd b

f

θp (0, 0, Zref)

(x, y, z) Plan de referintă

Componentă

Fig. 8.12

Distanţa până la obiect este: z =

b tgθ p + tgθ d

128

Zref

unde b este linia de bază, θP este unghiul de proiecţie şi θd este unghiul la care este împrăştiată lumina spre fotodetector.

tgθ d =

∆x f

unde ∆x este distanţa spotului luminos pe fotodetector, faţă de un punct de referinţă, iar f este lungimea focală a lentilei. Triangulaţia nu este eficientă atunci când există ocluzii (puncte iluminate de laser ce nu pot fi văzute de fotodetector) sau umbriri (puncte vizibile de la fotodetector dar care nu sunt iluminate de laser). O metodă de reducere a umbririi este folosirea a două fotodetectoare de o parte şi de alta a laserului, care iluminează perpendicular obiectul faţă de care se măsoară distanţa. Traductorul optoelectronic liniar cu scanare cu triangulaţie măsoară distanţa faţă de punctele unei suprafeţe vizibile dintr-un plan 3-D. Scanerul cu un singur spot laser conţine o diodă laser, un mecanism de scanare (oglindă rotitoare) care baleiază fascicolul laser pe scena măsurată şi o cameră video cu suprafaţă fotodetectoare liniară. Traductorul poate fi folosit şi la măsurarea optică a profilurilor. 8.4 Traductoare de proximitate Proximitatea se referă la gradul de apropiere dintre două obiecte, dintre care unul reprezintă sistemul de referinţă. Traductorul controlează o anumită poziţie, fără contact între referinţă şi obiectul aflat în deplasare. Tipuri de măsurători de proximitate: sesizarea capetelor de cursă, a interstiţiului între suprafeţe, a prezenţei unui obiect în câmpul de lucru, etc. La traductoarele de proximitate, mărimea de ieşire variază discret între două valori, ce semnifică prezenţa sau absenţa corpului controlat. Traductor inductiv de proximitate Conţine un oscilator şi o faţă sensibilă care converteşte informaţia despre poziţia unui obiect metalic în raport cu faţa sensibilă, în semnal electric. Oscilatorul întreţine un câmp magnetic alternativ în jurul bobinajului. Dacă în acest câmp este plasat un corp metalic, în masa metalului apar curenţi Foucault care generează un câmp magnetic de sens opus câmpului principal şi blochează oscilaţiile, inversând starea elementului de comutaţie de la ieşirea adaptorului. Între punctele de pornire şi de oprire a oscilaţiilor apare o curbă de tip histerezis.

129

Traductorul se execută în una din următoarele variante: - cu faţa sensibilă inclusă frontal sau lateral în corpul traductorului sau - cu faţa sensibilă separată prin cablu flexibil de corpul traductorului. Traductor magnetic de proximitate Este format dintr-un contact întrerupător, de obicei releu Reed, plasat într-un braţ al unei carcase în formă de U şi dintr-un magnet permanent fixat în celălalt braţ. Trecerea unui obiect magnetic printre braţele senzorului modifică liniile de forţă ale magnetului, iar contactul releului îşi schimbă starea. Traductorul magnetic de proximitate poate fi: - fără memorie, când releul comută doar sub acţiunea magnetului; - cu memorie, când revenirea în starea iniţială se face sub influenţa unui câmp magnetic de sens contrar, prin rotirea magnetului cu 180°. Traductor capacitiv de proximitate Conţine un condensator care face parte dintr-un circuit oscilant. Prezenţa unui material conductor sau dielectric cu permitivitate εr > 1 are ca efect modificarea capacităţii de cuplaj şi amorsarea oscilaţiilor. Caracteristicile constructive sunt asemănătoare cu ale traductorului inductiv de proximitate, zona de lucru activă fiind < 15 mm. Funcţionarea depinde de natura corpului controlat. La detecţia materialelor conductoare, obiectul a cărui poziţie este controlată formează cu faţa sensibilă un condensator a cărui capacitate creşte cu micşorarea distanţei de la obiect la faţa sensibilă. La detecţia materialelor izolante, faţa sensibilă reprezintă un condensator a cărui capacitate este cu atât mai mare cu cât permitivitatea dielectrică a obiectului controlat este mai mare. Pentru evitarea perturbaţiilor, obiectele conductoare trebuie să fie legate la pământ. Traductor optoelectronic de proximitate Se bazează pe modificarea fluxului radiaţiei optice între o sursă şi un receptor, datorită prezenţei obiectului controlat. Există două variante de bază: - traductor de proximitate tip barieră, în care sursa şi receptorul sunt de o parte şi de alta a obiectului; - traductor de proximitate reflector, în care fasciculul optic emis de sursă este transmis spre receptorul situat de aceeaşi parte cu sursa în raport cu obiectul controlat. Ca surse emiţătoare se folosesc diode electroluminescente în domeniul vizibil sau infraroşu, lămpi cu incandescenţă sau diode laser. Ca receptor se foloseşte un fotodetector ce poate fi: fotodiodă, fototranzistor, fotorezistor, fotodetector integrat, etc. Adaptorul electronic conţine un formator de impulsuri şi un amplificator.

130

Trebuie luate măsuri de precauţie ca evitarea surselor luminoase puternice, evitarea mediilor umede pentru a nu provoca aburirea lentilelor, îndepărtarea obiectelor puternic reflectorizante. Traductor integrat de proximitate Există două variante şi anume: - traductor integrat inductiv şi - traductor integrat magnetic. Traductorul integrat inductiv de proximitate este încapsulat, are 8 terminale şi contine: un oscilator, un filtru, un comparator şi un etaj de ieşire. Traductorul integrat magnetic de proximitate are un senzor Hall care sesizează prezenţa câmpurilor magnetice de intensităţi reduse (> 50 mT) şi produce tensiune de ieşire în gama 1 ... 10 mV.

131

CAPITOLUL 9

TRADUCTOARE DE PRESIUNE

9.1 Introducere Fluidele se caracterizează prin faptul că pot curge uşor (straturile lor alunecă uşor unele faţă de altele). Din categoria fluidelor fac parte lichidele şi gazele. Deosebirile dintre lichide şi gaze sunt următoarele: - lichidele au o suprafaţă liberă, care la echilibru este plană şi orizontală, pe când gazele nu au această suprafaţă, ele ocupând tot volumul incintei în care sunt introduse; - lichidele sunt incompresibile, pe când gazele sunt compresibile. Legile generale ale fluidelor se studiază pentru fluidele perfecte. Un lichid perfect este acela la care straturile se pot deplasa unele faţă de celelalte, fără frecare (fără vâscozitate) şi al cărui volum nu poate fi comprimat. Un gaz perfect este un gaz la care, pentru o anumită cantitate, produsul dintre presiunea şi volumul său este constant (respectă legea Boyle-Mariotte). Metodele de măsurare a presiunii sunt adaptate fluidelor reale. Considerând fluidele ca fiind medii continui, într-o masă oarecare de fluid, fiecare element de volum suportă acţiunea unor forţe din partea restului de fluid, care, în cazul fluidului perfect sunt perpendiculare pe fiecare suprafaţă a volumului unitar considerat. O forţă F, uniform repartizată pe o suprafaţă S, exercită o presiune p a cărei valoare este dată de relaţia: p = F / S. Măsurătorile de presiune sunt legate de măsurătorile de forţă, de aceea metodele de măsurare a forţelor pot fi aplicate şi în domeniul presiunilor şi invers. Presiunea exercitată de învelişul gazos din jurul pământului se numeşte presiune atmosferică (barometrică), ea variind cu altitudinea. Corpurile aflate pe pământ sunt supuse acestei presiuni atmosferice. S-a ajuns astfel la necesitatea stabilirii unei presiuni atmosferice de referinţă faţă de care să se determine starea fizică a unui corp. Această presiune stabilită convenţional se numeşte presiune normală. Presiunea normală tehnică este presiunea exercitată de o coloană de mercur de înălţime 735,56 mm. La măsurătorile de presiune se întâlnesc trei situaţii:

132

- măsurarea presiunii în raport cu vidul absolut (considerat de presiune zero) dă presiunea absolută; - măsurarea diferenţei de presiune faţă de cea atmosferică dă presiunea relativă sau efectivă (multe presiuni măsurate cu manometre). După cum această diferenţă este pozitivă sau negativă, mai poartă numele de suprapresiune sau depresiune. Relaţia dintre presiunea efectivă şi presiunea absolută este: pa ≅ pe + 1,01325 - ε [bar], în care pa este presiunea absolută, pe este presiunea efectivă iar ε este un factor de corecţie egal cu diferenţa dintre presiunea atmosferică normală şi cea atmosferică reală în momentul măsurării; - măsurarea diferenţei de presiune faţă de o valoare de referinţă convenţională (aleasă de utilizator, în funcţie de cerinţele procesului tehnologic). În acest caz, rezultatul măsurării este presiunea diferenţială. La o suprafaţă plană care separă două mase de fluid în mişcare, presiunea care se exercită pe cele două mase de fluid în planul lor de separaţie este presiunea statică. Dacă în curentul de fluid se pune un obstacol, în punctul de oprire viteza fluidului se anulează şi energia cinetică specifică a lichidului apare sub formă de presiune. Presiunea din punctul de oprire se numeşte presiune totală. Diferenţa dintre presiunea totală şi cea statică este presiunea dinamică. Unitatea de măsură a presiunii în Sistemul Internaţional este newtonul pe metru pătrat [N/mz], denumită şi pascal [Pa]. O unitate tolerată este kilogramulforţă pe metru pătrat, [kgf/m2]. Utilizarea dispozitivelor cu lichid pentru măsurarea presiunii a determinat adoptarea unor noi unităţi de măsură: milimetru coloană de apă [mmH20] şi milimetru coloană de mercur [mmHg], denumit şi torr. Unităţile coloană de lichid sunt definite pentru anumite condiţii de temperatură, acceleraţie gravitaţională şi presiune atmosferică. Pascalul fiind mic, în practică se folosesc multiplii kPa şi MPa. Un multiplu mult folosit este barul. 1 bar = 105Pa = 10197,3 mmH20 = 750,06 mmHg = 0,9869 atm = 1,0197at = 14,5 psi (pounds per square inch). În relaţiile anterioare s-au folosit notaţiile: at = atmosfera tehnică, atm = atmosfera normală. Domeniile de variaţie ale presiunii sunt: - vacuum extrem, < 10-9 bar; - vacuum tehnic, 10-9 ... 10-6 bar; - vacuum, 10-6 … 0,1 bar; - presiune mijlocie, 10 ... 100 bar; - suprapresiune tehnică, 100 ... 104 bar şi - presiuni foarte înalte, > 104 bar.

133

Senzorii de presiune convertesc presiunea fie într-o mărime intermediară, de natura unei deplasări sau deformaţii mecanice, fie direct într-o mărime electrică. 9.2 Traductoare de presiune cu senzori elastici Aceste traductoare conţin elemente elastice care convertesc presiunea în deformaţia elastică a unor corpuri de formă specială. Senzorii utilizaţi sunt: tub simplu curbat, tubul spiral, membrana simplă sau dublă (capsula) şi tip burduf. Membranele sunt plăci elastice de grosime mică, de fomă circulară, încastrate la extremitate pe un contur. Sub acţiunea presiunii aplicate pe o faţă, se produc deformaţii uşor măsurabile. Membranele pot măsura presiuni de la câţiva mmH20 până la sute de atmosfere. Se utilizează ca senzori separaţi sau împreună cu alte traductoare de presiune (piezoelectrice, magnetoelastice). După forma constructivă, membranele sunt plane, grofate şi sferice. Tuburile ondulate (sifoanele) sunt tuburi cilindrice cu gofraje transversale pe suprafaţa laterală. Profilul tubului este diferit, în funcţie de modul în care este utilizat. Astfel, dacă solicitările sunt de întindere, profilul se execută cu un punct de inflexiune, iar pentru solicitări de compresiune se folosesc profiluri drepte. Tuburile Bourdon au forma unui arc de cerc cu un unghi la centru de aproximativ 250°. Sunt simplu de executat şi au o mare răspândire. Deoarece sensibilitatea lor este mică, se folosesc mecanisme de multiplicare a deplasării capătului liber. Tuburile Bourdon se folosesc la măsurarea presiunilor de la câţiva mmHg până la aproximativ 400 daN/cm2. Secţiunea tuburilor Bourdon poate fi ovală, eliptică, în forma literei D, etc. Adaptoarele folosite pentru traductoare de presiune cu senzori elastici sunt: - adaptorul deplasare unghiulară-tensiune electrică, care transformă variaţia unghiulară într-o tensiune alternativă modulată în amplitudine; - adaptorul bazat pe principiul balanţei de forţe, care converteşte presiunea relativă în semnal electric unificat. 9.3 Traductoare de presiune cu lichid Cele mai repezentative traductoare din această categorie folosesc senzori tip clopot sau tor oscilant. Senzorii tip clopot sunt folosiţi la măsurarea presiunilor < 100 mmH2O, în fluide neutre sau corozive. În starea iniţială, când presiunea de măsurat este egală cu presiunea atmosferică, clopotul este scufundat în lichid, la o anumită adâncime la care greutatea clopotului este echilibrată de greutatea volumului de lichid dezlocuit. Dacă sub clopot se introduce o presiune mai mare decât presiunea

134

atmosferică, pe suprafaţa interioară a clopotului va acţiona o forţă suplimentară ascensională care va ridica clopotul. Se obţine o dependenţă liniară a deplasării clopotului sub acţiunea presiunii. Senzorii tip tor oscilant, fig. 9.1, sunt folosiţi la măsurarea unor presiuni sau diferenţe de presiuni mici (mmH20) deoarece au o mare sensibilitate. P1

P2 P1 > p2

h α

Fig. 9.1

Dacă presiunile pe cele două racorduri sunt egale, pârghia este orizontală iar sistemul este în echilibru în raport cu axul aparatului. Dacă p1 > p2 nivelul lichidului din jumătatea stângă a torului va coborî şi va urca în jumătatea dreaptă. Diferenţa de nivel este proporţională cu diferenţa p1 - p2 şi torul se roteşte faţă de axa de simetrie verticală. Diferenţa de presiune este transformată într-un unghi, relaţia fiind neliniară. 9.4 Traductoare de presiune cu elemente piezorezistive Aceste traductoare permit realizarea în acelaşi ansamblu atât a senzorului cât şi a dispozitivului de conversie intermediară. Piezorezistivitatea este proprietatea unui corp de a-şi varia rezistivitatea sub influenţa unei acţiuni mecanice, statice sau dinamice. Fenomenul este mai puternic la semiconductoare. Expresia rezistivităţii unui semiconductor este: ρ =

135

1 , enµ

unde e reprezintă sarcina electronului, n este numărul de purtători iar µ este mobilitatea medie. Aplicarea unei tensiuni mecanice modifică numărul de purtători şi mobilitatea lor. La semiconductoare, aplicarea unor tensiuni mecanice creşte mobilitatea purtătorilor pe o anumită direcţie, faţă de direcţia perpendiculară. Mobilitatea depinde de concentraţia de purtători şi de orientarea cristalografică în raport cu direcţia de aplicare a solicitărilor. În funcţie de planul cristalografic şi de direcţie, mobilităţile pot avea valori egale şi semne opuse pe diverse direcţii, permiţând fabricarea unor dispozitive compensate la variaţiile de temperatură. Elementele piezorezistive sunt difuzate într-o diafragmă de monocristal de siliciu. După modul de obţinere, senzorii piezorezistivi din Si sunt de două tipuri: - prin depunerea în vid a unor pastile de siliciu pe un suport; - prin difuzia siliciului. Senzorii piezorezistivi sunt rar utilizaţi singuri sau în scheme sfert de punte, datorită dificultăţii de separare a variaţiilor de rezistenţă datorită presiunii şi variaţiilor de temperatură. Cel mai mult se folosesc scheme de măsurare tip jumătate de punte sau punte completă. Amplasarea senzorilor piezorezistivi se face astfel încât variaţiile de rezistenţă provocate de presiunea de măsurat să fie de semne contrare. Aceasta se obţine dacă se realizează senzorii piezorezistivi pe o faţă şi pe cealaltă a unei diafragme. Senzorii din punte trebuie astfel realizaţi încât variaţiile de temperatură să nu dea semnal parazit. Puntea de măsură se poate alimenta în trei moduri: în curent constant tensiune constantă sau curenţi constanţi în opoziţie. Compensarea variaţiei gamei de lucru se face prin: - montarea unor rezistenţe în paralel, ce modifică panta caracteristicii iniţiale; - folosirea unor reţele termistor - rezistoare de liniarizare, care variază curentul de alimentare al punţii. Ca adaptor, se foloseşte convertorul rezistenţă - timp, bazat pe modularea în durată ale impulsurilor. Acesta are sensibilitate mare, liniaritate bună, preţ mic şi circuit numeric de diferenţiere în frecvenţă, fig. 9.2. Tensiunile de la ieşirile punţii Wheatstone, notate:

VA =

V (1 − x ) V (1 + x ) şi V B = 2 2

sunt cuplate la intrările a două modulatoare în durată ale impulsurilor (MDI), ale căror ieşiri sunt semnale numerice proporţionale cu variaţiile rezistenţei (x):

136

t1 =

Vk1 (1 − x ) Vk 2 (1 + x ) şi t 2 = 2 2

unde k1 şi k2 sunt variabile ce depind de câştigurile şi constantele de timp RC ale celor două circuite. Când k1 = k2 = k, funcţia de transfer este liniară. Când k1 ≠ k2 , în circuit există o eroare datorită diferenţei dintre circuite. În acest caz, dacă nu se aplică presiune suprafeţei de senzori, la ieşire se obţine un tren de impulsuri cu lăţime constantă, care poate fi folosit pentru calibrare. V

R0(1-x)

R1

C1

VA R0(1+x)

MDI k1

t1 ∆t

Clk R0(1+x)

VB

R0(1-x)

MDI k2

R2

t2 C2

V

Fig. 9.2

9.5 Traductoare de presiune piezoelectrice Senzorii piezoelectrici se folosesc la traductoare pentru presiuni foarte înalte, variabile în timp (500 ... 1000 Hz). Senzorii piezoelectrici au forma unui disc pretensionat, aşezat între două discuri metalice, cu ajutorul a două arcuri laterale sau a unei membrane. La realizarea unui astfel de senzor, trebuie eliminate erorile de încovoiere date de centrări imperfecte şi erorile parazite date de vibraţii mecanice. Folosind ca senzor piezoelectric un tranzistor MOSFET din GaAs, se poate introduce în aceeaşi structură convertorul sarcină - tensiune pentru temperaturi mari, fără necesitatea răcirii cu apă. Pe lângă efectul piezoelectric longitudinal, GaAs are şi efect piezoelectric transversal, ceea ce face semnalul piezoelectric independent de deformarea paralelă cu direcţia de aplicare a presiunii, determinată

137

de variaţia cu temperatura. Cel mai simplu convertor sarcină - tensiune este un tranzistor cu efect de câmp în care sarcina electrică se foloseşte pentru a controla curentul de drenă. 9.6. Traductoare de presiune speciale Traductoare de vacuum În domeniul presiunilor foarte mici (< 0,1 torr) construcţiile obişnuite cu senzori elastici nu dau rezultate. Forţele produse de presiunea de măsurat sunt atât de mici, încât trebuie să se recurgă la metode indirecte de măsurare, bazate pe dependenţa de presiune a unuia din parametrii fizici ai gazului. Cele mai multe din aceste metode au însă dezavantajul că indicaţiile depind de natura gazului, fiind nevoie de o etalonare specială pentru fiecare caz. Traductoarele de vacuum sunt de mai multe feluri: - cu variaţia conductibilităţii termice, - cu ionizare, - cu ionizare în câmp magnetic, - cu ionizare radioactivă, etc. Domeniul de măsurare ajunge până la 10-18 torr. Traductoare pentru presiuni foarte înalte În domeniul presiunilor foarte înalte (zeci de mii de atmosfere) se folosesc traductoare ai căror senzori realizează o dublă conversie presiune - deformare parametru electric, cu următoarele avantaje: măsurarea presiunii cu variaţii foarte mici de volum, sensibilitate ridicată, liniaritate bună, dimensiuni mici. Se folosesc: - elemente rezistive a căror rezistenţă variază cu presiunea (metale, aliaje sau materiale polimorfice); - elemente inductive, la care modificările de presiune determină modificări de inductanţă, datorită variaţiei volumului miezului magnetic; - celule electrolitice, a căror tensiune de ieşire scade la creşterea presiunii. Traductoare de presiune cu elemente elastice vibrante Acestea funcţionează după principiile traductoarelor cu coardă vibrantă pentru măsurarea forţelor. Există două variante: - cu membrană vibrantă (p < 100 at) şi - cu cilindru vibrant {p ≈ 1...700 at).

138

Traductoare de presiune integrate Au senzorul şi adaptorul integrate într-un singur ansamblu. Avantajele acestor traductoare sunt: domenii de presiune mari, precizie sub 1%, sensibilitate sub 0,5%, eroare de neliniaritate < 0,1 %, alimentare cu tensiune continuă 24...30 V, bandă largă de frecvenţe 0 Hz ... 50kHz, imunitate la şocuri şi vibraţii mecanice, dimensiuni reduse, instalare şi exploatare simplă, cuplare uşoară cu alte sisteme de măsurare. Schema bloc a unui astfel de traductor cuprinde regulatorul de tensiune, senzorul de presiune, amplificatorul, senzorul de temperatură, circuitul de compensare a temperaturii şi amplificatorul final. Senzorul este de tip piezorezistiv, din cristal de siliciu montat pe un suport atenuator de şocuri. Pentru măsurarea presiunii fluidelor corozive se folosesc fluide tampon pentru cuplare cu senzorul. 9.7 Traductoare de presiune cu fibre optice 9.7.1 Traductor de presiune mare cu senzor de deplasare Schema bloc a traductorului de presiune cu senzor de deplasare cu fibre optice este dată în fig. 9.3.

FO

Cameră de presiune

Presiune FD1

Dioda laser Circuit de comandă Semnal modulator

Procesor FD2 Placă de achiziţie

Amplificator sincron

Calculator

Fig. 9.3

Senzorul de deplasare cu FO este cu variaţia intensităţii radiaţiei optice şi are trei FO multimod, o fibră optică fixă de intrare şi două fibre optice de ieşire, într-o

139

consolă elastică, ce se deplasează sub acţiunea presiunii. Fibrele optice de ieşire au capetele lipite între ele şi deplasabile în faţa capătului fibrei optice de intrare. Intensităţile radiaţiei optice de ieşire din cele două fibre, I1 şi I2 sunt detectate cu ajutorul a două fotodiode FD1 şi FD2, conectate într-o schemă diferenţială. Diferenţa I1 -12 este o măsură a deplasării relative a capetelor fibrelor optice. 9.7.2 Traductor interferometric de presiune cu FO cu lumină albă Traductorul se bazează pe fibră optică cu birefringenţă mare şi foloseşte avantajele scanării electronice cu cameră video, aşa cum se arată în fig. 9.4.

Presiune

L

Diodă laser

LI

PW

A LC

Compensator 450

900

Procesor

450

Senzor

Fig. 9.4

Ca sursă de radiaţie optică se foloseşte o diodă laser DL, comandată în curent mic pentru a avea funcţionare de bandă largă. Dioda laser este cuplată cu fibră optică cu menţinerea polarizării. Senzorul este realizat cu FO şi este compensat cu temperatura. Fibrele optice de legătură, de intrare şi ieşire, sunt montate cap la cap şi au axele de polarizare rotite la 45°. Radiaţia optică de ieşire este colimată de lentila L şi trece prin linia de întârziere în trepte LI şi o prismă Wollaston PW (ambele realizate din cuarţ cristalin), analizorul de polarizare A şi lentila cilindrică LC. Axele de polarizare de la ieşirea din FO de legătură de ieşire sunt aliniate la 45° faţă de axele de polarizare ale liniei de întârziere în trepte, compusă din două plăci de întârziere de cuarţ, pentru creşterea gamei interferometrului receptor. Presiunea hidrostatică măreşte diferenţa constantelor de propagare ca şi dispersia modului de polarizare a fibrei optice cu birefringenţă mare. Creşterea presiunii ∆p are ca efect o deplasare transversală ∆y a formei de interferenţă cu lumină albă, înregistrată de camera video:

140

∆y = K ⋅ L0

∂τ ∆p ∂p

unde τ este dispersia de polarizare a fibrei optice cu birefringenţă mare, Lo este lungimea fibrei optice senzor şi K este coeficientul de proporţionalitate dat de geometria interferometrului receptor. Procesarea semnalului digitizat de camera video stabileşte poziţia centrului formei de interferenţă cu lumină albă, faţă de axele de simetrie ale funcţiei de coerenţă. Metoda determină axele de simetrie ale formei de interferenţă cu lumină albă cu acurateţe mai mare decât o franjă de interferenţă. Pentru a mări gama de funcţionare, schema foloseşte linia de întârziere în trepte (două plăci de cuarţ cu grosimea aproximativ 4 mm). 9.7.3 Traductor fotoelastic de presiune cu FO cu birefringenţă mică Dacă o fibră optică unimod fară înveliş exterior este presată între plăci paralele. În regiunea miezului se induce birefringenţă datorită distribuţiei transversale asimetrice a efortului. Presiunea se determină prin măsurarea schimbării polarizării radiaţiei propagate prin fibra optică. Birefringenţa indusă în miez permite realizarea configuraţiilor de senzor cu suprafeţe de măsurare mari. Datorită secţiunii transversale mici a FO, apar eforturi mari în regiunea miezului FO, obţinându-se astfel sensibilitate mare. Sursa de radiaţie optică folosită este monocromatică, polarizată liniar, aliniată la 45° faţă de direcţia presiunii, rezultând astfel două moduri de polarizare cu intensităţi egale (paralel şi perpendicular pe direcţia forţei). La capătul de ieşire al FO, după elementele de polarizare sunt plasate două fotodetectoare care produc semnale electrice defazate la 90° şi cu variaţie sinusoidală. Al treilea fotodetector are rolul de monitorizare a intensităţii radiaţiei optice de ieşire. Configuraţia poate fi privită ca un interferometru diferenţial, în care cele două fascicole optice se propagă prin aceeaşi FO, dar cu polarizări perpendiculare. Schimbarea birefringenţei FO datorită presiunii se măsoară prin determinarea interferenţei între cele două moduri de polarizare. Pentru aceasta, se plasează în faţa celor două fotodetectoare un polarizor, aliniat la 45° faţă de direcţia presiunii. Defazajul de 90° se obţine introducând o placă sfert de undă, aliniată cu axa rapidă paralel sau perpendicular cu direcţia presiunii, plasată între capătul FO şi polarizor, în faţa unui fotodetector. Cele două semnale defazate la 90° şi semnalul referinţă de intensitate sunt transmise la un sistem de măsurare a fazei cu microcontroler, care numără

141

perioadele şi interpolează faza. Comparativ cu tehnicile analogice, acest sistem de măsurare are avantajul ajustării electronice, optice şi mecanice prin parametrii numerici din programul software. Acurateţea sistemului depinde de rezoluţia convertorului analog-numeric ales. Gama dinamică a sistemului este limitată doar de capacitatea numărătorului electronic. Deoarece răspunsul fibrei optice la presiune este instantaneu, lăţimea de bandă de măsurare a sistemului este limitată. în de timpul de eşantionare şi procesare a datelor. Birefringenţa sau diferenţa constantelor de propagare între cele două moduri de polarizare ale FO rezultă din suprapunerea a două efecte, birefringenţa indusă de forţa laterală de compresie şi birefringenţa indusă de îndoire. Dacă FO este elastică şi omogenă mecanic, presiunea aplicată se determină prin măsurarea diferenţei de fază între cele două moduri de polarizare. Sensibilitatea traductorului depinde de diametrul exterior al fibrei optice, de aceea, variaţiile diametrului exterior de-a lungul fibrei determină fluctuaţii ale sensibilităţii. 9.7.4 Traductor de presiune cu reţea de difracţie în fibra optică Schema unui asemenea traductor de presiune, cu reţea de difracţie în fibra optică, este dată în fig. 9.5. p FO

ELED 1300 nm Cuplor Sistem de urmărire a lungimii de undă

Sferă de presiune cu pereţi de sticlă

Reţea de difracţie în fibra optică

Fig. 9.5

Traductoarele cu reţele de difracţie în FO sunt avantajoase doar dacă se compensează efectele variaţiei cu temperatura. Metodele de compensare sunt: - folosirea altei reţele de difracţie într-un material diferit, - măsurarea simultană a efortului şi temperaturii cu două reţele de difracţie suprapuse, - poziţionarea reţelei de difracţie pe suprafaţă şi

142

- realizarea reţelei de difracţie independentă de temperatură cu o reţea de difracţie cu formă specială în fibră optică plată. Pentru creşterea sensibilităţii, fibra cu reţea de difracţie se introduce într-o mică sferă cu pereţi subţiri de sticlă. Când sfera este presurizată, variaţia diametrului sferei este funcţie de grosimea peretelui de sticlă al sferei. Dacă FO este lipită bine de sfera de sticlă, efortul indus de presiune în sfera goală este egal cu variaţia relativă a diametrului sferei.

143

CAPITOLUL 10

TRADUCTOARE DE DEBIT ŞI NIVEL

10.1 Definiţia debitului. Tipuri de debite. Parametri. Debitul este un parametru caracteristic fluidului în mişcare şi reprezintă cantitatea de fluid care trece în unitatea de timp, prin unitatea de suprafaţă. Pentru măsurarea debitului se folosesc: - sisteme cu măsurare frontală cu celule de presiune diferenţială, - sisteme cu traductoare electromagnetice, - sisteme cu măsurarea suprafeţei variabile, - sisteme cu măsurarea deplasării pozitive, - sisteme cu traductoare cu turbină, - sisteme cu traductoare cu ultrasunete, - sisteme cu traductoare cu stingerea vârtejurilor, - sisteme cu traductoare termice, - sisteme cu traductoare coriolis, etc. Măsurările de debit sunt legate de principiul conservării masei, care arată că o masă statică care intră într-un sistem în unitatea de timp este egală cu masa care iese din sistem în aceeaşi unitate de timp. Măsurarea debitului se referă la fluide, debitele de solide fiind determinate prin cântărire şi numărare. Fluidele ale căror debite se măsoară pot fi lichide, gaze, aburi şi suspensii. Debitele se măsoară în conducte deschise sau închise, cu excepţia debitelor de gaz, care se măsoară numai în conducte închise. După modul de definiţie al cantităţii de fluid, debitele pot fi de trei tipuri: -

masice, Qm =

m [kg/s], m fiind masa de fluid care trece în unitatea de t

timp prin suprafaţa considerată; -

volumice, Qm =

V [m3/s], unde V este volumul de fluid care trece în t

unitatea de timp prin suprafaţa considerată. Pentru a afla debitul de volum, se măsoară viteza punctuală, în m/s şi se înmulţeşte cu suprafaţa de măsurare;

144

-

de greutate, Qm =

G [kg-m/s3], unde G este greutatea de fluid care t

trece în unitatea de timp prin suprafaţa considerată. Sistemul de măsurare folosit se alege în funcţie de următorii factori: - tipul fluidului (lichid, gaz, aburi sau suspensii), - densitatea fluidului, - vâscozitatea, - puritatea, - nivelul debitului, - tipul debitului (turbulent sau laminar), - tipul conductei, - condiţiile de mediu (temperatură, presiune, etc), - acurateţe, etc. În sistemele care folosesc calculator pentru procesarea datelor, debitele variabile se eşantionează la o frecvenţă de 1 Hz. În procesul de măsurare se ţine cont de trei caracteristici importante ale fluidelor: densitatea, vâscozitatea şi numărul Reynolds. Densitatea, ρ [kg/m3] este raportul între masa şi volumul fluidului. Vâscozitatea µ [N.s/m2] este forţa tangenţială pe o suprafaţă unitate a două planuri orizontale, separate de o distanţă unitate, un plan fix iar celălalt mişcânduse cu viteza unitate. Spaţiul dintre planuri este umplut cu substanţa vâscoasă. La creşterea temperaturii, vâscozitatea creşte la gaze şi scade la lichide. Numărul Reynolds (Re) specifică debitul ca un raport între inerţie şi vâscozitate conform relaţiei:

Re =

vlρ

µ

, unde v este viteza debitului în m/s şi l este lungimea debitului.

10.2 Debitmetre pentru măsurarea punctuală a vitezei fluidului Debitele de fluid se obţin prin măsurarea punctuală a vitezi fluidului, într-un volum finit. (o secţiune de conductă închisă sau canal deschis de lungime suficientă, care asigură o formă stabilă a debitului, cu o secţiune transversală cunoscută). Viteza se măsoară într-un punct unde ea reprezintă viteza medie din secţiunea transversală. Pentru vizualizarea debitului, sunt injectate particule trasoare (bule de gaz sau coloranţi) în debitul de fluid şi se monitorizează trecerea lor. Cele mai folosite dispozitive pentru măsurare a vitezei punctuale sunt: probele statice Pitot, anemometrele cu fir cald şi debitmetrele cu ultrasunete.

145

Probele statice Pitot Măsurarea presiunii în fluidele aflate în mişcare introduce, pe lângă presiunea statică, componenta de presiune dinamică. Procedeul de măsurare este următorul: într-un canal deschis sau o conductă închisă se introduce perpendicular un tub care va măsura presiunea statică şi un alt tub paralel cu primul dar plasat puţin mai departe, pentru măsurarea presiunii totale. Presiunea totală (PT) = Presiunea statică (PS) + Presiunea dinamică (PD). Pentru aplicarea în practică a acestui principiu, trebuie sâ se ţină cont de distorsionarea formei presiunii, determinată de introducerea tuburilor. Alte posibile surse de erori sunt: - nealinierea tubului cu direcţia debitului; - neuniformitatea debitului de fluid în secţiunea transversală prin conductă; - vâscozitatea, care are efect mai mare la valori mici ale numărului Reynolds; - tuburile cu diametre mari determină scăderea presiunii statice; - raportul diametrelor canalului şi a tubului poate fi prea mic. Avantajul tubului Pitot static este uşurinţa cu care poate fi introdus în debitul de fluid. Semnalul obţinut la ieşire este o presiune diferenţială care se măsoară electric. Dezavantajul principal este valoarea mică a semnalului de presiune. Anemometre cu fir cald Folosesc efectul de răcire al unui element rezistiv de către debitul de fluid, măsurând astfel viteza fluidului prin detectarea variaţiei de rezistenţă cu temperatura. Efectul de răcire sau pierderea de căldură a elementului rezistiv depinde de viteza masei de fluid, căldura specifică a fluidului, coeficientul de transfer de căldură al elementului rezistiv, temperatura şi presiunea fluidului. Pentru măsurare, se foloseşte una din următoarele tehnici: la curent constant sau la temperatură (sau tensiune) constantă, şi două configuraţii fizice: fir sau strat subţire rezistiv. Ambele tehnici folosesc acelaşi principiu fizic pentru a determina rezistenţa senzorului. Elementul senzor este încălzit la o temperatură mai mare decât a fluidului. Datorită pierderilor prin convecţie de la suprafaţa elementului rezistiv, se atinge un echilibru între căldura generată (I2R) şi căldura pierdută. Acesta se obţine fie prin menţinerea constantă a curentului şi măsurarea tensiunii, fie păstrând tensiunea constantă şi măsurând curentul. Este preferată tehnica la temperatură constantă faţă de cea la curent constant, deoarece la curent constant firul rezistiv poate arde dacă viteza fluidului scade brusc. În cazul folosirii senzorului tip anemometru trebuie să se ia anumite precauţii: - sonda trebuie să fie aliniată în debitul de fluid; - lichidele conductoare pot declanşa electrolize, de acea senzorul trebuie izolat sau excitaţia se face în curent alternativ;

146

- fluidul trebuie să fie curat pentru a evita acoperirea sau ruperea senzorului; - la viteze mari pot apărea vibraţii. Anemometrele cu fir cald se folosesc la măsurarea vitezelor gazelor cu viteze de 0,1 ... 500 m/s şi temperaturi sub 750°C. Pentru lichide cu viteze de 0,01 … 5 m/s se folosesc senzori tip fir iar pentru viteze de 0,01...25 m/s se folosesc senzori obţinuţi prin depunere. Debitmetre cu ultrasunete cu măsurarea timpului de tranzit Debitmetrele cu ultrasunete sunt traductoare portabile care măsoară debite de lichide şi suspensii fără obstrucţie. Au microprocesor încorporat, afişaj grafic, tastatură pentru selecţia paginilor de meniu, interfaţă serială RS-232 pentru calculatoare de procesae a datelor şi ieşire în curent de 4... 20 mA pentru controlere numerice, controlere logice programabile sau înregistratoare. Măsoară diferenţa timpului de tranzit între impulsurile ultrasonore transmise în sensul invers sensului de curgere al fluidului. Pentru aceasta, se folosesc două ansambluri de traductoare, fiecare cu posibilitatea emisiei şi recepţiei fascicolelor ultrasonore. Particulele sau bulele de aer din lichid nu sunt de dorit deoarece fascicolele ultrasonore reflectate de acestea interferă cu fascicolele ultrasonore transmise şi recepţionate. Pentru eliminarea efectelor bulelor de aer se folosesc tehnici speciale de prelucrare electronică a semnalelor, de exemplu transformata Fourier. În funcţie de modul de amplasare al celor două traductoare, există trei variante de debitmetre ultrasonore cu măsurarea timpului de tranzit: - cu montare tip Z (diametral opuse şi o singură trecere a fascicolelor), - cu montare tip V (traductoare plasate de aceeaşi parte a conductei, cu reflexie de partea interioară); - cu montare tip W (traductoarele plasate de aceeaşi parte a conductei, cu trei reflexii). 10.3 Debitmetre pentru măsurarea debitului de volum Măsurarea volumului brut de fluid înseamnă determinarea volumului care trece printr-un punct, prin măsurarea unui parametru. Procedeul cel mai folosit este măsurarea presiunii diferenţiale de-a lungul unei linii de debit. Traductoarele de debit de acest tip impun plasarea unei obstrucţii pe linia de debit (o placă cu duză, tub Venturi sau tub Dall). Alte traductoare utilizate pentru măsurarea volumului unui fluid sunt: traductoarele cu turbină, traductoarele cu deplasare pozitivă, electromagnetice, ultrasonore cu efect Doppler, cu împrăştierea vârtejurilor, etc.

147

a) Debitmetre cu suprafaţă constantă şi cădere variabilă a presiunii (cu presiune diferenţială) În fig. 10.1, debitul turbulent (Re > 4000) trece printr-o restricţie din conductă, sub forma unei găuri cu muchii drepte, denumită placă cu orificii. Robinete

Debit

RP

RP

Robinete

Secţiune prin conductă

Fig. 10.1

Pierderea permanentă de presiune statică din conductă după obstrucţie dă o indicaţie asupra debitului. Cele mai bune poziţii pentru amplasarea robinetelor de presiune (RP) sunt la distanţele D şi D/2 faţă de placa cu orificii, unde D este diametrul conductei. Debitul de volum se determină matematic şi depinde de suprafaţa orificiului, suprafaţa conductei, presiunea între cele două puncte ale robinetelor şi densitatea fluidului. b) Debitmetre cu suprafaţă variabilă şi cădere constantă a presiunii În anumite debitmetre, suprafaţa orificiului este ajustabilă şi căderea de presiune este în acest caz constantă. Aceasta se obţine folosind un flotor cu dimensiuni fixe, suspendat Debit de iesire într-un tub vertical cu suprafaţă crescătoare cu înălţimea, ca în fig.10.2. Tub de sticlă Flotor Pentru un debit dat, flotorul devine staţionar Debit de intrare dacă gravitaţia, presiunea diferenţială, vâscozitatea şi flotabilitatea sunt mărimi Fig. 10.2 echilibrate.

148

Modul de funcţionare este simplu: pentru o suprafaţă fixă de conductă, presiunea diferenţială variază cu pătratul debitului. La presiune constantă, suprafaţa se modifică şi debitul de volum variază liniar cu înălţimea la care este suspendat flotorul. c) Debitmetre cu turbină Debitmetrele cu turbină au un set de lame care se rotesc, plasate în linia de debit a unui fluid. Viteza de rotaţie unghiulară este proporţională cu debitul fluidului, ieşirea fiind un tren de impulsuri numerice. Dacă se doreşte semnal analogic la ieşire, se foloseşte un convertor de tip frecvenţă - tensiune. Măsoară debite de 0,001 ... 500m3/min pentru gaze şi de 0,05 ... 120000 l/min pentru lichide. Variantele constructive ale debitmetrelor cu turbina sunt următoarele: - respirometre - măsoară debitul de volum al gazelor eliminate din plămâni; - debitmetre cu două turbine axiale cu două rotoare - au mare acurateţe şi posibilitatea de autocorectare şi autoverificare; sunt concepute pentru măsurarea debitelor mari de gaze naturale, în conducte magistrale; - debitmetre cu două faze gaz / lichid – dau la ieşire presiune diferenţială (de exemplu, debitmetrul Venturi în serie cu un debitmetru cu turbină). Măsoară debite de volum şi de masă pentru aerosoli; - debitmetre cu turbină cu inserţie axială - sunt formate dintr-un mic rotor axial montat pe o prelungire ce se introduce radial prin peretele conductei, printr-o supapă de închidere. Măsoară viteza fluidului din poziţia rotorului, din care se poate deduce debitul de volum. Se folosesc atunci când diametrele conductelor sunt mari şi cerinţele de acurateţe moderate; - debitmetre cu turbină multijet - sunt debitmetre liniare folosite la măsurarea debitului lichidelor şi au o singură elice montată vertical pe un lagăr, într-o cameră verticală de divizare a debitului, denumită şi distribuitor; camera inferioară fiind conectată la debitul de intrare şi distribuie debitul tangenţial pe regiunea inferioară a lamelor elicei. d) Debitmetre cu deplasare pozitivă Măsoară un volum cunoscut într-un anumit interval fix de timp. Tipurile de debitmetre cu deplasare pozitivă sunt: - pentru lichide şi gaze ude: cu piston semirotativ, cu piston reciproc, cu disc în rotaţie, cu morişcă în rotaţie; - pentru gaze: cu diafragmă şi cu deplasare rotativă. Aceste debitmetre sunt pompe care funcţionează invers: o cantitate de fluid este prinsă între admisie şi evacuare şi sub influenţa presiunii, fluidul este rotit spre portul de ieşire pentru evacuare.

149

Temperatura maximă de funcţionare este 300°C iar presiunea maximă este de 10 MPa. e) Debitmetre ultrasonore cu efect Doppler Pentru a folosi efectul Doppler la măsurarea debitului unei conducte, un tracluctor transmite un fascicol ultrasonor cu o frecvenţă de ~ 500 kHz în circuitul de fluid. Lichidul care curge prin conductă trebuie să conţină materiale reflectorizante pentru undele ultrasonore, de exemplu particule solide sau bule de aer. Mişcarea acestor materiale modifică frecvenţa fascicolului reflectat spre un traductor receptor. Deplasarea de frecvenţă Doppler este liniar proporţională cu viteza debitului din conductă. Aceste traductoare se folosesc pentru măsurarea debitelor cu viteze ale fluidului de 6 ... 9 m/s şi temperaturi < 120 °C. f) Debitmetre cu împrăştierea vârtejurilor Frecvenţa vârtejurilor împrăştiate de un corp plasat în şuvoiul de debit este proporţională cu viteza fluidului. Debitmetrele cu împrăştierea vârtejurilor au acurateţe de ±1% pentru măsurarea debitului de volum la lichide, gaze şi aburi. Nu au părţi în mişcare şi sunt tolerante la defecte. Sunt sensibile la zgomotul conductei şi necesită debite mari pentru generarea vârtejurilor. Gama dinamică este 20:1, temperatura de funcţionare este < 2000C şi presiunea ≤10MPa. 10.4 Debitmetre pentru măsurarea debitului de masă În aplicaţiile practice de măsurarea a debitului se doreşte uneori determinarea masei reale (greutăţii) unui fluid (de exemplu la aparatele dezbor). Pentru determinarea debitului de masă, datele de ieşire de la debitmetrele de volum trebuie corectate în funcţie de variaţiile de densitate, vâscozitate, presiune, temperatură şi viteză. Cel mai uşor, corecţiile se fac în echipamente numerice. Există însă şi tehnici directe de măsurare a debitului de masă. 10.4.1 Debitmetre directe de masă Debitmetre cu măsurarea momentului forţei Măsurarea momentului forţei unui fluid în mişcare este simplă dar sensibilă la variaţii ale densităţii. Această dependenţă se elimină imprimând debitului de fluid o viteză cunoscută, perpendiculară de direcţia de curgere.

150

De exemplu, la un motor care se roteşte cu viteza unghiulară constantă ω şi învârte o elice lungă, astfel încât viteza tangenţială de ieşire să fie stabilă, cuplul C este legat de debitul de masă prin relaţia:

Dm =

C ω ⋅r2

Raza r şi viteza unghiulară ω fiind constante, debitul de masă Dm este proporţional cu cuplul C. O altă metodă este comandarea elicei la cuplu constant şi măsurarea vitezei de rotaţie a elicei. O metodă mai bună foloseşte în plus o turbină separată, cuplată printr-un arc la un ax pe care este fixat un traductor de deplasare unghiulară. Metoda înlătură energia inerţială imprimată fluidului. Elicea se roteşte cu viteză constantă şi produce un moment unghiular fluidului în mişcare. Debitmetrele cu măsurarea momentului se folosesc în fluide cu presiuni statice de până la 10 MPa şi temperaturi de –30 … +50°C. Alte debitmetre cu măsurarea momentului forţei sunt: - debitmetre cu două turbine identice: două turbine cu unghiuri diferite sunt cuplate cu un arc şi deplasarea lor unghiulară este o măsură a debitului de masă; - debitmetru giroscopic: fluidul trce prin tuburi circulare cărora li se imprimă oscilaţii mici; se generează astfel un cuplu proporţional cu debitul; - debitmetru cu debit radial Coriolis: fluidul curge radial într-un senzor de rotaţie. Cuplul necesar rotirii senzorului este proporţional cu debitul de masă. Debitmetre de masă termice Principiul de funcţionare se bazează pe injectarea unei cantităţi de căldură întrun fluid şi măsurarea diferenţei de temperatură. Pentru aceasta se foloseşte o înfăşurare de încălzire care înconjoară debitul de fluid dintr-o conductă şi doi senzori de temperatură, A şi B, de exemplu termorezistenţe, plasate înainte şi după tubul încălzit. Debitul de masă se determină matematic cu relaţia:

⎡ kP ⎤ Dm = ⎢ ⎣ ∆T ⎥⎦

1, 25

unde P este puterea de încălzire şi ∆T este diferenţa de temperatură TB-TA (aproximativ 1°C). Constanta k este complexă şi include coeficienţi de transfer de căldură, căldura specifică a fluidului, densitatea fluidului şi conductivitatea termică a fluidului.

151

Debitmetrele de masă termice se folosesc pentru măsurarea debitelor de gaz în gama 10-9 ... 10-2 kg/s, presiuni de lucru 2 MPa şi temperatura de 100°C. 10.4.2 Debitmetre indirecte de masă Orice metodă folosită la determinarea debitului de volum se poate folosi şi la măsurarea debitului de masă, atunci când se cunoaşte densitatea. Cele mai folosite tehnici sunt cele cu debitmetre cu presiune diferenţială şi cu debitmetre Pitot statice. Densitatea se poate obţine dacă se cunosc presiunea şi temperatura fluidului. Operaţiile de calcul ale densităţii şi debitului de masă se realizează simplu, folosind sisteme cu microcalculator. 10.5 Debitmetre pentru canale deschise Ori de câte ori un lichid curge într-un canal şi nu îl umple complet, debitul este numit debit în canal deschis (şi este specific numai pentru lichide). Aceste situaţii se întâlnesc în conducte care nu sunt complet pline, în râuri şi canale. Tehnica folosită este plasarea unei obstrucţii în calea debitului şi măsurarea unei variabile. Obstrucţiile pot fi baraje şi ecluze, la care fluidul curge peste şi rspectiv sub obstrucţie. Pentru un baraj dreptunghiular, debitul de volum se determină din ecuaţiile energiei potenţiale şi cinetice, în funcţie de înălţimea barajului:

nH ⎤ ⎡ ⋅ H 3/ 2 DV = 1,84 ⋅ ⎢ L − ⎥ 10 ⎦ ⎣ cu condiţia ca partea de acces să fie neglijabilă în comparaţie cu partea de sus a barajului. Factorul de contracţie n = 0, 1 sau 2, indică diferite configuraţii de baraje dreptunghiulare (de exemplu, pentru n = 2, înălţimea apei este 3H, lăţimea canaluiui este 4H + L, unde L = lăţimea deschiderii din mijloc din baraj). Debitmetrele cu ultrasunete pentru canale deschise au traductorul montat deasupra canalului, acesta transmiţând impulsuri ultrasonore în jos, pe suprafaţa lichidului din canal. Impulsurile sunt reflectate înapoi spre traductor şi timpul de tranzit este o măsură a înălţimii lichidului din canal. Folosind nivelul din canal şi viteza debitului, sistemul măsoară debitul de volum.

152

10.6 Debitmetre cu vizualizarea imaginilor particulelor Măsurarea experimentală a vitezei, acceleraţiei şi densităţii unui debit de gaz sau lichid este importantă pentru proiectarea autovehiculelor, aparatelor de zbor, navelor maritime şi a altor vehicule, precum şi pentru optimizarea unor procese de ardere şi reacţie. Pentru diagnosticarea debitelor, tehnicile optice (de exemplu fluorescenţa indusă cu laser, împrăştierea Raman şi măsurarea vitezelor prin determinarea deplasărilor de frecvenţă Doppler cu laser) dau informaţii detaliate, fără perturbarea sistemului studiat. Debitmetrele cu vizualizarea imaginilor particulelor folosesc împrăştierea radiaţiei optice de către particule mici, pentru a evidenţia mişcarea lor. Fotografiile sau captarea electronică a imaginilor cu expuneri duble înregistrează şi compară câmpul radiaţiei optice împrăştiate la două momente de timp şi, printr-o analiză matematică a acestor imagini se obţine o hartă bidimensională a vitezelor. Se pot obţine şi informaţii tridimensionale repetând aceste măsurări în poziţii diferite. Pentru măsurare, în fluidul studiat se introduc particule mici, cu densitate cunoscută, care împrăştie radiaţia optică. Se folosesc surse laser în impulsuri cu durate de ns cu comutarea factorului de calitate. Ieşirea este focalizată pentru a forma o foaie de radiaţie optică cu grosime uniformă, bine definită. Imaginile sunt preluate cu o cameră de luat vederi. Acurateţea măsurătorii depinde de mărimea şi densitatea particulelor introduse în debitul studiat, mărirea şi distanţa focală a sistemului optic a camerei de luat vederi folosite şi rezoluţia camerei. Elementul esenţial al sistemului este laserul. 10.7 Măsurarea debitului în conducte parţial pline Procedeul foloseşte un debitmetru electromagnetic combinat cu un sistem independent de măsurare capacitivă a nivelului. Măsurarea vitezei fluidului se face prin legea inducţiei electromagnetice a lui Faraday, care arată că dacă un lichid conductiv curge printr-un câmp magnetic, se induce o tensiune direct proporţională cu viteza medie a fluidului:

U = k1 ⋅ B ⋅ v ⋅ d , unde U este tensiunea indusă, k1 este constanta instrumentului, B este inducţia magnetică iar d este distanţa dintre electrozi (diametrul conductei). Câmpul magnetic este generat cu ajutorul a două bobine şi este perpendicular pe tubul nemagnetic prin care trece debitul măsurat. Electrozii sunt montaţi opuşi unul faţă de celălalt, pe mijlocul conductei la debitmetrele convenţionale electromagnetice, sau cu o distanţă între ei de aprox. 10 % din diametrul tubului.

153

Debitul de volum prin conductă este:

DV = v ⋅ A , unde DV este debitul de volum instantaneu, v este viteza fluidului iar A este aria secţiunii transversale a curentului de fluid. Măsurarea capacitivă a nivelului se realizează cu un sistem integrat format dintr-o placă de detecţie pe o faţă a tubului de măsurare şi patru plăci de transmisie pe cealaltă faţă, introduse în pereţii unui tub de poliuretan. Senzorul de nivel este încapsulat complet în plastic şi izolat de lichidul măsurat. Plăcile de transmisie sunt alimentate cu tensiune de frecvenţă mare şi se măsoară curentul indus în placa receptoare. Placa de transmisie de jos este complet acoperită de lichid şi se foloseşte ca referinţă pentru compensarea tensiunii de decalaj determinată de variaţia conductivităţii lichidului. Nivelul debitului de lichid se determină din capacitatea măsurată:

C = k2 ⋅ A , unde k2 este o constantă iar A este suprafaţa secţiunii transversale a debitului de fluid. Circuitele electronice montate pe tubul de măsurare calculează factorul de umplere al conductei notat cu b, cu valori 0 ... 1, în funcţie de debit. Se obţine astfel debitul prin conducta parţial umplută:

DV = v p ⋅ k 3 ⋅ b , unde vp este viteza fluidului prin debitmetrul parţial umplut iar k3 este constanta debitmetrului. Datele se transmit printr-o interfaţă numerică serială la un calculator. Calibrarea se face static şi dinamic, în două etape: întâi se determină constanta de calibrare cu un tub de măsurare complet umplut. Calibrarea statică înseamnă determinarea factorilor de corecţie pentru măsurarea nivelului, pentru mai multe nivele de lichid şi diverse lichide, comparativ cu un sistem de măsurare de referinţă. Calibrarea dinamică foloseşte un ansamblu special de calibrare. Debitmetrul parţial umplut se calibrează faţă de un debitmetru electromagnetic de referinţă la diverse nivele de umplere şi diverse viteze ale fluidului. Avantaje: Debitmetrul electromagnetic nu are părţi în mişcare sau părţi care obstrucţionează fluidul. Valurile de la suprafaţa lichidului, din conductele parţial pline, în special când sunt la nivelul electrozilor, pot determina fluctuaţii ale semnalului de ieşire. Această problemă se elimină folosind circuite cu logică fuzzy şi circuite speciale de filtrare.

154

10.8 Debitmetre ultrasonore pentru temperaturi mari Problema principală la măsurarea debitelor folosind debitmetre ultrasonore la temperaturi peste 260°C constă în asigurarea funcţionării traductoarelor care generează sau detectează undele ultrasonore. A doua problemă este cuplarea undelor ultrasonore la traductorul generator şi la cel receptor, cu fluidul (pentru traductoare ude) şi cuplarea ultrasunetelor în şi din conductă (pentru traductoare exterioare). Nu trebuie perturbat fluidul sau temperatura sa. De exemplu, răcirea locală în zona traductoarelor ar determina particulele solide să se precipite acolo şi să blocheze ultrasunetele. Cele mai multe debitmetre ultrasonore folosesc traductoare piezoelectrice pentru generarea şi detectarea ultrasunetelor. Ambele folosesc aceleaşi tipuri de materiale, de exemplu niobatul de litiu care îşi păstrează proprietăţile piezoelectrice până la punctul Curie, de aproximativ 1210°C. Dacă trebuie proiectat şi realizat un traductor pentru temperaturi mari folosind acest material, apar mai multe probleme tehnice, şi anume: - dacă nu este prezent oxigen în exces, niobatul de litiu îşi pierde propriul oxigen şi nu mai funcţionează corect. Se pot folosi materiale ceramice feroelectrice care îşi reţin oxigenul lor până la 300... 500°C; - expansiunea termică diferenţială face greu de încapsulat piezoceramica în carcasă metalică, de exemplu titan; - fără amortizare, traductoarele tind să vibreze şi impulsurile lor se deformează. O modalitate de a evita temperatura mare este folosirea unui cilindru tampon din metal solid, de exemplu oţel, oţel inoxidabil sau tungsten. Pentru debite de gaze se folosesc drept tampon mănunchiuri de sute de fire introduse într-un cilindru rezistent la coroziune. Tamponul trebuie să conducă bine undele ultrasonore. 10.9 Traductoare de nivel Sistemele pentru controlul nivelului sunt de patru tipuri: - control într-un punct, de exemplu menţinerea unui rezervor plin cu lichid, fără ca acesta să depăşească limita maximă sau minimă. Când lichidul atinge un nivel critic, traductorul de nivel activează o pompă sau deschide o supapă. - control în două puncte, de exemplu menţinerea nivelului unui lichid dintr-un rezervor între două puncte. Tipurile de traductoare compatibile cu aceste aplicaţii sunt aceleaşi ca pentru sistemele de control într-un punct.

155

- control în mai multe puncte şi - control continuu, care foloseşte traductoare cu semnal de ieşire continuu. Traductoare de nivel cu plutitor Sunt traductoare complexe care conţin un plutitor ce dă informaţii asupra nivelului, un siste mecanic care transferă deplasarea plutitorului şi un traductor de deplasare (rezistiv, reostatic, inductiv, cu senzor Hall, etc.). Traductorul de nivel cu plutitor se activează sau se dezactivează după o cursă tipică de 3 mm. Un exemplu de traductor de nivel cu plutitor este indicatorul de benzină de la automobile. Traductoare de nivel cu măsurarea greutăţii sau presiunii Principiul constă în măsurarea greutăţii rezervorului cu un traductor de forţă, sau a diferenţei de presiune cu un traductor de presiune, ambele mărimi fiind liniar dependente de nivelul lichidului din rezervor. Principala sursă de eroare este variaţia densităţii lichidului cu temperatura. Adaptorul electronic folosit trebuie să asigure o decalare a originii de măsurare pentru a ţine seama de greutatea rezervorului gol. O aplicaţie a traductoarelor de nivel cu măsurarea presiunii este analiza şi monitorizarea stabilităţii navelor, fără a măsura densitatea apei. Traductoare de nivel cu sesizarea atingerii unui anumit nivel O metodă foarte des folosită în măsurarea nivelelor este utilizarea unui traductor de temperatură (de exemplu, termistor în regim de autoîncălzire) a cărui temperatură scade brusc dacă intră în contact cu lichidul. În cazul lichidelor conductoare, sesizarea atingerii uni nivel dat se face prin închiderea unui circuit, cele două contacte fiind plasate în rezervor. O extindere a acestei metode este traductorul de nivel numeric, realizat prin montarea unui lanţ de contacte pe generatoarea rezervorului, obţinându-se astfel o cuantificare a nivelului în funcţie de numărul de contacte. Traductoare de nivel capacitive Cel mai simplu traductor de nivel capacitiv are doi electrozi, unul fiind o vergea izolată introdusă în rezervorul cu lichid iar celălalt electrod fiind peretele rezervorului. Dacă rezervorul nu are o formă geometrică regulată, traductorul capacitiv are cei doi electrozi profilaţi corespunzător, astfel încât să existe o dependenţă liniară între capacitate şi cantitatea de lichid. Avantajele traductoarelor de nivel capacitive sunt funcţionarea cu lichide sau pulberi conductoare sau izolante şi semnal de ieşire în curent alternativ. Traductoare de nivel cu ultrasunete Măsoară durata de timp între momentul emisiei unui impuls ultrasonor şi momentul recepţionării impulsului reflectat de suprafaţa lichid – gaz. Cunoscând viteza sunetului în mediul de propagare, se determină distanţa deci nivelul. Metoda este folosită atât pentru lichide cât şi pentru solide, făcând măsurători continui sau intermitente.

156

Traductoare de nivel cu microunde Materialele conductoare reflectă microundele iar materialele dielectrice le atenuează. Pentru măsurarea nivelului lichidelor sau pulberilor conductoare se procedează astfel: un emiţător transmite un fascicol de microunde în impulsuri spre lichid, care este reflectat şi captat de o antenă şi apoi transmis receptorului. Timpul necesar fascicolului să ajungă de la emiţător la receptor este o măsură a nivelului. Traductoare de nivel optoelectronice Aceste traductoare detectează nivelul de lichid prin transmiterea unei radiaţii în infraroşu spre o prismă optică fixată la capătul fibrei optice. Dacă prisma optică este în lichid, fascicolul în infraroşu se refractă. Dacă prisma este uscată, fascicolul în infraroşu este reflectat de prismă înapoi în fibra optică. Există şi traductoare de nivel numerice cu fibre optice la care s-a înlăturat îmbrăcămintea pe porţiuni de lungime identică însă poziţionate după un cod (de exemplu, codul Gray cu şase biţi). Lichidul asigură condiţia de reflexie internă totală a radiaţiei optice pentru zonele cu fibră optică fără înveliş. Traductoare de nivel cu radiaţii nucleare Acestea se folosesc la măsurarea nivelului lichidelor toxice, inflamabile, explozive, corozive, nefiind permisă nici un fel de trecere electrică sau mecanică între interiorul şi exteriorul rezrvorului. Sursa radioactivă este plasată pe un plutitor, la suprafaţa lichidului şi, cu un detector aflat în afara rezervorului, se măsoară intensitatea radiaţiei (care este invers proporţională cu pătratul distanţei sursă – detector) şi atenuarea radiaţiei de stratul de lichid al cărui nivel de determină.

157

CAPITOLUL 11

TRADUCTOARE MAGNETICE

11.1 Senzori de câmp magnetic Măsurarea câmpului magnetic este necesară pentru a detecta prezenţa obiectelor mari feromagnetice care schimbă distribuţia câmpului magnetic. Curenţii din circuitele electrice generează câmpuri magnetice proporţionale. Astfel, se pot măsura indirect curenţii electrici prin măsurarea câmpurilor magnetice. Detecţia variaţiilor de câmp magnetic are utilizări în industria minieră, pilotarea automată a aparatelor de zbor, detectarea şi localizarea aparatelor de zbor, vehiculelor, submarinelor, navelor, etc. În multe cazuri, navele de detectat au o semnătură magnetică diferită de a altora, putându-se astfel distinge cu uşurinţă. Amplitudinea câmpului magnetic depinde de distanţă, făcând posibilă localizarea şi urmărirea. Fenomenul are aplicaţii în controlul traficului autostrăzilor, porturilor şi aeroporturilor evoluate, prin dispunerea unor suprafeţe de traductoare de câmp magnetic în zonele de interes. Senzorii de câmp magnetic funcţionează pe baza forţei Lorentz exercitată asupra electronilor care se mişcă în metale, semiconductoare sau izolatoare:

F = −qv × B unde q este sarcina electronului, v este viteza electronului, iar B este inducţia magnetică ce acţionează asupra purtătorilor de sarcină şi determină răspunsul senzorului. Deoarece B = µµ 0 H , răspunsul senzorului este amplificat de permeabilitatea relativă mare. În funcţie de valoarea permeabilităţii magnetice, senzorii sunt de două tipuri: - senzori feromagnetici sau ferimagnetici, cu µ >> 1 şi sensibilitate mare; exemple: senzorii bazaţi pe magnetorezistenţă din straturi subţiri de NiFe, magnetostricţiunea învelişului de Ni a unei fibre optice sau efectele magneto-optice în granate, senzori combinaţi cu dispozitive concentratoare de flux; - senzori diamagnetici sau paramagnetici, cu µ ≈ 1 şi sensibilitate mică; exemple: dispozitive Hall, senzori Hall cu tranzistoare TECMOS sensibile la câmp magnetic, structuri Hall heterojoncţiune, magnetotranzistoare, magnetodiode, magnetorezistoare, magnetometre cu fibră optică.

158

11.2 Senzori de câmp magnetic cu strat subţire metalic Sunt realizaţi din materiale feromagnetice, cei mai utilizaţi fiind din aliaj cu magnetostucţiune mică Ni81Fe19 (permalloy). Cel mai reprezentativ este senzorul magnetorezistiv din straturi anizotropice NiFe sau NiCo. Straturi cu magnetorezistenţă gigant Sunt straturi care, sub acţiunea unui câmp magnetic îşi modifică rezistenţa cu 10...20%. Mai multe straturi magnetice sunt separate de un strat nemagnetic. Datorită împrăştierii electronilor de conducţie, rezistenţa este maximă (< 10 MΩ) atunci când momentele magnetice ale straturilor sunt antiparalele şi minimă (> 5 Ω) când straturile sunt paralele. Structurile folosite în straturile cu magnetorezistenţă gigant sunt de trei tipuri: - în sandwich; - supape de spin antiferomagnetice; - multistraturi antiferomagnetice. În structurile cu tunelare cu magnetorezistenţă gigant, cele două straturi magnetice sunt separte de un strat izolator. Conducţia se datorează tunelării cuantice prin izolator. Mărimea curentului de tunelare dintre cele două straturi magnetice este modulată de direcţia vectorilor de magnetizaţie în cele două straturi. Calea de conducţie trebuie să fie perpendiculară pe planul materialului cu magnetorezistenţă gigant, deoarece există o diferenţă mare între conductivitatea căii de tunelare şi aceea a oricărei căi din plan. Dispozitivele cu tunelare au dimensiuni de câţiva µm, sunt realizate prin fotolitografie şi dau o variaţie a rezistenţei de 10...30 %. Câmpurile magnetice de saturaţie depind de compoziţia straturilor magnetice şi de metoda de obţinere a alinierii paralele sau antiparalele. Valorile câmpului magnetic de saturaţie sunt în gama 0,1 kA/m... 10 kA/m. Din acest motiv, aceşti senzori sunt foarte sensibili. Stratul de tunelare permite realizarea senzorilor cu rezistenţă electrică mare şi alimentare de la baterii (folosiţi în aplicaţii portabile). Structurile tip sandwich conţin două straturi magnetice moi, din aliaje de Fe, Ni şi Co, separate de un strat conductor nemagnetic (Cu). Cuplajul magnetic este slab. Straturile sunt realizate sub formă de benzi; câmpul magnetic ce trece de-a lungul benzii, roteşte straturile magnetice antiparalele. Un câmp magnetic extern, paralel cu banda, produce aceeaşi variaţie a rezistenţei. Câmpul magnetic perpendicular pe bandă are efect mic datorită câmpurilor de demagnetizare asociate cu dimensiuni mici ale obiectelor magnetice. Multistraturile antiferomagnetice au mai multe interfeţe decât tipurile sandwich şi deci variaţia rezistenţei este mai mare. Structurile tip supape antiferomagnetice seamănă cu cele tip sandwich.

159

Straturile subţiri cu magnetorezistenţă gigant depuse pe substraturi de Si pot fi configurate ca rezistoare, perechi de rezistoare sau punte Wheatstone. Dimensiunile şi cerinţele de putere de alimentare reduse le fac utile în aplicaţii de detecţie a câmpurilor magnetice mici, sub formă de suprafeţe de senzori. Straturi anizotropice convenţionale cu magnetorezistenţă Senzorii folosesc efectul magnetorezistiv, definit prin proprietatea unui material magnetic prin care trece un curent electric de a-şi schimba rezistivitatea în prezenţa unui câmp magnetic extern. Schimbarea are loc prin rotirea magnetizării faţă de direcţia curentului. La permalloy, o rotaţie cu 90° a magnetizării datorită aplicării unui câmp magnetic perpendicular pe direcţia curentului, produce o variaţie a rezistivităţii de 2... 3 %. Rezistivitatea depinde neliniar de câmpul magnetic. Magnetometru cu flux poartă Magnetometrele sunt dispozitive care determină prezenţa unui câmp magnetic, mărimea şi direcţia acelui câmp. Sunt utilizate la realizarea busolelor numerice. Un senzor de câmp magnetic este cuplat la un circuit integrat specific aplicaţiei (ASIC), combinaţia constând din două bobine neliniare cu circuite de comandă echilibrate, controlul în curent a variaţiilor vitezei de creştere şi o metodă de măsurare a ieşirii senzorilor. Se foloseşte un singur circuit pentru comanda şi monitorizarea ambilor senzori. Un circuit numeric urmăreşte în orice moment care senzor este accesat şi memorează datele în registrul corespunzător. Cu un circuit de test, convertorul analog-numeric monitorizează continuitatea bobinei senzor. Semnalul de ieşire este sub forma unor coduri de eroare, pe care un procesor central le transmite pentru afişare. Combinaţia senzor - ASIC elimină parţial procesările analogice complexe. Circuitul ASIC are cerinţe scăzute de putere electrică, putând fi alimentat de la baterie. Nu este necesară procesarea tensiunilor sau curenţilor de nivel mic prin amplificatoare de câştig mare, integratoare sau filtre analogice. Toate decalajele şi zgomotele sunt corectate numeric. Sensibilitatea se ajustează cu registre numerice şi nu cu rezistoare sau condensatoare de fixare analogică a câştigului. Circuitul ASIC se interfaţează cu o clasă specială de bobine neliniare, care au proprietatea de a-şi schimba inductanţa în prezenţa variaţiilor mici ale câmpului magnetic. El nu necesită bobine separate senzor şi de comandă, ambele funcţii fiind implementate într-o singură bobină. Circuitul ASIC poate comanda două bobine, orientate perpendicular una pe cealaltă, permiţând detecţia unei unde sinus şi a unei unde cosinus.

160

11.3 Senzori de câmp magnetic cu semiconductoare Senzorii de câmp magnetic cu semiconductoare sunt flexibili în proiectare şi aplicaţii, au dimensiuni mici, sunt robuşti şi au ieşire în semnal electric. Sunt fabricaţi din Si sau materiale semiconductoare în amestec, din grupele IIIV. Sunt ieftini deoarece sunt realizaţi în tehnologia circuitelor integrate. Dispozitivele includ elemente Hall de volum şi cu strat de inversiune, magnetotranzistoare, magnetodiode şi magnetometre. Anumiţi senzori cu semiconductoare III-V au rezoluţie magnetică superioară dispozitivelor comparabile din siliciu datorită mobilităţii mai mari a purtătorilor. Materialele semiconductoare din grupele III-V sunt folosite sub forma dispozitivelor Hall şi a celor magnetorezistive. 11.3 1 Senzori Hall Placa Hall ideală Placa Hall este o placă subţire, dreptunghiulară, din material cu rezistivitate mare, prevăzută cu patru contacte ohmice, fig. 11.1. B I

VH h

g

L

Fig. 11.1

Tensiunea Hall, notată prin VH este proporţională cu inducţia magnetică B perpendiculară şi curentul de polarizare I:

V H = RH BI

GIBrn G =− g qng

161

Factorul geometric de corecţie G depinde de lungimea L, lăţimea h, mărimea şi poziţia contactelor electrice şi unghiul Hall, notat θH. Pentru o placă de lungime infinită, G ≈ 1. Placa Hall se poate realiza din Si n uniform, cu rezistivitatea de 1 Ωcm, la temperatura camerei. Pentru senzorul Hall se definesc trei sensibilităţi: - Sensibilitatea absolută, care este factorul de conversie pentru semnale mari: S A =

VH ; raportul între sensibilitatea absolută a unui senzor Hall modulat B

şi mărimea de polarizare (curent sau tensiune) dă sensibilitatea relativă.

S A VH = iar I BI

-

Sensibilitatea relativă de curent este: S I =

-

Sensibilitatea relativă de tensiune este: SV =

SA V = H . V BV

Senzori Hall integraţi de volum a) Senzori Hall integraţi orizontal Au fost realizaţi prima dată de Bosch, în anii ‘70. O placă Hall integrată orizontal este realizată prin creştere epitaxială n, pe un substrat p, într-un proces tehnologic pentru circuite integrate bipolare din Si. Izolarea plăcii Hall de restul cipului se face cu joncţiuni p-n polarizate invers. Se preferă semiconductor tip n ca material activ, datorită sensibilităţii relative de tensiune mai mari. Pe lângă senzorul Hall, în acelaşi circuit se realizează circuitele de stabilizare şi amplificare. Aceşti senzori sunt sensibili la vectori de inducţie magnetică B perpendiculari pe suprafaţa senzorului. Se realizează şi comutatoare Hall, pentru aplicaţii unde este necesară numai ieşire logică; acestea au un trigger Schmitt pentru controlul etajului de ieşire. De asemenea, pentru realizarea senzorilor Hall integraţi se foloseşte şi GaAs datorită mobilităţii mai mari de peste cinci ori a electronilor decât la Si şi datorită temperaturilor de funcţionare mai mari. b) Senzori Hall integraţi vertical Sunt sensibili la vectori inducţie magnetică B paraleli cu planul senzorului. Structura este realizată în tehnologie CMOS, astfel încât toate contactele electrice necesare sunt la partea superioară. Regiunea activă a dispozitivului este un substrat n iar regiunea izolatoare inelară este de tip p, realizată prin difuzie (joncţiune p-n polarizată invers). c) Senzori Hall integraţi cu amplificator diferenţial Sunt compuşi dintr-o placă Hall orizontală tip n şi două tranzistoare bipolare pn-p ce formează o parte din amplificatorul diferenţial. Stratul de Si tip n de la

162

partea superioară este şi placa Hall şi regiunea de bază comună pentru cele două tranzistoare. Funcţionarea se bazează modularea purtătorilor minoritari injectaţi de câmpul Hall produs de curentul purtătorilor majoritari din bază. d) Senzori Hall integraţi cu tranzistoare cu efect de câmp Suprafaţa stratului de inversiune sau canalul unui tranzistor TECMOS poate fi folosită ca regiune activă a unui senzor Hall. Aceste dispozitive sunt prescurtate MAGFET, existând două variante: Hall MAGFET şi MAGFET cu drenă duală. La senzorii Hall MAGFET, canalul se foloseşte ca placă Hall subţire. MAGFET folosit în regiunea liniară este similar cu o placa Hall de volum. Sensibilitatea relativă de curent este de sute V/AT. Se realizează în tehnologie NMOS, cu poartă din polisiliciu. Se folosesc drept comutatoare fără contact, pentru tastaturi. MAGFET cu drenă duală are regiunea de drenă împărţită în două. Inducţia magnetică perpendiculară pe stratul de inversiune produce un curent de dezechilibru ∆ID = ID1 – ID2 între cele două drene. Un MAGFET cu drena duală integrat cu un oscilator controlat în curent formează un oscilator controlat de câmpul magnetic. Frecvenţa sa variază liniar cu inducţia magnetică în jurul unei frecvenţe centrale. O altă variantă de senzor MAGFET cu drena duală este MAGFET dublu cu drena duală, cu o pereche de MAGFET cu drena duală dispuse în configuraţie de amplificator diferenţial CMOS. e) Senzori Hall integraţi cu heterojoncţiuni Regiunea activă este un strat dreptunghiular foarte subţire, localizat într-o heterojoncţiune (AlGa)As/GaAs. Poate detecta câmpuri magnetice foarte scăzute, de exemplu 2 nT, la frecvenţa de 1 kHz. Varianta cu contact dual la regiunea activă are o sensibilitate de 48 %/T, la temperatura camerei. 11.3.2 Magnetotranzistoare ( MT ) Sunt tranzistoare bipolare proiectate astfel încât curentul de colector este modulat de câmpul magnetic. În funcţie de geometria MT, se pot detecta câmpuri magnetice paralele sau perpendiculare la planul cipului. Multe MT au structură duală de colector. La câmp magnetic zero, funcţionarea lor este simetrică în raport cu cele două colectoare, curenţii de colector fiind egali. În prezenţa unui câmp magnetic, forţa Lorentz creează o asimetrie a distribuţiei de potenţial şi de curent, rezultând un dezechilibru al curenţilor de colector. MT sunt realizate în tehnologie CMOS. Magnetotranzistoarele (MT) se împart în două grupe: - MT pentru o singură dimensiune, notate ID, care măsoară amplitudinea câmpului magnetic perpendicular pe planul cipului (MT laterale) sau

163

-

paralel la planul cipului (MT verticale, MT laterale şi MT cu injecţie suprimată prin pereţii laterali); MT tip sondă vectorială, care măsoară amplitudinea şi direcţia vectorului inducţie magnetică în două dimensiuni (vectorul B este paralel cu planul structurii) sau 3D.

11.3.3 Magnetodiode (MD) Concentraţia de purtători printr-o placă semiconductoare intrinsecă, parcursă de curent şi expusă unui câmp magnetic este modulată de efectul de magnetoconcentrare. Magnetodiodele (MD) folosesc acest efect în combinaţie cu fenomenele de dublă injecţie şi de recombinare la suprafaţă. Electronii şi golurile injectate de contactele de capăt ale plăcii semiconductoare sunt deviaţi de forţa Lorentz spre aceeaşi suprafaţă, unde se recombină. Datorită variaţiei concentraţiei de purtători, magnetodiodele sunt lente, frecvenţa limită superioară fiind 10 MHz. Structura unei magnetodiode cuprinde o placă semiconductoare slab dopată ncuprinsă între două zone subţiri p+ şi n+. Există magnetodiode discrete din Si, Ge sau GaAs. Prima magnetodiodă integrată a fost realizată în tehnologia circuitelor integrate din siliciu pe safir. Ea funcţionează pe baza vitezei mari de recombinare a interfeţei Si/Al2O3 şi a vitezei mici de recombinare a interfeţei Si/SiO2. În aplicaţii, sunt preferaţi senzorii realizaţi în tehnica CMOS. Se obţine astfel o structură asemănătoare unui tranzistor bipolar, dar a cărei funcţionare este a unei magnetodiode. O joncţiune p-n polarizată invers funcţionează ca interfaţă cu recombinare mare. Sensibilitatea unei asemenea magnetodiode CMOS este de 5 V/mAT, la curenţi de polarizare de câţiva mA. 11.4 Senzori optoelectronici de câmp magnetic Aceşti senzori folosesc radiaţia optică drept semnal purtător intermediar. Senzorii magneto-optici se bazează pe rotaţia Faraday a planului de polarizare a radiaţiei optice polarizate liniar. Sunt realizaţi din bobine de fibre optice, cu o cale lungă a radiaţiei optice şi corespunzător, o rotaţie mare pe unitatea de câmp magnetic. Astfel, au fost realizaţi senzori de curent magneto-optici pentru liniile de transmisie de înaltă tensiune. Efortul transferat fibrei din materialul magnetostrictiv are ca efect o variaţie a lungimii căii optice, ce determină o deplasare de fază, detectată cu interferometrul cu fibră optică.

164

11.5 Senzori superconductori de câmp magnetic Sunt de două tipuri: - dispozitivele superconductoare cu interferenţă cuantică (SQUID); - supermagnetorezistoarele. Dispozitivul superconductor cu interferenţă cuantică este un magnetometru de mare rezoluţie, pentru gama pT. El exploatează efectele galvanomagnetice mecanice cuantice care au loc în joncţiunile Josephson între materiale superconductoare, de exemplu Nb / AlO3 / Nb, la temperaturi suficient de scăzute (sub 20 K). Folosind tehnici cu straturi subţiri, SQUID poate fi integrat într-un singur substrat, împreună cu o bobină de intrare superconductoare din niobiu şi circuitele de conversie de semnale. Supermagnetorezistoarele funcţionează la temperatura azotului lichid (77 K) şi răspund la câmpuri magnetice mici, cu inducţie magnetică sub 10 mT. Se bazează pe faptul că un câmp magnetic slab rupe superconductivitatea unui eşantion de ceramică granulară Y-Ba-Cu-O, prin creşterea rezistenţei între granulele superconductoare. Se obţine astfel o variaţie abruptă a rezistenţei eşantionului cu câmpul magnetic. Straturile de ceramică se realizează în meandre, prin piroliză şi evaporare.

165

CAPITOLUL 12

TRADUCTOARE CHIMICE

12.1 Traductoare pentru analiza gazelor Traductoarele pentru analiza gazelor (analizoarele de gaze) sunt destinate, în general, măsurării unui singur component dintr-un amestec de gaze. Funcţionarea lor se bazează pe măsurarea unui parametru fizic sau electrochimic al amestecului analizat. În funcţie de parametrul măsurat, analizoarele de gaze sunt de mai multe tipuri: - cu măsurarea conductivităţii termice; - cu măsurarea căldurii de reacţie; - cu măsurarea absorbţiei în infraroşu; - cu măsurarea susceptibilităţii magnetice; - cu măsurarea emisiei optice; - cu măsurarea masei atomice, etc. a) Analizoare de gaze cu măsurarea conductivităţii termice Conductivitatea termică a unui amestec de gaze este media aritmetică ponderată a conductivităţilor termice ale gazelor componente. Măsurarea conductivităţii termice a unui amestec de două gaze, cunoscând conductivităţile termice ale gazelor componente, permite determinarea concentraţiei procentuale a componentelor. Măsurarea conductivităţii termice se face prin determinarea puterii disipate de un fir subţire, metalic, în regim staţionar. Aplicaţiile tipice sunt: măsurarea conţinutului de CO2 în gazele de ardere, măsurarea hidrogenului şi SO2 din aer. b) Analizoare de gaze cu măsurarea căldurii de reacţie Conţinutul în componenţi combustibili sau în oxigen al unui amestec gazos se stabileşte prin arderea lui catalitică. Căldura de reacţie determină creşterea temperaturii catalizatorului, care este măsurată pe cale electrică (de exemplu catalizatorul este din platină şi i se măsoară variaţia de rezistenţă electrică).

166

Microcalorimetrele sunt senzori de tip generator, în care se detectează căldura unei reacţii chimice. La ieşire se obţine o tensiune electrică ce depinde de concentraţia substanţei care se măsoară. Microcalorimetrele pot fi utilizate în medii gazoase şi în medii lichide. În ambele cazuri, substanţa de măsurat este convertită într-o altă substanţă printr-o reacţie catalitică sau enzimatică care produce căldură. Catalizatorul sau enzima se depune pe suprafaţa sensibilă de interacţiune a senzorului termic. Există mai multe tipuri de microcalorimetre: bazate pe termistoare, straturi din mylar cu termopile din bismut - antimoniu, termopile integrate din siliciu şi termopile integrate din polisiliciu cu membrane din nitruri. Dispozitivele cu termopile integrate pentru lichide conţin o membrană închisă din siliciu, pe spatele ei fiind depusă o membrană din enzimă. Lichidul este separat astfel de partea electronică. c) Analizoare de gaze cu măsurarea absorbţiei în infraroşu Nivelul de absorbţie al radiaţiei infraroşii (IR) de către molecule, la orice frecvenţă, este constant şi independent de intensitatea radiaţiei IR, acest nivel oferind informaţii cantitative despre compoziţia gazului din mediul monitorizat. Aceste două proprietăţi ale spectroscopiei cu absorbţie permit realizarea de senzori care măsoară nivelul absolut al unui component, cu o calibrare constantă, ce este transferată între instrumentele de măsurare. Dezavantajul spectrometrelor cu absorbţie în IR este că nu pot măsura molecule simetrice (de exemplu N2, O2, H2) sau specii cu un singur atom, datorită lipsei momentului de dipol. d) Analizoare de gaze cu măsurarea susceptibilităţii magnetice Se bazează pe diferenţa între componenţii unui amestec de gaze în ceea ce priveşte susceptibilitatea magnetică χ. Dintre gaze, cea mai mare susceptibilitate magnetică specifică (χ / densitate) o are oxigenul, apoi dioxidul de azot (aproximativ 0,43 din cea a O2) . Pentru restul gazelor de interes (N2, H2, C02, NH3, CH4, C2H2, etc.) sunt caracteristice valori negative, de 500 ... 1000 ori mai mici decât la oxigen. Din acest motiv, analizoarele bazate pe măsurarea susceptibilităţii magnetice se folosesc numai ca analizoare de oxigen, având gama de măsurare cea mai sensibilă, de aproximativ 1 % O2. e) Spectrometre cu emisie optică Sunt folosite în aplicaţii de producţie de materiale semiconductoare. O condiţie necesară este ca eşantionul să emită radiaţie optică, uzual folosind descărcare electrică sau plasmă. Spectrometrele cu emisie optică fac analize calitative, prin detectarea spectrului emis la una sau la mai multe lungimi de undă. Nu pot face însă analize

167

cantitative corecte, datorită variaţiilor plasmei, câmpului de vedere al instrumentului şi degradării materialului ferestrei optice. f) Spectrometre de masă Permit determinarea exactă a maselor atomice, pe baza diferenţei între masele atomilor individuali, cu ajutorul deviaţiei ionilor substanţelor în câmp electric şi/sau magnetic. Spectrometria de masă se bazează pe ionizarea atomilor sau moleculelor, accelerarea ionilor, separarea lor în funcţie de raportul masă/sarcină, detectarea ionilor, amplificarea semnalului, înregistrarea şi interpretarea spectrului. Energia necesară pentru ionizarea moleculelor provine de la fascicole de electroni, ioni sau atomi, câmpuri sau descărcări electrice, fascicole laser sau energie termică. Ionii sunt acceleraţi folosind câmpuri electrice obţinute cu tensiuni de 400 ... 4000 V, aplicate între electrozi cu fante. Separarea ionilor se face în câmpuri electrostatice, magnetice, pe baza timpului de tranzit, prin focalizarea cicloidală sau în câmpuri de radiofrecvenţă. Detectoarele de ioni folosite cel mai frecvent sunt: plăcile fotografice, detectoare cu tub Faraday, multiplicatoare cu emisie secundară, etc. Spectrul de masă este o amprentă a unei molecule, deoarece doi compuşi nu se fragmentează la fel. Aplicaţiile spectrometriei de masă sunt în chimia organică şi biochimie, pentru determinări calitative, cantitative şi de structură. g) Analizor de oxigen cu diodă laser şi emisie de suprafaţă Analizorul este proiectat pentru o lungime de undă centrală de aproximativ 763 nm, unde absorbţia datorată tranziţiilor dipolilor magnetici din molecula de oxigen este prezentă fără interferenţele de la alte gaze. Dioda laser folosită este cu cavitate verticală şi emisie de suprafaţă (VCSEL) din GaAs/AlGaAs şi trebuie să aibă un singur mod transversal. Pentru funcţionare, lăţimea spectrală trebuie să fie îngustă, mai mică decât 30 MHz, iar nivelul de zgomot, scăzut. Variaţia de frecvenţă optică pe termen lung, mai mică decât 1 GHz/lună, corespunde unei stabilităţi a lungimii de undă de 0,002 nm/lună. Dioda laser are temperatura controlată, iar curentul provine de la o sursă de curent de zgomot scăzut, modulat extern cu două generatoare de funcţii. Fascicolul optic este trimis spre un despicător de fascicol, de la care o parte este focalizată direct pe o fotodiodă de Si, plasată la 3 cm de dioda laser. Cealaltă parte a fascicolului este transmisă printr-o cale de 1 m de aer (concentraţia de oxigen 20 %) spre a doua fotodiodă de Si. Lungimea de undă a diodei laser este variată în jurul unui curent continuu de polarizare, cu un semnal sinusoidal suprapus, care permite detecţia la ieşire a armonicii a doua. La creşterea curentului prin dioda laser, amplitudinea creşte, datorită creşterii absorbţiei optice a liniilor cu lungimi de undă mai mari. Rezoluţia analizorului de oxigen descris este de 0,2 % O2/m de cale optică.

168

Creşterea sensibilităţii pentru aceeaşi lungime a căii optice se obţine prin reducerea gradienţilor termici, a curenţilor de aer şi a zgomotului provenit de la sursa de alimentare. 12.2 Cromatografe de gaze Cromatografele de gaze realizează separarea componenţilor unui amestec de gaze, prin injecţia sa într-o coloană prin care este vehiculat de un gaz purtător. Durata de reţinere de către coloană diferă pentru fiecare component, astfel că, la ieşirea din coloană componenţii apar succesiv. Concentraţia fiecărui component se determină folosind un traductor termoconductometric. 12.3 Traductoare electronice de umiditate Umiditatea reprezintă conţinutul de apă dintr-un material solid, lichid sau gazos. Umiditatea materialelor solide sau lichide se exprimă ca umiditate relativă, iar măsurarea ei se realizează cu instrumente denumite umidimetre. Măsurarea umidităţii gazelor se realizează cu instrumente denumite higrometre. Umidimetrele electronice se pot grupa în: - umidimetre bazate pe măsurarea caracteristicilor electrice ale corpurilor, în funcţie de conţinutul lor de apă: conductivitate, permitivitate, absorbţia energiei la frecvenţă ultraînaltă, etc.; - umidimetre în infraroşu, bazate pe absorbţia relativă a energiei infraroşii de către corpurile umede. Variaţia de rezistivitate a materialelor solide, care în stare uscată sunt izolante, este de forma: p ≈ (umiditatea)-n, unde n = 8, ..., 16, în funcţie de natura materialului. În cazul lichidelor sau pulberilor, permitivitatea dielectrică depinde liniar de concentraţia volumetrică a apei. Umiditatea gazelor se determină prin măsurarea permitivităţii dielectrice (care creşte la creşterea conţinutului de apă), prin variaţia de rezistenţă sau capacitate electrică a senzorului datorită absorbţiei apei din gaz, etc. 12.3.1 Traductoare pentru măsurarea umidităţii gazelor Pentru calibrarea instrumentelor de măsurare a umidităţii se folosesc următoarele standarde: standarde primare, standarde de transfer şi dispozitive secundare.

169

1. Standardele primare de umiditate se bazează pe principii fundamentale şi unităţi de măsură de bază. Instrumentul standard folosit de laboratoarele de calibrare naţionale pentru măsurarea umidităţii este higrometrul gravimetric. Principiul de măsurare este următorul: o cantitate de gaz uscat este cântărită şi comparată cu greutatea gazului de test, de volum egal. Se determină mai întâi cantitatea de apă şi apoi se calculează presiunea vaporilor. Precizia măsurătorilor este bună, dar metoda este dificilă şi scumpă. La nivele scăzute de umiditate, dispozitivul are nevoie de mai multe ore de funcţionare pentru a obţine un eşantion destul de mare, de aceea, nu este un sistem practic pentru folosire zilnică. La nivele mai scăzute de umiditate şi acurateţe mai slabă, se folosesc ca standarde primare: generatoare cu două presiuni, generatoare cu două temperaturi, etc. 2. Standardele de transfer de umiditate se bazează de asemenea pe principii fundamentale şi au rezultate bune, stabile şi repetabile, dacă sunt folosite corect. Ca standarde de transfer se folosesc: higrometrul cu oglindă răcită, higrometrul electrolitic şi psihrometrul. a) Higrometrul cu oglindă răcită Foloseşte o suprafaţă oglindă, aflată în contact cu debitul de gaz care trebuie monitorizat, care este răcită până se formează condens. Temperatura la care se formează condensul se numeşte punct de rouă sau punct de îngheţare al gazului şi depinde de presiunea vaporilor saturaţi de apă ai eşantionului. Se poate calcula orice parametru echivalent higrometric, cu condiţia să fie cunoscute alte informaţii (de exemplu, presiunea şi temperatura gazului). Oglinda este încălzită şi răcită electric cu o pompă de căldură termoelectrică. Temperatura oglinzii se măsoară cu o termorezistenţă bobinată, legată într-o schemă de măsurare cu patru fire, fixată sau inclusă în oglindă. Punctul de rouă este valoarea la care trebuie să scadă temperatura, la presiune constantă, a unui gaz umed, pentru a satura vaporii de apă. Metoda punctului de rouă foloseşte relaţia dintre presiunea de saturaţie a vaporilor de apă, ps şi temperatură. Independent de temperatura ambiantă Ta, presiunea vaporilor pv este exprimată de temperatura punctului de rouă Tr, pentru care: ps(Tr) = pv(Ta). O alternativă la detectarea optică a picăturilor este folosirea unui senzor capacitiv pe un element Peltier şi detectarea variaţiei de capacitate între două perechi de electrozi cu structură interdigitată. Când are loc condensarea, impedanţa dintre electrozi scade brusc, datorită creşterii constantei dielectrice, care variază între 1 pentru aer umed şi 80 pentru apă. Avantajele detecţiei electrice a picăturilor de rouă faţă de detecţia optică sunt dimensiunile de gabarit mai mici, datorită structurii plate şi construcţia mai simplă, deoarece nu necesită aliniere optică. Aceste proprietăţi facilitează construirea

170

traductoarelor de umiditate sub formă de sonde, care pot fi introduse în conducte sau vase care conţin gazul umed ce trebuie măsurat. Traductoarele de umiditate tip sondă nu necesită pompă de aer, ca în cazul instrumentelor optice. Structurile capacitive plane sunt obţinute în tehnologia siliciului, permiţând integrarea unui senzor de temperatură în acelaşi ansamblu. b) Higrometrul electrolitic Foloseşte principiile legii electrolizei lui Faraday pentru a determina cantitatea de umezeală dintr-un debit de gaz. Vaporii de apă din gaz trec prin celula de măsurare a instrumentului şi, în urma electrolizei, sunt separaţi în H2 şi O2. Curentul consumat în acest proces depinde de cantitatea de apă supusă electrolizei. Presupunând că celula converteşte toată apa din debitul de gaz în părţile sale componente, măsurarea curentului reprezintă o măsură absolută a conţinutului de umezeală. Instrumentul se foloseşte în instalaţii automatizate. La măsurarea electrolitică a umezelii din gazele naturale, senzorul electrolitic constă din două fire (electrozi) bobinate pe un suport izolator. Spaţiul dintre fire este umplut de un electrolit într-un strat subţire, de exemplu oxid fosforic, P4O10, care adsoarbe vaporii de apă din gaz. Măsurarea umidităţii gazelor naturale se poate realiza şi prin alte tehnici: punctul de rouă (dew), tehnici capacitive, conductivitate, titrare, absorbţie în infraroşu şi cromatografie. Deoarece doar senzorul necesită calibrare, electroliza este una din cele mai precise metode de măsurare a umidităţii gazelor. Frecvenţa de calibrare este determinată de eficienţa senzorului, sistemul de manipulare a eşantionului de gaz, compoziţia gazului, condiţiile mediului ambiant şi specificaţiile gazului. c) Psihrometrul Diferenţa de temperatură psihrometrică se măsoară cu doi senzori de temperatură: unul uscat şi unul umed, expuşi simultan la un jet de gaz umed. Într-un psihrometru cu balon uscat sau umed se evaporă apa pură dintr-un tampon care înconjoară sonda de temperatură, plasată în curentul de gaz care trece peste tampon la o anumită viteză. După evaporare, temperatura balonului umed scade direct proporţional cu umiditatea relativă a gazului (umiditatea relativă a unui gaz se măsoară la temperatura predominantă a gazului, cu un termometru cu balon uscat). Deoarece diferenţa de temperatură depinde de căldura de evaporare a apei, dacă toţi parametrii de măsurare sunt cunoscuţi, se poate determina presiunea absolută a vaporilor de apă. Tehnica este folosită destul de rar, datorită numărului mare de variabile care influenţează rezultatele măsurătorilor şi care trebuie controlate cu acurateţe.

171

3. Standardele secundare de umiditate nu sunt instrumente fundamentale şi trebuie calibrate frecvent, folosind un standard de transfer sau un alt sistem fundamental. Sistemele secundare sunt rar folosite pentru calibrări de laborator, dar au aplicaţii în industrie şi monitorizarea clădirilor (de exemplu, condiţionarea aerului). Un senzor secundar măsoară variaţiile din propriile caracteristici, ca rezultat al expunerii la un fenomen sau proprietate. Senzorii secundari răspund fie la umiditatea relativă, fie la cea absolută, prin detectarea: - variaţiei de lungime a unui material (principiul higrometrului cu extensie); - variaţiei de greutate (principiul higrometrului cu absorbţie); - variaţiei de impedanţă sau capacitate (higrometre electronice). Umiditatea relativă (RH) este raportul dintre presiunea vaporilor de apă, pa şi presiunea vaporilor saturaţi, ps la temperatura predominantă a balonului uscat:

% RH = 100

pa ps

Măsurând temperatura balonului uscat, se poate calcula presiunea vaporilor saturaţi în funcţie de temperatură, cu relaţia:

(

)

p as = 1,0007 + 3,46 ⋅ 10 −6 ⋅ p ⋅ 6,112 [17 ,502⋅T / (240,97 +T )] Aceeaşi formulă se foloseşte şi pentru a calcula numărătonul, prin introducerea temperaturii punctului de rouă, Td. Se spune că un gaz este saturat atunci când este la temperatura punctului de rouă. Notaţiile folosite sunt: pa = presiunea vaporilor, [milibari]; pas = presiunea vaporilor saturaţi în raport cu apa, [milibari] la Td; p = presiunea totală [milibari]; T = temperatura [°C]; Td = temperatura punctului de rouă [°C]. Exemple de senzori secundari sunt higrometrele cu variaţia impedanţei şi senzorii pentru umiditate relativă cu strat de polimer. Higrometrele cu variaţia impedanţei sunt realizate în trei variante: ceramice, cu oxid de aluminiu şi cu oxid de siliciu şi se bazează pe variaţia unei mărimi electrice (capacitate, rezistenţă sau impedanţă) a unui strat poros. Calibrate şi folosite corect, aceste dispozitive asigură funcţionare continuă bună. Acurateţea este însă slabă, fiind nevoie de o calibrare regulată şi ajustări dese. Senzorii pentru umiditate relativă cu strat din polimer sunt construiţi din polimer cu dielectric higroscopic şi au răspuns electric corespunzător umidităţii relative (RH). Au preţ scăzut, dar aplicaţii limitate datorită variabilelor multiple (temperatura, presiunea, debitul, factorii contaminanţi, etc.).

172

12.3.2 Generatoare de umiditate Generatoarele de mediu cu umiditate cunoscută sunt folosite pentru analiza performanţelor senzorilor de umiditate. Sunt de mai multe tipuri: băi cu sare saturată, generatoare de umiditate cu debit divizat, generatoare cu două presiuni şi două temperaturi, etc. Băile cu sare saturată sunt printre cele mai vechi metode de generare de umiditate cunoscută, la diferite nivele. Valoarea reală a umidităţii este funcţie de proprietăţile chimice ale sării. Cu toate că o implementare bună a unei băi cu sare este un mediu adecvat pentru testarea senzorilor de umiditate relativă, aceste băi sunt însă, grele şi lente. Băile nu pot fi automatizate iar senzorii trebuie mutaţi fizic de la o baie la alta, când se doreşte o schimbare a nivelului umidităţii. Generatoarele de umiditate cu debit divizat sunt realizate în două variante. Variantele vechi divid debitul, mixând aer saturat şi uscat şi reglând debitul ambelor jeturi. Variantele noi divid debitul în domeniul timp, printr-o simplă deschidere a unei supape, alternând debitul de aer uscat şi aer saturat cu un ciclu de încărcare corespunzător. Avantajul dispozitivelor cu funcţionare în domeniul timp este preţul scăzut. Generatoarele de umiditate cu debit divizat nu sunt fundamentale şi necesită un higrometru cu oglindă răcită cu măsurarea punctului de rouă pentru verificarea mediului ambiant al camerei. Generatoarele cu două presiuni şi două temperaturi funcţionează prin saturarea unui jet de gaz la temperatură şi presiune cunoscute. Temperatura şi presiunea gazului pot fi modificate, pentru a obţine un gaz cu punct de rouă şi / sau umiditate relativă, cunoscute. Tehnologia este precisă şi se foloseşte în laboratoarele naţionale de calibrare. Dispozitivele sunt fundamentale şi nu necesită măsurarea umidităţii pentru verificare. Au nevoie însă de o calibrare periodică a tuturor componentelor de măsurare a temperaturii şi presiunii. 12.3.3 Senzori multifuncţionali de umiditate, temperatură şi presiune Un astfel de senzor are elementul sensibil construit dintr-un amestec polimeric special, semiconductor, cu rezistenţa electrică în gama 100 Ω … 1 MΩ. Caracteristica de transfer este aceeaşi ca tip de curbă şi pantă, indiferent de proprietatea detectată: variaţie pozitivă a rezistenţei la o variaţie pozitivă a umidităţii, variaţia presiunii şi / sau temperaturii. Senzorii pot fi proiectaţi şi să dea o variaţie negativă a rezistenţei, ca răspuns la o variaţie pozitivă a mărimii măsurate, fig. 12.1.

173

R [kΩ] 1000 Caracteristică parabolică 100 Caracteristică liniară 10 RH [%], T [0C] sau p [x 105 Pa] 0 20

40

60

80

100

Fig. 12.1

În fig. 12.1, în abscisă, mărimea măsurată poate fi: umiditate relativă (% RH) la 25 °C, temperatură în °C sau presiune (x 105 Pa) la 25 °C. Senzorii cu caracteristică de răspuns liniară se folosesc pentru circuite simple de condiţionare a semnalului. Senzorii cu caracteristică de transfer parabolică au pantă mai mare şi se folosesc în circuitele de control. Gama de variaţie a umidităţii relative este 0 % ... 100 %, a presiunii este (10 % … 90 %) x 105 Pa şi a temperaturii (- 40 °C ... +80 °C). Senzorul este realizat în mai multe variante, şi anume: - senzor închis într-o carcasă de plastic prevăzută cu găuri, pini de legătură şi elemente de montare pe placă de circuit imprimat; se pot monta unul până la patru senzori pe acelaşi substrat, într-o singură carcasă; - ansamblu de circuit în carcasă, cu comutator cu trei poziţii: ON, Automatic şi OFF; se montează pe perete şi poate comanda un dispozitiv (de exemplu, un ventilator); - sondă cilindrică din oţel inoxidabil cu substrat intern, cu până la patru senzori. Curentul de excitaţie este de aproximativ 1 mA pentru un senzor. Se pot folosi trei senzori pe acelaşi substrat (de exemplu, doi în faţă şi unul în spate). Senzorii multifuncţionali se folosesc în circuite de comutare, pentru aplicaţii de control, în mai multe variante: - cu prag fix (un punct fix pentru umiditate, presiune şi / sau temperatură); - cu prag reglabil (trei puncte prestabilite pentru umiditate, presiune şi/sau temperatură); - alte variante combinate.

174

12.4 Traductoare electrometrice de pH Măsura gradului de aciditate sau alcalinitate al unei soluţii este dată de concentraţia ionilor de hidrogen, exprimată prin pH. Potenţialul de hidrogen este: pH = - log(aH+), unde aH+ este activitatea ionilor de hidrogen. Apa pură, la temperatura de 25 °C, are pH = 7. Gama de valori pentru pH este 1 ... 14, valorile 1, ... 6,9 corespunzând soluţiilor acide, iar valorile 7,1... 14 corespund soluţiilor bazice. Metodele electrometrice de măsurare a pH-ului se bazează pe diferenţa de potenţial care apare între un electrod metalic cufundat într-o soluţie care conţine ionii săi, dependentă de concentraţia acestor ioni şi de temperatură, şi soluţie. Potenţialul unui electrod faţă de o soluţie nu se poate măsura fără un al doilea electrod, care realizează contactul la electrolit. Primul electrod al cărui potenţial depinde de concentraţia ionilor de hidrogen se numeşte electrod de măsurare. Ca electrozi de măsurare se utilizează electrodul de hidrogen şi electrodul de sticlă. Electrodul de hidrogen se compune dintr-o plăcuţă sau fir de platină cufundat în soluţie, peste el barbotându-se continuu hidrogen. Electrodul de sticlă este o membrană sferică de sticlă; în interiorul sferei se introduce o soluţie tampon cu un pH constant şi un electrod de contact. Al doilea electrod, al cărui potenţial trebuie să fie independent de concentraţia de ioni de hidrogen din soluţie, se numeşte electrod de referinţă. Ca electrod de referinţă se foloseşte electrodul de calomel, Hg2Cl2, saturat. Electrodul de măsurare şi electrodul de referinţă se închid în acelaşi ansamblu, formând o sondă de măsurare. Rezistenţa internă a traductorului de pH este foarte mare, de 1 ... 1000 MΩ, de asemenea, preamplificatorul de tensiune are rezistenţa de intrare foarte mare, în gama 1 ... 10 GΩ. 12.5 Senzori cu TECMOS pentru detecţia gazelor şi a ionilor 12.5.1 Principiul senzorilor cu TECMOS pentru detecţia gazelor şi a ionilor Tranzistoarele TECMOS sunt sensibile la anumite gaze sau ioni dacă se expune grila. Structura unui asemenea TECMOS este dată în fig.12.2.

175

Oxid

VG

Sursă

Poartă metalică VD

n+

Drenă

n+ L

Canal -VSS

Fig. 12.2

La aplicarea unei tensiuni pozitive pe poartă, la suprafaţa canalului (Si p) se creează un strat de inversiune şi se induce o sarcină proporţională cu capacitatea: Q = C ⋅ U . Dacă tensiunea porţii este mare şi pozitivă, anumite sarcini electrice apar ca electroni în stratul de inversiune. Se măsoară continuu curentul drenă sursă, IDS. Izolatorul folosit este SiO2. Stările de interfaţă sunt nivele de energie localizate, datorită neîmperecherii reţelelor cristaline, impurităţilor sau altor defecte. Dacă există multe stări de interfaţă, sarcina indusă de potenţialul de grilă VG şi care trebuie să fie în canal, este prinsă în stările de interfaţă. Ca urmare, conductivitatea nu se modifică. Prin canal trece curentul IDS, deoarece regiunile n+ fac un contact bun cu electronii din canalul indus. Pentru măsurarea curentului se aplică o tensiune pozitivă VD la drenă. La creşterea tensiunii VD, tranzistorul se saturează. Pentru a funcţiona ca senzor, potenţialul de grilă VG este menţinut constant şi adsorbţia gazului sau ionului de măsurat determină un mic câmp electric, care schimbă potenţialul de poartă, deci şi curentul drenă-sursă. 12.5.2 Senzori cu TECMOS pentru detecţia gazelor (GazFET) În cazul senzorului de H2 cu TECMOS cu poartă de paladiu, hidrogenul dizolvat în Pd (la aprox. 150 °C) se mută la interfaţa Pd / SiO2 şi formează un strat dipol. Dipolul modifică diferenţa funcţiilor de lucru între metal şi SiO2, rezultând o variaţie a potenţialului de poartă. Acest tip de senzor de H2 cu TECMOS cu poartă de Pd, poate detecta şi alte gaze, de exemplu H2S şi NH3, deoarece moleculele ce trebuie detectate disociază şi produc hidrogen.

176

În cazul senzorului cu TECMOS sensibil la CO, cu poartă din Pd / PdO, monoxidul de carbon trece prin pori şi interacţionează mai mult cu PdO decât cu Pd, care va fi doar puţin oxidat. La senzorul cu TECMOS cu absorbţie, cu strat de oxid izolator subţire, absorbţia moleculelor polare din faza de gaz, într-un strat foarte subţire de oxid (5 nm), are ca efect crearea unui câmp electric care afectează sarcina din canal. Se pot detecta astfel: H2O, NH3, HC1, CO, NO, NO2 şi SO2. 12.5.3 Senzori cu TECMOS pentru detecţia ionilor (ISFET) Pentru detecţia pH-ului sau a ionilor din soluţie, tranzistorul cu efect de câmp TECMOS este pregătit fără poarta din metal, fig. 12.3. V

Electrod de referintă

Capsulă Sursă

Drenă SiO2 n+

Substrat Si p

Fig. 12.3

Pentru realizarea canalului, se aplică tensiunea V la electrodul de referinţă din soluţia conductivă ionică, electrod care este plasat deasupra fostei porţi. Electrodul de referinţă reflectă cu acurateţe potenţialul în soluţie, independent de variaţiile substanţelor chimice dizolvate sau de valoarea pH- ului soluţiei. La interfaţa oxid - soluţie sunt adsorbiţi ioni. Pentru valori scăzute ale pH-ului sunt adsorbiţi protoni iar pentru valori mari ale pH-ului sunt adsorbiţi ionii OH-. Sarcinile adsorbite sunt atrase apoi şi neutralizate de ionii de semn contrar din soluţie. Se formează astfel un strat dublu, denumit strat Helmholtz. La interfaţă apare o diferenţă de potenţial a stratului dublu. De exemplu, în cazul acidului azotic HNO3, care are un pH mic (soluţie puternic acidă), protonii H+ sunt adsorbiţi la suprafaţă formând o faţă a stratului dublu, iar ionii negativi NO3- din soluţie sunt atraşi aproape de regiunea de suprafaţă, formând cealaltă faţă a stratului dublu.

177

Dezavantajele acestor dispozitive sunt lipsa stabilităţii şi dificultatea realizării unui electrod de referinţă fiabil. Problema stabilităţii este legată de stratul izolator, SiO2. De aceea SiO2 nu se foloseşte singur; se aplică procese de hidrare care schimbă grosimea sau constanta dielectrică a izolatorului. O alternativă este acoperirea stratului de SiO2 cu Si3N4 sau Al2O3. 12.5.4 Exploatarea senzorilor chimici din semiconductoare Senzorii chimici din semiconductoare au o mare problemă. Pentru a detecta specia chimică de interes, senzorii trebuie expuşi neprotejaţi în soluţie sau gaz. Este dificil ca senzorii să fie reversibil reactivi la gazele de interes şi nereactivi faţă de toate celelalte specii chimice din atmosferă sau din lichid. Din fericire, în multe cazuri este cunoscut modul de interferenţă şi nu este nevoie de un senzor ideal. De exemplu, efectul degradant al H2S sau Cl2 asupra unor senzori nu este o problemă, dacă utilizatorul este sigur că aceste specii nu vor fi prezente. Senzorii din metal - oxid semiconductor au cost scăzut, sensibilitate bună şi răspuns bun (variaţie de rezistenţă). Au însă probleme de reproductibilitate, stabilitate şi selectivitate. Senzorii GasFET au deriva mai scăzută pentru că nu sunt folosiţi în mediu prea reactiv şi au mai puţine probleme cu hidrarea. Sunt însă limitaţi la reacţiile catalitice posibile, deoarece trebuie să funcţioneze la temperatură mai scăzută decât senzorii metal-oxid. 12.6 Microsisteme de detecţie chimică Pentru a trece mai uşor de la variantele de detecţie convenţionale cu senzori chimici singulari la noile variante controlate de calculator, senzorii sunt combinaţi cu alte elemente de detecţie, într-un microsistem de detecţie chimic, care poate fi înlocuit ca un bloc dintr-un sistem de detecţie complex. Problemele realizării unui microsistem practic de măsurări chimice sunt: - partiţionarea sistemului; - proiectarea carcasei senzorului în acelaşi timp cu proiectarea senzorului; - optimizarea procesului: microsistemul trebuie să aibă abilitatea de a exploata materialul şi caracteristicile termice ale stratului senzor, în scopul optimizării răspunsului pentru un anumit gaz. Variaţia treptată a tensiunii de încălzire este folosită pentru a obţine un răspuns tranzitoriu dependent de gaz. Răspunsul senzorului trebuie optimizat pentru un anumit gaz specific, din gazele din mediul ambiant ce interferă sau chiar se poate ca

178

un senzor de gaz singular să fie folosit la caracterizarea un amestec de gaze, de exemplu: H2, CO şi CH4 (metan). Există, de asemenea, microsisteme de detecţie chimică sub formă de platformă sistem, utile în numeroase aplicaţii specifice de detecţie prin modificări simple ale blocurilor constructive, de exemplu: - algoritmi de control diferiţi, cu schimbări simple în pachetele de programe; - algoritmi de control combinat care pot reconfigura automat senzorul, pentru a detecta secvenţial mai multe gaze diferite sau pot pune senzorul într-un mod de lucru de aşteptare sigur, care să-l protejeze de condiţii neadecvate; - utilizatorul poate selecta diferite filtre chimice, pentru a înlătura anumite amestecuri chimice specifice (pentru protecţia senzorului); - combinaţia de filtre chimice şi partea analogică, până la algoritmii de control, pot fi specificate de beneficiar şi instalate de firma constructoare; - diferite straturi de oxid de metal depuse pe acelaşi substrat de Si pot creea platforme de traductoare chimice integrate. Pentru variantele viitoare, se vor dezvolta tehnici avansate de procesare a semnalelor, tehnici chemometrice, logică fuzzy şi reţele neurale, obţinute prin introducerea în aceeaşi capsulă a unui microcontroler. 12.7 Biosenzori Biosenzorii sunt o clasă specială de senzori chimici, ce folosesc avantajele marilor sensibilităţi şi selectivităţi ale materialelor biologic active. Comunicarea între organismele biologice se bazează pe semnale chimice. Aceste procese de comunicate pot fi considerate procese de biorecunoaştere, ce pot fi folosite ca intrări pentru senzori. Există o mare varietate de biosenzori, datontă faptului că există organisme, ţesuturi, celule, organe şi compuşi chimici biologici ce reacţionează cu o gamă mare de compuşi, de la molecule anorganice mici ca O2, până la proteine mari şi complicate şi diverşi carbohidraţi. Biosenzorul este un dispozitiv ce încorporează un element sensibil biologic şi un convertor intermediar tradiţional, fizic sau chimic. Elementul sensibil biologic recunoaşte selectiv o moleculă biologică particulară, printr-o reacţie tip adsorbţie sau alt proces fizic sau chimic, iar convertorul intermediar converteşte rezultatul acestei recunoaşteri într-un semnal utilizabil, de obicei electric sau optic. După metoda de detecţie, există două procese de biorecunoaştere: - procese cu bioafinitate şi - procese biometabolice. Ambele procese implică legarea unei specii chimice cu alta, cu structură complementară. Elementul de recunoaştere biologică este imobilizat într-o

179

membrană, la suprafaţa convertorului intermediar tradiţional. Astfel, elementul de biorecunoaştere este un bioreactor deasupra convertorului intermediar, răspunsul biosenzorului fiind determinat de difuzia elementelor analitice, produselor de reacţie, coreactanţilor şi speciilor de interferenţă şi de cinetica procesului de recunoaştere. Primul biosenzor realizat a fost electrodul cu enzimă glucoză oxidază, imobilizată pe un electrod de oxigen electrochimic. Biosenzorii se bazează pe dispozitive semiconductoare sensibile chimic, fibre optice, termistoare, unde ultrasonore de suprafaţă, electrozi chimici, microbalanţe piezoelectrice, etc.

180

CAPITOLUL 13

TRADUCTOARE PENTRU AUTOMOBILE

13.1 Traductoare de temperatură, căldură şi umiditate 13.1.1 Generalităţi Măsurarea temperaturii şi luarea în consideraţie a efectului său asupra performanţelor şi fiabilităţii componentelor automobilului este unul din cele mai importante aspecte ale proiectării autovehiculului. Sursele de căldură din automobilele moderne sunt: motorul, convertoarele catalitice, pierderile în convertoarele de putere (de exemplu., alternatorul) şi dispozitivele generatoare de căldură ca: parbrizele, scaunele şi oglinzile încălzite. Umiditatea se adaugă la efectul temperaturii asupra fiabilităţii componentelor şi influenţează performanţele autovehiculului şi confortul pasagerilor. Temperatura unui corp sau a unei substanţe este potenţialul său de debit de căldură, măsura energiei cinetice medii a moleculelor sale şi starea sa termică, adică abilitatea sa de a transfera căldura la alte corpuri sau substanţe. Temperatura afectează fiecare aspect al automobilului, de la performanţele motorului şi a diverselor sisteme, la confortul şoferului şi pasagerilor. Gama mare a temperaturilor de funcţionare a autovehiculului (-60°C ... +57°C) şi cea a modulelor electronice de sub capotă (- 40°C ... +125°C) şi din compartimentele pasagerilor (-40°C ... +85°C), afectează performanţele şi fiabilitatea componentelor electronice. Vâscozitatea fluidelor de ungere şi de răcire este, de asemenea, afectată de variaţiile mari de temperatură ce trebuie tolerate. Chiar vopseaua, ţesăturile, materialele plastice, obiectele de cauciuc şi alte materiale organice şi anorganice trebuie proiectate pentru a supravieţui mediilor cu temperaturi şi umiditate extreme. Măsurarea temperaturii acestor componente este esenţială în timpul proiectării şi dezvoltării autovehiculului. Energia termică se transferă cu variaţiile corespunzătoare de temperatură prin conducţie, convecţie şi/sau radiaţie. Conducţia are loc prin difuzia în materiale solide, lichide sau gaze staţionare; convecţia implică mişcarea lichidului sau gazului între două puncte, iar radiaţia are loc prin unde electromagnetice.

181

Surse de căldură în autovehicule Pe lângă creşterea temperaturii generată de razele soarelui asupra metalului sau sticlei din caroseria autovehiculului, există multe dispozitive generatoare de căldură într-un autovehicul, exemplificate în tabelul 13.1. În automobilele echipate cu motor cu ardere internă, principala sursă de căldură este motorul. Din acest motiv compartimentul motor este clasificat ca un mediu cu +125°C pentru componentele electronice, cu toate că se ating temperaturi mult mai mari în camera de ardere (> 1000°C) sau pe blocul motor. Tabel 13.1 Categoria Motor Convertor catalitic Frecare pneuri – drum Frâne Mişcare mecanică Schimbătoare de căldură Încălzitoare electrice Înfăşurări electrice Rezistoare Becuri Tranzistoare de putere Bateria de acumulatoare

Exemplu Procesul de combustie/ aprindere Reacţie chimică Pneuri Disc/ tambur Transmisie/ax spate/pompa de aer Radiator (răcitor), încălzitor Parbriz, scaune, oglinzi Motoare, alternatoare, solenoizi Rezistorul de balast Faruri, lămpi Comandă aprindere, stabilizator Sulfură de sodiu

Temp. max. [°C] >1000 >1000 175 Ta +25 1, oxigen în exces) generează nivele mari de NOx şi oxigen liber. Temperaturile mai scăzute ale camerei de ardere, asociate cu raporturi de amestec cu λ > 1,2 au ca efect reducerea concentraţiilor de NOx şi creşterea concentraţiilor de HC. Emisiile maxime de CO2 au loc la un amestec uşor sărac (λ ≈ 1,1). Concepte de proiectare ale buclei închise de control lambda Elementele principale care definesc sistemele de control în buclă închisă lambda sunt: proiectarea motorului, limitele de emisie, consumul de combustibil şi cerinţele de performanţă şi funcţionare silenţioasă.

186

Tratarea catalitică a gazelor evacuate este esenţială pentru respectarea standardelor de emisie curente. În procesul catalitic, CO, H2 şi HC sunt oxidate pentru a forma CO2 şi H2O, iar constituenţii NOx sunt reduşi la N2 şi O2. Convertorul catalitic cu trei căi (convertor catalitic selectiv) şi un sistem de control în buclă închisă care foloseşte un senzor lambda sunt elementele esenţiale pentru obţinerea reducerilor adecvate a celor trei poluanţi. Motorul trebuie să funcţioneze într-o gamă îngustă de variaţie | ∆λ⏐< 0,005 la λ = 1. Controlul lambda în buclă închisă este încorporat în sistemul de control electronic al motorului. Sistemul de control reglează parametrul λ în amonte de convertorul catalitic, cu ajutorul unui senzor de O2. Rezultă întârzieri mari ale sistemului de control, mai ales la viteze scăzute. Din acest motiv, sistemul trebuie să conţină o funcţie pilot de control, capabilă de reglarea amestecului la valoarea λ dorită, cu un grad de precizie maxim posibil. Se evită astfel scăderea performanţelor automobilului şi creşterea nivelului de gaze poluante evacuate. Conceptul de control în buclă închisă folosit curent în motoarele cu aprindere prin scânteie se bazează pe control în două puncte cu λ = 1 (fig. 13.1), cu compoziţia amestecului oscilând în jurul valorii optime pentru λ. aer

Sistem de formare a amestecului

amestec

Gaz evacuat Motor Senzor λ

combustibil Precontrol stabil / instabil

amestec CONTROL bogat / ELECTRONIC sărac Comparator Us

Catalizator cu 3 căi

Controler PI Uprag

Fig. 13.1

Când amestecul trece de la bogat la sărac, tensiunea Us de la sonda λ, scade de la aproximativ 0,8 V (λ < 1) la aproximativ 0,1 V (λ > 1), cu variaţie rapidă a semnalului la λ = 1. Când tensiunea Us trece peste tensiunea de prag fixată, de exemplu Uprag ≈ 0,45V, sistemul răspunde sărăcind progresiv amestecul până când tensiunea Us cade din nou sub prag. Când acest proces este încheiat, sistemul îşi inversează ieşirea, îmbogăţind gradat amestecul.

187

În funcţie de întârzierea amestecului, oscilaţiile sistemului de control sunt în gama 0,5 ... 5 Hz, cu o amplitudine ∆λ = ± 0,01 ... 0,05 faţă de λ medie. În timpul perioadei de sărăcire, convertorul catalitic stochează oxigen pentru a-l elibera în timpul fazelor de îmbogăţire a amestecului. Acest mod de lucru asigură viteze mari de conversie, în ciuda oscilaţiilor de control. Se foloseşte de preferinţă un algoritm proporţional - integrator (PI). Variaţiile întârzierii sistemului şi a pantei integratorului afectează amplitudinea şi frecvenţa oscilaţiilor. Deoarece sarcina şi turaţia au efect major asupra întârzierii sistemului, parametrii de control sunt definiţi şi stocaţi într-o cartogramă de control sarcină / turaţie. Se poate realiza un control continuu λ = 1, pentru a obţine deviaţii de control mult mai mici şi reduceri ale gazelor poluante, în special când se folosesc convertoare catalitice îmbătrânite. Pentru aceasta este nevoie de senzor de oxigen cu o caracteristică lambda aproximativ liniară sau liniarizată. Deoarce nu există senzori de gaze poluante, CO, NOx şi HC, care să funcţioneze în gazele de evacuare, s-au dezvoltat concepte care folosesc un al doilea senzor de oxigen după convertorul catalitic, pentru a detecta îmbătrânirea convertorului şi / sau a senzorului lambda. 13.2.2 Principiile senzorilor de gaze de evacuare pentru control λ 13.2.2.1 Senzor λ = 1 tip Nernst (ZrO2) În principiu, senzorul lambda funcţionează ca o pilă galvanică cu electrolit solid, cu concentraţie de oxigen. Se foloseşte un element ceramic din bioxid de zirconiu şi oxid de ytriu ca electrolit solid impermeabil pentru gaz. Acest amestec de oxizi este un conductor aproape perfect de ioni de oxigen, pe o gamă mare de temperaturi. Electrolitul solid este proiectat pentru a separa gazul evacuat de atmosfera de referinţă. Ambele feţe sunt electrozi de platină catalitic activi. La electrodul interior (aer; pO2’’ = 0,21 bar), reacţia:

O2 + 4e − → 2O 2− încorporează ionii de oxigen în electrolit. Aceştia migrează spre electrodul exterior (gaz evacuat; pO2’ variabil < pO2’’), unde contrareacţia are loc la interfaţa cu trei faze (electrolit - platină - gaz). Se creează un câmp electric contraactiv şi este generată o tensiune electrică U, corespunzătoare raportului presiunilor parţiale, conform ecuaţiei Nernst:

188

RT pO2'' ln US = 4 F pO2' unde R este constanta generală a gazelor, F este constanta Faraday, T este temperatura absolută, iar pO2 este presiunea parţială a oxigenului. Măsurarea conţinutului de oxigen serveşte ca bază pentru concluzii referitoare la lambda gazului de evacuare, când o stare de echilibru termodinamic a gazului este stabilită la electrozii activi catalitic ai senzorului de oxigen (oxigen rezidual). Concentraţiile absolute ale componentelor individuale ale gazelor de evacuare din motor fluctuează pe o gamă mare, în conformitate cu condiţiile de funcţionare instantanee (încălzire, accelerare, funcţionare stabilă, decelerare). Senzorul de oxigen trebuie să fie astfel încât să convertească amestecul de gaz primit într-o stare de echilibru termodinamic complet. Dacă nu se obţine echilibru termodinamic la electrod, semnalul senzorului lambda va fi eronat. Concentraţia oxigenului rezidual fluctuează exponenţial, cu multe ordine de mărime, în vecinătatea amestecului stoichiometric aer/combustibil, fig. 13.2. pO2 [barr]

UNernst [V] 0,8

10-6

0,6

Us calculată T = 700 0C

0,4

pO2

10-11 10-16

0,2 0,9

0,95

1,0

1,05

1,1

λ

Fig. 13.2

13.2.2.2 Senzor λ = 1 semiconductor Semiconductoarele oxizi ca TiO2 şi SrTiO3 obţin rapid echilibrul cu presiunea parţială de oxigen în faza de gaz înconjurător la temperaturi scăzute. Variaţia presiunii parţiale a oxigenului învecinat produce variaţia concentraţiei locurilor libere de oxigen a materialului, modificând conductivitatea de volum.

189

Acest efect este afectat de dependenţa de temperatură a conductivităţii. Rezistenţa electrică şi timpul de răspuns al senzorului sunt invers proporţionale cu temperatura. Posibilitatea de a nu mai folosi referinţă de O2 permite o proiectare simplă folosind un încălzitor integrat. Stratul gros semiconductor poros este poziţionat şi sinterizat pe un substrat plan, între doi electrozi. Se folosesc şi variante cu straturi subţiri. Pentru λ ≈ 1, stratul senzor are o variaţie rapidă a conductivităţii datorită variaţiei mari a pO2. Când sunt noi, senzorii din TiO2 au acelaşi răspuns ca sondele λ = 1 bazate pe ZrO2. Variaţiile rezistenţelor în starea de sărăcire sau îmbogăţire şi pentru timpul de răspuns au loc pe toată durata de viaţă, sistemul de control a emisiei suferind o deplasare semnificativă spre sărăcire. Pentru funcţionare, se aplică o tensiune rezistorului RT din TiO3 legat în serie cu un rezistor de referinţă. Căderea de tensiune pe rezistorul serie depinde de RT, respectiv de lambda. În versiunea cu trei poli, tensiunea aplicată este preluată de la tensiunea încălzitorului; pentru versiunea cu patru poli (cu masă izolată), se foloseşte o tensiune de alimentare separată. În funcţie de aplicaţia specifică, poate necesară compensarea cu temperatura. 13.2.3 Senzori pentru alte componente din gazele de evacuare 13.2.3.1 Senzori cu potenţial mixt Dacă activitatea catalitică redusă previne ca să se atingă echilibrul gazului, la electrodul unei pile galvanice ZrO2 au loc reacţii concurente. Acestea previn o stare de reducere / oxidare de echilibru în oxigen şi duc la formarea unui potenţial mixt. Acest potenţial depinde de activitatea electrodului, temperatură şi compoziţia gazului. Este dificil de proiectat electrozi capabili să menţină viteze specifice. Fiecare schimbare în activitatea electrodului (de exemplu, datorită îmbătrânirii) duce la o variaţie a potenţialului mixt. Electrozii de Pt au o creştere a potenţialului mixt la temperaturi foarte scăzute, cu întârzieri mari ale răspunsului faţă de senzorii lambda. Alte materiale pentru electrozi, cu viteze mai mici ale activităţii catalitice, continuă să dea potenţial mixt la temperaturi mari, obţinându-se timpi de răspuns < 1 s. Selectivitatea se poate îmbunătăţi prin selectarea materialului electrodului, temperaturii de funcţionare şi a straturilor selective de precatalizare. Deoarece efectul este sensibil cu temperatura, temperatura constantă a senzorului trebuie să fie reglată în gama 300°C ... 600°C, în funcţie de aplicaţie.

190

13.2.3.2 Senzori de gaze din semiconductoare Straturi groase şi ceramice. Pe suprafaţa oxizilor de metale nestoichiometrice ca SnO2, TiO2, In2O3 şi Fe2O3 (semiconductoare de tip n), oxigenul este absorbit şi disociat în aer la temperaturi mari şi este legat de reţeaua cristalină. Rezultă un strat subţire de sărăcire la suprafaţa cristalitelor, ce dă naştere la un arc în curba potenţialului. Acest fenomen produce reduceri ale conductivităţii suprafeţei şi rezistenţă mai mare intercristalină la frontierele dintre două cristalite; acesta este factorul major ce determină rezistenţa totală a oxidului metalic policristalin. Gazele oxidante ca CO, H2 şi CxHy, care reacţionează cu oxigenul de la suprafaţă, cresc densitatea purtătorilor de sarcină în stratul de frontieră şi reduc bariera de potenţial. Gazele reducătoare ca NO şi SOx cresc potenţialul barierei şi astfel, rezistenţa suprafaţă / intercristalină. Straturi subţiri. În comparaţie cu materialele policristaline, straturile subţiri au un număr limitat de frontiere cristaline la suprafaţa stratului pentru reacţie cu gazele evacuate. Bariera stratului de sărăcire are o proporţie substanţială din grosimea stratului subţire şi variaţia densităţii purtătorilor de sarcină în stratul barieră datorită gazelor adsorbite produce variaţii mari ale rezistenţei totale. Pentru selectarea CO, HC şi NOx se folosesc materiale cu dopări şi temperaturi adecvate. Rezistenţa semiconductoarelor cu oxid de metal este întotdeauna o funcţie de presiunea parţială a O2. Gazele evacuate de motoare, cu presiuni parţiale de O2 minime au o mare sensibilitate O2. Pentru λ ≤ 1, este posibilă şi o variaţie ireversibilă pe termen lung a rezistenţei senzorului, ceea ce duce la dezintegrarea oxidului de metal. Temperaturile mari de funcţionare favorizează difuzia golurilor de oxigen şi a materialelor dopante. Când sunt amplificate de efectele de sinterizare, acestea duc la derive ale rezistenţei şi răspuns atenuat al senzorului. Temperaturile de funcţionare standard ale senzorilor de gaze din metal - oxid sunt 100°C … 600°C. 13.2.3.3 Senzori catalitici de gaze Senzorul catalitic de gaze este un senzor de temperatură care foloseşte o suprafaţă catalitic activă. O reacţie exotermă la suprafaţa catalitic activă (reacţie de oxidare în aer), determină creşterea temperaturii senzorului, proporţional cu concentraţia de oxidant în atmosferă cu oxigen în exces. Pentru a mări sensibilitatea şi pentru a realiza compensarea cu temperatura, se foloseşte un senzor asemănător, dar fară răspuns catalitic. Senzorul de temperatură este din fire de Pt bobinate, straturi subţiri şi groase din Pt, tranzistoare sau termistoare.

191

Senzorii catalitici de gaze sunt insensibili şi se folosesc într-o gamă > 1000 ppm. Pentru monitorizarea concentraţiilor este nevoie de oxigen în exces. Datorită sensibilităţii la viteza debitului de gaz, aceşti senzori sunt folosiţi în sonde de debit cu limitatoare de difuzie. Senzorii activi şi cei de referinţă trebuie expuşi la aceleaşi condiţii de debit, fără influenţe termice reciproce. Temperaturile de lucru sunt 500°C … 600°C, dar pot fi şi mai mari. Factorul de limitare pentru gama temperaturilor este stabilitatea pe termen lung în convertorul catalitic. Senzorii catalitici de gaze nu sunt selectivi, ei dau un semnal sumă pentru toate gazele de combustie. De aceea, sunt folosiţi numai pentru monitorizarea stării convertorului catalitic. 13.3 Traductoare de poziţie liniară şi unghiulară Traductoarele de poziţie liniară sau unghiulară sunt folosite în automobilele moderne, de la microcomutatoarele acţionate de deschiderea uşii, până la transformatoarele diferenţiale liniar variabile din sistemele de suspensie active, pentru indicarea poziţiei sau în sisteme de siguranţă. Fiecare tip de traductor are propriile modalităţi de exprimare şi, când se fac comparaţii, este important să se înţeleagă cum o caracteristică a unui traductor se raportează la altă caracteristică a altui traductor şi cum afectează forma semnalului de ieşire, analogică sau numerică, rezoluţia de măsurare şi, corespunzător, performanţele sau stabilitatea unui sistem din traductor. 13.3.1 Clasificarea traductoarelor de poziţie Din perspectiva unui proiectant de sistem, problema de bază legată de traductoare este: ce fel de informaţie dă la ieşire şi cum este folosit traductorul. Un traductor de poziţie este un dispozitiv electromecanic care transformă informaţia de poziţie în semnale electrice. Traductoarele de poziţie pot fi grupate în două categorii de bază: - traductoare incrementale sau absolute şi - traductoare de poziţie în contact sau de proximitate. Traductoare incrementale sau absolute Traductoarele incrementale de poziţie măsoară poziţia ca distanţa de la un marcaj arbitrar sau zero. Se bazează pe metoda de numărare a impulsurilor. Un impuls din secvenţa de impulsuri este proiectat mai lat sau de polaritate opusă decât altele, încât poate fi folosit ca zero. Avantajul traductoarelor incrementale este faptul că folosesc puţine fire de legătură, tipic patru sau cinci. Dezavantajele

192

sunt: la punerea sub tensiune traductorul nu are nici o informaţie de poziţie şi necesită un ciclu de indexare mecanic pentru a găsi impulsul marker; al doilea dezavantaj, sensibilitatea la zgomote. Traductoarele de poziţie absolută dau informaţie de ieşire neambiguă la punerea sub tensiune. Fiecare poziţie liniară sau unghiulară are o valoare unică. Ieşirea poate fi: tensiune, frecvenţă, cod numeric, etc, asociate poziţiei de intrare. Exemple de traductoare absolute de poziţie sunt: potenţiometrele, traductoarele numerice absolute, resolverele, etc. Traductoare de poziţie în contact sau de proximitate Traductoarele de poziţie sunt proiectate să detecteze poziţia componentelor sistemelor mecanice, fiind fie direct cuplate prin arbore sau legătură, ca în cazul potenţiometrelor sau traductoarclor optice numerice, fie prin mijloace fără contact sau proximitate. Condiţiile de mediu au influenţă mare în alegerea traductorului. Nivelele mari de vibraţii, mai ales în aplicaţiile cu motoare mici, pot duce la defecte permanente, de exemplu a stratului conductor de la potenţiometrul de măsurare a poziţiei clapetei de acceleraţie. Murdăria şi praful exclud traductoarele optoelectronice din aplicaţiile de sub capotă, datorită degradării rapide a căii optice. Traductoarele de proximitate cele mai folosite sunt cele bazate pe detectarea câmpului magnetic, deoarece pot fi mai uşor izolate de efectele distructive ale mediului dur din cele mai multe aplicaţii din automobile. 13.3.2 Tehnologiile traductoarelor de poziţie 13.3.2.1 Microîntrerupătoare Cel mai simplu senzor în contact este un întrerupător. Multe aplicaţii ale microîntrerupătoarelor pentru detecţia poziţiei sunt ca întrerupătoare de capăt sau ca avertizare a capătului de cursă a unei componente mecanice, prin deconectarea tensiunii de alimentare de la un motor electric sau prin alimentarea cu tensiune a unei lămpi indicatoare. În anumite situaţii, din motive de siguranţă, trebuie determinată condiţia de defect semnalizată de microîntrerupător. O caracteristică nedorită a comutatoarelor sunt oscilaţiile contactelor la închidere, problema fiid rezolvată, de exemplu cu circuite sensibile la primul front al impulsurilor şi rejectarea celorlalte fronturi. Dacă se foloseşte un microcontroler pentru monitorizarea ieşirii senzorului, atunci fronturile parazite pot fi eliminate software. Această problemă este valabilă şi pentru aplicaţiile cu vibraţii puternice sau şocuri.

193

13.3.2.2 Traductoare de poziţie optoelectronice Codoarele optice unghiulare pentru măsurarea incrementală a poziţiei unghiulare a arborilor sunt realizate dintr-un disc cu sectoare transparente şi opace, egal spaţiate. Discul este din sticlă pentru aplicaţii de precizie. Discurile din mylar sau metal oferă, respectiv, rezoluţie mare şi medie la preţ scăzut. Discurile sunt iluminate pe ambele părţi iar fotodetectoarele detectează trecerea sectoarelor iluminate şi întunecate, când discul este rotit. Discurile din metal, de rezoluţie scăzută, lucrează prin reflexie. Cele mai multe codoare au două perechi de surse optice şi fotodetectoare, poziţionate cu distanţa egală cu jumătate din lăţimea unui sector. Impulsurile de la ieşirile celor două canale de măsurare sunt decalate cu 90° electrice (semnale în cuadratură). Trecerea unei perechi de sectoare luminoase şi întunecate prin faţa unui fotodetector este denumită o perioadă, un impuls, o linie sau 360° electrice. Rezoluţia codoarelor este în gama 16 linii/rot, pentru aplicaţii de preţ scăzut, până la peste 6000 linii/rot pentru sistemele de control a poziţiei de precizie. Cele mai multe codoare folosesc şi al treilea semnal ca index sau impuls de referinţă (marker nord). Acesta are 1 linie/rotaţie şi lăţime tipică de 90°e. Din cele două ieşiri de pe cele două canale defazate la 90°e, pot fi separate patru stări distincte folosind circuite integrate speciale (semnalele au factor de umplere 1/2). Se obţin astfel rezoluţii de patru ori mai mari decât numărul liniilor de pe disc. Aceste circuite integrate determină şi sensul rotaţiei, din defazajul dintre cele două semnale. Specificaţiile de acurateţe ale codoarelor unghiulare incrementale se încadrează în două categorii. Acurateţea poziţiei unghiulare este diferenţa între unghiul real al arborelui şi unghiul indicat de codor. Această eroare este exprimată normal în grade sau minute de arc. A doua categorie include specificaţiile pentru simetria şi repetabilitatea perioadelor, acestea fiind exprimate în grade electrice. Codoarele optoelectronice incrementale liniare permit măsurarea directă a mişcării liniare. Tehnologia şi terminologia sunt aproximativ aceleaşi ca la codoarele unghiulare. Codoarele liniare sunt descrise de densitatea liniilor sau rezoluţie în linii pe mm sau mm pe linie, rezoluţia ajungând la ≈ 8 linii/mm, adică ≈ 30 µm. Dacă este necesară informaţia de poziţie neambiguă la punerea sub tensiune, se folosesc codoare absolute, cu rezoluţie 1/26 …1/216 şi date de ieşire în cod binar, BCD sau cod Gray.

194

13.3.2.3 Traductoare de poziţie potenţiometrice Potenţiometrele sunt mult folosite ca traductoare de poziţie în automobile, pentru măsurarea poziţiei pedalei de acceleraţie şi a clapetei de acceleraţie. Sunt traductoare ieftine, cu timpi de viaţă peste cei ai unei maşini medii şi viteze de rotaţie continui > 1000 rot/min, timp de peste 1000 ore. Sunt construite folosind un traseu cu fir bobinat. Rezoluţia potenţiometrelor depinde de numărul de spire bobinate pe pistă. Rezoluţia potenţiometrelor bobinate rotative este specificată ca număr de spire pe grad şi poate fi între 1 (l°/spiră) şi 7 (8,5 arcmin/spiră). Rezistenţa traseului, proporţională cu numărul de spire, este în gama 10 Ω ... 100 kΩ. Potenţiometrele bobinate uzuale sunt cele cu valori scăzute ale rezistenţei, dar cu liniaritate slabă. Potenţiometrele pentru detecţia poziţiei sunt realizate dintr-un traseu rezistiv din material conductor, uzual grafit şi plastic dopat cu negru de fum şi un cursor fixat într-un suport. Cursorul este realizat din lamele, pentru a obţine contact bun, insensibil la vibraţii. Potenţiometrele de acest tip au gamă de rezistenţă 500 Ω … 20 kΩ, liniaritate excelentă şi rezoluţie foarte mare. 13.3.2.4 Traductoare de poziţie magnetice Traductoare cu reluctanţă variabilă Reluctanţa unui circuit magnetic determină forţa magnetomotoare necesară pentru a produce un flux de o anumită valoare. În cele mai multe cazuri, variaţia reluctanţei este determinată de variaţia lungimii unui întrefier. Variaţia reluctanţei produce o variaţie a fluxului magnetic, ce induce o tensiune într-o bobină de semnal de ieşire. Tensiunea indusă este un impuls bipolar, a cărui amplitudine este proporţională cu viteza variaţie a fluxului (legea lui Faraday):

U=

dΦ dt

În automobile, senzorii cu reluctanţă variabilă sunt folosiţi pentru detecţia poziţiei şi a vitezei de rotaţie a roţilor dinţate sau profilate, în aplicaţii de monitorizare a axei cu came, arborelui cotit şi a roţilor. Senzorii cu reluctanţă variabilă sunt sensibili la erori. Vibraţiile, rezonanţele, forţele de atracţie dintre senzor şi ţintă pot degrada serios raportul semnal / zgomot al dispozitivului. Ţinta acestor senzori este de obicei o roată dinţată feromagnetică. Prin mişcarea roţii în câmpul magnetic al senzorului, rezultă curenţi turbionari ce determină erori. Din acest motiv, în aplicaţiile de precizie, găurile şi deschizăturile

195

din roţile feromagnetice sunt umplute cu materiale conductoare nemagnetice, pentru omogenizarea curenţilor turbionari. Avantajele senzorilor cu reluctanţă variabilă sunt: simplitatea, construcţia compactă, nu lucrează prin frecare, preţul scăzut, gamă mare de temperatură de funcţionare şi necesită doar două fire de legătură. Senzorii cu reluctanţă pot fi folosiţi şi ca senzori cu inductanţă variabilă dacă se excită bobina de detecţie în curent alternativ şi se măsoară inductanţa. Traductoare cu efect Hall Dacă un conductor este antrenat cu viteza v într-un câmp magnetic, sarcinile din conductor vor fi supuse unei forţe (Lorentz) perpendiculare pe direcţia mişcării şi a câmpului magnetic. Rezultă un câmp electric:

E = vB Rezultă astfel o tensiune proporţională cu inducţia magnetică B, viteza şi lungimea conductorului. Se pot realiza dispozitive din materiale semiconductoare, care folosesc acest efect la măsurarea câmpurilor magnetice. Circuitele integrate cu efect Hall de performanţă folosesc diverse tehnici de îmbunătăţire a sensibilităţii. Traductoarele Hall diferenţiale, proiectate ca traductoare de poziţie pentru roţi dinţate, folosesc doi senzori Hall distanţaţi cu jumătate din distanţa dintre doi dinţi. Aceste traductoare, pot detecta variaţii mici ale câmpurilor magnetice unipolare. Traductoare inductive de unghi Resolverele, denumite şi sincro resolvere, sunt traductoare absolute de unghi. Datorită construcţiei lor, resolverele moderne fără perii oferă soluţia cea mai robustă, fiabilă şi au rezoluţia cea mai mare pentru măsurarea unghiurilor. Resolverele sunt considerate adesea traductoare de preţ mare pentru automobile, datorită manoperei mari. Resolverele pot fi complet capsulate sau plate, cu statorul şi rotorul realizate separat, pentru facilitarea montării pe arbori. Resolverele se caracterizează prin diametrul carcasei. Acurateţea lor se specifică în minute de arc, valoarea tipică fiind 7 arcmin. Resolverele sunt, în esenţă, traductoare rotative. O tensiune alternativă conectată la intrarea de referinţă furnizează excitaţia primară. Gama de frecvenţă folosită este 400 Hz ... 20 kHz, în funcţie de tipul constructiv; cele mai multe fiind optimizate pentru gama de frecvenţă 2 ... 5 kHz. Semnalul de referinţă este cuplat la rotor prin intermediul unui transformator montat la un capăt al arborelui rotorului. O a doua bobină rotor se cuplează cu două bobine stator orientate perpendicular. Bobinele stator sunt bobinate astfel încât, la rotirea arborelui rotor,

196

amplitudinile ieşirilor bobinelor stator variază cu sinusul şi cosinusul unghiului arborelui faţă de o referinţă zero. Cel mai simplu mod de a decoda ieşirea resolverului este folosirea unui convertor integrat resolver – numeric, fig. 13.3. Referinţă

sin cos

Multiplicator sin / cos

Demodulator sincron sin(θ - Φ)

Numărător bidirecţional

poziţie

Integrator şi OCT

sens

viteză

Fig. 13.3

Semnalele de intrare de la resolver modulate în amplitudine sinus şi cosinus, reprezentând un unghi θ al arborelui, sunt multiplicate, respectiv, cu cosinusul şi sinusul valorii curente Φ a numărătorului bidirecţional. Semnalele obţinute sunt scăzute, rezultând:

VE = A sin ωt sin (θ − Φ ) unde Asinωt reprezintă purtătoarea de referinţă. Acest semnal este demodulat sincron, iar un integrator şi un oscilator controlat în tensiune formează o buclă închisă cu numărătorul /multiplicatorul, care caută să anuleze sin(θ - Φ). Când se obţine zero, valoarea numărătorului reprezintă unghiul arborelui resolverului, acurateţea fiind dictată de convertor. Există circuite integrate convertoare resolver - numeric cu ieşiri paralele sau serie, cu rezoluţii de 10 ... 16 biţi. Aceste convertoare resolver – numeric mai dau la ieşire un semnal dependent de sensul de rotaţie şi un alt semnal proporţional cu viteza de rotaţie a resolverului, care are valori tipice între 0 şi mii rot/min.

197

Transformatorul rotativ variabil conţine o singură înfăşurare bobinată pe un stator feromagnetic circular, cu un număr de dinţi ca poli de polaritate alternată. Statorul este excitat cu un semnal în curent alternativ cu frecvenţa de 20 kHz şi este încercuit de un rotor cu un ecran conductiv semicircular pe suprafaţa interioară. Ecranul reduce fluxul de legătură dintre rotor şi stator, reduce inductanţa porţiunii ecranate a statorului, micşorând astfel căderea de tensiune pe această porţiune a statorului. Tensiunea măsurată la o ieşire centrală din stator este liniar proporţională cu unghiul rotorului. Alte ieşiri la 90° şi 270° faţă de zero nominal permit măsurarea unei forme de undă cu amplitudine în cuadratură faţă de semnalul de la ieşirea centrală. Acest lucru permite obţinerea unui traductor absolut de unghi de 360°, prin tehnici de decodare folosite la TLDV. Traductoare inductive pentru deplasări liniare Transformatoarele cu spiră în scurtcircuit sunt senzori de deplasare absolută ce constau dintr-un miez în formă de E cu o bobină pe piciorul central, care este excitată cu tensiune alternativă de înaltă frecvenţă. În jurul piciorului central poate aluneca, pe o porţiune, un inel conductor din Al sau Cu, ataşat la componenta mecanică a cărei poziţie se măsoară. Inelul este echivalent cu secundarul în scurtcircuit al unui transformator. La deplasarea inelului, variază inductanţa bobinei. Aceşti senzori sunt folosiţi într-o configuraţie de divizor de tensiune, cu o inductanţă de referinţă similară, conectată în serie. Semnalul de ieşire nu depinde de temperatură şi se pot ajusta uşor decalajele. Transformatoarele liniare diferenţiale variabile (TLDV) sunt construite dintr-o înfăşurare primară de excitaţie, plasată central pe o carcasă cilindrică iar două înfăşurări secundare identice sunt poziţionate de o parte şi de cealaltă a înfăşurării primare. Secundarele sunt legate în serie, cu faze opuse, astfel încât, cu miezul poziţionat central, tensiunea pe fiecare din cele două bobine secundare este zero. La mişcarea miezului de la un capăt la altul, semnalul de ieşire variază de la o valoare maximă în fază cu tensiunea de excitaţie, prin zero la o valoare maximă în antifază cu excitaţia. TLDV sunt proiectate pentru a da ieşire liniară cu o toleranţă tipică de ±0,25 %, pe o lungime specificată. TLDV funcţionează cu rapoarte de transformare de 10:1 ... 2:1, frecvenţa tipică de excitaţie fiind 2 ... 5 kHz. Semnalul de ieşire poate fi decodat în diverse moduri, existând circuite integrate specifice, analogice şi numerice. Un exemplu de schemă tipică de convertor TLDV - numeric este prezentată în fig. 13.4. În automobile, TLDV se folosesc în sistemele de control a suspensiei, montaţi în interiorul cilindrilor hidraulici.

198

Referinţă A B

Punte de curent alternativ

Demodulator sincron

Numărător bidirecţional

Integrator şi OCT

Poziţie

Sens

Viteză

Fig. 13.4

Traductoare magnetostrictive Magnetostricţiunea este o proprietate a materialelor care răspund la o variaţie de flux magnetic prin deformarea elastică a structurii lor cristaline. Senzorii magnetostrictivi pentru deplasări liniare folosesc acest fenomen lansând o undă de compresie printr-un ghid de undă cilindric, cu un impuls de curent. Ghidul de undă trece printr-un inel deplasabil din magnetul permanent, la o anumită distanţă de receptor. Unda de compresie generată se propagă spre receptor cu viteza de aproximativ 2800 m/s şi determină o variaţie a fluxului, generând un impuls de tensiune într-o bobină de detecţie. Distanţa între inelul magnetic deplasabil şi bobina detectoare se măsoară determinând timpul de zbor al impulsului. Există disponibile traductoare magnetostrictive cu o cursă de peste 7,5 m. 13.4 Traductoare de viteze şi acceleraţii 13.4.1 Introducere Măsurarea vitezei de rotaţie în automobile are două game de aplicaţii principale: - monitorizarea turaţiei motorului, pentru a îmbunătăţi controlul motorului şi sistemele de control a tracţiunii; - de control a regimului de croazieră şi de evitare a blocării roţilor (ABS), pentru siguranţă şi manevrabilitate îmbunătăţită la drum.

199

Măsurarea vitezei liniare este utilă în monitorizarea vitezei automobilului, pentru controlul autovehiculului, detecţia obstacolelor şi evitarea accidentelor. În aplicaţiile pentru automobile, trebuie luat în consideraţie mediul în care va funcţiona traductorul. Măsurarea trebuie făcută cu acurateţe, traductoarele trebuie să fie robuste, fiabile şi să funcţioneze în prezenţa benzinei, lubrifianţilor, murdăriei şi în condiţii atmosferice aspre. Aceste cerinţe au limitat folosirea unor alternative practice, cum sunt senzorii optici şi cei în contact. Pentru monitorizarea vitezei de rotaţie, cele mai practice dispozitive folosesc detecţia câmpului magnetic. Acestea se bazează pe efectul Hall, reluctanţă variabilă sau magnetorezistenţă. Pentru monitorizarea vitezei de deplasare a automobilului şi detecţia obiectelor se folosesc traductoare optice, cu laser, cu microunde (radar) şi cu ultrasunete. Pentru măsurarea vitezei liniare se foloseşte, tipic, efectul Doppler. Senzorii de acceleraţie sunt folosiţi în sistemele de comandă a pernei de aer, de control a cursei suspensiei, de evitare a blocării frânelor, tracţiune şi navigaţie inerţială. Pentru astfel de aplicaţii sunt în exploatare curentă dispozitivele mecanice simple (comutatoare) şi accelerometrele analogice microprelucrate din Si, plasate central pe caroseria automobilului. 13.4.2 Aplicaţii de măsurare a vitezelor în automobile Măsurarea vitezei de rotaţie în automobile Cei mai importanţi factori în controlul motorului sunt viteza de rotaţie a motorului şi unghiul axului cotit. Aceste semnale sunt folosite de unitatea de control a motorului pentru determinarea injecţiei de combustibil şi a controlului aprinderii. Viteza de rotaţie a motorului este în gama 50 ... 8000 rpm. Rezoluţia de măsurare necesară este de ≈ 10 rpm pentru a obţine acurateţe de 0,2 %. Viteza automobilului este în gama tipică 0 ... 180 km/h, cu o rezoluţie de măsurare de 1 km/h. Pentru măsurarea vitezei automobilului se măsoară viteza de rotaţie a arborelui de transmisie, folosind senzori optici sau senzori magnetici. O metodă bazată pe senzori magnetici foloseşte un magnet inel cu 4 ... 20 poli, în funcţie de rezoluţie. Variaţiile fluxului magnetic determinate de rotaţia acestui magnet inel fixat pe arbore sunt detectate cu senzori magnetorezistivi legaţi în punte. Se folosesc, de asemenea, roţi din material feromagnetic, cu dinţi cu magneţi şi concentratoare de flux magnetic, iar viteza de rotaţie se detectează cu senzori Hall, cu magnetorezistoare sau cu reluctanţă variabilă. Se numără impulsurile pe secundă, I, date de aceşti senzori:

I = N ⋅v⋅k

200

unde N este numărul de poli magnetici de pe magnetul în inel sau numărul de dinţi ai roţii; k, o constantă determinată de raportul axului şi mărimea roţii iar v, viteza automobilului. Temperatura de funcţionare este de –40 … +120°C. În aplicaţii ca ABS, ASR şi transmisie pe patru roţi, se folosesc senzori de viteză de rotaţie pe fiecare roată, pentru a determina alunecarea diferenţială între roţi. În aplicaţiile de transmisie electronică, informaţiile de la senzorii de viteză de deplasare şi de turaţie a motorului, ca şi datele referitoare la cuplul de torsiune şi poziţia clapetei de acceleraţie sunt necesare pentru microcontroler pentru a selecta raportul de transmisie optim al cutiei de viteze. Transmisiile controlate electronic asigură o tranziţie lină între diverse rapoarte de transmisie şi sunt mai mici decât transmisiile automate convenţionale, permiţând astfel mai multe rapoarte de transmisie, performanţe mai bune, cuplu, eficienţă şi acceleraţii mai mari. O altă aplicaţie pentru măsurarea vitezei de rotaţie este controlul vitezei de rotaţie a ventilatorului radiatorului. Viteza de rotaţie a ventilatorului depinde de temperatura lichidului de răcire. Se folosesc senzori cu efect Hall sau cu magnetorezistenţe pentru a determina poziţia armăturii şi viteza de rotaţie a motorului ventilatorului. Măsurarea vitezei liniare în automobile Aplicaţiile de măsurare a vitezei liniare în automobile sunt: - detecţia obstacolelor apropiate de automobile; - evitarea coliziunilor; - măsurarea distanţei caroseriei faţă de drum pentru controlul cursei suspensiei; - măsurarea vitezei automobilului pentru ABS (Antilock Brake System), ASR (de prevenire a rotirii rapide a roţilor pe drum lunecos) şi navigaţie inerţială. În aceste aplicaţii se folosesc traductoare cu ultrasunete pentru distanţe scurte, < 10 m şi RF pentru distanţe mai lungi. Pentru măsurarea cu ultrasunete a obiectelor aflate la distanţe de 0,5 ... 2 m, frecvenţa impulsurilor este de aproximativ 15Hz. Impulsurile reflectate se întorc în 3 ... 12 ms. Viteza unui obiect (ţintă) este dată de relaţia:

v=

2L t

unde L este distanţa faţă de ţintă iar t, timpul (viteza ultrasunetelor = 340 m/s).

201

În cazul măsurării cu ultrasunete a distanţei între caroserie şi drum, de 15...50 cm, pentru controlul cursei suspensiei, se foloseşte viteza de repetiţie a impulsurilor de până la 50 Hz iar impulsul reflectat se întoarce în 0,9 ... 3 ms. 13.4.3 Aplicaţii de măsurare a acceleraţiilor în automobile 13.4.3.1 Umflarea pernei de aer de protecţie Traductoarele de ciocniri şi de comandă a umflării pernei de aer de protecţie folosesc comutatoare mecanice localizate la 40 cm de punctele de impact şi mai mulţi senzori, uzual 3 ... 5 senzori, pentru detecţie multipunct. Aceste dispozitive sunt senzori cu variaţia vitezei şi sunt calibraţi să realizeze contact atunci când variaţia vitezei din compartimentul pasagerilor depăşeşte 20 km/h, aceasta fiind variaţia de viteză la care ocupanţii locurilor din faţă se pot lovi de parbriz. În cazul folosirii unui singur accelerometru analogic central, nivelul acceleraţiei detectate este mai mic decât în cazul dispozitivelor multipunct. Pentru monitorizarea semnării ciocnirii, este suficient un singur accelerometru. Semnătura variază pentru diferte tipuri de caroserii şi ciocniri. Ieşirea accelerometrului este monitorizată cu un microcontroler, care determină dacă a avut loc o ciocnire. La o viteză de 48 km/h, traductorul trebuie ca în 20 ms să detecteze ciocnirea şi să comande umflarea pernei de aer de protecţie care durează 50 ms. În acest timp, pasagerii s-au deplasat 18 cm spre parbriz. În timpul primelor 20 ms, deceleraţiile pot atinge 20g, dar media pentru comanda umflării pernei este aproximativ 5g. Accelerometrul central poate fi piezoelectric, piezorezistiv sau capacitiv. Accelerometrul localizat central este mai performant decât comutatoarele mecanice. Astfel, se reduce numărul de senzori şi de fire de legătură, varianta cu un accelerometru central fiind mai ieftină. De asemenea, creşte acurateţea de detecţie şi prelucrare a semnalului, crescând acurateţea de definire a nivelului la care este comandată perna. Cele mai avantajoase accelerometre folosite în acest scop sunt cele cu senzori capacitivi integraţi, pentru că sunt ieftine şi au posibilităţi de autotestare şi diagnosticare. Una din aplicaţiile de viitor este folosirea sistemului de pernă de protecţie împotriva ciocnirilor laterale. Senzorul folosit este unidirecţional, de aceea trebuie folosiţi senzori suplimentari, montaţi perpendicular faţă de cei pentru detecţia ciocnirilor frontale. Accelerometrul pentru această aplicaţie trebuie să aibă acceleraţia maximă 250g. O altă aplicaţie pentru accelerometre este detectarea derapării în viraje, în sistemele de transmisie avansate; în acest caz gama de acceleraţii maxime de măsurat este de aproximativ 1 ... 2 g.

202

13.4.3.2 Controlul suspensiei În aplicaţiile de control a cursei suspensiei, arcurile foi sau cele fixate pe axe sunt înlocuite de staţii la cele patru roţi care formează suspensia activă. Fiecare staţie de la o roată conţine un cilindru umplut cu ulei, cu un piston pentru a fixa distanţa caroseriei faţă de axe şi pentru a izola caroseria de vibraţiile axelor, folosind un sistem de servoreacţie. Când autovehicul cu suspensie convenţională întâlneşte un obiect pe drum, creşte încărcarea pe roată, atunci când ea se ridică pe obstacol. Ca rezultat, se ridică şi autovehiculul. Cu o suspensie complet activă, se detectează creşterea încărcării şi se deschide o servosupapă pentru a transfera cantitatea necesară de ulei de la cilindrul corespunzător, spre un rezervor. În consecinţă, încărcarea exercitată asupra caroseriei de fiecare roată este menţinută la nivelul ei specific: caroseria rămâne la nivelul ei static. După ce obiectul a fost traversat, uleiul este pompat înapoi în cilindru, pentru a restabili condiţiile de încărcare statice. În sistemele de suspensie adaptivă, este colectată informaţia de la roţile din faţă şi folosită pentru a prezice condiţiile de drum pentru controlul roţilor din spate. Avantajul este scăderea preţului, deoarece numărul accelerometrelor scade la jumătate. În timpul virajelor, uleiul este de asemenea pompat în cilindrii roţilor exterioare, pentru a minimiza unghiul de ruliu. Pentru suspensie activă, se foloseşte o combinaţie de traductoare ca: traductoare de turaţie a roţilor, accelerometre, de distanţă între caroserie şi drum şi traductoare de nivel a pistoanelor din sistemul de suspensie. Informaţiile de la traductoare sunt folosite de microcontroler pentru a comanda servosupapele. 13.4.3.3 Măsurarea vibraţiilor Pentru motoarele cu ardere internă cu amestecuri sărace (pentru economie de combustibii şi nivele scăzute ale gazelor poluante), arderea devine instabilă şi apar fluctuaţii mari ale cuplului. În consecinţă, sunt necesare traductoare antidetonaţie şi de vibraţii pentru a da informaţiile necesare microcontrolerului, încât acesta să regleze cantitatea de combustibil injectat şi secvenţa de aprindere, pentru a obţine stabilitate în condiţii variabile în limite largi. În aceste aplicaţii se folosesc trei tipuri de accelerometre: - piezoelectrice; - capacitive integrate; - optoelectronice, pentru monitorizarea spectrului aprinderii în vederea detecţiei lipsei aprinderii sau detonaţiei.

203

13.4.3.4 Sisteme de evitare a blocării frânelor În sistemele ABS, de evitare a blocării frânelor, se foloseşte un accelerometru care dă informaţii despre variaţia vitezei automobilului. Această informaţie, împreună cu toate informaţiile de la celelalte traductoare din sistem referitoare la viteza fiecărei roţi, presiunea fluidului de frână şi poziţia pedalei de frână, sunt transmise către microcontroler, care procesează datele şi ajustează presiunea fluidului de frână la fiecare roată, pentru frânare optimă. Multe din elementele sistemului ABS pot fi folosite pentru detecţia alunecării laterale, la preluarea virajelor cu viteze mari şi a puterii de tracţiune a roţilor. O soluţie mai economică decât ABS dar cu acurateţe mai mică, este sistemul de control adaptiv, în care accelerometrele sunt folosite pentru măsurarea deceleraţiei de frânare şi a acceleraţiei când se deschide clapeta de acceleraţie. Dacă are loc deraparea în timpul frânării, se reduce presiunea de frânare şi se reglează pentru deceleraţie maximă sau clapeta de acceleraţie se reglează pentru tracţiune maximă. 13.4.3.5 Navigaţie inerţială Au fost dezvoltate sisteme de navigaţie inerţiale pentru călătorii scurte şi lungi. Sistemele de navigaţie inerţiale pentru distanţe mari obţin poziţia printr-o metodă cu triangulaţie, ce foloseşte trei sateliţi de navigaţie de referinţă, cu poziţii cunoscute, pe orbite fixe. Există anumite situaţii, de exemplu când autovehiculul este în umbra clădirilor sau dealurilor înalte, când se pierde legătura cu toţi cei trei sateliţi. În asemenea situaţii, sistemele de ghidare se bazează pe giroscoape, ce detectează unghiul de rotaţie sau schimbarea direcţiei şi /sau monitorizează mişcarea vehiculului faţă de drum. Sistemele de navigaţie inerţiale pentru distanţe scurte, denumite şi unităţi de măsurare inerţiale, se bazează pe folosirea accelerometrelor şi giroscoapelor de mare acurateţe. Datele tehnice ale accelerometrelor pentru aceste aplicaţii sunt: acceleraţia maximă ± 2 g, acurateţea ± 0,5 % pe întreaga gamă de temperatură, banda de frecvenţă 0 ... 20 Hz şi sensibilitatea axei transversale 0,5 %. O unitate de măsurare inerţială centrală poate fi extinsă pentru a acoperi alte aplicaţii ca: suspensia, ABS, ASR şi lucrul cu traductoare pentru evitarea ciocnirilor. Unitatea de măsurare inerţială poate fi proiectată şi pentru a furniza datele de poziţie pentru sistemele de autostrăzi pentru vehicule inteligente, care îmbunătăţesc eficienţa călătoriei şi reduc consumul de combustibil şi poluarea prin selectarea căii optime spre o anumită destinaţie. Calea se alege şi pentru a evita blocările de trafic, zonele de drum în reparaţii şi accidentele.

204

Există giroscoape integrate realizate prin microprelucrarea siliciului. În acest caz, se folosesc trei straturi de polisiliciu, cu primul şi al treilea fixe, şi al doilea strat liber să vibreze în jurul centrului său. Centrul este menţinut în poziţie de patru braţe cu arc, ataşate la patru monturi. Acest dispozitiv poate detecta rotaţii în planul x - y şi acceleraţii pe direcţia axei z. 13.5 Traductoare de detonaţie a motorului Detonaţia este un fenomen de vibraţie nedorită a structurii care generează zgomot şi este proprie motoarelor cu aprindere prin scânteie. Descoperirea aditivilor pentru benzine (tetraetil de Pb), care îmbunătăţesc stabilitatea procesului de ardere prin scăderea vitezei de ardere, oferă proprietăţi de detonaţie a combustibilului care se potrivesc cu gama de cerinţe a motoarelor. După 1970 însă, folosirea aditivilor în combustibili a căzut în dizgraţie din două motive: mulţi aditivi dau produse de ardere nedorite în aer (amestecurile de Pb sunt toxice la nivele scăzute) şi otrăvesc catalizatoarele convertoarelor catalitice şi ale senzorilor de oxigen, facându-le ineficiente. Legislaţia în domeniu s-a înăsprit treptat, astfel încât, după 1990, în SUA s-a interzis folosirea aditivilor în combustibili. Odată cu dispariţia benzinei cu plumb, a reapărut fenomenul de detonaţie a motorului. Pentru evitarea detonaţiilor, se scad rapoartele de compresie, dar creşte consumul de combustibil. 13.5.1 Fenomenul de detonaţie a motorului 13.5.1.1 Definiţia fenomenului de detonaţie Detonaţia motorului cu aprindere prin scânteie este un mod de ardere nedorit, care ia naştere spontan şi sporadic în motor, producând impulsuri mari de presiune asociate cu o mişcare vibratorie a încărcăturii şi un zgomot caracteristic. Încercarea de a măsura cauzele fenomenului a dus la dificila problemă a observării undelor de presiune în cilindru. De-a lungul anilor, aceste dificultăţi au dus la inventarea unor tehnici de măsurare experimentale comparative ale cifrei octanice a benzinei. Metoda de comparaţie de bază pentru evaluarea calităţilor de detonaţie a combustibililor implică folosirea unui motor simplu, cu aprindere prin scânteie, cu un cilindru, denumit motor standard, şi un combustibil hidrocarbură pură – 100% izooctan. S-a descoperit că se poate reproduce fenomenul de detonaţie în laborator, folosind acest motor şi acest combustibil.

205

Cifra octanică a benzinei este o modalitate de evaluare a caracteristicilor de detonaţie ale combustibililor, bazat pe o comparaţie a performanţelor motorului standard cu combustibilul de test şi cu izooctanul pur. Astfel, izooctanul are cifra octanică 100, cifra octanică a combustibilului pentru motoare de autoturisme este 70 ... 90. Combustibilii cu cifre octanice peste 100 se folosesc pentru motoarele aparatelor de zbor. S-au dezvoltat metode de măsurare a fenomenelor ce rezultă în urma detonaţiei pentru motorul standard şi motoare comerciale. S-a standardizat şi un parametru de măsurare, denumit şoc (jerk), care este derivata a treia a deplasării blocului motor. Există scări pentru compararea performanţelor relative de detonaţie ale combustibililor şi motoarelor bazate pe semnalul de ieşire de la senzorul de şoc. Informaţiile de la senzorul de şoc trebuie corelate cu fenomenele de presiune din cilindru. Frecvenţa de rezonanţă fundamentală a semnalului de presiune generat de detonaţie depinde de geometria cilindrului motorului şi de viteza sunetului în gazul de lucru (încărcătură). Caracteristicile de vibraţie a structurii blocului motor care este excitat de detonaţia fundamentală, sunt determinate de funcţia de transfer a blocului motor. Testele realizate pe un cilindru al unui motor cu aprindere prin scânteie cu şase cilindri, arată că, înalta frecvenţă a vibraţiei structurii este un indicator bun de detonaţie, în ciuda excitaţiei de înaltă presiune şi frecvenţă relativ joasă. Vibraţia structurii indusă de evenimente mecanice, cum este deschiderea şi închiderea supapelor, introduce zgomot care poate fi confundat cu vibraţiile induse de detonaţie. Rezonanţa de reverberaţie a cilindrului este în gama 2 ... 12kHz. O estimare grosieră a frecvenţei de detonaţie pentru o anumită geometrie de cilindru de motor este dată de ecuaţia Draper:

f r = C mn ⋅

vs πR

unde fr este frecvenţa de rezonanţă de detonaţie, Cmn este o constantă de vibraţie, vs este viteza sunetului în gazul din cilindru iar R este raza cilindrului. Cu această ecuaţie, presupunând că temperatura medie a gazului este 2000K, încât vs este 900 m/s, frecvenţa primului mod rezonant circumferenţial este 5,75 kHz. pentru un cilindru cu diametrul de 10 cm. La măsurătorile de şoc din laborator s-au adăugat măsurarea undelor de presiune din cilindri şi analiza semnalului. Cea mai folosită analiză de semnal este să se exprime amplitudinea maximă sau valoarea vârf la vârf a datelor de presiune filtrate trece bandă, ca un număr de evaluare a detonaţiei, denumit intensitatea detonaţiei.

206

Alte modalităţi de a descrie nivelul de detonaţie sunt valoarea efectivă, valoarea medie sau integrala valorii absolute a oscilaţiilor de presiune filtrate trece bandă. Pentru măsurători s-a folosit spectrul de putere al presiunii. S-au stabilit şi metode bazate pe derivate, în funcţie de variaţiile rapide ale presiunii cilindrului în timpul fenomenului de detonaţie, folosind prima, a doua şi a treia derivată a presiunii cilindrului. 13.5.1.3 Sistemul de măsurare şi control al detonaţiei Pe lângă problema dezvoltării unui traductor adecvat de detonaţie, odată ce parametrul ce va fi folosit este selectat, trebuie fixate şi alte consideraţii pentru efectuarea unui control adecvat. Detonaţia motorului poate fi redusă în două moduri: - prin reducerea avansului la aprindere sau - prin deschiderea unei supape de descărcare a turbocompresorului din admisie. Motoarele moderne au deja control electronic de declanşare a aprinderii, astfel că, tot ce mai este necesar pentru controlul detonaţiei este o modificare simplă a secvenţei de comandă a microcontrolerului. Strategiile de control pentru procesarea semnalului de detonaţie trebuie să aibă în vedere următoarele: - frecvenţa de vibraţie a detonaţiei este specifică modelului de motor, dar este 2 .. 12kHz pentru motoare de autoturisme; ieşirea senzorului este astfel filtrată trece bandă cu un factor de calitate de ≈ 2; - reverberaţiile majore ale detonaţiei pentru un anumit cilindru au loc într-o fereastră de timp care începe puţin după ce cilindrul atinge punctul mort superior şi se încheie după 60 ... 90° unghi de rotaţie a arborelui cotit; secvenţa de control permite semnalului de detonaţie să treacă şi să fie mediat, când motorul este în aceste ferestre de timp; - pentru a evita defectarea motorului, când semnătura detonaţiei depăşeşte o valoare limită, sistemul de control întârzie aprinderea cu maxim 10° unghi de rotaţie arbore cotit, astfel motorul nu va fi în detonaţie nici în următoarele câteva perioade de ciclu; apoi controlerul avansează secvenţa până când procesul se repetă; acest lucru determină performanţe slabe pentru motor dar îi asigură o siguranţă confortabilă; - limita pragului de detonaţie este modulată în sistemul de control, pentru a creşte cu viteza de rotaţie a motorului astfel încât să compenseze zgomotul de fond la viteze mari.

207

13.5.2 Senzori de şoc Folosesc bastonaşe magnetostrictive din aliaj de Ni, comprimate pe lungime şi magnetizate la saturaţie de la un magnet permanent, acestea fiind elementele cu reluctanţa magnetică cea mai mare din circuitul magnetic. Vibraţiile motorului sunt transmise prin elementele de montare la bastonaşele din aliaj de Ni. Aceste bastonaşe au lungimea astfel încât se comportă ca elemente rezonante mecanic cu bandă mare de trecere. Comprimarea mecanică iniţială a bastonaşelor este suficient de puternică astfel încât oscilaţiile mecanice care apar să le scoată din compresie. Undele prezente modulează liniar reluctanţa magnetică a circuitului magnetic. În bobina dispusă în jurul bastonaşelor magnetostrictive se generează o tensiune proporţională cu viteza de variaţie a fluxului magnetic, care este invers proporţional cu reluctanţa magnetică a bastonaşelor. Deoarece vibraţiile se datorează acceleraţiilor reverberaţiilor detonaţiei transmise prin blocul motor, tensiunea generată în bobină reprezintă derivata a treia a deplasării, deci şocul. Semnalul de vibraţie de la un motor în detonaţie este prezent aproape peste tot în blocul motor, cu semnalele suprapuse de la toţi cilindrii. Pentru motoare de autobuze, care rar au mai mult de opt cilindri, partea principală a semnăturii detonaţiei de la cilindri succesivi nu este suprapusă în timp ci succesivă, fără suprapunere. Timpul de întârziere determinat de distanţa de la cilindru la senzor este mult mai mic de 1 ms, în timp ce timpii între cilindri sunt 2,5 ms. Amplitudinea semnalului de detonaţie variază în diverse puncte de pe blocul motor. Nu există cel mai bun loc pentru senzor; însă, pentru un anumit model de motor există un punct de amplitudine maximă în care trebuie să se monteze senzorul. Pragul de detonaţie se determină experimental pentru un model de motor, cu senzorul montat în punctul de amplitudine maximă a semnalului. 13.6 Traductoare de cuplu motor 13.6.1 Introducere Cuplul este unul din principalii parametri de stare ai unui motor; împreună cu viteza, este o mărime fundamentală legată de puterea de ieşire. Cuplul se poate defini ca momentul produs de arborele cotit al motorului ce tinde să rotească arborele de antrenare de ieşire şi să furnizeze putere în sarcină. Cuplul înmulţit cu viteza de rotaţie reprezintă puterea furnizată de un arbore. Conform legii lui Newton, cuplul C este egal cu momentul de inerţie de rotaţie, I înmulţit cu acceleraţia unghiulară a. Astfel, la viteză de rotaţie constantă, puterea instantanee este proporţională cu cuplul instantaneu.

208

Când un motor este folosit pentru acţionarea unui autovehicul, operatorul poate comanda acceleraţie incrementală pozitivă sau negativă, cerând motorului cuplu mai mare sau mai mic. Dacă motorul este cu aprindere prin scânteie, acest lucru se realizează prin modularea debitului de aer din calea de admisie. Într-un motor diesel, operatorul controlează debitul de combustibil, care depinde liniar de putere. Pentru motoare cu variaţie lentă a vitezei şi sarcinii, o variaţie incrementală a puterii are ca efect o variaţie a cuplului şi deci o variaţie a acceleraţiei. Cuplul cvasistabil. Este definit ca valoarea medie continuă a cuplului ce variază lent comparativ cu perioada dintre cilindri, dar rapid în raport cu variaţiile de mişcare şi sarcina autovehiculului. Pentru a cuantiza această stare, un motor neîncărcat cuplat la o roată volantă inerţială, poate accelera de la ralanti la viteză maximă în 1 ... 5 s când clapeta de acceleraţie este complet deschisă şi această performanţă este reprodusă dacă variaţia poziţiei clapetei de acceleraţie are loc în 20 ms sau 1 ms. Cuplul cvasistabil este parametrul de interes într-un sistem de control a motorului cu reacţie comandată de cuplu. Cuplul instantaneu. Sistemele actuale de control electronice ale motorului răspund mult mai rapid pentru acei parametri de stare asociaţi procesului de dozare pentru fiecare cilindru. Pregătirea combustibilului şi a aerului din încărcătură şi reglarea avansului la aprindere au loc într-o scară de timp măsurată în fracţiuni ale perioadei cilindrului, adică 30 µs … 20 ms, corespunzătoare stării instantanee a motorului. Este scara de timp a impulsurilor de cuplu, denumite cuplu instantaneu. Pentru a folosi măsurătorile de cuplu instantaneu, trebuie să se evidenţieze faptul că motorul cu piston este o maşină ciclică în care funcţiile principale şi parametrii care le caracterizează sunt legate în secvenţe mecanice de arborele cotit şi axa cu came. Reglarea corectă a acelor parametri care pot fi variaţi independent de trenul de evenimente instantanee ale cilindrului, permite generarea globală a impulsurilor de cuplu în timp real. 13.6.2 Aplicaţii de măsurare a cuplului în automobile Măsurători tradiţionale de cuplu Principala folosire în automobile a măsurătorilor de cuplu este la testarea şi evaluarea motoarelor folosind frâna dinamometrică. Traductorul de cuplu este introdus ca un ax de antrenare între motor şi dinamometru; axul traductorului este supus legii de torsiune a lui Hooke şi se măsoară răsucirea sa. Cuplul se măsoară cu o punte cu mărci tensometrice pe axul de antrenare. Răsucirea maximă este aproximativ 1° pe 0,3 m de arbore, pentru motoare cu puteri de 50 ... 500 CP. Într-un traductor de cuplu de curent continuu cu mărci tensometrice, puntea tensometrică este alimentată de la o sursă exterioară prin inele alunecătoare şi

209

tensiunea de dezechilibru este preluată de la punte la fel. Traductorul este voluminos, fragil şi scump. Un traductor mai robust cu mărci tensometrice în curent alternativ se obţine cu transformatoare rotative. Importantă este punerea la punct de fineţe a motorului pentru a furniza puterea maximă şi consum minim de combustibil în diverse condiţii. Deoarece puterea este cuplul înmulţit cu turaţia, dacă testele sunt realizate la turaţie constantă, putere maximă înseamnă cuplu maxim. Traductorul de cuplu este un indicator direct al modului în care sistemul de control îmbunătăţeşte puterea. La motoarele diesel de putere, preţul motorului depinde de puterea sa. Motorul este testat la ieşirea de pe linia de fabricaţie pentru putere specificată la turaţie nominală, măsurând cuplul şi turaţia. Ocazional, traductoarele de cuplu sunt folosite la un motor care se testează în condiţii de exploatare. Acest lucru se realizează direct în aplicaţii staţionare, dar nu instalat pe vehicul. Măsurători de cuplu cu traductoare electronice Pentru aplicaţii de control, un traductor de cuplu trebuie să aibă acurateţe mare şi viteză mare de răspuns. Cele mai multe traductoare disponibile nu au viteză mare, fiind proiectate pentru teste dinamometrice. Alte cerinţe: - să fie robust, adică fără contact cu partea de acţionare; - să suporte impulsuri de cuplu de 10 .. 20 ori mai mari faţă de valoarea maximă măsurată, fără să-şi degradeze acurateţea: pentru traductoare cu mărci tensometrice, asta înseamnă că traductorul trebuie să fie mereu în zona 5 ... 10% din gama de măsurare, unde nu are acurateţea maximă; - instalarea traductorului să nu schimbe sensul sistemului de acţionare, pentru evitarea deteriorării echilibrării, ce provoacă vibraţii de torsiune; - axul traductorului să fie foarte scurt; din nefericire, pentru un dispozitiv bazat de legea de torsiune a lui Hooke, aceasta înseamnă că unghiul de răsucire este foarte mic. În ciuda acestor bariere pentru o proiectare satisfăcătoare, unele aplicaţii folosesc traductoare electronice de cuplu instantaneu. Există metode de măsurare pe teren a puterii motoarelor cu valori de 400 ... 500 CP. Pentru motoare montate pe autovehicule cu puteri mai mari, acest lucru este dificil pentru că nu sunt disponibile traductoare electronice robuste, iar motoarele sunt adesea montate pe maşini foarte mari, funcţionând pe teren. Nu există dinamometre atât de mari pentru a încărca motorul la putere maximă. Autovehiculele de transport pasageri trebuie să echipate cu sisteme de diagnosticare a motorului, care să includă un detector de rateu de aprindere. Motorul cu piston poate fi configurat în modul cu buclă de control, dacă este echipat cu traductor electronic cu bandă de frecvenţă foarte joasă, capabil să răspundă la fel de rapid ca motorul sau transmisia.

210

13.6.3 Traductoare directe de cuplu a) Traductoare de cuplu de reacţie Cuplul poate fi măsurat şi cu celule de cuplu de reacţie. Acest lucru este util pentru a măsura cuplul cvasi-static, dar nu este un sistem bun de măsurare pentru cuplul instantaneu, deoarece şi motorul şi sarcina au inerţie şi amortizare considerabile, care atenuează impulsul de cuplu şi introduc întârzieri de fază. Aceasta nu este o măsurătoare bună pentru sisteme de control electronice, deoarece elementele de montare ale motorului în autovehicul sunt proiectate să atenueze şi să amortizeze instabilitatea verticală dată de iregularităţile drumului sau sarcinii. De asemenea, în funcţie de timp, temperatură, concentraţia de ozon şi alte variabile, acest sistem de măsurare tinde să se rigidizeze şi să schimbe îndoirea arcurilor motorului pe montură, în funcţie de cuplu. b) Traductoare de efort de torsiune Traductoare cu vector magnetic. Aceste traductoare funcţionează fără contact, pe principiul că domeniile magnetice dintr-un ax feromagnetic ce furnizează cuplu sunt distribuite aleator în lipsa cuplului, dar fiecare domeniu este uşor rotit în direcţie tangenţială, când axul este răsucit în prezenţa cuplului. Dacă se plasează in jurul axului o înfăşurare alimentată cu tensiune alternativă, înconjurată de patru înfăşurări de detecţie legate în punte, amplitudinea tensiunii la ieşirea punţii este proporţională cu componenta tangenţială a vectorului magnetic şi astfel cu răsucirea şi cuplul. Domeniile magnetice nu sunt distribuite perfect statistic pe o gamă mică de unghi a axului şi nu pot fi folosite pentru măsurarea cuplului instantaneu. Pe un unghi mic al arborelui, vectorul de cuplu mediu nu este zero când cuplul este zero şi ieşirea are un zgomot cu o formă care se repetă la 360°. Traductoarele cu vector magnetic au acurateţe rezonabilă pentru măsurarea cuplurilor cvasi-statice, dar au raport semnal / zgomot mic la măsurarea cuplurilor instantanee. S-a realizat şi o variantă simplificată şi miniaturizată a acestui traductor, în care puntea a fost înlocuită cu o singură bobină tangenţială, dar aceasta tot nu poate măsura cuplul instantaneu. Măsurarea optoelectronică a răsucirii. Se bazează pe modificarea factorului de umplere a unor impulsuri optice la trecerea prin două discuri cu fante, fixate la capetele unui ax. Un asemenea traductor este fără contact şi robust, dar necesită lungime mare a axului şi adaugă rezistenţă la arcuirea transmisiei. Traductoarele capacitive de răsucire folosesc electrozi cu segmente intercalate, decalaţi cu 1 ... 2°, fixaţi pe două discuri plate. Un disc este fix iar

211

celălalt se roteşte cu arborele cotit. Se folosesc două perechi de astfel de electrozi bazate pe măsurarea fazei, pentru a obţine semnal instantaneu, proporţional cu torsiunea arborelui. Traductorul are nevoie de o anumită lungime a axului, dar este mai practic decât cel optoelectronic. De asemenea, poate indica şi poziţia unghiulară a arborelui cotit. 13.6.4 Traductoare indirecte de cuplu Măsurarea indirectă a cuplului necesită calcule în timp real în microcontroler împreună cu măsurarea cu precizie a poziţiei unghiulare instantanee a arborelui cotit. Traductoarele de presiune instantanee a cilindrilor folosesc traductoare de presiune piezoelectrice, bazate pe monocristale dopate, din cuarţ sau piezoceramice. Semnalele de la traductoarele de presiune a cilindrilor necesită procesări în timp real folosind circuite integrate de procesare numerică (DSP), pentru a produce semnalele de cuplu. Într-una din metode, se filtrează zgomotul, iar semnalul de presiune este multiplicat cu unghiul instantaneu al arborelui şi integrat pe gama reprezentativă de unghi a mişcării în forţă a cilindrului. Analiza numerică a perioadei Când un motor funcţionează la viteză mică şi sarcină mare, viteza unghiulară instantanee a arborelui de ieşire variază cu frecvenţa fundamentală a cilindrilor, deoarece mişcarea de compresie a fiecărui cilindru absoarbe cuplu. Raportul semnal / zgomot a măsurătorii vitezei unghiulare instantanee (sau perioada instantanee) scade la creşterea vitezei motorului şi scăderea sarcinii, dar este o cale utilă pentru deducerea cuplului motorului. Perioada instantanee a formei de undă este o variaţie în jurul valorii medii a perioadei şi se măsoară cu un traductor de poziţie a arborelui cotit, de precizie, cu mulţi dinţi. Când o bujie produce scânteia sau este injectat combustibilul într-un cilindru diesel, presiunea din cilindru creşte datorită întârzierii aprinderii, timpului de propagare a flăcării finit şi constant şi datorită creşterii temperaturii ce face să crească presiunea. După ardere presiunea scade pe măsură ce pistonul se deplasează sub presiunea gazelor. Cuplul mediu cel mai bun este atins la cilindrul unde impulsul de presiune înmulţit cu sinθ (θ fiind unghiul arborelui cotit) atinge un maxim prin integrare. Datorită întârzierilor, aprinderea trebuie să aibă loc mai înainte, pentru a poziţiona vârful de presiune lângă această valoare. Unghiul de avans al aprinderii trebuie să fie mai mare la turaţii mai mari deoarece timpul de întârziere în propagarea flăcării acoperă un unghi mai mare al arborelui cotit la turaţii mai mari.

212

13.7 Traductoare de presiune pentru automobile 13.7.1 Măsurarea presiunii în automobile În faza de dezvoltare şi de utilizare a automobilelor sunt necesare diverse măsurători de presiune pentru optimizarea performanţelor, determinarea funcţionării în siguranţă, asigurarea conformităţii cu legislaţia şi informarea şoferilor. Traductoarele monitorizează funcţiile autovehiculului, dau informaţii sistemelor de control, măsoară parametrii şi oferă date pentru diagnosticare. Traductoarele de presiune folosite în automobile sunt de la dispozitive mecanice, cu deplasarea poziţiei la aplicarea presiunii, la diafragme din cauciuc sau elastomer şi traductoare semiconductoare bazate pe Si. Tipurile de măsurători de presiune sunt divizate în cinci categorii de bază, independente de tehnologia de măsurare folosită: presiune relativă sau efectivă, absolută, diferenţială, nivel de lichid şi comutator de presiune (manocontact). 13.7.2 Aplicaţii ale traductoarelor de presiune în automobile Cerinţele de măsurători de presiune în automobile sunt de la cele de bază, de exemplu măsurarea presiunii uleiului, la cele complicate, de exemplu presiunea diferenţială a aerului între o parte şi cealaltă a autovehiculului. Specificaţiile automobilelor şi ghidurile de testare au fost dezvoltate şi publicate de SAE (Society of Automotive Engineers), în special pentru traductoare de presiune absolută din galeria de admisie. Traductoarele de presiune dintr-un automobil se folosesc, uzual, pentru măsurarea presiuni din galeria de admisie şi a presiunii uleiului din motor şi au potenţialul multor alte măsurători de presiune. Presiunea din galeria de admisie, barometrică şi presiunea amplificată turbo. Presiunea absolută din galeria de admisie este folosită ca intrare pentru controlul combustibilului şi aprinderii în sistemele de control a motoarelor cu ardere internă. Sistemul de viteză - densitate ce foloseşte traductorul de presiune absolută din galeria de admisie este preferat în locul controlului debitului masic de aer pentru că este mai ieftin, dar standardele de poluare determină mulţi producători să folosească debitul masic de aer la modelele viitoare. Rezoluţiile mari de 32 de biţi ale controlerelor de motoare superioare şi frecvenţele de lucru mari dau acurateţe mare traductoarelor de presiune absolută din galeria de admisie. Schimbările anterioare de la controlere de 8 biţi la 16 biţi au

213

dus la o îmbunătăţire de două ori a rezoluţiei conversiei numerice pentru presiunea de admisie din galerie. Unitatea de control pe 8 biţi realiza conversia analog numerică într-o întrerupere de 4 ms a timer-ului, pentru a menţine un echilibru cu alte controale, rezultând un tinp de întârziere de 1,1 ms, în perioadele de întreruperi suprapuse. Microcontrolerul de 16 biţi realizează conversia analog - numerică la fiecare 2 ms, reducându-se timpul de întârziere la 0.3 ms. Banda de eroare a traductorului de presiune absolută din galeria de admisie a fost restrânsă, iar acurateţea este 1% pe întreaga gamă de temperatură a automobilului. Adesea sunt necesare traductoare barometrice în sistemele cu debit masic de aer, pentru a da informaţii de altitudine pentru calculatorul de control al motorului. Traductoarele de presiune absolută a rezervorului şi de presiune barometrică sunt montate în module de control. Turbocompresoarele tipice pot creşte presiunea cu 80 kPa peste presiunea naturală aspirată de motorul cu ardere internă. Creşte astfel presiunea absolută maximă a senzorului la 200 kPa, iar celelalte cerinţe sunt scalate corespunzător. Presiunea uleiului În automobile a fost iniţial măsurată cu o diafragmă de cauciuc care închide un set de contacte ce dă un semnal luminos de presiune joasă a uleiului sau mişcă un potenţiometru pentru a da un semnal analogic pentru un instrument indicator. Sistemele electronice de măsurare a presiunii uleiului folosesc senzor de presiune piezorezistiv din Si, circuite de protecţie împotriva vârfurilor de tensiune, circuite de amplificare a semnalului de la ieşirea senzorului şi circuite de comandă de ieşire atât pentru o pompă de combustibil cât şi pentru un aparat de măsură electromagnetic. Circuitele de comandă de ieşire cu TEC dau curenţi de 10 A, datorită radiatorului realizat din carcasa traductorului. Unitatea electronică foloseşte tensiune de alimentare de 9 ... 16V şi funcţionează într-o gamă de temperaturi de -40 ... +150°C, cu acurateţe ±3,25% şi neliniaritate < ±0,25%. Carcasa traductorului se asamblează uşor, iar traductorul se interfaţează printrun inel cu închidere ermetică. Materialele pentru carcasă şi gelul protector care acoperă traductorul sunt speciale, traductorul fiind garantat minim 10 ani. Compatibilitatea de mediu Traductoarele de presiune trebuie interfaţate frecvent cu medii cu cerinţe mai mari decât cele ale componentelor electronice. De exemplu, măsurarea presiunii uleiului de motor sau de transmisie, a presiunii combustibilului sau a nivelelor de fluide (ulei, benzină, fluid de răcire, etc.) necesită expunerea carcasei traductorului la fluide, ceea ce ar determina nefuncţionarea circuitelor semiconductoare. Problemele de interfaţare la mediu sunt tratate în funcţie de aplicaţie. Cerinţele de preţ limitează folosirea oţelului inoxidabil pentru carcase, dar se folosesc polimeri protectivi, materiale plastice şi cauciuc stabile chimic şi ieftine.

214

Presiunea uleiului de transmisie şi presiunea de frânare Presiunea din transmisie este mărime de intrare pentru schimbarea treptei de viteză la transmisia controlată de calculator şi se măsoară cu traductoare similare celor realizate pentru presiunea uleiului de motor. Presiunea dintr-un sistem hidraulic, de exemplu din pompa centrală la un sistem ABS, este mult mai mare decât presiunea uleiului de transmisie care necesită un traductor cu presiunea relativă minim 500 psi. Presiunile dinamice relative din conductele de frână pentru autovehicule grele, pot fi sub 150 psi. Optimizările pentru dezvoltarea sistemelor ABS includ controlul deceleraţiei pentru a obţine distanţa cea mai scurtă de oprire posibilă cu un control cât mai bun al direcţiei. Stabilitatea crescută a direcţiei se obţine prin reducerea vitezei de decelerare a roţilor din spate. Controlul tracţiunii îmbunătăţeşte stabilitatea în timpul accelerării şi realizează control independent pentru fiecare roată. Autovehiculele pot avea un singur traductor de presiune pentru monitorizarea presiunii din sistemul hidraulic. Există sisteme care dau informaţia de presiune a frânelor prin detectarea debitului în motoarele din sistem. Pentru sistemul ABS-V1, nu este necesar un traductor de presiune pentru a obţine presiune de frânare optimă la fiecare roată. Alte sisteme însă se bazează pe viteza de apăsare şi eliberare a frânei pentru a controla blocarea. Autovehiculele comerciale au mai multe traductoare pentru a detecta presiunile de frânare. Traductoarele cuplate la cilindrii de frână dau informaţii despre presiunea reală, care este comparată cu valoarea de referinţă, memorată în unitatea de control. Presiunea pneurilor Monitorizarea continuă a presiunii pneurilor creşte economia de combustibil şi siguranţa autovehiculelor. Pneurile cu presiune prea mică au frecare de rulare mare şi cresc consumul de combustibil. Pneurile cu presiune prea mare sunt suprasolicitate şi se pot sparge în mers. Umflate necorespunzător, pneurile au forme neregulate care scad durata de viaţă. Sistemele disponibile de măsurare a presiunii pneurilor constau din câte un traductor de presiune (sau comutator) la fiecare roată, indicator de turaţie a roţii, traductor de temperatură, un transmiţator de radiofrecvenţă, receptor / controler electronic şi display. Presiunea pneurilor creşte cu temperatura aproximativ cu 1,5 psi la fiecare creştere cu 10°C a temperaturii aerului din pneuri, astfel că sistemul trebuie să aibă prevăzute corecţii. Creşterea bruscă a temperaturii şi presiunii este detectată de aceste sisteme care dau un avertisment privind o posibilă explozie a pneului. Presiunea gazelor de evacuare recirculate Presiunea de întoarcere a gazelor de evacuare recirculate (EGR - exhaust gas recirculation) şi o presiune diferenţială se manifestă pe supapa EGR, folosită pentru controlul emisiilor de NOx. Supapa este modulată de un vacuum ce ridică un cep şi permite recircularea gazelor de evacuare. O variaţie a presiunii

215

vacuumului de la 50 la 90 mmHg este suficientă pentru a deschide complet supapa, iar presiunea diferenţială tipică pe supapă este 200 mmHg. Măsurătorile de presiune sunt realizate în timpul fazei de dezvoltare pentru a stabili caracteristici de funcţionare a sistemului. Tipic, se foloseşte un traductor de poziţie pentru a măsura poziţia supapei EGR. Pompa de carburant şi presiunea vaporilor Evaporările care au loc atunci când motorul este oprit, sunt stocate curent întro canistră cu carbon de aproximativ 850 ... 1500 cm3, până când motorul este în funcţiune. Vaporii sunt apoi consumaţi de camera de ardere şi convertorul catalitic. Implementarea vaselor de siguranţă pentru depozitarea vaporilor de hidrocarburi necesită canistre de depozitare în automobil cu volum de 3 ... 4 ori mai mare decât volumul canistrelor existente. Dacă în sistem trebuie detectate scurgerile, se foloseşte un traductor de presiune de diagnosticare. Filtrul de combustibil şi regulatorul de presiune în rezervorul de benzină stabilesc traseul combustibilului. Pompa de benzină este în rezervor, eliminându-se conducta de retur a combustibilului. Sistemul menţine temperaturi scăzute ale combustibilului din rezervor, scăzând evaporările. Prezenţa suprapresiunii Presiunile combustibilului de alimentare, pentru automobile cu sisteme de injecţie, sunt < 75 psi, dar pompele de combustibil dezvoltă până la 3200 psi pentru a deschide injectoarele. Vârfurile de presiune sunt reflectate înapoi prin sistemul de alimentare, care are sub 300 psi în timpul fiecărui impuls de injecţie a combustibilului. Suprapresiunile create de rateuri dau o presiune > 75 psi la traductorul de presiune absolută din instalaţia de alimentare cu combustibil din rezervor. Tehnicile folosite pentru prevenirea defecţiunilor datorate suprapresiunilor sunt: stopuri mecanice în traductor, filtrarea mecanică a impulsului şi un traductor proiectat să funcţioneze la gama de suprapresiune. Implicaţiile asupra presiunii a altor tipuri de motoare şi combustibil. Legislaţia cere vehicule cu emisie scăzută de noxe sau chiar emisie zero. Gazul natural comprimat şi pilele cu hidrogen necesită traductoare de presiune. Gazul natural comprimat este presurizat la 3000 psi şi sistemul de distribuţie include regulatoare de presiune, traductor, supape şi solenoizi de aer pentru mers în gol. Înainte ca gazul natural să intre în motor, un regulator reduce presiunea gazului până aproape de presiunea atmosferică. În ambele porţiuni ale sistemului, de presiune mare şi mică, sunt necesare traductoare de presiune. Pilele de hidrogen sunt o altă sursă potenţială de energie pentru folosire în vehicule electrice. Într-o variantă denumită cu membrană cu schimb de protoni, se foloseşte un turbocompresor pentru presurizarea sistemului şi a menţinerea hidraţia membranei. Este nevoie de o presiune de minim trei atmosfere (0,3 MPa) pentru a

216

înlătura apa. Această presiune sau căderea de presiune pe membrană necesită monitorizare în timpul funcţionării. Presiunea de ardere Se măsoară direct pentru detecţia rateurilor. Presiunea mare (≥ 16 MPa) şi gamele de temperaturi combinate cu alţi factori de mediu ridică preţul de proiectare al unui astfel de senzor. De aceea, în locul măsurării directe a presiunii se folosesc alte tehnici (măsurarea cu fibre optice a emisiei luminoase a arderii şi traductoare de cuplu fără contact). La motorul cu ardere internă cu aprindere prin scânteie, arderea este un proces la volum constant şi ciclul de putere este analizat folosind diagrame presiune volum sau presiune - unghi arbore cotit. Există mai multe tehnici pentru aceste măsurători în mediu de laborator. Măsurarea directă a presiunii (în cilindru) se face cu senzori piezorezistivi de diametru mic, plasaţi în (sau aproape) de bujii şi elemente piezoelectrice sub formă de rondele, plasate sub bujii. Pentru aceşti senzori este necesară o frecvenţă naturală mare datorită măsurătorilor dinamice implicate în procesul de ardere. Măsurarea indirectă înregistrează cuplul arborelui şi deplasarea de fază optică. Alte măsurători de presiune Un sistem cu suspensie adaptivă poate fi realizat cu un amortizor cu absorbant de şoc, controlat de presiunea aerului. Sistemul are două pompe de aer şi nouă solenoizi de reglare a presiunii aerului, bazaţi pe semnale de la traductoare, printre care un traductor de presiune a aerului în partea din spate a autovehiculului care măsoară încărcarea. Circuitul de comandă selectează suspensie uşoară (soft), medie sau grea (hard). Un alt sistem utilizează un rezervor de aer încărcat la o presiune de 1 MPa de un compresor. Un comutator de presiune monitonzează scăderea presiunii sub 760 kPa pentru a reîncărca rezervorul. Amortizoarele cu aer funcţionează la 300 kPa, neîncărcate şi la 600 kPa, la încărcare maximă pe spate. Sistemele de încălzire, ventilare şi aer condiţionat cu agent de răcire CFC-12. încep să fie înlocuite cu cele cu agent de răcire HFC-134a. În al doilea caz eficienţa scade cu 6 %, presiunea de descărcare a compresorului este mai mare cu 175 kPa şi temperatura de descărcare mai mică cu 8°C. Măsurarea presiunii dezvoltate la umflarea pernei de aer de protecţie este o parte a criteriilor de evaluare, calificare şi acceptanţă de lot pentru tehnicile de umflare a pernei de aer de protecţie. Măsurătorile de presiune de vârf necesită răspuns în gama zeci ms. Presiunile pernei umflate sunt sub 100 kPa. Dispozitivele de umflare hibride folosesc gaz inert stocat (de exemplu argon) şi traductor de presiune pentru monitorizarea stării gazului stocat. Sistemele de injecţie a combustibilului tip acumulator, din camioanele speciale grele, pentru motoare diesel cu injecţie directă, au combustibilul presurizat la 20 ... 100 MPa în acumulator, cu o pompă de mare presiune. Presiunea acumulatorului este monitorizată pentru a reduce particulele de impurităţi în suspensie în aer (fum,

217

funingine). O altă metodă de reducere a particulelor este folosirea fibrei ceramice drept filtru într-o canistră. Un traductor de presiune monitorizează presiunea inversă şi permite regenerarea filtrului prin arderea particulelor acumulate. Se foloseşte un element de încălzire în capcană, care permite atingerea unei temperaturi de 700°C în filtru. 13.7.3 Tipuri de traductoare de presiune Pentru măsurarea presiunilor dinamice şi statice în automobile se folosesc traductoare bazate pe: diafragmă - potenţiometru, transformator liniar diferenţial variabil (TLDV), cameră aneroidă, senzori capacitivi din Si sau ceramici, mărci tensometnce piezorezistive, senzori piezoelectrici ceramici sau cu strat subţire şi deplasarea de fază optică. Traductoarele recente dau un semnal electric uşor interfaţabil la microcontrolere. Frecvent folosite sunt dispozitivele mecanice, în laborator pentru calibrarea şi dezvoltarea componentelor, sau în autovehicule în timpul fazelor de dezvoltare ale sistemelor. Dispozitivele mecanice folosite sunt: tubul Bourdon, diafragmele, tuburile ondulate, manometrele şi aparatele de măsurare cu contragreutate. Manometrul este folosit ca instrument de măsurare a presiunii şi ca standard de calibrare a altor instrumente. Este simplu, cu acurateţe mare şi se bazează pe măsurarea înălţimii unei coloane de lichid. Tipuri de manometre: cu tub U, cu rezervor şi cu tub înclinat. Alte traductoare de presiune folosite: McLeod, Pirani, Alphatron, cu senzori cu termocuplu, etc. 13.8 Traductoare de debit pentru automobile Măsurarea debitului este importantă pentru optimizarea performanţelor mai multor subsisteme cheie de control al motorului. Traductoarele de debit masic de aer înlocuiesc calculul indirect al debitului masic de aer din admisie pentru creşterea performanţelor şi economicitate. Dacă parametrul de măsurat este debitul masic de gaz şi nu debitul de volum, se folosesc mai multe traductoare. Pentru debite de lichide, se poate măsura fie debitul de masă sau cel de volum, deoarece densitatea unui lichid variază foarte puţin cu presiunea atmosferică sau cu temperatura. Debitul masic de aer de admisie Injecţia electronică a combustibilului a înlocuit carburatorul din motorul automobilului datorită performanţelor şi fiind singura modalitate de a îndeplini

218

standardele de emisii poluante. Pentru a realiza injecţia de combustibil, trebuie determinat debitul masic de aer care intră în motor. Pentru determinarea vitezei debitului masic de aer se folosesc două metode. Prima calculează viteza de variaţie a debitului masic prin măsurarea vitezei de rotaţie a motorului (vm), temperatura aerului de admisie (Ta) şi presiunea din galeria de admisie (p). Se cunosc volumul nominal al cilindrului (V) şi constanta gazelor pentru aer (Ra). Eficienţa volumetrică a motorului (η) poate fî modelată ca o funcţie de viteză. Mărimea debitului masic de aer se calculează cu relaţia:

ma = (v m ⋅ V ⋅η ⋅ p ) / (Ra ⋅ Ta ) Folosind un traductor de debit masic, se elimină aceste calcule şi se măsoară direct debitul masic. Creşte astfel acurateţea în condiţii dinamice, deoarece presiunea din galeria de admisie variază mai lent decât debitul masic. Eficienţa volumetrică afectează calculul vitezei densităţii deoarece variază când sistemul de admisie devine contaminat. Dezavantajul cel mai mare al folosirii unui traductor de debit masic este gama dinamică mare. Alţi factori importanţi în selecţia traductorului sunt: rezistenţa la contaminanţi şi defectarea cu particule, acurateţea, posibilitatea de a măsura debitul invers şi sensibilitatea la cursul din aval şi din amonte din conductă. Pentru performanţe optime, combustibilul este injectat în fiecare cilindru în mod secvenţial. Acest lucru necesită folosirea semnalelor de la traductoarele de pe arborele cotit şi de pe arborele cu came pentru a secvenţia injecţia combustibilului în galeria de admisîe, în punctul corect. în timpul de admisie. Injectorul de combustibil este alimentat cu presiune constantă şi este modulat în durată, pentru a controla cantitatea de combustibil injectat. Viteza de variaţie a masei de combustibil injectat este:

mc = m a ⋅ λ unde λ este raportul stoichiometric aer/combustibil. Debitul de combustibil pentru măsurarea combustibilului consumat pe distanţa parcursă Sistemele de informare a pilotului ce prezic distanţa până la alimentare şi combustibilul consumat necesită cunoaşterea debitului de combustibil. Acesta se află prin sumarea timpilor activi ai injectorului la una sau mai multe turaţii. Debitul de combustibil se măsoară prin diferenţa între combustibilul ce intră în rampa de carburant şi cel returnat. Metoda are erori deoarece debitul de combustibil pe tur şi cel pe retur sunt mult mai mari decât debitul net de combustibil consumat. Pentru

219

scăderea erorilor se elimină conducta de retur şi se modulează pompa de combustibil pentru a menţine presiune constantă. Debitul de recirculare a gazelor de evacuare Recircularea gazelor de evacuare se realizează pentru reducerea emisiilor de oxizi de azot, prin răcirea procesului de ardere. Dacă supapa de recirculare a gazelor de evacuare începe să se colmateze sau doar să se deschidă parţial, debitul ei se va reduce şi cresc emisiile de oxizi de azot. Se impune diagnosticarea defectelor care duc la creşterea emisiilor nocive. Măsurarea debitului este o modalitate de diagnosticare a supapei de recirculare a gazelor de evacuare defectă. O altă modalitate este folosirea unui traductor de oxizi de azot pentru a măsura emisiile. Debitul pompei secundare de aer Pompa secundară de aer se foloseşte pentru a reduce emisiile de CO şi de hidrocarburi (HC). Verificarea funcţionării ei corecte se face prin măsurarea valorii debitului ei. O altă modalitat, însă scumpă, este să se măsoare direct emisiile de CO şi HC din gazele evacuate. Debitul de combustibil pentru controlul cu reacţie a raportului combustibil / aer Sistemul de control al motorului tratează debitul de combustibil ca o variabilă dependentă, măsurând debitul de aer din admisie şi apoi comandând injectoarele pentru a injecta cantitatea corectă de combustibil în motor. Se presupune că fiecare injector este precis calibrat. Injectoarele folosesc o supapă cu un ac într-un orificiu a cărui suprafaţă este proporţională cu pătratul diametrului, astfel încât eroarea debitului de combustibil este proporţională cu dublul toleranţei diametrului. Tehnologii de măsurare a debitelor a)Tehnologii de măsurare a debitelor de gaze Conceptul termic este întâlnit în toate motoarele care folosesc măsurarea directă a masei aerului din admisie. În funcţie de vaianta de proiectare, se obţine o măsurătoare aproape directă a debitului masic şi simplifică strategia de control a motorului. Ideea de bază este să se încălzească un fir subţire şi, la trecerea debitului de gaz peste el, firul se răceşte prin convecţie. Cantitatea de căldură înlăturată se măsoară cu un circuit electronic şi este proporţională cu viteza de variaţie a debitului masic de aer conform relaţiei:

[

∆P = ∆T C t + (2πd ⋅ C a ⋅ ma )

1/ 2

] 220

unde ∆P este variaţia puterii electrice, ∆T diferenţa de temperatură între aer şi senzor, Ct conductivitatea termică a aerului, d diametrul firului cald, iar Ca este capacitatea termică a aerului. Primul termen al ecuaţiei nu este proporţional cu viteza de variaţie a debitului. De aceea, el trebuie modelat şi înlăturat sau variaţia la temperatură ambiantă trebuie să fie minimizată. Adaptorul electronic pentru firul cald foloseşte o punte Wheatstone, cu firul cald şi trei rezistenţe fixe, alimentată de la ieşirea unui amplificator diferenţial, care are intrările la ieşirea punţii. Ieşirea acestei scheme de măsurare este preluată de pe rezistenţa legată în serie cu firul cald şi legată la masă. Circuitele de control dau fie putere constantă firului cald sau acesta este folosit la diferenţă de temperatură constantă, deasupra temperaturii ambiante; a doua variantă este preferată pentru că uşurează compensarea cu temperatura. Una din problemele firului cald este că particulele fine de praf pot trece prin filtrul de aer şi pot lovi firul cald cu suficientă forţă pentru a-1 rupe. Traductoarele integrate microprelucrate de debit de aer înlocuiesc senzorii cu fir cald din automobile. Se pot realiza astfel traductoare calorimetrice, prin separarea elementului de încălzire de senzor. Avantajul este că, în relaţia de calcul nu mai apare un termen constant (ca primul termen al relaţiei). Problema traductoarelor microprelucrate este prevenirea contaminării. Presiune diferenţială. Un mod simplu de măsurare a debitului de volum este plasarea unei obstrucţii în canalul debitului şi măsurarea presiunii diferenţiale. Debitul este proporţional cu rădăcina pătrată din presiunea diferenţială. Metoda este folosită pentru debite mici. b) Tehnologii de măsurare a debitelor de lichide Tehnologiile uzuale de măsurare a debitelor de lichide sunt: cu presiune diferenţială (tub Venturi, Pitot, etc), cu turbine, cu stingerea vârtejurilor, etc. Alte tehnologii folosite sunt: cu ultrasunete, cu efecte giroscopice, cu ionizarea gazelor.

221