Capitolul I.Senzori

Capitolul I.Senzori

Termenul de senzor a aparut pentru prima dată undeva la sfârșitul 70 odată cu dezvoltarea microelectronicii alături de alți termeni cum ar fi microcontroller,microprocesor,etc.

Ce este un senzor defapt?Trebuie spus ca senzorul nu are o denfinitie concreta.Cuvantul senzor provine din latinescul “sensus” care inseamna simt.O definitie ar putea fi ca senzorii sunt dispozitive care detecteaza marimea de masurat aplicata la intrarea lor intr-un semanl purtator de informatie de obicei electric care sa poata fi usor citit de sistemul automat sau de operatorul uman.

Fig 1.1 Schema de principiu a unui senzor

Necesitatea utilizarii senzorilor a aparut datorita faptului ca sistemele automate au nevoie de folosirea unor componente capabile de a primi si transmite informatii despre procesul aflat in executie.

Fig.1.2 Structuri ale sistemelor senzoriale

Caracteristici senzori

Caracteristicile senzorilor pot fi date de urmatorii parametrii:

-domeniul de utilizare

-sensibilitatea

-selectivitatea

-acuratetea

-dimensiunile si masa

-conditii de mediu,temperatura de operare,durata de viata

-stabilitatea pe termen lung

-costul

1.Sensibilitatea.Ea poate fi definita ca fiind schimbarea marimii de iesire in functie de schimbarea marimii de intrare.

2.Domeniul.Este definit ca fiind plaja de valori in care poate lucra senzorul si unde este precizata valoarea minima si valoarea maxima.

3.Precizia.Poate fi descrisa astfel:

Daca au fost masurate aceleasi valori de mai multe ori,atunci senzorul ideal va scoate aceleasi valori de fiecare data.

4.Rezolutia.Este cea care reprezinta cea mai mica variatia a marimii de intrare care poate fi detectata de senzor.

5.Eroarea.Este diferenta dintre valoarea masurata data de senzor si valoarea reala.

6.Acuratetea.Este data de un numar cat mai mic de erori

7.Off-setul.Este eroarea care este definita ca valorea iesirii care exista atunci cand ea ar trebui sa fie zero.

8.Liniaritatea.Este proprietea senzorilor care dau ca marime de iesire o marime care depinde liniar de marimea de intrare

9.Histerezis.Proprietatea conform careia senzorul trebuie sa urmareasca schimbarile parametrilor de intrare indiferent din ce directie este facuta schimbare este numita histerezis.

10.Timpul de raspuns.El poate fi definit ca timpul necesar senzorului pentru a furniza marimea de iesire.

Clasificare senzori

In prezent exista senzori pentru mai mult de 100 de marimi fizice,iar se iau in calcul si senzorii pentru substantele chimice numarul lor ajunge la ordinul sutelor.

Exista foarte multe criterii dupa care pot fi clasificati senzorii datorita diversitatii principiilor de conversie marimilor fizice in marimi electrice.

In functie de tehnologia folosita la realizarea lor senzorii pot fi clasificati astfel:

-tehnologii materiale feromagnetice

-tehnologii materiale piezo-ceramice

-tehnologii ale microelectronicii si microsistemelor

-tehnologii pentru materiale sinterizate

-tehnologii ale foliilor etc.

In functie de tipul marimii fizice de intrare:

-absoluti,cand semnalul de la iesire poate reprezenta toate valorile posibile ale marimi fizice aplicate la intrare raportate la o referinta aleasa

-incrementali,cand nu poate fi aleasa o referinta pentru toate punctele domeniului de masurare

In functie de tipul marimii de iesire senzorii pot fi clasificati astfel:

-senzori analogici

-senzori digitali

In functie de domeniul unde sunt utilizati:

-in robotica

-in protectia mediului

-in transpoturi

-in automatizarea cladirilor,locuintelor

Daca intra in contact cu obiectul a carei proprietate o masoara senzorii pot fi clasificati astfel:

-senzori cu contact

-senzori fara contact

Dupa proprietatile care sunt puse in evidenta pot fi clasificati astfel:

-senzori pentru determinarea formelor si dimensiunilor

-senzori pentru determinarea proprietatilor fizice(forta,presiune,nivel,cuplu,etc.)

-senzori pentru proprietati chimice

Dupa mediul de unde sunt culese informatiile:

-senzori externi

-senzori interni

Dupa aceste clasificari senzorii pot fi:

-ascutici

-mecanici

-magnetici

-termici

-pentru radiatii

-chimici

-bioelectrici(care preiau semnalele electrice generate de corpul uman)

-inteligenti

-virtuali

Tipuri de senzori

Senzori pentru masurarea temperaturii

Termocuplul.Are la baza efectul termoelectric.Efectul termoelectric apare atunci cand la atingerea a doua metale cu proprietati electrice diferite apare o diferenta de potential numita direfenta de potential de contact.

Fig 1.3 Schema de principiu a unui termocuplu

Termocuplul este compus din 2 fire metalice diferite (termoelectrozi) sudate la capatul numerotat cu 1 care poarta numele de sudura calda.Capetele 2 si 3 care mai poarta numele si de capete libere se leaga prin conductoarele de legatura la aparatul electric pentru masurarea fortei termoelectromotoare.Legaturile celor 2 capete poare numele de suduri reci iar termperatura lor trebuie mentinuta la o valoare constanta.

Termistorul.Termistoarele sunt rezistoare ale caror rezistente sunt dependente de temperatura.Sunt realizate din materiale semiconductoare deoarece rezistenta se schimba semnificativ in comparatie cu o modificare mica a temperaturii.

Termistorii pot fi clasificati astfel:

-termistor cu coeficient de temperatura negativ unde rezistenta scade odata cu cresterea temperaturii

-termistor cu coeficient de temperatura pozitiv unde rezistenta creste odata cu temperatura

Pentru termistoarele cu coeficient negativ se folosesc oxizi din grupa fierului iar pentru cei din cu coeficient pozitiv se foloseste titanat de bariu sau solutie solida din titanatde bariu si titanat de strontiu.

Pirometrul. Principiul de funcționare constă în măsurarea temperaturii prin transformarea energiei radiante în energie electrică prin diverse metode fără contact.

Acest tip de senzori este utilizat la masurarea temperaturilor foarte mari deoarece nu necesita contactul.

Pirometrul este utilizat pentru a masura temperatura corpurilor solide si gazelor luminoase calde bazat pe proprietatea lor de a emite radiatii in domeniul vizibil si infrarosu.

Senzori pentru masurarea fortei

De obicei fortele pot fi masurate cu orice senzor de deplasare daca ii este atasat un element elastic in serie cu forta care este masurata.

Senzorii de forta tensiometrici rezistivi sunt formati dintr-un fir conductor subtire lipit pe un material izolant.Senzorul trebuie montat pe un suport elastic care este deformat sub actiunea fortei determinand o modificare a lungimii conductorului si o modificare a rezistentei electrice.

Senzori pentru masurarea presiunii

Senzori piezoelectrici.Efectul este prezent la aparitia unor sarcini electrice pe fata unor anumite cristale(cuart,SiO2 cristalin) supuse solicitarilor mecanice(presiune in cazul de fata)

La efectul piezoelectric direct aplicarea unei tensiuni mecanice conduce la redistribuirea sarcinilor electrice in volum determinand o polarizare electrica volumica si o sarcina electrica indusa pe suprafata.

Efectul invers este produs prin aplicarea unui camp electric cristalului,avand ca rezultat deformarea lui sau aparitia unei forte.

Senzori pentru gaze

Senzorii pentru gaze au o importanta foarte mare.Ei sunt folositi la semnalarea,evaluarea,prezenta unor gaze.Materialele pe baza carora sunt realizitati sunt materiale oxidice datorita rezistentei lor chimice si domeniul de temperatura ridicat la care pot fi utilizati.

Fig.1.4 Materialele utilizate in realizarea senzorilor pentru gaz

De obicei senzorii pentru gaz sunt formati din:

-doua terminale pentru rezistenta de incalzire

-doua terminale de la filmul semiconductor

-capsula poroasa pentru protectia mecanica a senzorului lasand gazul sa treaca spre el

Fig 1.5 Structura interna a senzorului seminconductor(SnO2) pentru gaze

La unele modele capsula protectoare este realizata dintr-un material plastic neimflamabil,accesul la gaz realizandu-se printr-o fanta in partea superioara acoperita de o plasa de otel pentru a preveni aprinderea gazului.

Senzori pentru masurarea turatiei

Senzorii prin care se poate realiza masurarea turatiei pe cale electrica sunt urmatorii:

tahometrul cu curenți turbionari,

tahogeneratorul,

tahometre cu impulsuri,

stroposcopul de turații,

giroscopul cu fibră optică si laser.

Tahogenratorul cu curenti turbionari.

Fig 1.6 Schema de principiu a tahogeneratorului cu curenti turbionari

Tahogeneratorul cu curenti turbionari este folosit pentru masurare turatiei cu valori cuprinse intre 20 si 10.000 rotatii pe minut.Este construit dintr-un dispozitiv mobil format din unul sau doi magneti care se pot roti in interiorul unui tambur de cupru sau aluminiu.Tamburul este solitar cu un ac indicator ce se poate roti intre doua paliere fiind insa mentinut in pozitia initiala datorita unui arc spiral.

Tahogeneratoarele.Pot fi definite ca fiind senzori de turatie si microgeneratoare de tensiuni proportionale cu viteza arborelui la care sunt cuplate.Sunt de 2 feluri:

-de curent alternativ

-de curent continuu

Stroboscopul.Este senzorul cu ajutorul caruia se poate masura turatia fara contactul mecanic cu obiectul aflat in rotatie.Aceasta metoda permite masurarea celor mai mici turatii intalnite in tehnica.

Tahometrul de impulsuri.Este realizat pe baza senzorului digital electromagnetic pentru viteza unghiulara.Solitar cu axul a carei viteza unghilare se masoara se afla o roata dintata din material feromagnetic. Un magnet permanent situat în interiorul unei bobine se termină cu un capăt din material feromagnetic care se află la o foarte mică distanță de periferia dinților. Când un dinte se aproprie sau se depărtează de magnet, variază lungimea întrefierului, deci reluctanța circuitului magnetic, ceea ce conduce la o variație a fluxului si la generarea unui impuls în bobină. Pentru obținerea vitezei unghiulare se poate măsura intervalul de timp dintre două impulsuri sau numărul de impulsuri pentru un anumit interval.

Fig 1.6 Schema de principiu a unui senzor electromagnetic de viteza

1-bobina

2-magnet permanent

3-roata dintata

Senzori pentru deplasari liniare sau unghiulare

Senzorii utilizati la masurarea deplasarii liniare pot masura deplasari de la cativa microni la cativa metri iar cei pentru deplasari unghiulare pot masura deplasari pana la 360.

Pentru a putea fi realizata conversia deplasarii intr-o marime electrica sunt utilizati senzori rezistivi,capacitivi,optici,inductivi,digitali.

Senzori rezistivi.La care rezistenta se modifica datorita unui cursor ce se deplaseaza sub actiunea marimii de masurat,deplasare fiind liniare sau circulara.Din deplasarea cursorului rezulta o modificare a lungimii l din senzor.

Fig 1.7 Senzori rezistivi

Senzori capacitivi

Fig 1.8 Senzor capacitiv de deplasare liniara

Senzorii capacitivi pentru masurarea deplasarii liniare sau unghiulare au la baza modificarea ariei de suprapunere a electrozilor.Ei sunt construiti din 2 senzori capacitivi cu un electrod comun. capacitive de deplasare unghiulară sunt construite din doi senzori capacitivi cu un electrod comun. Cei trei electrozi sunt formați din plăci de formă dreptunghiulară cu laturile de ordinul cuprins intre 20 si 30 mm și grosime cuprinsa intre 1 si 2 mm. Electrozii inferiori sunt ficși și separați cu o mică distanță (1 mm)

Electrodul superior(electrodul comun) se poate deplasa paralel cu cei ficsi.

Senzori iductivi.Au la baza variatia inductantei unei bobine alimentate in curent alternativ.Modificarea inductantei are loc atunci cand miezul bobinei sau o parte din miez se deplaseaza in circuitul magnetic.

Clasificare senzori inductivi de deplasare:

-senzori inductivi la care este influentata o singura inductivitate

-senzori inductivi la care sunt influentate doua inductivitati

-senzori inductivi la care sunt influentate inductivitati mutuale

Fig 1.9 Circuit magnetic

Senzorul este utilizat la deplasari medii si mari cuprinse intre 0-100 mm si 0-2000 mm.

Senzori de proximitate

Termenul de proximitate se refera la gradul de apropiere dintre doua obiecte,unul din ele reprezentand sistemul de referinta.

Senzorii de proximitate sunt unii din cei mai simplii senzori,au o utilizare universala si pot realiza o multime de functii cum ar fi:

-sesizeaza apropierea obiectelor in zona de lucru a masinilor,sesizeaza aparitia oamenilor in zona de control sau paza

-asigura pozitionarea liniara sau unghiulara a obiectelor

-asigura numararea obiectelor la deplasarea lor pe banda

-controlul ruperii benzilor sau conductoarelor

-control si masurarea nivelului unui lichid sau unui material solid

-controlul si masurarea distantei pana la obiect

-controlul numarului de foi intr-un strat sau numararea banilor

Etc.

La functiile la care nu este necesar contactul direct senzorii de proximitate au o constructie compacta cu gabarite si mase minime deoarece sunt realizate cu elemente microelectronice.

Dupa principiul fizic de functionare senzorii de proximitate pot fi clasificati astfel:

-senzori inductivi

-senzori capacitivi

-senzori optici

-senzori cu ultrasunete

Senzori inductivi

Ei sunt cei mai raspinditi senzori de proximitate deoarece sunt simpli,fiabili,cu un pret de achizitie scazut si se gasesc intr-o mare varietate de dimensiuni.

Fig 1.10 Senzor de proximitate inductiv

Elementul activ al senzorului este un sistem format dintr-o bobina care se obtine din infasurarea a N spire pe un miez si un miez de ferita.Obiectul la care este semnalata prezenta trebuie sa fie metalic.Marimea de iesire poate sa fie analogica sau statica.

Principalul parametru al senzorilor de proximitate inductivi il reprezinta distanta de control sau activa a obiectelor metalice care pot fi depistate.Cu cat distanta activa este mai mica cu atat si gabaritul senzorilor este mai mic.

Senzori capacitivi

Senzorii de acest tip pot reprezenta o varianta alternativa pentru senzori inductivi deoarece pot detecta atat obiecte metalice cat si dielectrice sub diferite forme si stari adica lichide,solide si chiar si praf,in principal ei fiind universali.De asemenea ei pot inregistra prezenta si nivelul mai multor substante sau materiale conductoare de curent electric cum ar fi apa,ulei,carton,sticla,mase plastice,ciment,zahar,faina si multe alte substante.

Fig 1.11 Componenta si principiul de functionare al senzorilor capacitivi

Se utilizeaza un oscilator rezonant LC de frecventa inalta,la care variaza capacitatea condesatorului circuitului.,iar campul electromagnetic se reprezinta ca un camp electrostatic dintre armaturile unui condensator.

Distanta de actionare a senzorilor capacitivi pentru obiectele metalice este de 5,10 sau 20 de mm.

Senzori optici

Ei sunt formati de obicei dintr-un emitator de lumina si un receptor,iar obiectul care urmeaza sa fie detectat intrerupe fasciculul de lumina dintre emitator si receptor.

Fig 1.12 Schema de principiu a unui senzor optic

Senzor de proximitate cu ultrasunete

Se bazeza pe emiterea unor unde sonore de inalta frecventa(60-400 kHz) si receptarea timpului intoarcerii acestor unde reflectate de obiect.Timpul depinde de frecventa undelor si de distanta pana la obiect.Astfel daca se cunoaste viteza undelor si se masoara timpul dus-intors al undelor se poate calcula distanta pana la obiect.

Ca avantaj este posibilitate de a masura si controla pe distante mari.

Dezavantajul este ca precizia depinde de temperatura aerului,insa ele prevad o compensare a variatiilor de temperatura.

Fig 1.13 Senzor ultrasonor cu emitator si receptor al undelor

Fig 1.14 Reflectia undelor de la o placa metalica

Fig 1.15 Utilizarea senzorilor in practica pentru numararea obiectelor,pentru masurarea diametrului si pentru masurarea nivelului de lichid

Capitolul II.Metode de masura a nivelului