Senzori Si Traductoare Final [PDF]

Zitiervorschau

Mihai Creţu

Constantin Sărmăşanu

Marius Brînzilă

SENZORI ŞI TRADUCTOARE UH B I

b

I d

2 1 3 5

6

SFe l Fe 4

F

7

A

N R

 l

L

S

A

d

C εr

o r  A d

N 2   Fe  S Fe l Fe

Cc 

ri

h re

Editura POLITEHNIUM 2017

2   o  r  h r ln e ri

Editura POLITEHNIUM Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi Str. Prof.dr.doc. Dimitrie Mangeron, nr. 67, 700050 Iaşi, România Tel: 40 232 – 212324 Fax: 40 232 - 211667 E-mail: [email protected] Editura Politehnium (fostă “Gheorghe Asachi”) este recunoscută de Consiliul Naţional al Cercetării Ştiinţifice din Învăţământul Superior (CNCSIS) Coordonator editură: Prof.univ.dr.ing. Carmen LOGHIN Referenţi ştiinţifici:

Prof.univ.dr.ing. Marinel TEMNEANU Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi Facultatea de Inginerie Electrică, Energetică şi Informatică Aplicată

Prof.univ.dr.ing. Codrin DONCIU Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iași Facultatea de Inginerie Electrică, Energetică și Informatică Aplicată

Tehnoredactare Răspunderea pentru tot ceea ce conţine prezenta carte aparţine în întregime autorului (autorilor) acesteia.

Descrierea CIP a Bibliotecii Naţionale a României CREŢU, MIHAI Senzori şi traductoare / Mihai Creţu, Constantin Sărmăşanu, Marius Brînzilă. - Iaşi : Politehnium, 2017 Conţine bibliografie ISBN 978-973-621-472-1 I. Sărmăşanu, Constantin II. Brînzilă, Marius 681.586

Mihai Creţu

Constantin Sărmăşanu

Marius Brînzilă

SENZORI ŞI TRADUCTOARE

Editura Politehnium Iasi, 2017

PREFAŢĂ

Stabilitatea şi conformitatea caracteristicilor tehnologice ale unui proces industrial depind în mare măsură de performanţele sistemelor de control implementate. Instrumentaţia industrială grupată într-un sistem unificat rezolvă astăzi, în mare măsură, problema compatibilităţii care devine esenţială în condiţiile multitudinii de aplicaţii posibile. Desigur, nereferim la mărimile fizice neelectrice care decid evoluţia unui proces tehnologic. O statistică publicată cu ani în urmă în Germania, repartiza numărul punctelor de măsurare pentru urmărirea cantitativă a diverselor mărimi fizice în industriile de bază: metalurgie, construcţii de maşini, chimie, prelucrarea produselor agricole, prealucrarea produselor petroliere etc. După cum urmează: - 40% aveau ca obiect măsurarea temperaturii - 30% măsurarea debitelor şi tehnicilor de cântărire - 10% măsurarea presiunii şi nivelului la fluide - 10% măsurarea deplasărilor şi dimensiunilor - 10% puncte de măsurare destinate analizelor chimice De aici ar rezulta că cea mai urmărită mărime neelectrică în procesele tehnologice industriale este temperatura. Merită de menţionat şi faptul că producţia mondială de senzori şi traductoare, de ordinul a 25-30 miliarde de dolari, este realizată de ţările puternic industrializate: SUA, Japonia, Anglia, Germania, Franţa etc. Lucrarea de faţă are un puternic caracter aplicativ, expunerea materialelor fiind uniform-gradată începând cu noţiunile mai simple însoţite de exemple. Se pune accent pe aspectul fizic şi pe relaţiile cantitative ale fenomenelor, dezvoltările matematice fiind limitate la strictul necesar înţelegerii problemelor tratate. Dar utilizatorul trebuie să fie conştient că dispersia şi modificarea în timp a parametrilor funcţionali sunt fenomene inevitabile care limitează performanţa.

Prefaţă Prin dezvoltarea fără precedent a microelectronicii destinate prelucrării datelor obţinute din măsurare şi a apariţiei senzorilor inteligenţi „smart sensors” fenomenele menţionate anterior se pot compensa şi performanţa ajunge maximul posibil. S-a folosit selectiv literatura de specialitate existentă şi funcţie de caracteristicile funcţionale şi domeniile de aplicaţie, senzorii şi traductoarele realizate, au fost grupate pe familii. Materialul prezentat în această lucrare se adresează inginerilor, cercetătorilor şi studenţilor care doresc să se iniţieze şi să-şi fundamenteze cunoştinţele în domeniul atât de dinamic şi vast al măsurărilor specifice proceselor industriale. Mulţumim pe această cale recenzorilor pentru observaţiile şi recomandările primite care ne-au fost utile în redactarea finală a acestui volum. Primim însă cu recunoştinţă şi sugestiile cititorilor după apariţia lucrării în perspectiva îmbunătăţirii unei ediţii viitoare. Autorii

ii

CUPRINS

Capitolul 1. Noţiuni fundamentale 1.1. Definiţie 1.2. Clasificare 1.2.1. Senzori activi (de tip generator) 1.2.2. Senzori pasivi (de tip parametric) 1.2.3. Senzori compuşi 1.2.4. Sistem senzorial 1.2.5. Senzori integraţi 1.2.6. Senzori inteligenţi 1.3. Caracteristici 1.3.1. Calibrarea senzorilor 1.3.2. Mărimi de influenţă 1.3.3. Caracteristici metrologice 1.3.3.1. limitele de utilizare 1.3.3.2. sensibilitatea 1.3.3.3. liniaritatea 1.3.3.4. precizia 1.3.3.5. pragul de sensibilitate (rezoluţia) 1.3.3.6. timpul de răspuns 1.3.3.7. repetabilitatea 1.4. Tehnologii moderne de realizare a senzorilor 1.4.1. Senzori realizaţi prin tehnologia semiconductorilor 1.4.2. Senzori realizaţi prin tehnologia straturilor subţiri 1.4.3. Senzori realizaţi prin tehnologia straturilor groase

Capitolul 2. Circuite de adaptare pentru senzori pasivi 2.1. Caracteristici generale 2.2. Montajul potenţiometric 2.2.1. Măsurarea rezistenţelor 2.2.2. Măsurarea impedanţelor complexe 2.3. Puntea de măsurare

1 1 3 4 4 6 7 8 10 12 12 14 15 15 16 17 18 20 21 22 22 23 26 28

33 33 35 35 39 41

Cuprins

2.3.1. Măsurarea rezistenţelor (puntea Wheatstone) 2.3.2. Măsurarea impedanţelor complexe 2.4. Oscilatoare 2.4.1. Oscilatoare sinusoidale 2.4.2. Oscilatoare de relaxare 2.5. Adaptare de impedanţă 2.5.1. Amplificatorul comparator cu reacţie de curent 2.6. Zgomote şi interferenţe 2.6.1. Tensiuni parazite datorate câmpului electric

Capitolul 3. Detecţia sincronă 3.1. Etajul detector sincron 3.2. Parametrii detectoarelor sincrone 3.3. Detecţia sincronă cu schimbare de frecvenţă 3.4. Detector sincron cu acord automat pe frecvenţa semnalului

Capitolul 4. Senzori de proximitate 4.1. Senzori inductivi de proximitate 4.2. Senzori magnetici de proximitate 4.3. Senzori capacitivi de proximitate 4.4. Senzori fotoelectrici de proximitate 4.5. Senzori fluidici de proximitate (duză-paletă) 4.5.1 Senzorul cu jet liber 4.5.2. Senzorul cu impact de jeturi 4.5.3 Senzor de proximitate de tip focar

Capitolul 5. Senzori pentru măsurarea mărimilor magnetice 5.1. Senzori bazaţi pe procedeul inductiv 5.2. Senzorul Hall 5.2.1. Efectul Hall 5.2.2. Aplicaţii ale senzorului Hall 5.2.2.1. Măsurarea inducţiei magnetice 5.2.2.2. Măsurarea curentului electric 5.2.2.3. Măsurarea puterii şi energiei electrice 5.2.2.4. Senzor de poziţie cu sondă Hall iv

41 50 56 56 58 59 59 61 65

69 69 73 74 75

77 77 79 79 71 82 83 84 84

87 87 90 90 95 95 97 98 101

Senzori si traductoare

5.3. Senzorul Förster 5.4. Senzori cu rezonanţă magnetică nucleară 5.5. Elemente de defectoscopie magnetică nedistructivă

Capitolul 6. Senzori rezistivi

102 106 110

113

6.1. Senzori reostatici 113 6.1.1. Construcţie şi funcţionare 113 6.1.2. Tipuri constructive particulare pentru senzorul reostatic 120 6.1.3. Aplicaţii uzuale pentru nivelmetre cu plutitor 121 6.2. Senzori tensorezistivi 123 6.2.1. Construcţie şi funcţionare 123 6.2.2. Tehnologii de realizare a senzorilor tensorezistivi 128 6.2.2.1. Mărci tensometrice cu fir metalic 129 6.2.2.2. Mărci tensometrice cu folie metalică 131 6.2.2.3. Mărci tensometrice din materiale semiconductoare 132 6.2.2.4. Mărci tensometrice realizate din fir metalic tensionat între suporturi electroizolante 133 6.2.3.Variaţia temperaturii, sursă principală de erori pentru mărcile tensometrice 135 6.2.4.Procedee de compensare a erorilor de temperatură 135 6.2.5.Particularităţi ale circuitelor de măsurare pentru mărci tensometrice 143 6.2.6.Particularităţi pentru elementele tensorezistive semiconductoare 151 6.2.6.1.Extensibilitatea mărcilor tensometrice 153 6.2.6.2.Postefectul mărcilor tensometrice 153 6.2.6.3. Temperaturi limită 153 6.2.7.Problema structurilor supuse la efort şi aflate într-o mişcare de rotaţie 155 6.2.7.1.Folosirea contactelor electrice alunecătoare 155 6.2.7.2. Folosirea cuplajului electromagnetic 157 6.2.7.3. Cuplajul inductiv cu modulare în frecvenţă 159 6.2.8.Utilizări diverse pentru sensorii tensorezistivi 160 6.2.8.1.Măsurarea puterii mecanice 161 6.2.8.2.Măsurarea presiunii 162 6.2.8.3.Măsurarea acceleraţiei 163 6.2.8.4.Măsurarea cuplului de strângere pentru diverse piese montate prin înfiletare 163 6.2.8.5.Măsurarea deformaţiei de răsucirii 164 v

Cuprins

6.2.8.6.Măsurarea unor deplasări mici 166 6.3.Senzori termorezistivi 166 6.3.1.Principiul de funcţionare 166 6.3.2.Tipuri constructive 170 6.3.3.Constanta de timp şi timpul de răspuns la termorezistenţe 172 6.3.4.Circuite de măsurare pentru senzorii termorezistivi 173 6.3.5.Microdebitmetre termice 177 6.4.Senzori rezistivi cu fir sau strat cald 180 6.4.1.Senzori rezistivi cu fir sau strat cald pentru măsurarea vitezei fluidelor 180 6.4.2.Senzori rezistivi cu fir cald pentru măsurarea presiunii la vid înaintat 182 6.5.Senzori rezistivi de umiditate 185 6.6.Senzori magnetorezistivi 187 6.6.1.Senzori magnetorezistivi din material semiconductor 187 6.6.2.Potenţiometrul magnetic 192 6.6.3.Senzori magnetorezistivi din permalloy 194

Capitolul 7. Senzori capacitivi

205

7.1.Senzori capacitivi bazaţi pe modificarea distanţei dintre electrozi 207 7.2.Senzori capacitivi bazaţi pe modificarea ariei suprafeţei active a electrozilor 210 7.3.Senzori capacitivi cu strat dielectric deplasabil 213 7.3.1. Senzori de deplasare liniară 213 7.3.2. Senzori pentru măsurarea nivelului 215 7.3.3. Senzori pentru măsurarea grosimii stratului de ghiaţă 218 7.3.4. Senzori pentru măsurarea micilor variaţii de nivel ale lichidelor dielectrice 219 7.4. Senzori capacitivi de umiditate 222 7.4.1. Senzori pentru măsurarea umidităţii aerului 222 7.4.1.1Higrometre capacitive cu dielectric din oxid de aluminiu (Al2O3) 222 7.4.1.2.Higrometre capacitive cu dielectric din polimeri 223 7.4.2. Senzori pentru măsurarea umidităţii lichidelor şi solidelor 224 7.5. Circuite de măsurare pentru senzorii capacitivi 225

Capitolul 8. Senzori inductivi 8.1.Senzor inductiv cu armătură mobilă 8.2. Senzor inductiv cu miez mobil vi

231 232 236

Senzori si traductoare

8.3. Senzor inductiv de tip transformator 8.4. Senzor inductiv cu bobină mobilă 8.5. Inductosinul 8.6. Microsinul 8.7. Potenţiometrul inductiv 8.8. Sincrodetectorul 8.9. Rezolverul 8.10. Senzori inductivi de tip magnetoelastic 8.10.1. Senzor cu variaţie de inductivitate 8.10.2. Senzor cu variaţie de cuplaj

240 243 243 249 250 251 253 256 257 259

Capitolul 9. Senzori pentru analiza gazelor

261

9.1.Introducere 9.2. Senzori electrochimici cu electrolit solid 9.2.1. Senzori potenţiometrici 9.2.1.1. Principiul de măsurare 9.2.1.2. Elemente constructive 9.2.1.3. Caracteristicile senzorilor 9.2.1.4. Tipuri constructive 9.2.2. Senzori amperometrici 9.2.2.1. Principiul de măsurare 9.2.2.2. Caracteristici metrologice 9.2.2.3. Tipuri constructive 9.3. Senzori bazaţi pe variaţia impedanţei electrice 9.3.1. Senzori de conductivitate 9.3.1.1. Măsurarea conductivităţii masice 9.3.1.2. Măsurarea conductivităţii superficiale 9.3.2. Senzori bazaţi pe măsurarea capacităţii electrice 9.4. Senzori cu fibră optică 9.5. Senzori cu cuarţ piezoelectric 9.6. Senzori tip FET 9.6.1. Principiul de măsurare 9.6.2. Variante constructive 9.7. Senzori de tip catarometric 9.8. Senzori catalitici 9.9. Traductoare inductive pentru analiza gazelor 9.9. 1. Senzorul cu cameră inelară Magnos 9.9. 2. Senzorul Oxymat vii

261 262 262 262 264 266 269 273 273 274 274 275 275 275 276 287 288 291 293 293 294 295 299 301 302 304

Cuprins

Capitolul 10. Senzori şi traductoare pentru roboţi

305

10.1. Paralelă între fiinţa vie şi robot 305 10.2. Elementele constitutive ale unui robot industrial 307 10.3. Senzori şi traductoare în contact cu obiectul vizat 309 10.3.1. Senzori tactili electromecanici 310 10.3.1.1.Senzorul CECIL EQUIPEMENT 310 10.3.1.2.Senzorul tactil cu două grade de libertate (JOZEF STEFAN) 312 10.3.1.3.Senzorul dinamic PERUCHON 312 10.3.1.4.Senzor piezoelectric UMETANI 313 10.3.1.5.Senzorul tactil optoelectronic JOZEF STEFAN 314 10.3.1.6.Senzorul ESAB 315 10.3.1.7.Senzorul SWORD şi HILL 316 10.3.1.8.Senzorul activ SAF 316 10.3.1.9.Senzorul activ JOZEF STEFAN 317 10.3.2.Senzori tactili matriciali 320 10.3.2.1.Senzorul matricial PAGE 320 10.3.2.2.Senzorii matriciali GOLDGEWICHT şi TAKEDA 321 10.3.2.3.Senzorul piezoelectric matricial MATSUBARA 322 10.3.3. Pielea artificială 323 10.3.3.1.Senzor tactil tip “piele artificială” cu conductivitate transversală 324 10.3.3.2. Senzorul integrat tip “piele artificială” 325 10.3.3.3. Senzor tactil cu elastomer tip plasă conductoare 326 10.3.3.4. Senzor tactil cu magnetorezistenţe 327 10.3.3.5. Senzor tactil cu termistoare 328 10.3.4. Senzori de efort 329 10.3.4.1. Determinarea poziţiei punctului de contact 329 10.3.4.2. Determinarea efortului între robot şi mediu 330 10.3.4.2.1. Senzorul de efort tip platformă senzorială WATSONDRAKE 331 10.3.4.2.2. Senzorul GOTO 334 10.3.4.2.3. Senzorul JET PROPULSION LABORATORY 335 10.3.4.2.4. Senzorul STANFORD 336 10.4. Senzori şi traductoare fãrã contact cu obiectul vizat 337 10.4.1. Senzori inductivi 337 10.4.1.1 Senzorul cu circuite magnetice 337 10.4.1.1.1. Senzor magnetic cu circuit unic 338 10.4.1.1.2. Senzori magnetici cu două circuite 339 viii

Senzori si traductoare

10.4.1.1.3. Senzorul magnetic cu circuite mutiple 340 10.4.1.2 Sezorul cu curenţi FOUCAULT 340 10.4.1.2.1. Senzor cu curenţi Foucault-circuit unic 341 10.4.1.2.2. Senzor cu curenţi Foucault-circuit dublu 342 10.4.1.2.3. Senzor cu curenţi Foucault-circuite multiple 343 10.4.2. Senzorul cu efect Hall 344 10.4.3. Senzorul magnetorezistiv 345 10.4.4. Senzori de proximitate capacitivi 347 10.4.5. Senzori optici 348 10.4.5.1. Detecţia proximetrică 349 10.4.5.2. Detecţia de trecere 349 10.4.5.3. Detectorul optic în cuadratură (cuadrantul) 350 10.4.5.4. Fotodioda cu efect lateral 351 10.4.5.5 Camere de luat vederi 354 10.4.5.5.1 Sisteme de viziune 2D 354 10.4.5.5.2. Sisteme de viziune selectivă 354 10.4.5.5.3 Senzori şi camere de luat vederi în infraroşu 356 10.4.5.5.4 Senzori bazaţi pe măsurarea intensităţii luminoase generată de piesa de manipulat 358 10.4.6. Elemente sensibile şi traductoare ultrasonore 359 10.4.7. Senzori fluidici 360 10.4.8. Sensori proximetrici bazaţi pe măsurarea lungimii arcului 361 10.4.9. Senzorul termic cu unde de suprafaţă 363 10.4.10. Senzori bazaţi pe ferite termosensibile 363 10.4.11. Telemetrie si pozitionare cu microunde 365 10.4.12. Celule proximetrice integrate 365

Bibliografie

367

ix

Cuprins

x

CAPITOLUL 1 NOŢIUNI FUNDAMENTALE

1.1. Definiţie Necesitatea culegerii de informaţii din mediul înconjurător în scopul prelucrării lor este evidentă şi, mai mult, ea creşte odată cu evoluţia tehnologică. Senzorii reprezintă interfaţa dintre mediu, proces, instalaţie, pe de o parte şi sistemul electronic de măsurare şi control, pe de altă parte. În prezent, noţiunea de senzor nu se află în urma altor concepte, cum ar fi microprocesor, memorie sau alte componente electronice. Cu toate acestea, nu există o definiţie exactă a termenului “senzor”, aşa cum se regăsesc pentru alţi termeni din domeniul electric. De aceea, aproape toate publicaţiile referitoare la senzori încep cu o definire a acestora. Plecând de la termenul “senzor”, s-au dezvoltat şi alte noţiuni legate de acelaşi domeniu, cum ar fi: element sensibil, sistem senzorial, senzor inteligent, tehnologie senzorială etc. Etimologic, cuvântul “senzor” provine din limba latină, de la cuvântul “sensorium”, care înseamnă “organ de simţ” sau de la cuvântul “sensus”, adică “simţ”. Plecând de la originea cuvântului, pare firesc să evidenţiem analogia dintre senzorii tehnici şi organele senzitive umane (figura 1.1). Ce se poate remarca din această comparaţie este faptul că atât senzorii, cât şi organele de simţ, ca elemente independente, nu “spun” foarte mult despre mediul înconjurător, sistemul inteligent fiind cel care creează, de fapt, informaţia.

Capitolul 1. Noţiuni fundamentale

Maşină

Om

Afişaj Activitate musculară Regulator, controler Creier Etaj condiţionare (conversie, liniarizare, amplificare etc.)

Semnal electric Organ de simţ

Senzor

Semnal neelectric Mediu înconjurător

Mediu (temperatură, presiune, deplasare etc.)

Figura 1.1. Comparaţie între senzori şi organele de simţ umane

O definiţie a noţiunii de senzor poate fi următoarea: Senzorul este un element care converteşte mărimea (fenomenul) de măsurat într-o caracteristică de natură electrică (sarcină, tensiune, curent sau impedanţă), ce poate fi prelucrată şi transmisă electronic. În figura 1.2 sunt prezentate principalele categorii de mărimi şi fenomene care pot fi sesizate şi măsurate cu ajutorul senzorilor: 1. mărimi mecanice a) caracteristice solidelor (viteză, acceleraţie, elasticitate, densitate, grosime, diametru, lungime, greutate, masă, nivel, presiune, putere, orientare, distanţă, unghi etc.); b) caracteristice lichidelor şi gazelor (densitate, vâscozitate, volum, viteză de curgere, presiune etc.); 2. mărimi termice (temperatură, radiaţie termică etc.); 3. radiaţii optice (intensitate, lungime de undă, polarizare, culoare, reflexie etc.); 2

Senzori si traductoare

4. mărimi acustice (frecvenţă, presiune, viteză de propagare, absorbţie, intensitate etc.); 5. radiaţie nucleară (energie, grad de ionizare, flux etc.); 6. parametri chimici (concentraţie, pH, umiditate, tipul moleculelor sau ionilor, viteză de reacţie etc.); 7. mărimi electrice şi magnetice (tensiune, curent, fază, frecvenţă, inducţie magnetică, intensitate etc.).

Parametri chimici

Radiaţie electromagnetică

Mărimi mecanice

Mărimi termice

Mărimi magnetice

Senzor Mărimi electrice

Figura 1.2. Fenomene convertite în mărimi electrice cu ajutorul senzorilor

1.2. Clasificare În principiu, elementul de bază în construcţia unui senzor este elementul sensibil. Acesta are rolul de a culege informaţii din mediul înconjurător, deci de a sesiza fenomenul de măsurat. Pe lângă elementul sensibil, senzorul cuprinde alte elemente adiancente, cu rol de fixare, de protecţie, de conectare la circuitul de măsurare etc După schema electrică echivalentă (sau după natura mărimii de ieşire), senzorii sunt clasificaţi în două categorii: 1. senzori activi şi 2. senzori pasivi. De asemeni, în funcţie de tipul semnalului pe care îl generează sub acţiunea mărimii de măsurat (măsurandului), senzorul poate fi analogic sau 3

Capitolul 1. Noţiuni fundamentale

numeric. În cazul senzorilor analogici, la ieşire se obţine un semnal electric continuu sau o variaţie continuă a unui parametru caracteristic, similare cu variaţiile mărimii de măsurat. Senzorii numerici furnizează un semnal discontinuu, o succesiune de impulsuri sau o combinaţie de tensiuni care, după un anumit cod, reprezintă modul de variaţie a mărimii de măsurat. 1.2.1. Senzori activi (de tip generator) Sub acţiunea unei mărimi de măsurat, aceşti senzori se comportă ca surse de semnal electric, mărimea lor de ieşire fiind variaţia unei sarcini, a unei tensiuni sau a unui curent electric. Cu alte cuvinte, principiul lor de funcţionare are la bază efecte fizice care asigură conversia directă în energie electrică (tensiune, curent, sarcină) a unei forme de energie proprie măsurandului. Cele mai importante efecte care stau la baza funcţionării senzorilor activi sunt prezentate în tabelul 1.1. Mărime măsurată Temperatură Flux de radiaţii optice

Forţă, presiune, acceleraţie Viteză Înducţie magnetică, poziţie

Tabel 1.1. Principii de bază pentru senzorii activi Efect utilizat Mărime de ieşire Termoelectric Tensiune Piroelectric Sarcină Fotoemisiv Curent Fotovoltaic Tensiune Fotoelectromagnetic Tensiune Piezoelectric Sarcină Înducţie Tensiune electromagnetică Efect Hall Tensiune

1.2.2. Senzori pasivi (de tip parametric) Senzorii pasivi se comportă ca impedanţe, ale căror parametri caracteristici (rezistenţă, inductanţă sau capacitate) sunt sensibili la valorile măsuranzilor. Variaţia impedanţei poate fi datorată acţiunii mărimii de măsurat fie asupra caracteristicilor geometrice sau dimensionale ale elementului sensibil, fie asupra proprietăţilor electrice ale materialului acestuia (rezistivitate, permeabilitate magnetică, constantă dielectrică). În cazul variaţiei parametrilor geometrici sau dimensionali, elementul sensibil 4

Senzori si traductoare

este constituit sub forma unui element mobil sau deformabil sub acţiunea măsurandului. În tabelul 1.2 se prezintă principiile fizice cele mai importante care stau la baza funcţionării senzorilor pasivi, cât şi principalele materiale utilizate.

Măsurand Temperatură Temperatură foarte joasă Flux de radiaţii optice Deformaţie Poziţie Umiditate Nivel

Tabel 1.2. Senzori pasivi: principii fizice şi materiale Caracteristică electrică Material utilizat sensibilă Rezistivitate Metale, semiconductoare Constantă dielectrică Sticle Rezistivitate Semiconductoare Rezistivitate Aliaje de Ni, Si dopat Permeabilitate magnetică Aliaje feromagnetice Rezistivitate Materiale magnetorezistive Rezistivitate LiCl Constantă dielectrică Al2O3, polimeri Constantă dielectrică Lichide izolante

Impedanţa unui senzor pasiv şi variaţiile sale se pot măsura doar incluzând senzorul într-un circuit electric alimentat de la o sursă exterioară. Aşadar, aceşti senzori sunt asociaţi cu circuite de adaptare (traducere) care au rolul de a converti variaţiile de impedanţă ale elementului sensibil în semnale electrice. Această structură senzor pasiv – circuit de adaptare este cunoscută în general sub denumirea de traductor. Principalele tipuri de circuite de adaptare a informaţiei obţinute de la senzorii pasivi, care se utilizează în aplicaţii sunt: 1. montaj potenţiometric: conectarea în serie cu senzorul pasiv a unei surse şi a unei impedanţe care poate fi sau nu de acelaşi tip cu senzorul; 2. punte de impedanţe: echilibrul acestei punţi permite determinarea impedanţei senzorului sau dezechilibrul punţii este o măsură a variaţiei acestei impedanţe; 3. circuit oscilant: senzorul este o componentă a unui oscilator la care frecvenţa este fixată de valoarea impedanţei elementului sensibil; 4. amplificator operaţional: impedanţa senzorului este unul dintre elementele care stabilesc câştigul amplificatorului. 5

Capitolul 1. Noţiuni fundamentale

Alegerea circuitului de adaptare este o etapă foarte importantă în realizarea unui traductor, de ea depinzând caracteristici de bază ale acestuia: sensibilitate, liniaritate, imunitate la anumiţi parametri de influenţă etc. 1.2.3. Senzori compuşi Există situaţii în care, din motive de cost sau uşurinţă în exploatare, se utilizează senzori care nu sunt sensibili la mărimea de măsurat, ci la unul din efectele sale. În acest caz, un aşa-numit corp de probă este supus la acţiunea măsurandului şi realizează o primă conversie a acestuia într-o mărime neelectrică, pe care apoi un senzor adecvat (activ sau pasiv) o converteşte într-un semnal de natură electrică. Acest ansamblu corp de probă – senzor este cunoscut sub denumirea de senzor compus (figura 1.3). Măsurand primar

Măsurand Corp de probă secundar Senzor compus

Senzor

Semnal electric

Figura 1.3. Structura unui senzor compus

Senzorii compuşi sunt utilizaţi în special în cazul măsurării mărimilor mecanice; acestea determină deformări sau deplasări ale unor corpuri de probă, la care sunt sensibili senzorii asociaţi. De exemplu, o presiune poate fi măsurată prin intermediul unei membrane (care joacă rolul corpului de probă); deformarea ei este convertită într-o mărime de natură electrică de către un senzor tensorezistiv. De asemeni, membrana unui microfon electrodinamic este un corp de probă al cărui mişcare este determinată de presiunea acustică. Dependenţa măsurand secundar – măsurand primar, caracteristică unui corp de probă, este în general liniară, mai ales în cazul măsurării deplasărilor şi deformaţiilor (cu condiţia să nu fie depăşită limita de elasticitate a corpului de probă). Performanţele senzorilor compuşi sunt stabilite printr-o etalonare globală a ansamblului corp de probă – senzor,

6

Senzori si traductoare

având în vedere că asocierea celor două elemente poate modifica parametrii lor individuali. 1.2.4. Sistem senzorial Noţiunea de sistem senzorial se referă la ansamblul elementelor care permite obţinerea unor informaţii clare despre mărimea de măsurat, informaţii care pot fi ulterior afişate, analizate sau utilizate în scopul comandării unor dispozitive. Aşadar, un sistem senzorial (mai cunoscut sub denumirea de sistem sau lanţ de măsurare) include (figura 1.4): 1. unul sau mai mulţi senzori (care pot fi sau nu de acelaşi tip), însoţiţi, dacă este cazul, de circuite corespunzătoare de adaptare (traducere); la ieşirea acestora se obţin semnale electrice. 2. un etaj de condiţionare a semnalelor generate de senzori, având ca scop pregătirea acestor semnale în vederea prelucrării lor ulterioare cu ajutorul unor sisteme numerice. Principalele funcţii realizate în această etapă sunt: amplificare, atenuare, izolare galvanică, filtrare, liniarizare, corecţii, conversie curent – tensiune, multiplexare, conversie analognumerică. 3. un etaj de prelucrare numerică a semnalelor obţinute la ieşirea blocului de condiţionare. La acest nivel sunt utilizate calculatoare, microprocesoare, microcontrolere ce îndeplinesc funcţii ca: gestiunea achiziţiei de date, procesare de date (filtrare numerică, corecţii de zero, de sensibilitate, de neliniaritate etc.), analiză de date (analiză spectrală, analiză statistică etc.), prezentarea rezultatelor, comanda unor elemente de control etc.. mărime neelectrică de intrare

semnal electric Senzor Element sensibil

Adaptor

Bloc condiţionare

semnal electric numeric

cod numeric Bloc prelucrare numerică

Figura 1.4. Arhitectura generală a unui sistem senzorial (de măsurare)

7

Capitolul 1. Noţiuni fundamentale

1.2.5. Senzori integraţi O etapă importantă în evoluţia senzorilor a reprezentat-o apariţia senzorilor integraţi. Aceştia sunt componente realizate prin tehnici ale microelectronicii, care includ pe acelaşi substrat (de obicei din Si) senzorul propriu-zis (simplu sau compus) şi circuitele electronice de adaptare şi condiţionare a semnalului (figura 1.5). mărime neelectrică de intrare

substrat din Si Senzor simplu/compus

Bloc adaptare + condiţionare

semnal electric de ieşire

Figura 1.5. Structura de principiu a unui senzor integrat

Această integrare aduce o serie de avantaje în comparaţie cu senzorii clasici: - miniaturizare; - cost redus, datorită tehnologiei de producţie foarte dezvoltate; - creşterea fiabilităţii, prin eliminarea numeroaselor conexiuni sudate; - protecţie mai bună împotriva semnalelor parazite, datorită condiţionării semnalului chiar lângă sursă; - posibilitatea realizării unor compensări (de exemplu cu variaţia temperaturii mediului ambiant), prin includerea în aceeaşi structură a unor senzori suplimentari; - consum de putere redus. În acelaşi timp, însă, senzorii integraţi au şi o serie de limitări şi dezavantaje: - utilizarea siliciului impune o limitare domeniului temperaturii de lucru la aproximativ -50  +150C. De asemeni, Si nu are o serie de proprietăţi (de exemplu, piezoelectricitatea) sau unele proprietăţi sunt restrânse într-o anumită gamă (de exemplu, efectul fotoelectric în domeniul infraroşu); 8

Senzori si traductoare

- realizarea senzorilor integraţi pune, în anumite situaţii, probleme delicate din cauza plasării senzorului în apropierea părţii electronice asociate. De exemplu, carcasa senzorului trebuie să permită contactul elementului sensibil cu un mediu exterior adesea ostil (de exemplu, la măsurarea pH-ului, a debitului, a diverselor compoziţii gazoase), protejând în acelaşi timp componentele electronice; - posibilitatea apariţiei unor cuplaje parazite, cauzate de densitatea mare pe structura integrată. În ciuda acestor inconveniente (dintre care unele pot fi evitate), senzorii integraţi au o răspândire tot mai mare, găsindu-şi aplicaţii în numeroase domenii, de la construcţia de automobile la tehnologia medicală şi industria bunurilor de larg consum. Realizarea senzorilor integraţi are la bază tehnologii utilizate în microelectronică, cum ar fi: tehnologia planară, tehnologia straturilor subţiri, tehnologia straturilor groase, tehnologia microprelucrărilor. Cercetările actuale urmăresc utilizarea de noi tehnologii şi materiale în realizarea senzorilor integraţi, care să permită îmbunătăţirea performanţelor şi extinderea domeniilor de utilizare ale acestor senzori. S-au realizat până în prezent numeroase tipuri de senzori integraţi, dintre care se pot menţiona: senzori de temperatură (AD590-Analog Devices, LM135-National Semiconductor, STP35-Texas Înstruments), senzori tensorezistivi, senzori bazaţi pe tranzistoare cu efect de câmp (senzori FET-Hall, senzori GASFET, senzori ISFET), senzori cu unde acustice de suprafaţă, senzori fotorezistivi, fotodiode, fototranzistoare etc. În cazul senzorilor compuşi integraţi, corpul de probă este realizat plecând de la substratul de Si care constituie suportul întregului senzor integrat. Proprietăţile mecanice excelente ale cristalului de Si permit realizarea unor corpuri de probă sub formă de lamelă (figura 1.6.a) sau de membrană (figura 1.6.b), prin tehnica microprelucrărilor chimice.

9

Capitolul 1. Noţiuni fundamentale

a. tip lamelă b. tip membrană Figura 1.6. Realizarea unui corp de probă integrat

Se pot realiza astfel senzori integraţi pentru acceleraţie (folosind corpul de probă de tip lamelă) şi senzori integraţi de presiune (folosind corpul de probă de tip membrană). În figura 1.7 se prezintă un exemplu de senzor integrat pentru măsurarea acceleraţiei; deformarea corpului de probă lamelă-masă seismică este convertită în semnal electric prin intermediul unui strat piezoelectric de ZnO.

bornă de ieşire (drenă)

amplificator MOS

rezistenţă de sarcină bornă de alimentare

ZnO piezoelectric p+ p+

corp de probă

Si

Figura 1.7. Structura de principiu a unui senzor integrat de acceleraţie

1.2.6. Senzori inteligenţi În prezent, se urmăreşte realizarea unor aşa-numiţi senzori inteligenţi. Deşi această noţiune este exagerată în cazul senzorilor în comparaţie cu inteligenţa umană, ea se referă la posibilitatea obţinerii direct 10

Senzori si traductoare

de la senzor a informaţiei finale asupra mărimii urmărite. Senzorul inteligent cuprinde, aşadar, pe aceeaşi structură, următoarele elemente (figura 1.8): 1. senzorul principal, specific mărimii de măsurat şi care poate fi identificat printr-un cod stocat într-o memorie PROM; 2. senzori secundari, cu rolul de a compensa influenţele unor mărimi perturbatoare asupra senzorului principal; 3. circuitele de adaptare şi condiţionare aferente acestor senzori, care permit în final obţinerea sub formă numerică a informaţiilor furnizate de senzori; 4. un microprocesor, care îndeplineşte funcţiile de gestionare a achiziţiei datelor şi de prelucrare numerică a informaţiei; 5. o interfaţă de comunicaţie bidirecţională, care asigură conectarea senzorului la alte dispozitive de prelucrare numerică (de exemplu, un calculator central) sau la alţi senzori inteligenţi printr-o magistrală externă de comunicaţie. interfaţă de comunicaţie bidirecţională mărimi de influenţă

măsurand

Senzori secundari

Senzor principal

Circuite adaptare + condiţionare + CAN

Microprocesor

PROM programe

RAM

PROM

magistrală internă

magistrală externă de comunicaţie

Figura 1.8. Structura de principiu a unui senzor inteligent

Dezvoltarea în viitor a senzorilor inteligenţi este garantată de avantajele pe care le oferă: miniaturizarea lanţului de măsurare, configurabilitate la distanţă, reducerea influenţelor exterioare lanţului, repartiţia sarcinilor de lucru etc. 11

Capitolul 1. Noţiuni fundamentale

1.3. Caracteristici La alegerea şi utilizarea unui senzor în cadrul unui sistem de măsurare este importantă cunoaşterea şi interpretarea corectă a specificaţiilor sale tehnice. Aceste specificaţii se referă la comportarea senzorului în raport cu mărimea de intrare, cu etajul următor din structura sistemului şi cu mediul înconjurător. Importanţa fiecărui parametru caracteristic al unui senzor depinde de mărimea de măsurat şi de sistemul de măsurare proiectat. De exemplu, în cazul unui senzor de presiune destinat măsurărilor într-un domeniu îngust de valori este mai important un histerezis mic decât o liniaritate ridicată. Performanţele tehnice ale unui senzor cuprind două categorii de specificaţii: 1. specificaţii pentru regim static (precizie, rezoluţie, sensibilitate, liniaritate, repetabilitate). Caracteristicile şi performanţele de regim static se referă la situaţia în care măsurandul are o valoare constantă sau foarte lent variabilă în timp. 2. specificaţii pentru regim dinamic, privind comportarea în domeniul timp (constanta de timp, timpul de creştere, timpul de stabilizare, timpul mort) şi comportarea în domeniul frecvenţă (banda de frecvenţă, frecvenţa proprie, factorul de amortizare). Regimul dinamic al unui senzor corespunde funcţionării acestuia în situaţia în care mărimea de măsurat şi semnalul de ieşire variază rapid în timp. 1.3.1. Calibrarea senzorilor Specificaţiile senzorilor sunt determinate de către producător prin operaţia de calibrare, care permite reprezentarea sub formă grafică sau algebrică a relaţiei dintre valorile mărimii de măsurat şi cele ale mărimii de ieşire a senzorului, ţinând cont de toţi parametrii adiţionali care pot influenţa răspunsul acestuia. În cazul regimului static, măsurandul este o mărime unică, iar senzorul se consideră insensibil sau nesupus la acţiunea unor mărimi de influenţă (de exemplu, măsurarea distanţelor fixe cu ajutorul unui senzor potenţiometric care nu depinde de temperatură, măsurarea unei forţe 12

Senzori si traductoare

constante cu senzori compensaţi termic, măsurarea unei temperaturi stabile cu ajutorul unui termocuplu). În aceste cazuri, se realizează o calibrare simplă, care poate fi: 1. directă, când diversele valori ale măsurandului sunt furnizate de către etaloane sau elemente de referinţă a căror valoare este cunoscută cu precizie ridicată; 2. indirectă (prin comparaţie), când se utilizează un senzor de referinţă supus la acţiunea măsurandului în acelaşi timp şi în aceleaşi condiţii cu senzorul de calibrat. În regim dinamic, atunci când nu se poate defini răspunsul senzorului doar prin intermediul mărimii de măsurat, trebuie specificată printr-o calibrare multiplă influenţa fiecărui parametru adiţional. Dacă senzorul este constituit din componente care pot avea histerezis (mecanic sau magnetic), valoarea mărimii de ieşire nu depinde doar de valoarea actuală a măsurandului, ci şi de valorile sale anterioare. În acest caz, calibrarea presupune analiza senzorului supus la o succesiune ordonată de valori ale mărimii de măsurat (din origine, în ordine crescătoare, apoi în ordine descrescătoare, de la valoarea maximă obţinută). Viteza de variaţie a măsurandului (cu alte cuvinte, spectrul său de frecvenţă) este un parametru care afectează funcţionarea oricărui senzor. Răspunsul în frecvenţă al senzorului defineşte domeniul de frecvenţă în interiorul căruia răspunsul este optim şi cel mai adesea independent de viteza de variaţie; în exteriorul acestui domeniu performanţele senzorului scad în funcţie de frecvenţă. În aceste condiţii, este necesară realizarea unei calibrări duble: pe de o parte se determină răspunsul în frecvenţă al senzorului (obţinut prin măsurarea mărimii de ieşire în funcţie de frecvenţa măsurandului având amplitudine constantă), iar pe de altă parte se determină răspunsul senzorului în funcţie de amplitudinea măsurandului (la frecvenţă fixă). De asemeni, proprietăţile fizice ale suportului material al măsurandului pot constitui parametri determinanţi pentru răspunsul senzorului (de exemplu, capacitatea unui senzor capacitiv de nivel nu depinde numai de înălţimea lichidului, dar şi de constanta sa dielectrică). În

13

Capitolul 1. Noţiuni fundamentale

acest caz, se recomandă realizarea unei calibrări separate a senzorului pentru fiecare material cu care va fi utilizat. În mod asemănător se procedează în cazul unor mărimi de influenţă. De exemplu, dacă temperatura mediului modifică răspunsul senzorului, se realizează o serie de calibrări la temperatură constantă şi repetate pentru diverse temperaturi în domeniul de funcţionare posibil. Pentru fiecare parametru care influenţează răspunsul senzorului, producătorul furnizează date de calibrare corespunzătoare, pe baza cărora utilizatorul poate determina prin interpolare mărimea de ieşire în condiţii experimentale. 1.3.2. Mărimi de influenţă Mărimile de influenţă sunt acele mărimi fizice “parazite” ale căror variaţii pot conduce la modificarea mărimii electrice de ieşire a senzorului, care nu poate fi deosebită de acţiunea măsurandului. Principalele mărimi de influenţă la care poate fi sensibil senzorul sunt: 1. temperatura, care modifică caracteristicile electrice, mecanice şi dimensionale ale componentelor senzorului; 2. presiunea, acceleraţia şi vibraţiile care pot crea în anumite elemente componente ale senzorului deformaţii ce afectează răspunsul acestuia; 3. umiditatea, la care pot fi sensibile anumite proprietăţi electrice ca rezistivitatea sau constanta dielectrică şi care poate deteriora izolarea electrică între componente ale senzorului sau între senzor şi alte elemente de circuit; 4. câmpuri magnetice variabile sau statice; primele generează tensiuni electromotoare de inducţie care se suprapun peste semnalul util, iar celelalte pot modifica o proprietate electrică (de exemplu, rezistivitatea); 5. frecvenţa şi amplitudinea tensiunii de alimentare. În scopul evitării influenţei acestor mărimi asupra semnalului de ieşire al senzorului, se urmăreşte: fie reducerea importanţei mărimilor de influenţă la nivelul senzorului prin protejarea acestuia cu o izolare adecvată (de exemplu, blindaj magnetic, ecran electrostatic, suport antivibrator); fie 14

Senzori si traductoare

stabilizarea mărimilor de influenţă la valori perfect cunoscute şi etalonarea senzorului în aceste condiţii (de exemplu, cu surse de alimentare regulatoare, incinte termostatate); fie utilizarea unor circuite care permit compensarea influenţei mărimilor parazite. 1.3.3. Caracteristici metrologice În continuare sunt prezentaţi principalii parametri caracteristici ai unui senzor. 1.3.3.1. limitele de utilizare Fenomenele de natură mecanică, termică sau electrică la care este supus un senzor pot conduce, atunci când depăşesc anumite nivele impuse, la modificarea caracteristicilor senzorului, specificate de producător. Pentru a evita acest lucru, este importantă cunoaşterea unor limite de utilizare a senzorului, definite prin următorii parametri: - domeniul nominal de utilizare: corespunde condiţiilor normale de funcţionare a senzorului; limitele sale sunt valorile extreme care pot fi atinse permanent de mărimea de măsurat, mărimile fizice asociate sau mărimile de influenţă, fără a fi afectate specificaţiile senzorului; - domeniul de nedeteriorare: dacă valorile măsurandului, mărimilor fizice asociate sau mărimilor de influenţă depăşesc limitele acestui domeniu, caracteristicile metrologice ale senzorului suferă o modificare reversibilă (specificaţiile senzorului revin la valorile iniţiale atunci când condiţiile de funcţionare redevin cele ale domeniului nominal de utilizare); - limitele de distrugere: depăşirea acestor limite de către valorile măsurandului, mărimilor fizice asociate sau mărimilor de influenţă conduce la modificare de natură ireversibilă a caracteristicilor senzorului; - domeniul de măsurare: este definit prin diferenţa valorilor extreme ale mărimii de măsurat, în cadrul căreia funcţionarea senzorului satisface specificaţiile date. Adesea, domeniul de măsurare coincide cu domeniul nominal de utilizare a unui senzor. 15

Capitolul 1. Noţiuni fundamentale

Pentru exemplificare, în tabelul 1.3 sunt prezentate specificaţiile limitelor de utilizare pentru un senzor de forţă piezorezistiv tip N556-1. Domeniul de măsurare (D.M.) al senzorului este 1 daN. Tabel 1.3. Specificaţii pentru limitele de utilizare ale unui senzor Specificaţii Măsurand Temperatura Domeniu nominal 1 daN 0 ÷ 60ºC Domeniu de nedeteriorare 1.5•D.M. -20 ÷ 100ºC Limita de distrugere 3•D.M. -50 ÷ 120ºC

1.3.3.2. sensibilitatea Sensibilitatea reprezintă una din specificaţiile cele mai importante ale unui senzor şi se defineşte ca variaţia mărimii de ieşire a senzorului (y) raportată la variaţia mărimii măsurate care a provocat-o (x). Ea poate fi indicată ca sensibilitate absolută: S

y x

(1.1)

sau ca sensibilitate relativă:

S

y y  100 [%] x x

(1.2)

Pentru diverşi senzori bazaţi pe acelaşi principiu de funcţionare, valoarea sensibilităţii poate depinde de natura materialului sau de dimensiunile elementului sensibil. De asemenea, sensibilitatea poate fi funcţie de parametri adiţionali care influenţează răspunsul senzorului (tensiunea şi frecvenţa de alimentare, temperatura mediului ambiant, frecvenţa variaţiilor măsurandului). De exemplu, în cazul senzorilor tensometrici din materiale semiconductoare, la care temperatura este un parametru important, trebuie specificată pe de o parte sensibilitatea la o temperatură dată (de exemplu, 25ºC), iar pe de altă parte coeficientul de variaţie termică:

16

Senzori si traductoare

1 dS S dT

(1.3)

Frecvenţa de variaţie a mărimii de măsurat este un alt parametru care poate influenţa sensibilitatea; aceasta depinde de modul de funcţionare a senzorului: funcţionare statică sau dinamică. La senzorii cu caracteristici statice liniare, sensibilitatea este constantă pe întreg domeniul de măsurare. În cazul senzorilor cu caracteristici de conversie neliniare, sensibilitatea absolută nu este constantă pe întreg domeniul de măsurare şi se pot defini numai valori locale ale sensibilităţii: Si 

dy dx

 x  xi

y x

(1.4) x  xi

unde Δy, Δx sunt variaţii reduse în jurul unui punct de coordonate (xi, yi). De exemplu, în cazul unui senzor termorezistiv de tip Pt100 (cu un coeficient de variaţie a rezistivităţii α=0.00385 Ω/ºC), sensibilitatea are valori diferite la diverse temperaturi (tabelul 1.4). Tabel 1.4. Valorile sensibilităţii în funcţie de temperatură la un senzor tip Pt100 0 50 100 150 200 250 300 400 Temperatura [ºC] 3.9 3.9 3.8 3.7 3.7 3.6 3.6 3.5 S•10-3 [Ω/ºC]

1.3.3.3. liniaritatea Un senzor este liniar într-un domeniu de măsurare atunci când sensibilitatea sa nu depinde de valoarea măsurandului. Cu alte cuvinte, în plaja de liniaritate a senzorului semnalul la ieşirea acestuia este proporţional cu variaţia măsurandului. Rezultă astfel o prelucrare uşoară a semnalului în lanţul de măsurare. În cazul în care senzorul nu este liniar, fie se urmăreşte utilizarea senzorului pe anumite zone ale caracteristicii în care neliniarităţile sunt reduse, fie se introduc în cadrul sistemului de măsurare circuite de corecţie (de liniarizare) a caracteristicii senzorului. Abaterea de la liniaritate a caracteristicilor senzorilor este evaluată cu ajutorul erorii de neliniaritate: 17

Capitolul 1. Noţiuni fundamentale

n 

y max  100 [%] y max  y min

(1.5)

O altă eroare care poate fi evidenţiată din caracteristica senzorului este eroarea de histerezis, care apare atunci când se obţin două valori diferite ale semnalului de ieşire pentru aceeaşi valoare a mărimii de intrare, în funcţie de sensul de variaţie a măsurandului (crescător sau descrescător). 1.3.3.4. precizia Precizia este indicată, în general, prin eroarea senzorului. Ţinând cont de toate sursele de erori, precizia delimitează un interval în jurul valorii măsurate în interiorul căruia se găseşte valoarea adevărată a măsurandului. Cauzele erorilor care intervin asupra măsurării sunt multiple şi complexe. O clasificare generală a acestora evidenţiază: erori sistematice şi erori accidentale. Erorile sistematice au valori constante sau lent variabile pentru valori date ale mărimii de măsurat, introducând un decalaj constant între valoarea adevărată şi valoarea măsurată. Erorile sistematice sunt cauzate, în general, de cunoaşterea incompletă a caracteristicilor sistemului de măsurare sau de utilizarea sa necorespunzătoare. Câteva tipuri de erori sistematice sunt: 1. erori asupra mărimilor de referinţă (de exemplu, valoarea eronată a temperaturii de referinţă a unui termocuplu cauzată de un amestec apă – gheaţă impură); 2. erori asupra caracteristicilor senzorului: eroare asupra sensibilităţii sau curbei de etalonare (de exemplu, datorate îmbătrânirii componentelor senzorului sau acţiunii unor agenţi chimici); 3. erori datorate condiţiilor de utilizare: eroare de rapiditate (orice măsurare realizată înaintea atingerii regimului permanent este afectată de erori), eroare de interacţiune (chiar prezenţa senzorului poate afecta valoarea măsurandului). Erorile accidentale au un caracter aleator, atât ca apariţie, cât şi ca valoare şi sens. Dacă erorile sistematice pot fi determinate prin calcul sau procedee experimentale, erorile accidentale pot fi doar estimate pe baza 18

Senzori si traductoare

unor măsurări repetate. Principalele tipuri de erori accidentale care pot afecta funcţionarea unui senzor sunt: 1. eroare de mobilitate: variaţia măsurandului sub o anumită valoare nu conduce la o variaţie măsurabilă a mărimii de ieşire a senzorului (de exemplu, în cazul unui senzor potenţiometric bobinat, deplasarea cursorului pe o distanţă mai mică decât cea dintre două spire poate să nu genereze o variaţie a rezistenţei electrice); 2. eroare de histerezis: răspunsul unui senzor poate depinde de sensul de variaţie al mărimii de măsurat; 3. erori datorate unor semnale parazite: cuplaje, variaţii ale tensiunii de alimentare, zgomot de fond produs de agitaţia termică a purtătorilor de sarcină în rezistenţe sau componente active de circuit etc.; 4. erori de influenţă: dacă variaţiile mărimilor de influenţă au fost neglijate în operaţia de calibrare, acţiunea lor poate conduce la erori mari, ce nu pot fi compensate. Erorile accidentale pot fi reduse în anumite situaţii printr-o serie de metode adecvate, cum ar fi: protecţia senzorului şi a celorlalte elemente ale sistemului de măsurare faţă de posibile cauze de erori (menţinerea la temperatură şi umiditate controlată, stabilizarea tensiunii de alimentare, suporturi antivibratorii, ecranări, legături la masă corespunzătoare etc.), utilizarea unor moduri de funcţionare adecvate (măsurare diferenţială, detecţie sincronă etc.). Indicatorul principal pentru exprimarea cantitativă a preciziei unui senzor îl reprezintă eroarea admisibilă sau tolerată, obţinută prin însumarea mai multor componente de eroare, unele sistematice, care reflectă justeţea senzorului, iar altele aleatoare, prin care se evidenţiază fidelitatea sa. Trebuie menţionat că anumite erori pot fi specificate separat, fiind în strânsă legătură cu particularităţi ale caracteristicii senzorului (de exemplu, eroarea de neliniaritate, eroarea de histerezis). Erorile admisibile sunt exprimate sub formă normată, putându-se defini: 1. eroarea absolută: x  a

(1.6) 19

Capitolul 1. Noţiuni fundamentale

unde a este o constantă a cărei valoare este exprimată în aceleaşi unităţi ca şi măsurandul; 2. eroarea relativă: xr 

x  100  b [%] x

(1.7)

3. eroarea raportată:

x R 

x  100  c [%] xc

(1.8)

unde xc este o valoare convenţională care poate fi: limita superioară a domeniului de măsurare (xmax), atunci când limita inferioară este zero; diferenţa celor două limite (xmax-xmin); valoarea nominală a măsurandului. Eroarea tolerată se exprimă sub forma unor combinaţii de erori relative şi raportate, în cazurile când eroarea are atât o componentă constantă independentă de valoarea măsurată, cât şi o componentă variabilă liniar cu aceasta: xt  (b  c

xmax ) [%] x

(1.9)

1.3.3.5. pragul de sensibilitate Pragul de sensibilitate se defineşte ca cea mai mică variaţie a mărimii de măsurat care determină o modificare sesizabilă a mărimii de la ieşirea senzorului. Pragul de sensibilitate este un parametru important pentru senzorii analogici, fiind influenţat de fluctuaţiile datorate perturbaţiilor interne şi externe (zgomotul propriu componentelor electrice, frecările statice, jocurile în angrenaje la dispozitive mecanice etc.). Rezoluţia reprezintă intervalul maxim de variaţie a mărimii de intrare necesar pentru a determina apariţia unui salt al semnalului de ieşire. Rezoluţia este un parametru important îndeosebi în cazul senzorilor numerici, a căror caracteristică statică variază în trepte. În acest caz, rezoluţia este reprezentată de intervalul de cuantificare al mărimii de intrare

20

Senzori si traductoare

şi, pentru un domeniu de măsurare fixat, stabileşte numărul de nivele analogice care pot fi reprezentate de semnalul de ieşire. Rezoluţia unui senzor poate să nu fie aceeaşi pe întreg domeniul de măsurare; în aceste situaţii, se consideră fie valoarea maximă a rezoluţiei, fie o valoare medie (atunci când diferenţele nu sunt prea mari). 1.3.3.6. timpul de răspuns Timpul de răspuns este o măsură a rapidităţii senzorului, adică a vitezei cu care mărimea de la ieşirea sa urmăreşte în timp variaţiile măsurandului. Altfel spus, timpul de răspuns este intervalul de timp scurs din momentul apariţiei unei variaţii a mărimii de măsurat până când variaţia mărimii de ieşire a senzorului devine egală cu o limită fixată convenţional (ε% din valoarea finală). Aşadar, timpul de răspuns trebuie specificat împreună cu această limită convenţională: tr(ε%). Un senzor este cu atât mai rapid cu cât timpul său de răspuns este mai mic. Timpul de răspuns, caracteristică a vitezei de evoluţie a regimului tranzitoriu, poate fi exprimat în funcţie de parametrii care determină acest regim. Pe lângă tr(ε%) se definesc şi alţi parametri care permit cunoaşterea mai exactă a regimului tranzitoriu (figura 1.9). În cazul în care variaţia măsurandului determină o creştere a valorii mărimii de ieşire a senzorului, se definesc: 1. timpul de întârziere la urcare (tîu): timpul necesar pentru ca mărimea de ieşire y să ajungă de la valoarea iniţială la 10% din variaţia sa totală (valoarea de regim permanent); 2. timpul de urcare (tu): intervalul de timp corespunzător creşterii mărimii de ieşire de la 10% la 90% din variaţia totală; 3. constanta de timp (τ): caracteristică specifică elementelor de ordin întâi, reprezintă intervalul de timp în care mărimea de ieşire atinge 63.3% din valoarea de regim permanent; 4. coeficientul de amortizare (β) şi frecvenţa proprie (ω0): determină timpul de răspuns al elementelor de ordinul al doilea. În cazul scăderii valorii mărimii de ieşire a senzorului sub acţiunea măsurandului, se definesc în mod asemănător: 21

Capitolul 1. Noţiuni fundamentale

1. 2.

timpul de întârziere la cădere (tîc) timpul de cădere (tc) x xo t y yo 1 0,9

t

0,1 0

t iu t u

t ic t c

Figura 1.9. Intervale de timp caracteristice regimului tranzitoriu

1.3.3.7. repetabilitatea Repetabilitatea este calitatea senzorului de a furniza la ieşire acelaşi semnal atunci când la intrare se aplică repetat aceeaşi mărime de măsurat, în condiţii identice. Eroarea de repetabilitate este determinată realizând cel puţin două calibrări succesive; cauzele sale principale se regăsesc în erorile aleatoare din etapa de etalonare. 1.4. Tehnologii moderne de realizare a senzorilor În prezent, un număr încă relativ mare de senzori au dimensiuni care adesea depăşesc 10 cm. În general, aceste dimensiuni sunt determinate nu atât de elementul sensibil, cât de componentele adiacente (de fixare, de protecţie, de conectare la circuitul de măsurare etc.). Astfel de senzori, care pot fi uneori şi foarte scumpi, îşi vor găsi în viitor tot mai greu aplicaţii, doar în anumite domenii, cum ar fi măsurări de procese industriale, tehnologii de producţie sau robotică. Evoluţia actuală în domeniul senzorilor este marcată de tendinţa de realizare a unor elemente în miniatură, ale căror avantaje sunt evidente. În 22

Senzori si traductoare

primul rând, aceşti senzori pot fi utilizaţi pentru măsurări în spaţii mici, inaccesibile senzorilor clasici. De asemeni, noii senzori miniaturizaţi au o influenţă mult mai mică asupra parametrilor măsuraţi, permiţând în acelaşi timp obţinerea unor precizii mai mari de măsurare. Apariţia şi dezvoltarea senzorilor miniaturizaţi a fost posibilă datorită evoluţiei rapide a tehnologiei microelectronice. Cu toate acestea, industria senzorilor nu înregistrează în prezent acelaşi ritm de dezvoltare cu industria microelectronică. Principalele tehnici care stau la baza realizării acestor senzori sunt: 1. tehnologia semiconductorilor, bazată în special pe utilizarea siliciului; 2. tehnologia straturilor subţiri; 3. tehnologia straturilor groase. În plus, există şi alte procedee moderne utilizate la realizarea senzorilor, cum ar fi: tehnologia fibrelor optice, mecanica de precizie, tehnologia microundelor, a laserilor, tehnologii biologice. De asemeni, un rol important în etapa actuală de dezvoltare a senzorilor îl are conceperea şi utilizarea unor materiale noi. În cazul senzorilor este deosebit de importantă buna cunoaştere a materialelor ce sunt sau pot fi folosite, în scopul înţelegerii şi optimizării mecanismului de detecţie. Dintre materialele cele mai utilizate sau recent încercate la realizarea senzorilor se pot menţiona: materiale semiconductoare, oxizi şi nitriţi, sisteme catalitice, materiale ceramice, sticle, polimeri organici, enzime, microorganisme, celule animale şi vegetale etc. În prezent, industria senzorilor este continuu stimulată de încercările care se fac atât în ceea ce priveşte folosirea unor materiale noi, cât şi în îmbunătăţirea tehnologiilor de fabricaţie. 1.4.1. Senzori realizaţi prin tehnologia semiconductorilor Siliciul este semiconductorul preferat în dezvoltarea şi realizarea senzorilor din generaţia actuală, dată fiind experienţa utilizării sale în industria circuitelor integrate. În prezent, atât siliciul monocristalin, cât şi cel amorf sau policristalin prezintă un interes deosebit în producţia senzorilor. În general, straturi subţiri din aceste materiale sunt depuse pe un 23

Capitolul 1. Noţiuni fundamentale

substrat. Odată cu perfecţionarea tehnicilor de depunere, se aşteaptă şi o creştere a gradului de utilizare a acestor materiale. Siliciul s-a dovedit a fi un material foarte potrivit pentru industria senzorilor datorită efectelor fizice şi chimice pe care le manifestă într-un domeniu relativ larg de temperatură. În tabelul 1.3 sunt prezentate principalele efecte caracteristice siliciului şi aplicaţiile lor în industria senzorilor. Proprietăţile fizice ale siliciului pot fi utilizate direct pentru a măsura mărimea dorită. De asemeni, el poate fi foarte util ca substrat pentru senzorii realizaţi în tehnologia straturilor subţiri. Pe de altă parte, sunt situaţii în care este necesară modificarea unor parametri caracteristici ai stratului de Si, cum ar fi concentraţia de impurităţi, nivelul de dopare, dimensiunile fizice etc.

Mărime fizică măsurată Radiaţie

Mărimi mecanice Mărimi termice

Mărimi magnetice Mărimi chimice

Tabel 1.5. Efecte ale siliciului utilizate la realizarea senzorilor Efect utilizat Aplicaţii Fotorezistiv Fotointerfaţă Ionizare Fotocapacitiv Piezorezistiv, piezoelectric Termorezistiv Termoelectric Piroelectric Termojoncţiune Magnetorezistiv Hall Efect de câmp sensibil la ioni

Fotorezistor Fotodiodă, fototranzistor Senzor de radiaţie nucleară Fotocondensator Senzori de presiune, diodă şi tranzistor piezoelectrice Termorezistenţă Termocuplu Senzor piroelectric Diodă şi tranzistor sensibile Senzor magnetorezistiv Senzor Hall ISFET

Una dintre reuşitele cele mai importante în acest domeniu, care datează de la începutul anilor 1980, a fost asocierea tehnologiei microelectronice cu tehnici de realizare a senzorilor, cum ar fi gravarea anizotropică. A rezultat astfel o nouă tehnologie, cunoscută sub numele de micromecanică, ce a permis realizarea unor componente mecanice sau 24

Senzori si traductoare

mecano – electronice pe bază de Si, cu dimensiuni de ordinul zecilor de μm. Obiectivul acestei tehnologii constă în fabricarea de microsisteme complexe, constând din senzori integraţi, elemente de procesare de semnal şi elemente de comandă. Datorită excelentelor proprietăţi mecanice, siliciul monocristalin este cel mai utilizat material în realizarea acestor noi senzori. În plus, el este compatibil cu operaţia de gravare anizotropică, metodă utilizată în micromecanică. La această metodă viteza de gravare este puternic dependentă de selectivitate şi de orientarea cristalului. O altă metodă de realizare a unor senzori prin micromecanică constă în gravarea selectivă a siliciului pe structuri izolante; în acest caz, se utilizează Si policristalin sau recristalizat. Prin aceste tehnici ale micromecanicii se pot realiza structuri tridimensionale care stau la baza realizării senzorilor de dimensiuni foarte mici, dar şi a altor elemente, cum ar fi micropompe, microvalve, microîntrerupătoare, microfoane etc. Utilizarea siliciului policristalin şi a siliciului amorf a condus la noi aplicaţii în domeniul senzorilor. Cu ajutorul acestor materiale este posibilă extinderea domeniului de măsurare la temperaturi mai ridicate şi, de asemeni, compensarea interferenţelor, de exemplu prin reducerea offsetului. Sensibilitatea siliciului monocristalin, care este în principal determinată de rezistivitatea ρ, mobilitatea μ şi timpul de viaţă τ al purtătorilor minoritari, depinde în mare măsură de alegerea materialului de plecare. În cazul siliciului policristalin şi al siliciului amorf, sensibilitatea poate fi modificată substanţial în timpul operaţiei de depunere a stratului. Fabricarea senzorilor din Si se bazează pe procedee folosite în tehnologia semiconductorilor, dezvoltate pentru realizarea componentelor microelectronice. De exemplu, litografia utilizată împreună cu tehnici de acoperire şi dopare fac posibilă determinarea structurii materialelor până la dimensiuni de ordinul μm. Tehnica siliciului planar, care domină producţia de circuite integrate, este un element decisiv şi în fabricarea multor tipuri de senzori din Si. Realizarea senzorilor cu ajutorul tehnicilor din industria semiconductorilor şi a circuitelor integrate conduce la câteva avantaje esenţiale, cum ar fi: - preţul redus al senzorilor în producţia de serie; 25

Capitolul 1. Noţiuni fundamentale

-

miniaturizare; integrarea monolitică a senzorului şi a circuitelor electronice; realizarea de multisenzori (mai mulţi senzori pe acelaşi element). 1.4.2. Senzori realizaţi prin tehnologia straturilor subţiri

Dezvoltarea potenţialului tehnologic al microelectronicii a condus la realizarea a tot mai mulţi senzori bazaţi pe tehnica straturilor subţiri. Elementele de bază ale unui senzor de acest tip sunt substratul şi materialul depunerii. Ca substrat, se folosesc, în general, materiale cum ar fi sticlă, metal, material plastic, siliciu. Utilizarea acestuia din urmă devine interesantă atunci când se urmăreşte integrarea senzorului şi a părţii electronice aferente pe acelaşi suport (substrat). Cele mai utilizate elemente sunt, însă, sticla, materialele plastice, metalele şi safirul. Straturile sensibile depuse pe suport sunt realizate dintr-o largă varietate de materiale, de la metal simplu la materiale semiconductoare, în funcţie de aplicaţie. În tehnologia straturilor subţiri, grosimea depunerii este cuprinsă între 0.01 şi 20 μm. Principalele aspecte care se au în vedere la depunerea straturilor subţiri sunt puritatea, compoziţia, grosimea şi reproductibilitatea acestora. Cele mai utilizate metode pentru depunerea straturilor subţiri sunt: - evaporare termică şi evaporare cu fascicol de electroni; - suflare de ioni; - depunere de vapori chimici în diverse forme. O gamă largă de senzori pot fi realizaţi prin tehnologia straturilor subţiri, utilizând straturi sensibile corespunzătoare: - straturi rezistive dependente de temperatură (Pt, Au, Ni, ZnO, PVF2, NaNO3 etc.); - straturi sensibile la lumină (CdS, PbSe, Si, HgCdTe, polimeri organici); - straturi rezistive sensibile la presiune (aliaje de NiCr, Si etc.); - straturi piezoelectrice (ZnO); - straturi sensibile la umiditate (Ta2O5, Al2O3, polistiren); - straturi sensibile la mărimi chimice (SnO2, ZnO2, Fe2O3, ZrO2); 26

Senzori si traductoare

-

straturi magnetorezistive (materiale feromagnetice, materiale magnetice amorfe). În figura 1.10 se prezintă, ca exemplu, structura de principiu a unui senzor de gaz realizat prin tehnologia straturilor subţiri. Stratul sensibil este realizat în acest caz din SnO2, iar substratul din Al2O3. Astfel de senzori sunt caracterizaţi de o bună sensibilitate şi un timp de răspuns mic. În acelaşi timp, însă, se urmăreşte îmbunătăţirea stabilităţii şi reproductibilităţii lor. Electrod de măsurare

I=f(Cgaz) Izolator (Al2O3)

(Au) Oxid metalic (SnO2)

Contacte încălzitor

Încălzitor Figura 1.10. Structura de principiu a unui senzor de gaz realizat prin tehnologia straturilor subţiri

Tehnologia straturilor subţiri a permis, de asemeni, realizarea unor senzori de temperatură de dimensiuni mai mici, mai robuşti şi cu un timp de răspuns mai mic decât al senzorilor clasici, la care elementul sensibil este un fir metalic. Senzorii termorezistivi cu strat subţire sunt constituiţi dintr-o peliculă de Pt, NiCr sau alte metale, realizată pe un substrat din sticlă sau ceramică. Principalul lor inconvenient este limita joasă a temperaturii de măsurat, datorată apariţiei fenomenului de difuzie la peste 550ºC. Se realizează şi senzori termoelectrici (termocupluri) cu straturi subţiri (figura 1.11); o astfel de configuraţie este avantajoasă atunci când poate fi fixată pe o suprafaţă de măsurare plată.

27

Capitolul 1. Noţiuni fundamentale

strat absorbant metal 2

metal 1

strat izolator Figura 1.11. Senzor termoelectric cu straturi subţiri

Fără îndoială, tehnologia straturilor subţiri reprezintă o soluţie atractivă şi de viitor pentru industria senzorilor. Cercetările în acest domeniu urmăresc depăşirea inconvenientelor principale ale acestei metode, în scopul utilizării sale la scară largă în realizarea de noi senzori şi îmbunătăţirea performanţelor celor existenţi. 1.4.3. Senzori realizaţi prin tehnologia straturilor groase Tehnologia straturilor groase, compatibilă microelectronicii, a fost puţin utilizată până de curând la fabricarea senzorilor, în ciuda faptului că ocupase deja o poziţie stabilă în lumea electronicii, undeva între circuitele imprimate cu componente discrete şi circuitele integrate. Motivul acestei neglijări îl constituie lipsa experienţei în utilizarea acestei tehnologii ca soluţie de realizare a senzorilor, dar şi absenţa unor materiale corespunzătoare. În prezent, însă, se constată o creştere a importanţei acestei tehnologii, permiţând realizarea unor senzori de dimensiuni medii, la preţuri scăzute şi, mai mult, oferind posibilitatea integrării senzorilor cu circuitele electronice de prelucrare a semnalelor, în vederea obţinerii unor senzori inteligenţi. Tehnologia straturilor groase poate fi utilizată doar la fabricarea de componente pasive (circuite imprimate, rezistori, condensatori); componentele active trebuie să fie adăugate la substrat într-o etapă ulterioară, cerinţă caracteristică sistemelor hibride. În acelaşi timp, dezvoltarea senzorilor bazaţi pe această tehnologie necesită existenţa unor materiale (paste) compatibile cu tehnologia straturilor groase, având bune proprietăţi de sensibilitate. 28

Senzori si traductoare

Principalele efecte fizico-chimice asociate senzorilor realizaţi prin tehnologia straturilor groase sunt: 1. variaţia rezistenţei electrice: - dependenţa liniară a rezistenţei de temperatură (anemometre, debitmetre); - efectele negatermistor şi pozitermistor (senzori de temperatură); - variaţia conductivităţii între electrozi (senzori de concentraţie); - efectul piezorezistiv (senzori de presiune); - variaţia rezistenţei straturilor de suprafaţă datorită reacţiilor chimice (senzori chimici); 2. variaţia capacităţii electrice; 3. efecte de absorbţie la suprafaţă (senzori de umiditate); 4. efectul termoelectric (senzori de temperatură); 5. efectul electrochimic (senzori de pH, senzori de aciditate). Straturile groase sunt obţinute prin aplicarea unei paste din material sensibil pe un suport (substrat), printr-un proces de imprimare. Materialul este apoi uscat la o temperatură de circa 100-200 C şi ars la temperaturi de peste 500 C. Acest proces se desfăşoară prin creşterea succesivă a temperaturii. După ardere, elementul astfel obţinut este rupt, decupat sau tăiat în forma dorită. Pentru imprimare se utilizează site din oţel subţire sau nylon, peste care se aşează matriţa corespunzătoare. Sistemele multistrat se pot obţine prin repetarea operaţiei de imprimare şi a procesului termic de mai multe ori. Straturile au de obicei grosimi cuprinse între 5 şi 50 μm, cu lăţimea de aproximativ 100-250 μm. Substratul se realizează din oţel emailat, sticlă, material plastic flexibil sau materiale ceramice. Cel mai utilizat material este Al2O3. Pastele rezistive şi dielectrice prezintă un interes deosebit în fabricarea senzorilor. Glazurile rezistive sunt compuse în principal din oxizi metalici. Caracterul rezistiv al stratului este influenţat de diverşi parametri de proces, cum ar fi temperatura de ardere, grosimea stratului, numărul etapelor de formare etc. Pastele dielectrice sunt constituite de obicei din 29

Capitolul 1. Noţiuni fundamentale

sticlă pisată foarte fin sau din materiale ceramice cu constantă dielectrică mare (BaTiO3, Ta2O5 etc.). Se remarcă varietatea mare a tipurilor de senzori ce pot fi realizaţi cu ajutorul acestei tehnologii. Fabricarea acestor elemente implică experimentarea unor compuşi noi sau modificarea unor materiale existente, astfel încât acest domeniu este în prezent în plină expansiune. Tehnologic, cele mai bune rezultate ale acestei metode s-au obţinut în fabricarea senzorilor de temperatură, pe baza unor amestecuri (glazuri) conţinând platină şi nichel. Numeroase variante de amestecuri rezistive sunt folosite în construcţia senzorilor cu coeficienţi de temperatură pozitivi şi negativi. În acelaşi timp, tehnologia straturilor groase conduce la soluţii foarte interesante în domeniul senzorilor chimici. Paste electrolitice solide ca ZrO2 sau paste din oxizi metalici pe bază de SnO2, ZnO, TiO2 sunt utilizate ca materiale sensibile, iar elementele încălzitoare pot fi şi ele realizate prin aceeaşi tehnologie. În figura 1.12 se prezintă, ca exemplu, principiul de realizare a unui senzor de gaz cu oxid semiconductor, cu elementul sensibil şi încălzitorul pe aceeaşi structură, fabricat de către compania FIGARO din Japonia. electrod încălzitor material sensibil substrat conductor de legătură

Figura 1.12. Structura de principiu a unui senzor de gaz realizat prin tehnologia straturilor groase

Potenţialul tehnologiei straturilor groase privind evoluţia în domeniul senzorilor este evident şi departe de a fi epuizat. Senzorii 30

Senzori si traductoare

construiţi prin această tehnologie sunt extrem de promiţători pentru numeroase domenii prin gradul lor ridicat de precizie, dimensiunile reduse, reproductibilitate, cât şi prin posibilitatea de a utiliza tehnici hibride în scopul realizării circuitelor de măsurare la preţuri mici. În prezent, principalele domenii în care se utilizează astfel de senzori sunt tehnologia comunicaţiilor, tehnica militară, protecţia mediului, industria automobilelor, industria alimentară şi a serviciilor.

31

Capitolul 1. Noţiuni fundamentale

32

CAPITOLUL 2 CIRCUITE DE ADAPTARE PENTRU SENZORI PASIVI

2.1. Caracteristici generale Variaţia impedanţei unui senzor pasiv sub acţiunea mărimii de măsurat este convertită într-un semnal electric prin asocierea unei surse de energie electrică (sursă de tensiune sau de curent). Aceasta, împreună cu alte elemente componente electronice (impedanţe), formează circuitul de adaptare (traducere, condiţionare) al senzorului pasiv. Ansamblul senzor pasiv – circuit de adaptare, cunoscut sub denumirea de traductor, va genera la ieşire un semnal electric dependent de mărimea de măsurat. În funcţie de tipul circuitului de adaptare, informaţia de măsurare poate fi conţinută în: - amplitudinea semnalului de ieşire (cazul punţilor şi al montajelor potenţiometrice) sau - frecvenţa acestuia (cazul oscilatoarelor). Montajul potenţiometric are avantajul simplităţii, dar inconvenientul său principal îl constituie sensibilitatea la semnale parazite şi la derive ale sursei de alimentare. Puntea, care este de fapt un dublu potenţiometru, realizează o măsurare diferenţială, reducând substanţial influenţa semnalelor perturbatoare. Dacă aceste circuite utilizează o sursă de tensiune sinusoidală, informaţia de măsurare se obţine prin demodularea amplitudinii tensiunii de ieşire, ceea ce impune ca frecvenţa sursei să fie de cel puţin 5 ori superioară frecvenţei maxime de variaţie a măsurandului. Pe de altă parte, o frecvenţă relativ ridicată a tensiunii de alimentare favorizează cuplajele capacitive şi inductive parazite. De aceea, atunci când senzorul şi circuitul de adaptare au un caracter pur rezistiv, se preferă utilizarea unei surse de alimentare continue, evitându-se necesitatea unei demodulări

Capitolul 2. Circuite de adaptare pentru senzori pasivi

ulterioare şi apariţia unor reactanţe parazite. În acest caz, însă, trebuie avută în vedere posibilitatea apariţiei unor tensiuni termoelectromotoare perturbatoare. Oscilatoarele utilizate ca circuite de adaptare pot fi de tip sinusoidal sau de relaxare. Ele generează la ieşire un semnal al cărui frecvenţă este modulată de către informaţia de măsurare, ceea ce asigură o protecţie ridicată împotriva semnalelor parazite şi, în plus, conversia uşoară în semnale numerice. Caracteristicile metrologice ale circuitului de adaptare sunt esenţiale pentru obţinerea unei informaţii cât mai exacte despre mărimea de măsurat. Proiectarea acestuia trebuie să aibă în vedere realizarea unei sensibilităţi şi a unei liniarităţi cât mai bune. Sensibilitatea globală a ansamblului senzor pasiv – circuit de adaptare este: - atunci când semnalul de ieşire este o tensiune S

-

vm Z s vm   Z s x x

(2.1)

atunci când semnalul de ieşire este o frecvenţă S

f m Z s f m   Z s x x

(2.2)

ΔZc – variaţia impedanţei senzorului corespunzătoare variaţiei Δx a măsurandului; Δvm, Δfm – variaţia amplitudinii tensiunii, respectiv frecvenţei de ieşire. Circuitul de adaptare este liniar dacă sensibilitatea sa proprie este independentă de impedanţa senzorului (Zs); asocierea unui circuit liniar cu un senzor pasiv liniar conduce la obţinerea unui semnal de măsurare proporţional cu variaţiile măsurandului. Dacă adaptorul nu este liniar, el poate fi liniarizat prin înlocuirea uneia dintre componentele sale fixe cu un al doilea senzor (aşa-numita funcţionare “push-pull”). De asemeni, circuitul de măsurare trebuie să fie insensibil la eventuale mărimi de influenţă (temperatură, radiaţii etc.) şi, mai mult, trebuie să poată elimina efectul acestora asupra semnalului obţinut de la senzor. 34

Senzori si traductoare

2.2. Montajul potenţiometric 2.2.1. Măsurarea rezistenţelor În cazul senzorilor rezistivi, montajul potenţiometric se realizează prin conectarea în serie cu senzorul (R) a unei rezistenţe R1 şi a unei surse de tensiune continuă sau alternativă (es), având rezistenţa internă Rs (figura 2.1).

R1

Rs

es

R

Ri

ue

Instrument de măsurare

Figura 2.1. Montaj potenţiometric pentru senzor rezistiv

Tensiunea de ieşire (ue) este măsurată la bornele senzorului, cu un instrument cu rezistenţa de intrare Ri și are forma: ue  es 

R  Ri R( Rs  R1 )  Ri ( Rs  R1  R)

(2.3)

Dacă Ri>>R, tensiunea la bornele senzorului este independentă de prezenţa instrumentului de măsură utilizat: ue  es 

R R  R1  Rs

(2.4)

După cum se observă din cele două relaţii, tensiunea obţinută la ieşire ue nu variază liniar cu rezistenţa senzorului (R). Pentru ca variaţia tensiunii măsurate să fie proporţională cu variaţia rezistenţei senzorului, se pot utiliza diverse metode de liniarizare: - cazul variaţiilor mici de semnal: Dacă sub acţiunea mărimii de măsurat rezistenţa senzorului variază de la R0 la R0+ΔR, tensiunea de ieşire variază de la ue0 la ue0+Δue: 35

Capitolul 2. Circuite de adaptare pentru senzori pasivi

ue 0  ue  es

R0  R  R0  R1  Rs 1 

1 R R0  R1  Rs

(2.5)

În cazul în care ΔR>R0+R1), condiţia ΔR