Functionarea Si Aplicatiile Senzorilor Inteligenti

FUNCȚIONAREA ȘI APLICAȚIILE SENZORILOR INTELIGENȚI

CUPRINS:

Prezentarea temei

Partea I

Considerații teoretice

Noțini de bază asupra senzorilor și traductoarelor

Clasificarea mărimilor măsurabile

Clasificarea senzorilor și traductoarelor

Senzori generatori

Senzori parametrici

Structuri de traductoare inteligente

Traductoare fotoelectronice

Generalități

Senzori cuantici

Clasificarea senzorilor cuantici

Senzori și traductoare fototermice

Dispozitive piroelectrice

Senzori analitici

Traductoare cu microunde

Caracterizare generală

Traductoare de viteză de tip Doppler

Traductoare de nivel cu unde radar

Traductoare cu modulație în frecvență a undelor

radar continue

Traductoare de nivel cu pulsuri de unde

Aparate de măsurare dotate cu microprocesoare

Caracterizare generală

Funcții executate de microprocesoare

Partea a II-a

Funcționarea senzorilor optici

Generalități ale traductoarelor optoelectronice

Surse de radiații optice

Senzori optici pasivi

Senzori optici activi

Generalități senzori optici

2.1 Tipuri de ieșiri ale senzorilor optici

2.1.1 Ieșiri analogice

2.1.2 Ieșiri digitale

2.1.3 Ieșiri de date

2.1.4 Protocoale de comunicații

Tipuri de senzori optici

3.1 Senzori optici energetici-reflexivi

3.2 Senzori optici retro-reflexivi

3.2.1 Principiul de funcționare al senzorilor retro-reflexivi

3.2.1.1 Senzori retro-reflexivi pentru detectarea sticlei

transparente

3.2.1.2 Senzori retro-reflexivi cu suprimare de plan

3.2.2 Senzori optici de tip barieră

3.2.3 Senzori optici de tip furcă

3.2.4 Senzori optici de contrast –detecție tipărire

3.2.5 Senzori de culoare

3.2.6 Senzori optici cu fibră optică

Senzorul fotoelectronic pentru măsurarea distanței

–OY1P303P0102

4.1 Descriere generală

4.2 Schema bloc a senzorului OY1P303P0102

4.2.1 Rolul și modul de funcționare a componentelor

din schema bloc

Concluzii

Bibliografie

Anexe

Anexa 1: Date de catalog ale senzorului OY1P303P0102

Anexa 2: Date tehnice de utilizare a senzorului

Anexa 3: Meniul de utilizare al senzorului

Anexa 4: Ghidul de utilizare al senzorului

Anexa 5: Modul de echipare/ montaj al senzorului

PREZENTAREA TEMEI

Lucrarea cuprinde, o parte introductivă despre senzori și traductoare, plus o a doua parte în care este prezentat un senzor inteligent: OY1P303P0102, senzor fotoelectronic, utilizat pentru măsurarea distanței cu o foarte mare precizie, la care este descris modul de funcționare, schema electronică și domeniile de aplicabilitate al acestuia. Acest sensor este produs de firma WENGLOR din Sibiu, fiind un sensor utilizat în domeniul automatizărilor industriale.

Aplicațiile senzorilor în automatizări utilizați pentru: detecție, măsurarea distanțelor, identificarea materialelor (metal, sticlă etc.), detectarea culorii, acționarea actuatorilor și multe alte funcții pe care le poate realiza un senzor, a devenit o necesitate în ultima perioadă, la nivelul industriei (auto, alimentare etc.) și nu în ultimul rând în medicină (aparatură medicală).

De aceea, în lucrare o să se prezinte, funcționarea și domeniile de aplicabilitate a senzorilor inteligenți.

Proiectul în sine, o sa dezvolte următoarele obiective:

funcționarea senzorilor inteligenți;

prezentarea principiului de funcționare;

domeniul de aplicație a senzorilor fotoelectronici;

posibilități de dezvoltare/ îmbunătățire a senzorilor, ce pot satisface nevoile utilizatorilor, atât la nivel industrial, medical cât și de ce nu la nivel casnic.

La baza elaborării proiectului se află cursul de: Senzori Inteligenți și Sisteme Distribuite de Măsură (prof. Mihai Bogdan), dar desigur și celelalte discipline studiate la facultate și master, cum ar fi:

Sisteme Incorporate (prof. Mihu I. P.), Măsurări electrice și electronice (prof. Mihai Bogdan), Procesarea Numerică a Semnalelor (prof. Mihu I. P.), Compatibilitate Electromagnetică (prof. Roșca Petru), Automatizarea Proceselor Industriale (prof. Bogdan Laurean), Protocoale de Comunicații (prof. Beriliu Ilie), Eficientizarea Energiei Electrice (prof. Lizeta Popescu), Calitatea Energiei Electrice (prof. Maria Vințan).

Așadar proiectul o să prezinte o sinteză asupra senzorilor, traductoarelor și actuatorilior și descrierea funcționării, construcția și domeniul de aplicabilitate a senzorului fotoelectric utilizat pentru măsurarea distanței cu mare precizie, OY1P303P0102.

Fig. 1 Exemplu de aplicație a senzorului OY1P303P0102. [7]

PARTEA I

CONSIDERAȚII TEORETICE

1.1 NOȚIUNI DE BAZĂ ASUPRA SENZORILOR ȘI A TRADUCTOARELOR.

Senzorii sunt utilizați de multă vreme ca elemente de detecție, dar mai recent, plaja lor de utilizare s-a diversificat, grație dezvoltării sistemelor industriale coordonate de microcalculatoare bazate pe microprocesoare. Datorită progreselor în electronică, informatică, instrumentație, a fost posibilă realizarea unor senzori miniaturizați, ce prezintă foarte bune performanțe.

Denumirea de senzor, are la origine termenul latin al cuvântului “simț”, care are semnificația de a simți, a percepe și a distinge anumite semnale analogice (mișcare, lumină, culoare, sunet, temperatură, fum etc.).

Senzorii convertesc mărimea de măsurat aplicată la intrare într-o altă mărime ce se pretează formării semnalului de măsurare ce se va prelucra și transmite de-a lungul lanțului de măsurare.

Senzorii corespund și se substituie celor cinci simțuri omenești (văz, auz, pipăit, miros, gust) în scopul masurării mărimilor fizice ale unui obiect, sau a detectării fenomenelor ce nu se pot discerne prin cele cinci simțuri umane.

În prezent nu se poate face o distincție clară între senzor și traductor. Se poate considera senzorul ca fiind elementul sensibil care convertește mărimea de măsurat aplicată la intrare, iar traductorul reprezintă ansamblul în care este montat și conectat senzorul.

Un traductor poate avea în structura s-a unul sau mai mulți senzori, capabili de a efectua conversia mărimii de măsurat într-o altă mărime ce prezintă calitatea de a fi ușor măsurabilă.

Fenomenele exterioare ce pot fi evaluate prin intermediul senzorilor sunt multiple. În tabelul 1.1 se prezintă clasificarea mărimilor perceptibile cu ajutorul senzorilor.

Tabelul 1.1 Tipuri de mărimi măsurabile perceptibile prin senzori.

Senzorii și traductoarele au declanșat în ultima vreme o adevărată revoluție în tehnică. Senzorul reprezintă elementul esențial de achiziție a informației. Utilizarea lor s-a extins din domeniul discontinuu al măsurării, ce permite obținerea valorii unor mărimi, în domeniul foarte larg al măsurării continue ce permite supravegherea și optimizarea diverselor procese industriale sau de cercetare.

Schema unui sistem de tratare a semnalului cu un microprocesor este reprezentată în figura 1.1.

Pentru a scoate în evidență rolul senzorului și traductorului în lanțul de măsurare este necesar ca în prealabil să se facă o clasificare a mărimilor măsurabile, urmată de o prezentare a schemelor funcăionale ale lanțului de măsurare. [1]

Fig. 1.1 Sistem de tratare a informației cu microprocesor. [1]

1.2 CLASIFICAREA MĂRIMILOR MĂSURABILE.

Din totalitatea mărimilor prezentate în realitatea obiectivă se evidențiază mulțimea mărimilor măsurabile care îndeplinesc următoarele condiții: pot fi definite, l-i s-a elaborat o scală de măsurare și s-a realizat pe baza unei metode de măsurare a aparatului de măsurare care permite efectuarea măsurării.

Scala de măsurare este formată din totalitatea numerelor reale ce pot fi atribuite pentru o mărime măsurabilă.

Metoda de măsurare reprezintă un sistem de reguli sau de principii care conduc la determinarea valorilor mărimilor măsurabile.

Măsurarea reprezintă un proces complex care constă din ansamblul operațiilor necesare privind solicitarea, obținerea, transmiterea, recepția și prelucrarea semnalului metrologic pentru a se obține valoarea mărimii măsurate.

Aparatul de măsurare poate fi reprezentat ca o rețea de captare, transmitere și recepție a informației, rețea pe care o vom denumi lanț de măsurare. Aparatul de măsurare constituie deci un canal informațional de-a lungul căruia circulă un semnal energetic purtător al informației de măsurare.

Pentru formarea și circulația semnalului metrologic este necesară o energie de măsurare. După modul de obținere a energiei de măsurare, mărimile măsurabile se clasifică în mărimi active și mărimi pasive.

Mărimile active sunt mărimile măsurabile care permit eliberarea energiei de măsurare, de exemplu: temperatura, tensiunea electrică, intensitatea curentului electric.

Deoarece energia de măsurare este preluată chiar de la fenomenul supus măsurării, este necesar să se asigure condiția ca ea să fie suficient de mică pentru a nu perturba mărimea de măsurat și a nu afecta precizia măsurării.

Mărimile pasive sunt mărimile măsurabile care nu permit eliberarea energiei de măsurare, de exemplu: masa, vâscozitatea, rezistența electrică. În acest caz se utilizează o mărime auxiliară activă și semnalul care se generează își ia energia de la această mărime, numită mărime de activare, care este modulată de către mărimea de măsurat. Este necesar ca să se asigure că mărimea de activare nu perturbă mărimea de măsurat. Rezultă că aparatele de măsurare se realizează în funcție de modul de obținere a energiei de măsurare, dar și după cum este mărimea de măsurat.

În mulțimea operațiilor de măsurare, o foarte mare familie o constituie aparatele electrice de măsurare care asigură măsurarea pe cale electrică a mărimilor, caracteristica lor principală fiind convertirea semnalului metrologic într-o mărime electrică. [3]

1.3 CLASIFICAREA SENZORILOR ȘI TRADUCTOARELOR.

Schemele funcționale ale aparatelor electrice de măsurare evidențiază o structură de lanț de măsurare, în care traductorul are funcția de a capta mărimea de măsurat și prin intermediul senzorului cuprins în componența sa, să o convertească într-o formă convenabilă pentru formarea semnalului de măsurare. Traductorul reprezintă convertorul de intrare dintr-un lanț de măsurare și el este prin aceasta în contact direct cu fenomenul supus măsurării.

Din multitudinea de senzori realizați efectiv se constată dezvoltarea considerabilă a senzorilor electrici, care reprezintă senzorii ce convertesc mărimea de intrare într-o mărime de ieșire, care este de natură electrică. În general senzorii electrici sunt simpli ca utilizare și pot fi foarte ușor adaptați și manipulați.

De asemenea, se asigură o prelucrare ușoară a semnalului metrologic, transmiterea lui atât la distanțe mici, cât și la distanțe mari și foarte mari, rezultatele putând fi stocate și/sau afișate.

Senzorii pot fi clasificați după mai multe criterii:

După natura mărimii de intrare se disting: senzori de temperatură, senzori de presiune, senzori de radiații ionizante, biosenzori, etc.

După natura mărimii de ieșire sunt: senzori rezistivi, senzori capacitivi, senzori inductivi, etc.

După modul de variație al mărimii de ieșire: senzori analogici, la care semnalul de ieșire este sub forma unui semnal continuu variabil, și senzori digitali, la care semnalul de ieșire este sub forma unui semnal discontinuu.

După modul de obținere al energiei necesare formării semnalului metrologic sunt: senzori parametrici (modulatori) și senzori generatori (energetici).

Senzorii parametrici sunt acei senzori la care mărimea de intrare influențează proprietățile, fiind convertită într-o mărime pasivă: alungire, deplasare, rezistență, inductivitate, etc. Exemple de senzori parametrici: senzorul tensometric, senzorul inductiv, etc.

Senzorii generatori sunt senzorii la care mărimea de de intrare este transformată direct într-o tensiune electrică: senzori pe cale electrică a mărimilor, caracteristica lor principală fiind convertirea semnalului metrologic într-o mărime electrică. [3]

1.3 CLASIFICAREA SENZORILOR ȘI TRADUCTOARELOR.

Schemele funcționale ale aparatelor electrice de măsurare evidențiază o structură de lanț de măsurare, în care traductorul are funcția de a capta mărimea de măsurat și prin intermediul senzorului cuprins în componența sa, să o convertească într-o formă convenabilă pentru formarea semnalului de măsurare. Traductorul reprezintă convertorul de intrare dintr-un lanț de măsurare și el este prin aceasta în contact direct cu fenomenul supus măsurării.

Din multitudinea de senzori realizați efectiv se constată dezvoltarea considerabilă a senzorilor electrici, care reprezintă senzorii ce convertesc mărimea de intrare într-o mărime de ieșire, care este de natură electrică. În general senzorii electrici sunt simpli ca utilizare și pot fi foarte ușor adaptați și manipulați.

De asemenea, se asigură o prelucrare ușoară a semnalului metrologic, transmiterea lui atât la distanțe mici, cât și la distanțe mari și foarte mari, rezultatele putând fi stocate și/sau afișate.

Senzorii pot fi clasificați după mai multe criterii:

După natura mărimii de intrare se disting: senzori de temperatură, senzori de presiune, senzori de radiații ionizante, biosenzori, etc.

După natura mărimii de ieșire sunt: senzori rezistivi, senzori capacitivi, senzori inductivi, etc.

După modul de variație al mărimii de ieșire: senzori analogici, la care semnalul de ieșire este sub forma unui semnal continuu variabil, și senzori digitali, la care semnalul de ieșire este sub forma unui semnal discontinuu.

După modul de obținere al energiei necesare formării semnalului metrologic sunt: senzori parametrici (modulatori) și senzori generatori (energetici).

Senzorii parametrici sunt acei senzori la care mărimea de intrare influențează proprietățile, fiind convertită într-o mărime pasivă: alungire, deplasare, rezistență, inductivitate, etc. Exemple de senzori parametrici: senzorul tensometric, senzorul inductiv, etc.

Senzorii generatori sunt senzorii la care mărimea de de intrare este transformată direct într-o tensiune electrică: senzorii de inducție, senzorii termoelectrici etc.

În general, senzorii parametrici sunt mai sensibili și mai preciși decât cei generatori, consumă mai puțină energie din fenomenul supus măsurării și prin aceasta este mai puțin perturbat.

Senzorii generatori au în schimb, avantajul, că la ieșire dau direct o tensiune care poate fi măsurată direct cu un aparat electric de măsurare. [1]

1.3.1 SENZORI GENERATORI.

Se mai numesc și senzori activi și au la bază, conversia în energie electrică de forma energiei proprii mărimii de măsurat: energie termică, mecanică sau de radiație. Cele mai semnificative efecte de acest tip sunt prezentate în Tabelul 1.3.1.

Tabelul 1.3.1 Principii fizice de bază pentru senzorii generatori.

Efectul termoelectric. Un circuit format din două conductoare de natură chimică diferită, având joncțiunile la temperaturile T1 și T2, generează o tensiune termoelectrică . Se poate utilza la măsurarea unei temperaturi necunoscute , dacă (de exemplu) este cunoscută (Fig. 1.3.1 a).

Efectul piroelectric. Un flux de radiații luminoase absorbit de un cristal piroelectric ridică temperatura producând o modificare apolarizării, ce se măsoară prin variația de tensiune de la bornele unui condensator conectat în schemă (Fig. 1.3.1 b).

Efectul piezoelectric. Măsurarea forțelor, presiunilor, accelerațiilor, prin intermediul tensiunii care produce la bornele condensatorului asociat elementului piezoelectric, variația sarcinii sale electrice (Fig. 1.3.1 c).

Efectul inducției electromagnetice. În cazul unui circuit închis aflat într-un flux de inducție variabilă, se introduce o tensiune electromotoare egală cu viteza de variație a fluxului magnetic prin suprafața acelui circuit, luată cu semn schimbat.

Se utilizează la măsurarea t.e.m. de inducție pentru a se determina o viteză de deplasare (Fig. 1.3.1 d).

Efectele fotoelectrice. Aceste efecte au la originea lor eliber5area sarcinilor într-un material, sub influența unei radiații luminoase, când lungimea de undă este inferioară celei proprii ce caracterizeză materialul:

Efectul fotoemisiv. În cazul iluminării sunt emiși electroni liberi dând naștere unui curent, care în aplicații este colectat de un câmp electric.

Efectul fotovolatic. Electronii și golurile sunt eliberași în vecinătatea unei joncțiuni de semiconductori p sau n, iluminate; deplasarea lor în câmp electric mo-difică tensiunea de la borne.

Efectul fotoelectromagnetic. Aplicarea unui câmp magnetic perpendicular pe radiații, provoacă în materialul iluminat apariția unei tensiuni electrice în direcție normală pe câmp și radiații. Ele stau la baza măsurării mărimilor fotometrice, asigurând apariția unui semnal electric purtător de informație (Fig. 1.3.1 e).

Efectul Hall. Un material, în general semiconductor, sub formă de plăcuțe, este parcurs de un curent I și supus unei inducții B, făcând un unghi θ cu curentul. Va apare pe direcție perpendiculară pe inducție și curent o tensiune care are următoarea expresie:

(1.1)

unde este constanta Hall, ce depinde de material și de dimensiunile plăcuței. Ca aplicație: un magnet legat de un obiect poate ajuta la cunoașterea poziției determinată de valorile B și θ la nivelul plăcuței și anume tensiunea este funcție de poziția obiectului, asigurând o conversie electrică (Fig. 1.3.1 f). [1]

Fig. 1.3 Exemple de utilizare a efectelor fizice în realizarea senzorilor generatori: a) termoelectricitate; b) piroelectricitate; c) piezoelectricitate; d) inducție electromagnetică; e) fotoelectricitate; f) efect Hall. [1]

1.3.2 SENZORI PARAMETRICI.

Senzorii parametrici se caracterizează prin aceea că mărimea de intrare le influențează proprietățiile, fiind convertită într-o mărime pasivă: alungire, deplasare, rezistență, inductivitate.

Se numesc și senzori pasivi și, dacă mărimea de ieșire este mecanică, trebuie introdus un nou senzor ce realizează conversia într-o mărime electrică tot pasivă.

În Tabelul 1.3.1 sunt prezentate principiile fizice ce stau la baza funcționării senzorilor parametrici, precum și tipurile de materiale utilizate pentru obținerea acestora. [1]

Tabelul 1.3.1 Principii fizice și materiale pentru senzori parametrici.

2. Structuri de traductoare inteligente.

În figura 2.1 se prezintă schema unui model de traductor inteligent cu structură neprogramabilă. Principalele blocuri/module componente sunt următoarele:

Blocul senzorilor, BS, alcătuit din senzorul mărimii principale și din senzorul/senzorii mărimilor secundare, care influențează rezultatul măsurării;

Blocul de conversie și adaptare, BCA, care se mai numește și blocul de condiționare a semnalelor date de BS. Acesta convertește/ adaptează semnalele date de BS astfel încât acestea să fie acceptate de CAN.

Convertorul analog numeric, CAN, care are rolul de a converti semnalele analogice date de BCA în semnale numerice.

Blocul de prelucrare secundară a semnalelor numerice, BPSN, care determină semnalul final al traductorului inteligent pe baza unui algoritm prestabilit.

Săgeata de interdependență dintre BS, BCA, CAN și BPSN indică posibilitatea modificării configurației acestor blocuri în funcție de condițiile și scopul măsurării.

Interfața de comunicație cu exteriorul, ICM, prin intermediul unei magistrale standard externe MSE.

Blocul de alimentare și referințe, BAR, alcătuit din sursele de alimentare ale circuitelor electronice ale traductorului precum și din surse de semnal etalon de referință pentru CAN ș.a.

Dacă semnalul aplicat la intrarea CAN este liniar dependent de mărimea măsurată odată cu conversia analog-numerică se realizează de fapt și măsurarea, iar semnalul de la ieșirea BPSN este purtător al rezultatului măsurării. Acest semnal urmează a fi folosit pentru afișarea rezultatului măsurării și/sau în alte scopuri.

Fig. 2.1 Schema bloc a unui traductor inteligent. [5]

În figura 2.2 se prezintă un model de traductor inteligent mai evoluat, dotat cu microprocesor. În afară de BS, BCA și CAN, care au aceleași roluri ca și în schema precedentă, în această schemă sunt prezente și următoarele elemente componente:

Unitatea centrală de prelucrare, UCP, alcătuită dintr-un microprocesor, numit și controler, care poate îndeplini o mulțime de funcții programabile, legate de elaborarea semnalului de ieșire al traductorului. Acesta dispune de un modul de memorie propriu MM, pentru memorare de date și programe.

Controlerul nu are o consolă de operare proprie, dar poate fi conectat la un comunicator de câmp inteligent prin intermediul căruia pot fi executate în condiții de exploatare sau în atelierul metrologic o serie de operații precum, calibrarea, reconfigurarea ș.a.

Multiplexorul analogic, MUXA;

Blocul de acționare asupra senzorilor, BAS;

Blocul de comandă a conversiei/adaptării, BCA, prin care se stabilește și domeniul de măsurare;

Blocul de autotestare a funcționalității blocurilor componente ale traductorului, BAT;

Blocul de comandă a multiplexorului, BCM;

Blocul de comandă a convertorului analog-numeric, BCC.

Fig. 2.2. Schema bloc a unui traductor inteligent dotat cu microprocesor. [5]

O astfel de structură permite prelevarea și măsurarea mai multor mărimi independente prin multiplexare în timp (multimetru) sau măsurarea unor mărimi calculate, dependente de două sau mai multe mărimi primare prelevate prin senzori.

După cum se observă un traductor inteligent ca cel din figura 2.2dispune de resursele necesare pentru realizarea următoarelor funcții: configurare, comunicare, prelevare, măsurare și validare.

Funcția de configurare/reconfigurare a structurii traductorului inteligent constă în alegerea și conectarea între ele a echipamentelor care fac posibilă transpunerea pe semnalul de ieșire a mărimii/mărimilor de intrare dorite.

Modificarea configurărilor poate fi realizată de la o consolă portativă autonomă sau telecomandată și vizează:

conectarea pe rând a senzorilor;

stabilirea/schimbarea domeniului de măsurare;

stabilirea/schimbarea frecvenței de eșantionare, ș.a.

Funcția de comunicare asigură comunicarea între blocurile componente ale traductorului și între acesta și mediul exterior. Prin canalele de comunicație care se formează se realizează un schimb bidirecțional de informație între componentele traductorului și între acesta și mediul exterior.

În acest scop traductorul inteligent decodifică instrucțiunile și mesajele primite din exterior și emite comenzi interne în vederea executării operației cerute de utilizator.

Deoarece componentele inteligente operează cu timpi de eșantionare diferiți este necesar ca informațiile livrate de traductor să fie datate, adică parametrul timp al acestuia să fie integrat în sistemul său de analiză. Această funcție se realizează de către ceasul intern al traductorului care trebuie sincronizat cu ceasul sistemului din care face parte traductorul.

Funcția de prelevare și prelucrare primară vizează aspectele metrologice și cele de prelevare a semnalelor asociate mărimii măsurate. Este vorba de obținerea unor date valide din prelevări auxiliare. În acest scop se ține seama de mărimile de influență cu ajutorul unor modele matematice mai mult sau mai puțin sofisticate sau de diferite neliniarități ce caracterizează interacțiunea mărime de măsurat-senzor.

În funcția de prelevare/prelucrare se încadrează și evaluarea erorilor de măsurare precum și compensarea acestor erori, fie prin intermediul unor echipamente, fie prin intermediul programelor.

Pentru îmbunătățirea calității măsurării se recomandă ca operația de conversie analog-numerică să fie realizată la nivelul traductorului pentru a evita transmiterea mărimii măsurate pe semnale analogic care sunt mai vulnerabile la factori perturbatori, precum și la filtrare numerică, mult mai eficace decât filtrarea analogică.

Funcția de validare vizează acele măsuri menite să asigure credibilitatea rezultatelor măsurării prin operații secundare, adesea destul de complicate. Este vorba de analiza și verificarea modului și condițiilor în care realizează funcția de prelevare-prelucrare primară de exemplu integritatea și continuitatea lanțului de măsurare. [5]

2.1 Traductoare fotoelectronice.

2.1.1 Generalități.

Radiațiile electromagnetice sunt purtătoare de energie dar sunt și purtătoare de informație privind nivelul energetic la care se află corpul emitent și structura și compoziția chimică a acestuia. Prin urmare traductoarele fotoelectronice pot fi folosite pentru măsurarea temperaturii, pentru determinarea compoziției chimice a substanțelor, pentru determinarea suspensiilor solide în lichide sau gaze ș.a.

Informația în cauză poate fi pusă în evidență de către un senzor/traductor adecvat, care pe baza unui anumit efect al radiațiilor asupra lui, produce un semnal de ieșire dependent de componența spectrului de radiații recepționate, sau numai de anumite lungimi de undă ale radiației din care, pe baza legilor radiațiilor se deduce temperatura și compoziția chimică a corpului emitent.

Sub influența radiațiilor electromagnetice un senzor/traductor poate reacționa, după caz, prin generarea unei tensiuni sau sarcini electrice dependente de intensitatea radiațiilor și de lungimile de undă ale acestora, sau prin modificarea valorii unui parametru de bază al acestuia, precum rezistența electrică, culoarea ș.a.

Semnalul de ieșire produs de radiații asupra senzorului se obține fără ca senzorul să fie în contact direct cu corpul emitent, adică preluarea de informație se face de la distanță chiar și când corpul țintă se află în mișcare, ceea ce constituie un avantaj remarcabil.

De reamintit că în conformitate cu teoria modernă a fizicii cuantice radiațiile sunt produse de fotoni, care se propagă cu o viteză c=3·106 km/ss, care au o lungime de undă λ și o frecvență ω = 2·π·c/λ, fiecare foton dispunând de o energie E = h·c/λ, h fiind constanta lui Planck egală cu 6,67·10-34 J·s. Prin urmare între energia E și lungimea de undă λ există o relație de dependență pe care poate fi fundamentată concepția unui senzor / traductor fotoelectronic.

Există o mare varietate de senzori / traductoare fotoelectronice care pot fi clasificați după numeroase criterii. Pentru început vom încadra aceste dispozitive în trei categorii:

Senzori / traductoare cuantice;

Senzori / traductoare fototermice;

Senzori / traductoare analitice complexe sau combinate.

În cele ce urmează prezentăm trăsăturile esențiale ale acestor dispozitive. [5]

2.1.2 Senzori cuantici.

În cazul senzorilor/traductoarelor cunatici fotonii incidenți sunt absorbiți de un material semiconductor și fiecare foton absorbit eliberează un electron din rețeaua semiconductorului numai dacă acesta dispune de un potențial energetic suficient de mare. Electronii eliberați se mișcă liber, dar cu ajutorul unui câmp electric cu care se polarizează senzorul aceștia formează un curent fotoelectronic dependent de intensitatea radiațiilor, adică dependent de nivelul energetic la care se află corpul emitent. Semnalul de ieșire astfel obținut fiind slab, este amplificat și condiționat pentru a putea fi aplicat la intrarea echipamentelor de măsurare standardizate. [5]

2.1.2.1 Clasificarea senzorilor cuantici:

a) Senzori/ traductoare monocanal.

Cei mai uzuali senzori fotoelectronici monocanal sunt fotorezistoarele ,fotodiodele, fototranzistoarele, fotomultiplicatorii electronici s.a.

Fotorezistorul este cel mai simplu senzor fotosensibil, care are proprietate de a-și modula rezistența electrică în funcție de intensitatea radiațiilor incidente si anume, rezistenta sa scade cu creșterea intensității fluxului, datorită generării unui numar sporit de perechi electron-gol, care măresc conductibilitatea electrică a fototranzistorului.

In principiu, un fotorezistor este alcătuit dintr-un suport de sticlă, SS, sau alt material transparent pe care este depus prin procedee speciale, un strat fin de material semiconductor fotosensibil, sulfură de plumb, sulfură de cadmiu, ș.a.

Pentru a putea fi conectat în circuite electronice de alimentare fotorezistorul este prevăzut cu plăcuțe sau fire terminale, PT, de pe care se poate preleva o cădere de tensiune dependentă de intensitatea fluxului incident – figura 2.1.2.1.

Fig. 2.1.2.1 Structura unui fotorezistor. [5]

Fotodioda este un dispozitiv semiconductor de tip ventil comandat prin flux de radiații (lumină). Este alcătuită dintr-o joncțiune p-n fotosensibilă, prevăzută cu terminale (fire) pentru conectare în circuite electrice. Dacă este polarizată pe sensul de conducție lucrează ca un conductor, iar pe sensul invers generează un curent comandat de fluxul de radiații incidente – figura 2.1.2.2.

a) b) c)

Fig. 2.1.2.2. Fotodioda;

Structură; b) Caracteristica IAC = f(Φ); c) Simbol. [5]

Când un foton este absorbit de o diodă acesta eliberează un electron care poate trece peste bariera de potențial a semiconductorului și poate genera un curent electronic numai dacă are o energie mai mare decât cea necesară depășirii acestei bariere. Din această cauză se spune că o fotodiodă are o lungime de undă de tăiere specifică, în sensul că fotonii cu lungime de undă mai mare decât lungimea de tăiere nu vor trece de barieră pe când cei cu lungimea de undă mai mică vor depăși bariera și vor forma un fotocurent dependent de intensitatea radiațiilor recepționate.

În cadrul tradcutoarelor fotoelectronice diodele pot fi folosite într-un montaj fotovoltaic sau într-unul fotoconductiv.

În montaj fotovoltaic dioda este inclusă într-un circuit de conversie și amplificare ca cel din figura 2.1.2.3. Sub efectul flucului de radiații dioda produce o tensiune care este amplificată de către amplificatorul A care furnizează tensiunea de ieșire Ve.

a) b)

Fig.2.1.2.3. Senzori cuantici cu fotodiode:

Montaj fotovoltaic; b) Montaj fotoconductiv. [5]

Într-un astfel de montaj nu are loc o depolarizare a diodei și în consecință nu există pierderi de curent în diodă. Din aceste considerente aceste montaje se recomandă pentru aplicații de precizie.

Acest montaj are însă un răspuns relativ lent deoarece sarcinile generate trebuie să încarce capacitatea diodei.

În montajul fotoconductiv dioda este polarizată și încadrată într-un circuit electronic ca cel din figura 2.1.2.3.,b. Aici fotocurentul diodei de ordinul nano sau microamperilor este convertit în tensiune electrică de către rezistorul RC, iar tensiunea este amplificată de amplificatorul A cu reacție negativă prin Rr și Cr.

Principalul avantaj al acestui montaj constă în faptul că polarizarea aplicată diminuează efectul capacității diodei și astfel se obține un răspuns mai rapid. Din nefericire polarizarea prodce scurgeri de curent care devin supărătoare la limita de jos a domeniului de lucru.

Diodele laser acordabile, DLA, sunt dispozitive semiconductoare alcătuite din cristale de arseniu și galiu, care atunci când sunt străbătute de un curent electric emit raze laser foarte pure din spectrul infraroșu inferior, raze ce pot fi transmise la distanță prin cabluri de fibre optice.

Lungimea de undă a rezei laser emisă de o DLA este determinată de proporția tipurilor de cristale din componența acesteia. Rezultă deci că prin alegerea adecvată a compoziției chimice a DLA se pot realiza diode care să emită raze laser cu lungimi de undă dorite.

În limite relativ restrânse lungimea de undă a razelor laser este dependentă și de curentul diodei. Prin urmare o DLA poate emite raze laser cu lungimi de undă dependente de compoziția chimică a acesteia, dar și de curentul electric ce o străbate, comportându-se ca un generator de raze laser cu lungime de undă comandată de curent.Alegând în mod corespunzător un domeniu de variație a curentului diodei și variind liniar crescător acest curent în limitele domeniului ales, dioda va emite periodic raze laser cu lungimi de undă cuprinse în acel domeniu.

Fototranzistorul este un dispozitiv semiconductor cu trei electrozi, care oferă posibilitatea obținerii unui semnal de ieșire comandat de fluxul fotonic mult mai puternic decit cel dat de fotodiode. Aici fotocurentul obținut în bază comandă curentul colector – emitor, care este mai mare decât curentul bazei – fig. 2.1.2.4.

a) b) c)

Fig. 2.1.2.4. Fototranzistorul :

structura; b) caracteristica IC =f(Φ, UCE); c) simbol. [5]

Cea mai ușoară cale de detecție a curentului colector-emitor constă în utilizarea unui rezistor pe care are loc o cădere de tensiune dependentă de acest curent.

Fotodiodele și fototranzistoarele se fabrică într-o mare varietate de dimensiuni la prețuri convenabile. Ele au numeroase aplicații în aparatura de analiză și măsurare fotoelectronică.

Cele mai multe fotodiode și fototranzistoare au vârful de sensibilitate în domeniul infraroșu apropiat, cu lungimi de undă de 900-1000 nm. Această localizare a sensibilității maxime este datorată bandei de energie a siliciului din care sunt fabricate fotoelectronicele. Există însă o mulțime de alte materiale folosite în acest scop.

În alegerea dispozitivelor fotoelectronice trebuie să se țină seama și de efectul termic ce are loc în acestea. Energia generată de procesele termice este determinată de termodinamica dispozitivului și de temperatura acestuia.

Creșterea temperaturii are ca efect o creștere a numărului de purtători termici generați. Astfel dispozitivele fabricate din siliciu funcționează bine la temperatura camerei dar la temperaturi mai mari de 1000C produc un curent de întuneric sesizabile. Senzorii fabricați din alte materiale decât siliciu au lungimi de undă de tăere mai mari, dar necesită răciri sub temperatura camerei. Prin urmare ce se câștigă în domeniul sensibilitate se plătește prin asigurarea răcirii.

Un interes deosebit prezintă dispozitivele fotoelectronice cu lungimi de undă de tăere de 10-20μm care oferă posibilitatea vizualizării imaginilo în infraroșu pe timp de noapte sau pe întuneric. Este dovedit că vârful spectrului infraroșu pentru obiecte la temperatura camerei se află în această regiune și în consecință contrastul maxim în detecția termică se obține cu dispozitive având maximum de sensibilitate în această regiune.

Se știe că între temperatura T (în 0K) a unei surse de radiații (infraroșii) și lungimea de undă de intensitate maximă λM a spectrului de radiații a corpului negru există relația:

λM = (2.1)

din care rezultă că la temperatura camerei lungimea de undă de intensitate maximă este de aproximativ 10 microni.

Dintre materialele elaborate pentru confecționarea dispozitivelor fotoconductoare Mercur Cadmiumi Telluride este cel mai bun. Acesta are lungimea de undă de tăere cuprinsă între 10 și 20μm, curent de întuneric și de zgomot mici absorbitante înaltă, ș.a. Din păcate este foarte greu de obținut și soarte scump.

Fotomultiplicatorii electronici sunt dispozitive electronice fotoemisive (fotovoltaice) complexe care realizează și o amplificare foarte mare a semnalului primar fotoemis. Pentru conversia fluxului de radiații în curent electric se apelează la fotoemisia primară a unui fotocatod FC (ca și în cazul celulelor fotoelectronice), iar pentru amplificarea acestui flux primar se recurge la folosirea unei cascade de emitere E, care produce o emisie electronică secundară sporită, fluxul electronic astfel amplificat fiind captat pe un anod colector final A.

Fig. 2.1.2.5. Schema unui fotomultiplicator. [5]

În figura 2.1.2.5. este prezentată schema de principiu a unui fotomultiplicator electronic în care se disting următoarele elemente componente: fotocatodul FC, emitoarele E1, E2, … En, anodul A și divizorul de tensiune de polarizare, DT, prin care se polarizează toate elementele din interiorul fotomultiplicatorului. Cei mai uzuali fotocatozi sunt cei din stibiu și cesiu.

Fluxul de radiații Φ care ajunge la fotocatod produce emisie electronică primară. Electronii rezultați sunt accelerați în câmpul electric dintre fotocatod și primul emitor pentu a căpăta o energie suficient de mare pentru a produce emisie secundară de electroni de către acest emitor. În continuare fluxul total de electroni este accelerat de câmpul electric dintre primul și al doilea emitor, care la rândul său produce o emisie secundară ș.a.m.d., astfel încât la anodul final ajunge un flux electronic multiplicat de fiecare emitor.

Presupunând că fotocatodul produce un curent electronic I0 iar coeficientul de emisie secundară (amplificare) a celor n emitere este m, rezultă că la ieșirea fotomultiplicatorului se obține un curent fotoelectronic.

I = I0 ·mn , (2.2)

iar factorul de amplificare M al fotomultiplicatorului este:

M = =mn , (2.3)

care este de ordinul zecilor sau sutelor de mii.

Parametrii și performanțele fotomultiplicatorilor: coeficient de amplificare, liniaritate, stabilitate funcțională, ș.a. sunt dependente de construcția acestora, de proprietățile și calitatea suprafețelor emisive, de calitatea vacumului și de regimul electric de exploatare.

Caracteristicile spectrale ale fotomultiplicatoarelor sunt liniare în cazul fluxurilor de radiații mici și încep să devină neliniare în cazul fluxurilor care depășesc 10-4lm. Caracteristica de frecevnță a acestor dispozitive are un palier paralel cu abscisa până în jurul frecvenței de 10MHz, iar la frecvențe mai mari are câte o cădere pronunțată. În domeniul de temperaturi -40 ÷ 500C caracteristicile fotomultiplicatoarelor nu sunt influențate de temperatură. Influența devine sesizabilă la temperaturi mai mari de 500C, iar o încălzire excesivă poate duce la distrugerea fotomultiplicatorului. De remarcat și faptul că la fel ca și celelalte fotoelectrice fotomultiplicatoarele își modifică în timp caracteristicile inițiale datorită fenomenelor de îmbătrânire. [5]

Detectoare fotoelectronice multicanal – multisenzori

În aplicațiile ample de mare complexitate se folosesc detectoare de radiații multicanal – mutisenzori sub forma unor matrici de senzori care pot realiza o detecție simultană și rapidă a cvazitotalității radiațiilor monocromatice care alcătuiesc un flux de radiații policromatice.

Aceste dispozitive sunt astfel concepute încât să poată identifica lungimile de undă monocromatice care alcătuiesc fluxul de radiații policromatice și să furnizeze un semnal de ieșire care să pună în evidență intensitatea fiecărei radiații monocromatice recepționate. În ultimii ani au fost realizate și perfecționate trei tipuri de detectoare multisenzori de înaltă sensibilitate și rezoluție.

Detecția cu matrice fotoreceptoare:

Folosirea dispozitivelor semiconductoare integrate în calitate de fotoreceptori într-o structură multisenzor a contribuit la ridicarea performanțelor spectrometrelor de emisie atomică și la reducerea dimensiunilor și prețului de cost. În ultimii ani s-au dezvoltat în paralel trei tipuri de detectoare multisenzori de înaltă sensibilitate și rezoluție și anume:

Dispozitive de tip rețea de fotodiode (PDA – Photo Dyode Array);

Dispozitive de tip injecție de sarcini (CID – Charge Injection Device);

Dispozitiv de tip cuplare de sarcini (CCD – Charge Coupled Device).

Ultimele două tipuri de dispozitive se bazează pe proprietatea de sensibilitate la lumină a cristalelor de siliciu și formează o clasă largă de dispozitive denumite dispozitive de transport de sarcini – Charge Transfer Device, CTD.

Pentru a arăta principiul de funcționare al acestui tip de dispozitive ne vom referi la un substrat din cristale pure de siliciu, pe care, prin procedee adecvate, s-a depus un strat fin de bioxid de siliciu. În acest substrat, fiecare atom de siliciu este legat de atomii învecinați în cele trei direcții (x,z,z).

Legătura de siliciu-siliciu poate fi ruptă de energia transmisă prin bombardament de fotoni din spectrul vizibil sau ultraviolet, iar când o astfel de legătură este ruptă un electron din rețea este eliberat lăsând în locul de plecare un „gol” și astfel se pot forma o mulțime de perechi electroni – gol.

Dacă asupra stratului de siliciu se aplică o diferență de potențial, electroni liber vor migra în direcția opusă diferenței de potențial, adică spre stratul de bioxid de siliciu, în timp ce golurile vor migra în direcția opusă formând astfel un curent electric proporțional cu intensitatea fluxului de fotoni. Cu cât cantitatea de energie fotonică absorbită de siliciu este mai mare cu atât este mai mare cantitatea de electroni capturați la interfața siliciu-bioxid de siliciu.

Fig. 2.1.2.6. Capacitor MOS. [5]

Dispozitivele de transmitere de sarcini elementare, numită pixeli, au dimensiuni de la 30 μm și sunt organizate în matrici bidimensionale de 512/512 sau 1024/1024 pixeli. Fiecare pixel este capabil să înmagazineze sarcini generate de fotoni, iar diferitele tipuri de dispozitive de acest fel pot fi diferențiate după modul in care se obțin, se înmagazinează și se „interoghează” sarcinile.

În cazul dispozitivelor de tip injecție de sarcini (CID) bidimensionale fiecare pixel poate fi accesat și interogat în mod aleator pentru a determina cantitatea de sarcini acumulate în timpul cât dispozitivul a fost supus radiației, adică timpul de interogare.

Cu ajutorul unor microprocesoare rapide fiecare pixel poate fi examinat chiar și în decursul timpului de interogare pentru a determina sarcinile acumulate. Procesul de examinare (citire) a pixelilor este nedistructiv în sensul că conținutul de sarcini nu este afectat, nu este distrus. Din nefericire, în condiții normale de temperatură, CID au un zgomot de fond foarte mare (mai mare decât CCD) și pentru a-l micșora ar fi necesară o răcire foarte intensă, ceea ce este foarte dificil și costisitor. Spectrometrele cu plasmă cuplate inductiv utilizează detectoare de tip CID cu peste 250000 pixeli capabili să se detecteze liniile spectrale dintr-un spectru larg de lungimi de undă.

În cazul dispozitivelor de tip CCD, sarcinile acumulate în pixeli pot fi citite secvențial iar procesul de citire este din păcate distructiv în raport cu sarcinile pixelilor citiți. În timpul expunerii fiecare pixel acumulează o sarcină electrică proporțională cu intensitatea fluxului care cade pe el. La sfârșitul ciclului de expunere, la o anumită comandă, pixelii urmează a fi citiți, adică goliți, pe rânduri sau coloane, toți dintr-odată, astfel încât la un moment dat în circuitul de citire se captează conținutul unui pixel al unei linii sau coloane.

Cu toate că citirea pixelilor este secvențială, ea se produce foarte rapid iar zgomotul de fond al CCD-ului este foarte redus. El poate fi și mai redus dacă dispozitivul este răcit cu ajutorul unui răcitor termoelectric bazat pe efect Peltier.

Recent a fost analizat un nou tip de detector denumit detector de cuplare de sarcini segmentat. Spre deosebire de CCD clasice, care conțin un singur set continuu de câteva sute sau mii de pixeli, noul tip de detector conține o colecție de aproximativ 200 matrici, relativ mici de la 20÷80 pixeli fiecare, submatrici care corespund liniilor spectrale a peste 70 de elemente detectabile cu spectrometre de emisie atomică în plasmă cuplată inductiv. [5]

2.1.2.2 Senzori și traductoare fototermice.

Senzorii/traductoarele fototermice denumite și bolometre transformă energia radiatiilori absorbite în căldura care este cuantificata prin temperatura obținută. În același timp senzorul transpune valoarea temperaturii pe semnal de ieșire cu ajutorul unui senzor de temperatură adecvat.

Pentru a obține performanțele superioare se aleg senzori de temperatură cu sensibilitate mare și capacitate termică mică, deci cu dimensiuni mici. De aceea este de dorit să se îmbine cea mai bună microtehnologie de fabricație cu cea mai bună integrare electronică.

Bolometrul din figura 2.1.2.2.1 este alcătuit dintr-un senzor rezistiv sub forma unei pelicule metalice aplicată pe un suport electroizolant. Pe fața peliculei este aplicat un strat fin de material termorezistent care transformă energia radiațiilor incidente în căldură.

Sub influența radiațiilor recepționate pelicula se încălzește până la o temperatură corespunzătoare echilibrului dintre căldura produsă și cea disipată. În acest fel, rezistența electrică Rb a peliculei care este dependentă de temperatură este în mod implicit măsura intensității radiațiilor incidente.

Rezistența peliculei poate fi transpusă pe semnal de ieșire – cădere de tensiune US pe un rezistor exterior RS străbătut de curentul I, așa cum se arată în figura 2.1.2.2.1,b.

În absența radiațiilor curentul bolometrului este I=U/(RB+RS). În prezența radiațiilor acesta se modifică în funcție de intensitatea acestora și produce la ieșire tensiunea US.

Dacă radiația incidentă este de forma A cosωt atunci sensibilitatea bolometrului este dată de relația:

S= (2.4)

unde U este tensiunea de alimentare, k este randamentul bolometrului adică raportul dintre energia radiației absorbite și cea a radiației incidente, B este curentul de pierderi termice ale bolometrului, h este căldura specifică a bolometrului iar α este un coeficient de sensibilitate la temperatură asociat bolometrului.

Pentru a obține o sensibilitate mare este indicat să se aleagă un material cu α mare și cu B și h mici, realizând astfel bolometre cu sensibilitate mare pentru suprafețe de detecție mici. [5]

Fig. 2.1.2.2.1 Senzor de radiații de tip bolometru. [5]

2.1.2.3 Dispozitive piroelectrice.

Relativ recent au fost realizate la prețuri convenabile detectoare de radiații în infraroșu care nu necesita răcire. Acestea sunt confecționate de materiale speciale care generează sarcini electrice atunci când sunt supuse unor variații de temperatură. Ele sunt sensibile nu la căldură ci la schimbări de temperatură.

Cel mai bun, dar și cel mai scump material piroelectric care este folosit în astfel de detectoare este Tri-glicin sulfuri deuterate (Deuterated Tri-Glicin Sulfide). Acesta are o bună sensibilitate în infraroșu fiind folosit în spectrometrie, în detecția obiectelor termoemisive în mișcare, ș.a.

În general orice material este un oarecare măsură piroelectric, dar numai unele materiale oferă eficiență convenabilă. Astfel, în aplicațiile în care nu se cer performanțe înalte pot fi folosite filme din PVDF, deoarece acestea sunt foarte ieftine.

Dispozitivele piroelectrice pot fi folosite ca detectoare de mișcare în infraroșu fiind capabile să sesizeze închiderea/deschiderea unei uși, mișcarea unui obiect ș.a. Pentru a obține o imagine a obiectului în mișcare este necesară o rețea de elemente detectoare și o optică de focalizare. [5]

2.1.2.4 Senzori analitici.

Senzorii analitici furnizează semnal de ieșire dependent de compoziția chimică a corpului/substanței analizată. Aceștia sunt denumiți și detectoare, deoarece principala lor funcție este aceea de a detecta prezența în amestec a unui component sau grup de componenți de interes, urmată de evaluarea concentrațiilor acestora în cadrul amestecului.

Determinarea compoziției chimice se face într-un proces complex de interacțiune dintre radiațiile electromagnetice emise de o sursă și obiectul analizei (solid, lichid, gaz). Altfel spus, obiectul analizei este supus acțiunii radiațiilor din spectrul vizibil, din spectrul UV, din spectrul IR sau din spectrul X, acțiune care se manifestă printr-un efect specific precum absorbția diferențială a radiațiilor de către componenții amestecului, fluorescența acestora, ș.a.

Pentru ca această interacțiune să aibă loc în condiții favorabile mediul de analizat se aduce într-o celulă de analiză în care este supus radiațiilor sau, ca alternativă, elementele senzorului sunt amplasate în mediul de analizat.

Principalele elemente ale unui senzor/detector sunt sursa de radiații, celula de analiză, receptorul de radiații la ieșirea din celula de analiză și circuitele electronice de amplificare și prelucrare/conditionare a semnalului detectorilor.

Senzorii/traductoarele analitice, împreună cu celelalte dispozitive de prelucrare a semnalelor primare în vederea determinării compoziției chimice a amestecului și a afișării/înregistrării acesteia formează ceea ce se numește analizor chimic. [5]

.

2.2 Traductoare cu microunde.

2.2.1 Caracterizare generală.

Microundele sunt radiații electromagnetice cu lungimi de undă cuprinse între 3 mm și 3 m (100GHz ÷ 100MHz). Din acest spectru fac parte și undele radar (Radio Detection And Ranging) cu frecvențe cuprinse între 5 și 26 GHz. Când aceste unde ating suprafața unor corpuri ele suferă anumite efecte ce pot furniza informații despre distanța dintre sursă și corp și/sau despre viteza de deplasare a corpului față de sursă. Cel mai interesant efect este reflexia undelor de către corpul țintă, dar prezintă interes și fenomenele de polarizare, de difuzie, de refracție și de interferență.

Aceste radiații pot fi utilizate cu numeroase scopuri, unul foarte important fiind utilizarea lor în concepția senzorilor/traductoarelor de nivel, de viteză, de poziție ș.a.

În cele mai multe aplicații pentru măsurarea distanței și vitezei se recurge la un sistem de reflexie de către corpul/substanța țintă a undelor emise de către o antenă și recepționate de aceeași antenă. Prin urmare un traductor cu microunde de acest fel are în componența sa următoarele elemente esențiale:

o sursă de radiații radar;

o antenă de emisie/recepție;

circuite de amplificare și prelucrare a semnalelor primare în vederea determinării semnalului de ieșire;

dispozitive de afișare/înregistrare a mărimii măsurate.

Pentru măsurarea distanțelor și vitezelor pot fi folosite unde radar continue sau unde discontinue sub formă de pulsuri în numeroase scheme de măsurare. Cele mai interesante și mai uzuale vor fi prezentate în cele ce urmează. [5]

2.2.2 Traductoare de viteză de tip Doppler.

Pentru măsurarea vitezei de deplasare se poate recurge la efectul Doppler, conform căruia unda radar reflectată de un obiect în mișcare are o frecvență modificată cu ±Δf, dependentă de viteză. Astfel, dacă sursa de radiații și obiectul sunt staționare Δf este nulă. Dacă însă corpul se deplasează cu viteza v pe direcția sursă corp către corp Δf>0, iar dacă se deplasează în sens opus Δf<0 – fig. 2.2.2.1.

Creșterea/scăderea frecvenței undei reflectate Δf, datorate deplasării corpului tintă se numește frecvență Doppler și constituie o măsură a vitezei de deplasare a corpului țintă. Viteza de deplasare se determină din relația:

(2.5)

unde f este frecvența undelor emise, a este lungimea de unda iar c -viteza luminii. [5]

Fig. 2.2.2.1. Măsurarea vitezei pe baza efectului Doppler. [5]

2.2.3 Traductoare de nivel cu unde radar.

Măsurarea nivelului cu ajutorul undelor radar se bazează pe măsurarea directă sau indirectă a intervalului de timp Δt în care o undă radar emisă de o antenă fixă, AER, parcurge distanța d de la antenă până la suprafața lichidului, care o reflectă și ajunge înapoi la aceeași antenă – fig. 2.2.3.1. În acest fel nivelul h din rezervor (h=H-d) rezultă din relația:

h=(H-d)=H- (2.6)

unde c este viteza de propagare a undelor radar (c=295000 km/s).

Fig. 2.2.3.1. Traductor de nivel cu unde radar. [5]

Cea mai indicată bandă de frecvențe radar este banda cuprinsă între 5 și 30 GHz. La frecvențe mai mari apar și interferențe nedorite, iar la frecvențe mai mici se manifestă o influență puternică a vaporilor din rezervor, a spumei de la suprafața lichidului ș.a.

Măsurarea prin această metodă a nivelului prezintă următoarele avantaje:

traductorul nu vine în contact cu lichidul din rezervor, nu conține piese în mișcare susceptibile la uzură;

rezultatele măsurării nu sunt afectate de temperatura și presiunea din rezervor decât în mică măsură;

traductorul poate acoperi domenii largi de măsurare;

traductorul poate fi integrat direct într-un sistem de măsurare/conducere cu calculatoare numerice ș.a.

Există două principale metode de măsurare:

► metoda măsurării directe a intervalului de timp Δt adică a defazajului dintre semnalul emis și cel reflectat și recepționat de AER;

► metoda modulației frecvenței undelor radar continue, FM-CW (Frecvency Modulated Continous Wave).

În aplicarea primei metode cu unde radar continue apar dificultăți în măsurarea exactă a intervalului de timp Δt, care afectează precizia de măsurare. Această metodă poate fi totuși aplicată cu succes dacă în loc de unde continue se folosesc unde discontinue sub forma unui tren de pulsuri. [5]

2.2.3.1 Traductoare cu modulație în frecvență a undelor radar continue.

Conform acestei metode antena emite radiații continue ciclice, dar cu o frecvență liniar crescătoare între două limite fm și fM. După ce sunt reflectate aceste unde ajung la antenă cu întârzierea Δt, dependentă de distanța d dintre antenă și suprafața reflectorizantă – fig. 2.2.3.1.1

Deoarece la fiecare ciclu de măsurare antena mărește frecvența de la fm la fM în orice moment de timp undele emise de antenă vor avea o frecevență f1 iar cele reflectate și recepționate vor avea frecvența f0, frecvența undei întârziate. Diferența dintre aceste frecvențe este liniar dependentă de intervalul de timp Δt și de distanța d.

b)

Fig. 2.2.3.1.1 Diagrama semnalelor conform metodei FM – CW:

fără ecouri parazite; b) cu trei ecouri parazite. [5]

Într-adevăr din fig. 2.2.3.1.1 se observă că:

; ; (2.7)

Pe de altă parte:

; (2.8)

Prin urmare:

; (2.9)

Pentru a aplica această metodă sunt necesare următoarele echipamente:

un generator de oscilație cu frecevență periodică liniar crescătoare (GOFLC);

o antenă de emisie-recepție, AER;

un mixer, M;

un filtru F și un amlificator A;

un generator de semnal rampă comandat, GSR;

un microprocesor de semnal, MPS.

Schema bloc a unui traductor de acest fel este prezentată în figura 2.2.3.1.2.

Generatorul de semnal rampă comandă modificarea frecvenței semnalului generat de GOFLC pentru ca acesta să emită un semnal sub formă de dinți de fierăstrău cu amplitudine constantă dar cu frecvență liniar crescătoare. Acest semnal este transmis simultan către antena AER și către mixerul M.

Undele ecou sunt recepționate de aceeași antenă și dirijate către mixer, unde sunt amestecate cu undele emise. Semnalul de ieșire din mixer, reprezentând diferența de frecvențe Δf este filtrat pentru a îndepărta frecvențele parazite apoi este amplificat și aplicat la intrarea microprocesorului de semnal.

În cadrul microprocesorului au loc operația de eșantionare a semnalului complex recepționat, precum și operația de transformare Fourier rapidă pentru a obține un spectru de frecvențe din care să se deducă distanța parcursă de undele reflectate.

Fig. 2.2.3.1.3 Schema bloc a unui traductor de nivel cu modulație în frecvență a undelor radar.[5]

În urma transformării Fourier se obține așadar un spectru de frecvențe, alcătuit din frecvența asociată ecoului util, dar și din frecvențe asociate ecourile parazite. Prin urmare este necesar mai întâi să se identifice ecoul util și apoi pe baza acestuia să se determine distanța.

Rezultă deci că prin această metodă diferența de frecvențe Δf din domeniul timp este convertită în frecvență, ca apoi pe baza acesteia să se deducă distanța d care este asociată cu diferența de frecvențe. Amplitudinea componenetelor este proporțională cu dimensiunile ecoului, iar frecvența componentelor este proporțională cu distanța d.

Din nefericire procedura de transformare Fourier este foarte complicată și necesită mijloace de procesare foarte puternice și rapide și deci foarte costisitoare.

Toate elementele prezentate în schema din figura 2.2.3.1.3 cu excepția antenei sunt incorporate într-o incintă numită Unitate Radar, UR, care se monteaza pe fața exterioară a capacului rezervorului, iar antena (cu unele excepții) se montează în interiorul rezervorului. [5]

2.3 Traductoare de nivel cu pulsuri de unde.

În traductoarele de acest fel nu se folosesc unde continui, ci unde discontinui sub forma de pulsuri periodice de cateva unde, la o distanta in timp suficient de mare ca sa permita undelor reflectate sa se intoarca la antena.

Timpul de dus și întors necesar pulsurilor ca să parcugă distanța de ordinul metrilor este de ordinul nanosecundelor, deci foarte mic. Din acest motiv este necesară o procedură de expandare (dilatare) a timpului pentru ca acest timp scurt să poată fi măsurat cu suficientă precizie.

În acest scop se adoptă aceeași procedură ca și la stroboscoape și la osciloscoapele cu eșantionare, unde semnalele cu frecvență foarte înaltă sunt transformate în semnale cu frecvență mai coborâtă cu două trei ordine de mărime.

În figura 2.3.1. se arată modul în care este aplicat principiul eșantionării succesive la trenuri de pulsuri. Aici perioada T1 de repetiție a pulsurilor este mai mare decât perioada T a oscilațiilor, iar perioada T2 de eșantionare succesivă este puțin mai mare decât T1. In acest fel factorul de extensie a timpului este:

. (2.10)

Fig. 2.3.1. Principiul eșantionării succesive clasice. [5]

Trenul de impulsuri emis de antenă produce unul sau mai multe ecouri dintre care numai ecoul produs de suprafața lichidului este cel util, celelalte fiind false. Atât pulsurile emise cât și cele reflectate au aceeași perioadă de repetiție T1, iar perioada de eșantionare T2 este T2.>T1.

În eșantionarea unor astfel de semnale de foarte înaltă frecvență apar probleme practice datorate timpului extrem de scurt, de ordinul picosecundelor, în care urmează să se extragă eșantioane. Pentru a ocoli aceste dificultăți se recurge la combinarea procedurii de eșantionare cu o procedură de intercorelare.

În loc de o eșentionare de foarte scurtă durată se recurge la o eșantionare printr-o procedură de intercorelare – în care pulsul de eșantionat este corelat cu un puls similar de eșantionare, emis la perioade de timp T2 > T1 . Prin procedura de intercorelare fiecare punct al pulsurilor emise sau reflectate este multiplicat cu un punct corespunzător al pulsurilor de eșantionare și astfel se obțin unul după altul punctele unui semnal rezultant.

Procedura de eșantionare a pulsurilor de unde radar este destul de complicată dar oricum este mai simplă decât procedura transformării Fourier. Ea constă în generarea unui semnal de referință cu o perioadă de timp modificabilă.

Acest semnal se multiplică cu semnalul reflectat recepționat, iar rezultatul multiplicării se integrează. Toate aceste operații pot fi efectuate de mijloace electronie relativ simple.

b)

Fig. 2.3.2. Eșantionare prin intercorelare:

eșantionare clasică; b) eșantionare prin interblocare. [5]

Prin metoda descrisă semnalele de înaltă frecvență de ordinul GHz sunt transformate în semnale cu frecvență de ordinul KHz, iar frecvența de repetiție a pulsurilor este și ea redusă in acelasi raport.Operațiile în cadrul acestei metode sunt exclusiv în domeniul timp și vizează analiza ecourilor care apar ca pulsuri separate în timp, ceea ce face posibilă identificarea ecourilor utile și a celor false.

În figura 2.3.3. se prezintă schema bloc a unui traductor cu pulsuri de unde radar. În cadrul acestei scheme sunt generate două trenuri de pulsuri identice dar cu perioada de repetare puțin diferite. Unul din ele are perioada T1 si este generat de oscilatorul OM și de formatorul de pulsuri FPM, iar celălalt are perioada T2 >T1 și este generat de oscilatorul OR și formatorul de pulsuri FPR.

Fig. 2.3.3. Schema bloc a unui traductor de nivel cu pulsuri de unde radar. [5]

Trenul de pulsuri emise de FPM este apliat la intrarea generatorului de microunde de măsurare, GMM, care dirijează pulsurile de microunde către antenă și de aici către suprafața țintă, care le reflectă înapoi spre antenă și de aici ajung în mixerul M.

Celălalt tren de pulsuri, emise de FPR este aplicat la intrarea generatorului de microunde GMR, iar microundele ajung în mixerul M. În mixer au loc operațiile de intercolerare enumerate mai înainte, în urma cărora rezultă semnalul dilatat în timp, în care apar distinct pulsurile emise și ecourile acestora într-o diagramă Amplitudine – timp, timpul fiind asociat cu distanța.

În cadrul acestei scheme microprocesorul – controler are rolul de a controla și regla frecvența trenurilor de pulsuri. [5]

3. Aparate de măsurare dotate cu microprocesoare.

3.1. Caracterizare generală.

Una din cele mai importante trăsături ale aparatelor de măsurare numerice, îndeosebi a celor ce au aparut relativ recent, o constitue existența în structura lor a unuia sau a mai multor microprocesoare și echipamente periferice, care alcătuiesc un microsistem dedicat. Folosirea unor astfel de microsisteme a facut posibilă realizarea de aparate și sisteme de măsurare programabile.

În principiu integrarea unui microprocesor în structura unui aparat de măsurare sau de analiză chimică nu schimbă funcția /funcțiile metrologice ale acestuia, ci le îmbunatațește. Astfel, un debitmetru cu microprocessor este tot un debitmetru, dar cu performanțe mai bune decât unul classic fără microprocesor și în plus poate fi conectat în structura unui sistem de automatizare condus cu calculatoare numerice.

De asemenea, un spectrometru de masă modern cu microprocesor/calculator este tot un spectometru de masă ca și cel clasic, dar care oferă rezultatul analizei în numai cateva secunde sau minute față de cel clasic de la care rezultatul se obține după cateva ore.

Cele mai uzuale aparate de măsurare/analiză sunt compensatoarele electronice, punțile de măsurare, aparatura de măsurare a mărimilor temporale de tipul numărătoarelor de impulsuri și în general orice aparat la care măsurarea se face exclusiv cu ajutorul circuitelor electronice sau/și optoelectronice. Aparatura de măsurare electromagnetică ‘clasică’ cu rotor și ac indicator în fața scalei nu are perspective de integrare directă în sistemele moderne de automatizare.

Un aparat/sistem de măsurare cu microprocesor poate fi folosit pentru măsurarea uneia sau mai multor mărimi și poate fi programat sa execute numeroase operații logice, aritmetice, statistice asupra marimilor măsurate, precum și pentru a realiza operații auxiliare, vizând coordonarea și automatizarea funcționării elementelor componente ale acestuia. [6]

3.2. Funcții executate de microprocessor.

Un sistem cu microprocesor programabil poate realiza una sau mai multe din următoarele funcții/operații :

Prelucrarea semnalelor primare primite de la senzori/traductoare pentru a determina rezultatul măsurarii prin operații ca : înmulțirea/împărțirea cu anumite constante sau variabile, sau calcule de valori medii, compararea cu anumite valori limită sau de referință/etalon, liniarizarea caracteristicilor statice ale traductoarelor, evaluarea și corecția erorilor de măsurare, evalarea unor mărimi statistice, conversia unor mărimi/semnale interne ș.a.

Executarea funcțiilor de comandă internă a părților componente ale aparatelor de măsurare și anume: comanda blocului de condiționare a semnalelor primite de la traductoare, comanda conversiei numeric-analogice, comanda afișării rezultatului măsurării, calibrarea aparatului, corelarea funcționării elementelor componente ale aparatului.

Comunicația cu alte echipamente componente ale sistemului cu care este integrat aparatul de măsurare.

Autotestarea și diagnosticarea eventualelor componente defecte ale sistemului de măsurare.

Efectele cele mai semnificative ale folosirii acestor aparate sunt următoarele:

Marirea vitezei , preciziei și reproductibilitatii măsurărilor;

Mărirea gradului de automatizare a măsurărilor și lărgirea posibilităților de reconfigurare a structurii sistemelor în funcție de aplicație;

Reducerea volumului, a greutății și a numărului de componente ale echipamentelor de măsurare prin folosirea echipamentelor electronice sub forma de circuite integrate la scară largă, caracterizate prin dimensiuni și consumuri de energie foarte mici, dar cu performanțe superioare;

Raport performanță/preț net superior față de aparatura clasică;

Facilizarea comunicației cu elementele unui sistem de conducere cu calculatoare într-o structură complexă, ierarhizată și distribuită;

Furnizarea rezultatului măsurarii într-o formă atractivă, nu numai prin numere, ci și prin mesaje explicative în limbajul utilizatorului sau sau prin semnale srandard. [6]

PARTEA a II-a

Funcționarea senzorilor optici.

Generalități ale traductoarelor optoelectronice.

Traductorul optoelectronic, este construit dintr-un traductor electronic și un senzor. În figura de mai jos (fig. 1.2.1) este prezentată, schema bloc a unui traductor optoelectronic.

Fig. 1.2.1 Schema bloc a unui traductor optoelectronic. [9]

Sursa de radiație optică poate fi: de bandă de frecvență îngustă sau largă, puere de emisie mare sau mică;

Mărimea de măsurat –determină variația unuia din parametrii a undei de radiație optică;

Senzorul optic pasiv (emițător) –este caracterizat de: intensitate, fază, polarizare, lugime de undă;

Senzorul optic active (receptor) –convertește variația intensității undei de radiație optică în variația unui semnal electric (tensiune, current, șir de numere).[9]

Surse de radiații optice.

Sursele de radiații optice pot fi: -coerente și necoeerente.

Sursele de radiații coerente, sunt sursele LASER, care au următoarele caracteristici:

Sunt monocrome, uzual, roșu, alb, cu o lățime de spectru foarte îngustă și coerență temporal;

Divergență mică;

Focalizare a fascicului de dimensiuni foarte mici (10mm-0,5mm);

Putere de emisie mare, în undă continuă, de la mW la MW și în impulsuri de la GW la TW;

Gamă mare de accord pentru aproape tot spectrul optic.

Sursele LASER pot fi:

Diodele LASER cu cavitate optică FABRY –PEROT, relizate ca o structură de tip heterojoncțiune dublă;

Diode LASER solide –alcătuite din cristale sau sticlă;

Diode LASER cu gaz –mediul LASER este un gaz format din atomi neutrii (Mecur –Hg, dioxid de carbon –CO2, sau vapori metalici);

Diode LASER cu lichid –mediul LASER fiind o substanță lichidă, colorată, organic, fluoreșcentă, dizolvată într-un solvent lichid.

Sursele de radiații optice necoeerente sunt:

Lămpile cu incandeșcență –acestea pt fi lămpi cu :halogen, iod, brom ți filament de tungsten, care produc o radiație optică stabilă în mediul vizibil și infraroșu;

Lămpile cu descărcare în gaze –descărcarea în gaze se realizează la o presiune scăzută, datorită ionizării atomilio sau moleculelor gazului în urma descărcării bruște a unui condensator, apare un current electric;

Lămpile cu arc au densitate mare de current, cu descărcare în gaz la presiune mare, fiind considerate suursele convenționale de radiație optică, cu emisia cea mai mare;

Diodele electroluminiscente –LED-urile –radiația optică a unui LED nu este strict monocromatică, cu puteri de emisie de ordinal sutelor de mW. [9]

Senzorii optici pasivi.

În funcție de mărimea de variație sunt mai multe tipuri de senzori optici pasivi:

Senzori optici pasivi cu variația intensității radiației optice –sunt relativ simplu de realizat, se relizează prin reflexia undei;

Senzori optici pasivi cu variația fazei radiației optice –au o structură mai complex, având o sensibilitate mare la semnalul măsurat cât și la perturbații;

Senzori optici pasivi cu variația polarizării –conțin un element birefringent, asupra căruia acționează mărimea măsurată;

Senzori optici pasivi cu fibre optice –se bazează pe variația intensității sau a fazei radiației optice. [9]

Senzori optici activi.

Senzorii optici activi, pot fi denumiți fotodetectoare, aceștia transform variația intensității

radiației optice, modificate în mărimea de măsurat, într-o variație a unei mărimi sau parametru electric (tensiune, current, sarcină).

După modul de recepție a radiației optice avem:

Senzori optici activi electronici (cuantici) –absorția radiației optice determină excitarea electronilor pe nivele energetic superioare (fotodiodele, fototranzistorii, fotorezistențele);

Senzori optici activi termici –absorția radiației optice este însoțită de creșterea temperaturii (termopilele, fotodetectoarele piroelectrice, balometrele).[9]

Generalități senzori optici.

Senzorii optici, au la bază ca și mod de funcționare, lumina roșie sau infraroșie, pentru a detecta prezența unui obiect, sau proprietăți ale acestuia: temperatură, culoare, dimensiune, etc.

Funcționarea acestor senzori se bazează pe modificarea fluxului luminos, dintre un generator (emițător) și un receptor, în prezența obiectului controlat.

Ca și emițătoare sunt utilizate mai ales diodele cu radiații în infraroșu, lumina roșie, lumina albă, diodele LASER, iar ca receptoare fotodiode, fototranzistori, fotorezistori.

Pentru mărirea sensibilității spațiale de detectare, generatorul și receptorul, sunt prevăzute cu sisteme optice de focalizare a radiației luminoase (lentile, filtre polarizate, prisme, lupe). [13]

Tipuri de ieșiri ale senzorilor optici.

Senzorii optici electronici pot avea mai multe tipuri de ieșiri, în funcție de aplicația căreia

este utilizat. Ieșirile pot fi:

Digitale – pot fi comparate prin analogie cu un comutator, care poate fi normal închis sau normal deschis, starea lui schimbându-se atunci când senzorul sesizează prezența obiectului;

Analogice –pot fi la rândul lor, ieșiri în tensiune sau în curent, valorile acestor parametrii modificându-se în funcție de distanța la care se află obiectul față de senzor.[13]

Ieșiri analogice.

Prin ieșire analogică, se întelege că pe pinul de ieșire al senzorului vom regăsi un semnal analogic căruia i se modifică unul dintre parametrii, tensiune sau curent.

Ieșiri analogice în tensiune (0-10V):

În funcție de distanța la care se află obiectul, numărul de fascicule de radiație luminoasă întrerupte, pe pinul de ieșire al senzorului, vom avea un semnal a cărui tensiune va fi cuprinsă în intervalul 0-10V DC.

Ieșiri analogice în curent (4-20mA)

Funcționarea acestui tip de ieșire este similară cu cea în tensiune, singura diferență, fiind, faptul că, mărimea electrică transmisă pe pinul de ieșire al senzorului, va fi un curent, ce va avea o valoare cuprinsă în intervalul 4-20mA.[13]

Ieșiri digitale.

Prin ieșire digitală, se înțelege, că pe pinul de ieșire al senzorului, vom regăsi un semnal digital, care va avea valoarea „0” logic (o tensiune aproape nulă) fie „1” logic (o tensiune apropiată de tensiunea de alimentare a senzorului).

Ieșire de tip NPN

Fig. 2.1.2.1 Ieșire de tip NPN. [13]

În figura de mai sus este reprezentată configurația unei ieșiri NPN, care în momentul activării va cupla înspre potențialul de 0V (-UB) sarcina electrică RL. Pentru o funcționare corectă, sarcina RL, trebuie conectată între borna de plus +UB și ieșirea senzorului.

Ieșire de tip PNP

Fig. 2.1.2.2 Ieșire de tip PNP. [13]

În figura de mai sus este reprezentată o configurația unei ieșiri PNP, care în momentul activării, va cupla înspre potențialul pozitiv +UB sarcina electrică RL. Pentru funcționarea corectă, RL trebuie conectată între borna 0V (-UB) și ieșirea senzorului.

Ieșire de tip Push-Pull

Fig. 2.1.2.3 Ieșire de tip Push-Pull. [13]

O ieșire de tip Push-pull, reprezintă un circuit electronic, care poate conduce fie un curent pozitiv, fie un curent negativ într-o sarcină. De obicei circuitul este realizat de o pereche de tranzistori, în momentul când unul din tranzistori va conduce în funcție de comanda primită de la circuitul intern de comandă (amplificatorul operațional).

Ieșire NO –normal deschis

Fig. 2.1.2.4 Ieșire de tip normal deschis. [13]

Ieșirea senzorului poate fi văzută ca un comutator normal deschis, deci senzorul fără un obiect în față va avea ieșirea ca un circuit deschis. Circuitul se închide în momentul detectării unui obiect de către senzor.

Ieșirea NC –normal închis

Fig. 2.1.2.5 Ieșire de tip normal închis. [13]

Ieșirea senzorului poate fi văzută ca un comutator normal închis, deci senzorul fără un obiect în față va avea ieșirea ca un circuit închis. Circuitul se deschide în momentul detecției unui obiect de către senzor.[13]

Ieșiri de date.

Datele pe ieșiri sunt transmise în serie, într-o singură direcție, pe o pereche de fire. Datele transmise vor fi etichetate TX (indice de transmisie), datele recepționate sunt etichetate RX (indice de recepție). Pentru a crea un sistem de comunicare sunt necesare minim 3 fire (TX, RX și GND –ground). Transmisia semnalelor TX și RX între două sisiteme permite comunicația serială de tip RS 232. Fiecare bit de date poate fi transmis în orice moment (atâta timp cât bitul anterior a fost transmis). În figura de mai jos, sunt reprezentate nivelele de tensiune, în momentul transmiterii de date.[13]

Fig. 2.1.3.1 Nivelele de tensiune pentru transmiterea datelor. [13]

Protocoale de comunicații

Protocolul standard prin care senzorii pot comunica cu un sistem de automatizare, prin intermediul unui PC printr-o conexiune directă, sau prin internet de la o distanță mare, se numește IO –Link.

Fig. 2.1.4.1 Protocolul de comunicație IO –link. [13]

IO –Link, este un protocol standard de comunicație, un protocol point-to-point, fiind un protocol serial utilizat pentru comunicația cu senzori. Acesta permite trei tipuri de date să fie ajustate: datele de proces, serviciile de date, evenimente. În aproape toate locurile unde este folosit un senzor cu ieșire de IO –link, se pot furniza mai multe informații, se pot reface configurațiile ieșirilor și se pot controla modul de funcționare al senzorilor. Acestă transmisie se realizează pe două fire.[13]

Tipuri de senzori optici.

Senzori optici energetici –reflexivi.

Acești senzori sunt construiți, într-o carcasă în care se află emițătorul, care poate fi: LED cu lumina roșie, LED cu lumină albă, LED infraroșu sau diodă LASER și receptorul care poate fi: fotodiodă, fotodiodă dublă (PSD –diodă sensibilă de poziție) sau fototranzistor.

PSD –urile, sunt detectoare analogice compuse din două straturi, unul de tip n și altul de tip p și un strat de siliciu de rezistivitate mare. Valoarea curentului măsurat la fiecare capăt (anod) este proporțională cu poziția spotului luminos ce cade pe supafața detectorului. Dacă spotul se află pe centrul detectorului, curenții măsurați la cele două ieșiri vor fi egali (catod). Dacă spotul se deplasează de pe centrul detectorului, curenții vor avea valori diferite, astfel se poate calcula poziția spotului.

Fig. 1.2.1.1 Schema bloc a unei diode receptoare PSD. [13]

PSD –urile au la bază principiul triangulației, prezentat în figura 1.2.1.2.

Fig. 3.1.1 Principiul triangulației. [13]

Senzorii care lucrează după acest principiu, conțin un microprocesor dedicat, care preia semnalele electrice de la cei doi anozi ai PSD-ului, după care le prelucrează, pentru semnalul de ieșire.

Ca principiu de funcționare al senzorilor reflexivi, emițătorul emite un fascicul luminos către obiect, iar o parte de lumină este reflectată de suprafața obiectului spre receptor, după care aceasta este transformată de circuitele electronice adiacente senzorului într-un semnal electric, care se va regăsi pe pinul de ieșire al senzorului sub forma unei tensiuni (senzor cu ieșire analogică) sau sub forma unui șir de numere (senzor cu ieșire digitală).

Triangulația, este printre cele mai vechi metode de măsurare a distanței. Sistemul stabilește o pereche de triunghiuri asemenea, triunghiulnimagine și triunghiul obiect. Linia de bază b a triunghiului obiect și înălțimea h a triunghiului imagine sunt considerate cunoscute.[13]

Fig. 3.1.2 Metoda triangulației din punct de vedere geometric. [13]

Senzori optici retro-reflexivi.

Senzorii retro-reflexivi, funcționează împreună cu un reflector (oglindă), care are rolul de a polariza lumina reflectată înapoi spre senzor. Emițătorul și receptorul sunt incorporate într-o carcasă compactă, obiectul este detectat în momentul întreruperii fascicului retro-reflexiv.

În figura de mai jos se poate vedea modul de reflexie a spotului emis pe diferite suprafețe.

Fig. 3.2.1 Reflexia luminii pe diferite suprafețe.

În figura următoare se poate observa principiul de polarizare a luminii în cazul retroreflexiei.[6]

Fig. 3.2.2 Polarizarea luminii. [6]

Principiul de funcționare al senzorilor retro-reflexivi.

Principiul de funcționare se bazează pe posibilitatea polarizării liniare a luminii, și anume, plecând de la o sursă de lumină (LED roșu) nepolarizată, dacă vom trece fascicolul de lumină printr-un filtru polarizat vertical, atunci lumina ce va fi emisă de către senzor va fi o lumină polarizată vertical. Dacă obiectul detectat de către senzor are o suprafață strălucitoare sau mată, lumina reflectată de pe acest obiect, va fi în fază cu lumina emisă. La recepția luminii se va folosi un filtru de polarizare pe orizontală, lucru care împiedică trecerea luminii reflectate de către obiectul țintă către recepția senzorului. Dacă lumina va ajunge pe suprafața unui reflector (oglindă) cu rețea de prisme de polarizare (reflectoare –ochi de pisică), atunci acest reflector va reflecta lumina către receptorul senzorului defazată cu 90 de grade, deci cu polarizare orizontală. Acest semnal recepționat, cât și cel emis este prelucrat de către senzor în majoritatea cazurilor de către un microcontroller dedicat.[13]

Fig. 3.2.1.1 Principiul de reflexie a luminii polarizate.[13]

Fig. 3.2.1.2 Exemplu de utilizare a unui senzor retro-reflex. [7]

3.2.1.1 Senzori retro-reflexivi pentru detectarea sticlei transparente.

Sensibilitatea senzorului, de detectare a sticlei transparente, constă în penetrarea superficială a fasciculului luminos pe suprafața sticlei. [13]

Fig. 3.2.1.1.1 Senzor retro-reflex pentru detectarea sticlei transparente. [7]

3.2.1.2 Senzori retro-reflexivi cu suprimare de plan.

Această categorie de senzori, ignoră semnalele recepționate de la reflectori sau oglinzi, care sunt aproape de ei decât raza de recepționat de detectare minimă prestabilită.[13]

Fig. 3.2.1.1.2 Aplicație a unui senzor retro-reflexiv cu suprimare de plan. [7]

Senzori optici de tip barieră (de siguranță).

Acest tip de senzori, au o particularitate, deoarece emițătorul și receptorul sunt două echipamente diferite. Acestea trebuie aliniate în așa fel încât la receptor să ajungă fasciculul de lumină transmis de emițător.

Sunt des utilizați pentru monitorizarea: liniilor de producție, benzilor transportoare, ușilor de protecție, zonelor periculoase, etc.[13]

Fig. 3.2.2.1 Utilizare senzori tip barieră. [7]

Senzori optici de tip furcă.

Senzorii optici de tip furcă, au forrmă de „U”, pe o latură se află emițătorul iar pe cealaltă receptorul. Față de senzorii tip barieră, au avantajul, că nu mai este nevoie de alinierea emițătorului cu receptorul.[13]

Fig. 3.2.3.1 Aplicație cu senzor tip furcă. [7]

Senzori optici de contrast -detecție tipărire.

Senzorii de contrast funcționează ca un analizor/comparator de nuanțe. Culoarea luminii transmise trebuie să fie astfel încât să se obțină contrastul maxim. Emițătorul și receptorul sunt amplasați pe un singur ax optic.[13]

Fig. 3.2.4.1 Senzor de contrast. [7]

Senzor de culoare.

Acest senzor, funcționează, prin descompunerea luminii reflectate de pe obiectul detectat, într-un spectru de culoare, și retrimite o anumită valoare a intensității pentru fiecare culoare din spectrul analizat. Radiația luminoasă de emisie a senzorului este de culoare albă.[13]

Fig. 3.2.5.1 Utilizare senzor de culoare. [7]

Senzori optici cu fibră optică.

Categoria acesta de senzori, au particularitatea, că semnalul luminos de la emițător nu mai este transmis prin aer, ca la celelalte tipuri de senzori, ci prin fibră optică, deci și emițătorul și receptorul sunt conectați la o fibră optică. Desigur emițătorul și receptorul fiind în aceiași carcasă.

Acești senzori au avantajul că pot fi montați la o distanță mai mare de locul de utilizare, pot fi utilizați acolo unde spațiul nu permite, montându-se doar terminațiile fibrei optice.

Fig. 3.2.6.1 Aplicație senzor cu fibră optică. [7]

Trebuie precizat faptul că fibra optică este de două tipuri:

Fibră optică de plastic –este realizată dintr-un singur fir de fibră de PVC, având avantajul unui nivel crescut de flexibilitate, greutate redusă, este utilizată la părțile mobile ale roboților și mașinilor;

Fibră optică de sticlă –este realizată din mai multe fibre de sticlă cu diametru de 50um, acestea fiind învelite într-un înveliș metalic și unul siliconic, pot fi utilizate în zone cu temperaturi de 400 de grade Celsius, în medii acide, medii toxice, etc.[13]

Senzorul fotoelectronic pentru măsurarea distanței –OY1P303P0102.

Descriere generală.

Senzorul este un senzor optoelectronic ce folosește tehnologia numită “Transit time” (denumire folosită commercial, denumirea știițifică fiind “time of flight”), pentru a măsura distanța de la obstacol până la senzor.

Senzorul măsoară timpul necesar luminii, să ajungă la obstacol și să se întoarcă, știind că viteza luminii este o constantă, care se poate calcula, distanța până la obstacol se poate obține cu formula:

(4.1.1)

Unde:

d = distanța (în cazul nostru distanța până la obstacol);

v = viteza (în cazul nostru viteza luminii, aprox. 300000km/s);

t = timp (în cazul nostru timpul necesar luminii să ajungă până la obstacol și înapoi);

Împărțirea cu 2 rezultă din faptul că lumina parcurge distața până la obstacol și înapoi iar, pe noi ne interesează doar distanța până la obstacol. [13]

Schema bloc a senzorului OY1P303P0102.

Fig. 4.2.1 Schema bloc a senzorului OY1P303P0102. [13]

Rolul și modul de funcționare a componentelor din schema bloc.

Etajul de emisie:

Etajul de emisie are rolul de a emite (genera) fasciculul luminos folosit la măsurarea distanței. Emisia luminii este realizată de o diodă LASER, care emite pe o lungime de unda de 655nm (lumina rosie) și o putere de 300uW.

Semnalul aplicat diodei LASER provine de la un CPLD (Complex Programable Logic Array) și este amplificat în curent de către un tranzistor MOSFET.

Reglajul intensitatii emisiei LASER este asigurat de un rezistor semivariabil ce are rolul de a polariza tranzistorul MOSFET în funcție de intensitatea luminoasă necesară pentru ca senzorul să funcționeze corect.

Această radiație de emisie, este concentrată într-un spot cu diametrul de 5mm la o distanță de 3m, lucru realizat de partea optică a senzorului, format dintr-o lentilă colimator. [13]

Dioda de emisie –dioda LASER.

Date tehnice generale:

Utilizarea diodelor laser, devine din ce în ce mai atractivă într-o gamă largă de aplicații. Ca și construcție sunt de gabarit mic, având spectrul de emisie în cele mai multe cazuri în roșu și aproape de infraroșu ca lumgime de undă.

Alimentarea lor se face cu tensiune continuă, poate fi alimentată chiar de la o baterie mică. Această tensiune poate fi modulată direct sau modulată în pulsuri. Diodele laser au razele de emisie divergente, de aceea de cele mai multe ori se încorporează dioda propriu-zisă, într-un modul care include o parte optică pentru concentrarea razelor într-un punct și partea de protecție electrică.

Diodele laser sunt foarte sensibile la decărcările electrostatice (ESD).

Cele mai multe diode laser fucționează pe principiul razelor radiante, aceste raze au secțiuni transversale eliptice, ceea ce duce la asocierea cu un astigmatism. Această deformare nu este utilă în aplicații de aceea, rayele emise trebuie focalizate într-un punct. [13]

Optica diodei LASER.

Lumina emisă de o diodă laser, lumina este produsă de un flux de curent electric, creat în jurul unui semiconductor cu o parte activă cu o grosime de 1μm, lătime de 3μm și o lugime de 100 μm.

Raza laser este emisă de unul dintre fațetele în planul xy de la marginea stratului activ și este propagată pe direcția z, după cum se poate vedea în figura de mai jos.

Fig.4.2.2 Secțiune a zonei active a diodei laser. [13]

Deoarece radiația laser creată în interiorul stratului activ, transferată în semiconductor, ieșirea laserului de pe stratul activ este o fațetă emițătoare mai mare decât dimensiunea stratului activ cu o formă eliptică a secțiunii transversale.

Trunchierea razei prin colimator.

Deoarece radiația de emisie este divergentă, dioda are o lentilă colimator, care se află lângă fereastra diodei (zona de emisie). Acest colimator poate fi, o lentilă convexă simplă sau un grup de lentile sferice.

Fasciculul de radiație are o lățimemare pe direcția x și o lățime mai mică pe direcția y, conform teoriei optice a lui Gauss. Principiul trunchierii se poate vedea în figura următoare (fig. 4.2.3).

Fig. 4.2.3 Principiul trunchierii. [13]

Transmisia razei prin vizorul diodei.

O deschidere/ vizor circulară este folosită după lentila colimatoare pentru a trunchia fasciculul de secțiune eliptică, într-o rază de formă circulară. Acest lucru se poate vedea în figura de mai jos, fig.4.2.4 .

Fig. 4.2.4 Profilul intensității câmpului unei raze colimatate. [15]

Pentru o deschidere circulară de diametru „a” având raportul dintre intensitatea fascicului în direcția x și direcția y, fiind aproximativ 2, și deschizătura mai mică, raportul dintre intensitate și raza circulară vizibilă fiind aroximativ 1. Cu toate acestea o deschidere circulară mică și câmpul de difracție format din inelele de difracție, duce la pierderea de putere de emisie de pâna la 80%. Conturul fasciculului după diafragmă este eliptic după cum se vede în figura 4.2.5 , fasciculul având formă astigmatică. Forma fascicului va deveni eliptică, formând imaginea din zona câmpului de depărtare, ceea ce va fi banda de emisie a fasciculului. [15]

Fig. 4.2.5 Transmisia razei eliptice cu deschidere circulară. [15]

Etajul de recepție:

Este construit pe baza unei diode receptoare MPPC (Multi-Pixel Photon Counter), ce are rolul de a recepționa semnalul reflectat de către obstacolul până la care dorim să măsurăm distanța.

Dioda MPPC, este conectata la intrarea unui MOSFET în conexiune de repetor pe sursa ce asigură adaptarea de impedață, dintre dioda MPPC și etajele următoare precum și o amplificare preliminară a semnalului recepționat de aceasta.

După etajul de amplificare cu tranzistor MOSFET urmează două etaje de amplificare realizate în jurul amplificatorului operational MAX2611, ce are rolul de a amplifica semnalul la un nivel la care poate fi perceput de către CPLD.

Factorul de amplificare ale acestor două operaționale este controlat de către CPLD, asigurând nivelul optim de semnal pentru intrarea acestuia.

Tot din etajul receptor mai face parte un al trei-lea MAX2611 ce are rolul de a amplifica semnalul chiar în apropierea intrării CPLD-ului pentru a se evita parazitarea semnalului de către surse externe. [13]

Date generale a diodei receptoare MPPC:

Fig. 4.2.6 Simbolul diodei MPPC. [13]

Pixelii de pe suprafața receptoare a diodei sunt conectați în parallel, după cum se vede în figura de mai jos.

Fig. 4.2.7 Modul de conexiune al pixelilor. [13]

Fig. 4.2.8 Capacitatea de recepție a MPPC în funcție de lungimea de undă a radiației recepționate. [13]

Suprafața receptoare a diodei MPPC, are o dimensiune de 3 x 3mm.

Fig. 4.2.9 Suprafața receptoare a diodei MPPC. [13]

CPLD –ul (Complex Programable Logic Array).

CPLD-ul (Complex Progamable Logic Array) are rolul de a efectua calculele și acțiunile de mare viteză necesare funcționării senzorului, cum ar fi :

Generarea trenurilor de impulsuri pentru dioda LASER;

Măsurarea feedback-ului de la dioda LASER (pentru a asigura o emisie uniformă);

Recepționarea semnalului de la etajul receptor;

Reglarea tensiunii de polarizare și a amplificării etajului receptor, pentru a asigura un semnal optim la intrare;

Calculul timpului dintre emisie și recepție;

Transferul rezultatului de la punctul precedent către microcomtroller. [13]

Microcontroller –ul.

Microcontrollerul are rolul de a gestiona toate funcțiile necesare funcționării senzorului.

Comunicarea cu CPLD-ul pentru a recepționa valoarea distanței determinată de acesta;

Aplicarea factorilor de corecție și liniarizare asupra informației provenite de la CPLD;

Afișarea pe display a informațiilor necesare;

Asigurarea comunicării dintre senzor și PC;

Citirea stării butoanelor de pe panoul de comandă/ control;

Comunicarea cu etajul I/O în vederea actionării uneia sau mai multor ieșiri în funcție de configurațiile utilizatorului;

Controlul ieșirii analogice;

uC-ul este un LPC2138, realizat de firma NXP, și are la bază un core ARM7 pe 32bit. [13]

Fig. 4.2.10 Reprezentarea capsulei SOT a uC-ului. [13]

Fig. 4.2.11 Diagrama bloc a CPLD-ului. [13]

Panoul de control.

Etajul constă într-un display OLED, ce are rolul de a afișa informațiile necesare utilizatorului pentru a putea seta și folosi senzorul, și 3 push-butoane pentru a-i permite utilizatorului acces la setările și funcțiile senzorului din meniul de utilizare al acestuia. [13]

Etajul I/O.

Etajul I/O asigură utilizatorului două ieșiri digitale de 200mA.

Etajul are rolul de a asigura protecția ieșirilor (la suprecurent, supratensiune, decărcări ESD, etc), starea ieșirilor fiind comandate de către uC. [13]

Etajul de ieșire analogică.

Are rolul de a genera un curent în gama 4 – 20mA sau o tensiune în gama 0 – 10V, direct proporționale cu distanța până la obiect.

Etajul este comandat de către uC, care are posibilitatea stabilirii limitelor mărimilor de ieșire, după nevoile utilizatorului. [13]

Etajul de comunicație.

Asigură conexiunea cu un PC fie prin standardul RS232, fie prin standardul IOLink.

Prin această comunicație utilizatorul poate conecta senzorul la un PC pentru a-i face setările necesare, precum și pentru a automatiza un proces cu ajutorul calculatorului, senzorul fiind capabil să trimită toți parametrii de funcționare (distanța, starea iesirilor, tensiunea analogică, etc). [13]

PSU (Power Supply Unit) -sursa de alimentare.

Are rolul de a asigura alimentarea cu tensiunile necesare tuturor etajelor din circuit precum și de a proteja etajele de eventuale perturbații ce pot apărea în timpul funcționării pe pinii de alimentare ai senzorului.

Etajul este compus din mai multe stabilizatoare liniare și în comutație, ce asigură uramatoarele nivele de tensiuni:

3.3V pentru CPLD, uC și panoul de control;

6V pentru etajul de emisie și cel de recepție;

15V pentru etajul de ieșire analogică;

12V pentru display-ul OLED;

90V pentru polarizarea diodei MPPC. [13].

Notă:

Din motive de confidențialitate a firmei producătoare a senzorului OY1P303P0102, descris în lucrare, nu se pot expune mai multe date tehnice de funcționare și componență amănunțită a schemei electronice.

Concluzii.

Lucrarea prezentată, urmărește prezentarea generală a senzorilor, modul de funcționare și

domeniile de aplicație în care se pot utiliza. După cum se observă, desigur domeniul de aplicație a senzorilor cuprinde o gamă largă de utilizare: mecatronică, roboți industriali, automatizări, medicină, etc.

Dacă ne gândim mai bine chiar domeniile de microelectronică, la nivel de microcip, toate automatele, sculele folosite pentru realizarea: unor cipuri, microcircuite sau plantări de piese SMD pe PCB-uri, toate aceste procese sunt analizate și coordonate de senzori inteligenți, fără de care un operator uman ar avea un randament și calitate scăzute.

Tehnologiile de actualitate sunt tot mai complexe, senzorii inteligenți fiind nelipsiți. De exemplu la un autoturism există o serie de senzori de supraveghere și funcționare: senzor ABS, pentru poziția axului cu came, senzor de ploaie, senzor de parcare, senzor debit de aer, de temperatură, etc. Desigur senzorii se găsesc în domeniul calculatoarelor, telefoniei mobile, aparate electrocasnice și multe alte domenii. Deci tot ce ne înconjoară ca și tehnologie are la bază senzori inteligenți.

Pe parcursul lucrării, s-a exemplificat tipurile de senzori și principiul de funcționare, la senzori ce se găsesc la ora actuală. Tendința dezvoltării tehnologiei duce în viitorul apropiat, la realizarea unor senzori inteligenți de dimensiuni foarte mici, (de exemplu, un senzor inductiv dezvoltat recent, are ca și componente un micocontroler și două-trei condensatoare și rezistențe). Ținta este ocuparea unui spațiu cât mai mic și să aibă un consum de energie cât mai redus și returnarea unor date foarte precise, într-un timp de ordinul us.

În zona senzorilor optici, perspectivele de dezvoltare se axează pe folosirea tehnologiei Pulse Ranging Time (PRT), care constă într-o sursă de lumină puternică, care emite pulsuri scurte de energie foarte mare, care sunt reflectate de către obiectul țintă la un receptor sensibil la radiație luminoasă, toate acestea realizându-se într-un timp foarte scurt, echivalent cu viteza de propagare a luminii. Acest lucru poate fi realizat de senzorul prezentat: OY1P303P0102, care poate face măsurători până la un obiect, într-un timp foarte scurt și cu precizie mare de la 50mm până la 3000mm.

Deci în lucrare s-a prezentat la modul general senzorii și domeniile de utilizare, punând accent în partea a doua, unde s-a prezentat modul de funcționare, schema bloc, modul de asamblare a senzorului optoelectronic OY1P303P0102, care este produs de firma Wenglor, Sibiu.

BIBLIOGRAFIE:

Pantelimon B., Iliescu C.- Senzori și traductoare, Editura Tritonic, București, 2000.

Gabriel I., Radu D., Ion M., Radu V.- Traductoare pentru automatizări industriale

Vol. I, Ed. Tehnică, București, 1985.

3. Alimpie Ignea- Măsurarea electrică a mărimilor neelectrice, Ed. de Vest, Timișoara,

1996.

4. Ionescu G., Sgârciu V., Moțit H., Stamate C. –Traductoare pentru automatizări

Industriale, Vol. 2, Ed. Tehnică, București, 1996.

5.www.Sisteme inteligente de măsurare.doc

Dumitrescu, St. –Tehnica Măsurării, Ed. Univers, Ploiești, 2000.

www.wenglor.de

Bogdan M. –Analiza și Prelucrarea Numerică a Sistemelor Electroenergetice,

Ed. Mediamira, Cluj –Napoca, 2000.

Tărăboanță F. –Mecatronică Generală, Ed. Gh. Asachi, Iași, 2002.

Dolga V., – Senzori și Traductoare, Ed. Eurobit, Timișoara, 1999.

www.mikroelectonika.co.yu

www.wikipedia.com

Cursuri, date studiate și autodobândite prin practică în cadrul firmei Wenglor.

Căruntu G. –Măsurări, senzori și traductoare, Ed. Muntenia & Leda, Constanța, 2002.

Ciocârlea A. –Senzori și traductoare, Ed. CD PRESS, 2006.

Dumitriu A, Morar A. –Mecatronică. Îndrumar de Proiectare, Univ. Petru Maior,

Târgu-Mureș, 2003.

Anexe:

Anexa 1: Date de catalog ale senzorului OY1P303P0102. [7]

Anexa 2: Date tehnice de utilizare a senzorului. [7]

Anexa 3: Meniul de utilizare. [7]

Anexa 4: Ghid utilizare.

Anexa 5: Modul de echipare/ montaj al senzorului. [13]

Echiparea carcasei senzorului.

În acestă poză este reprezentat modul de fixare a lentilei colimator, care focalizează raza LASER.

Figura de mai jos redă montarea unui con, pentru receptor (zona de recepție).

În această etapă se montează o lentilă de polarizare pentru semnalul de recepție.

În figura de mai jos se arată, montajul unui geam de protecție pentru partea de emisie/ recepție.

În acestă etapă se montează pe carcasă un panou de protecție a afișajului cu cele 3 butoane pentru navigarea meniului.

Introducerea componentelor senzorului în carcasă. [13]

După echiparea la exterior a carcasei, urmează montarea la interior a componentelor, în figura de mai jos, introducerea diodei LASER, în tubul de fixare.

Urmează montarea unui filtru polarizat pentru recepție în locul unde se va introduce dioda receptoare MPPC.

Introducerea modului de recepție, echipat cu dioda MPPC.

Montarea pe carcasă a unui ștecher de conectare a senzorului.

Lipirea firelor ștecherului pe padurile PCB-ului.

Introducerea unei folii de ecranaj în interiorul carcasei.

Montarea celor două PCB-uri în carcasă și a displayu-lui.

În această etapă se reglează puterea laser cu ajutorul unui aparat de măsură specializat, după care se analizează mărimea spectrului spotului.

Apoi se vor monta cele două capace pentru închiderea carcasei.

Toate componentele din material plastic sunt lipite între ele cu sudură LASER.

După aceste etape se face un test de etanșeitate a carcasei senzorului, după care senzorul va fi testat pe un automat specializat, unde vor fi testași parametrii electrici și optici.

În final senzorul se etichetează, se ambalează într-o cutie cu accesoriile și ghidul de utilizare specifice. [13]

BIBLIOGRAFIE:

Pantelimon B., Iliescu C.- Senzori și traductoare, Editura Tritonic, București, 2000.

Gabriel I., Radu D., Ion M., Radu V.- Traductoare pentru automatizări industriale

Vol. I, Ed. Tehnică, București, 1985.

3. Alimpie Ignea- Măsurarea electrică a mărimilor neelectrice, Ed. de Vest, Timișoara,

1996.

4. Ionescu G., Sgârciu V., Moțit H., Stamate C. –Traductoare pentru automatizări

Industriale, Vol. 2, Ed. Tehnică, București, 1996.

5.www.Sisteme inteligente de măsurare.doc

Dumitrescu, St. –Tehnica Măsurării, Ed. Univers, Ploiești, 2000.

www.wenglor.de

Bogdan M. –Analiza și Prelucrarea Numerică a Sistemelor Electroenergetice,

Ed. Mediamira, Cluj –Napoca, 2000.

Tărăboanță F. –Mecatronică Generală, Ed. Gh. Asachi, Iași, 2002.

Dolga V., – Senzori și Traductoare, Ed. Eurobit, Timișoara, 1999.

www.mikroelectonika.co.yu

www.wikipedia.com

Cursuri, date studiate și autodobândite prin practică în cadrul firmei Wenglor.

Căruntu G. –Măsurări, senzori și traductoare, Ed. Muntenia & Leda, Constanța, 2002.

Ciocârlea A. –Senzori și traductoare, Ed. CD PRESS, 2006.

Dumitriu A, Morar A. –Mecatronică. Îndrumar de Proiectare, Univ. Petru Maior,

Târgu-Mureș, 2003.

Anexe:

Anexa 1: Date de catalog ale senzorului OY1P303P0102. [7]

Anexa 2: Date tehnice de utilizare a senzorului. [7]

Anexa 3: Meniul de utilizare. [7]

Anexa 4: Ghid utilizare.

Anexa 5: Modul de echipare/ montaj al senzorului. [13]

Echiparea carcasei senzorului.

În acestă poză este reprezentat modul de fixare a lentilei colimator, care focalizează raza LASER.

Figura de mai jos redă montarea unui con, pentru receptor (zona de recepție).

În această etapă se montează o lentilă de polarizare pentru semnalul de recepție.

În figura de mai jos se arată, montajul unui geam de protecție pentru partea de emisie/ recepție.

În acestă etapă se montează pe carcasă un panou de protecție a afișajului cu cele 3 butoane pentru navigarea meniului.

Introducerea componentelor senzorului în carcasă. [13]

După echiparea la exterior a carcasei, urmează montarea la interior a componentelor, în figura de mai jos, introducerea diodei LASER, în tubul de fixare.

Urmează montarea unui filtru polarizat pentru recepție în locul unde se va introduce dioda receptoare MPPC.

Introducerea modului de recepție, echipat cu dioda MPPC.

Montarea pe carcasă a unui ștecher de conectare a senzorului.

Lipirea firelor ștecherului pe padurile PCB-ului.

Introducerea unei folii de ecranaj în interiorul carcasei.

Montarea celor două PCB-uri în carcasă și a displayu-lui.

În această etapă se reglează puterea laser cu ajutorul unui aparat de măsură specializat, după care se analizează mărimea spectrului spotului.

Apoi se vor monta cele două capace pentru închiderea carcasei.

Toate componentele din material plastic sunt lipite între ele cu sudură LASER.

După aceste etape se face un test de etanșeitate a carcasei senzorului, după care senzorul va fi testat pe un automat specializat, unde vor fi testași parametrii electrici și optici.

În final senzorul se etichetează, se ambalează într-o cutie cu accesoriile și ghidul de utilizare specifice. [13]