Senzorii Si Microelectronica

1.5. Senzori

Dicționarele apărute în prima parte a anilor '70 nu conțin termenul de "senzor". Acest cuvânt a apărutodată cu evoluția microelectronicii, împreună cu alți termeni de mare impact, cum ar ficei de „microprocesor”, „microcontroller”, „transputer” și „actuator” etc., adăugând onouă descriere unei terminologii tehnice cu o anumită redundanță.

Termenul de senzor provine din cuvântul latin „sensus”, care însemnă simț.Înainte de a fi adoptat pentru sisteme tehnice, era utilizat pentru a desemna capacitățileorganelor de simț ale oamenilor și ale organismelor vii. În acest proces mărimile fizice,neelectrice, sunt convertite în semnale electrice, pe care creierul le poate prelua și interpretași pe baza cărora coordonează acțiunile mușchilor.

Senzorul reprezintă elementul de conversie care convertește o mărime neelectrică într-una care poate fi evaluată electric.

Sistemul de senzori reprezintă o unitate funcțională pentru înregistrarea și reprezentarea mărimilor de măsurare sau pentru recunoașterea formelor obiectelor. Sistemele de senzori se compun din senzori și din unități microelectronice de prelucrări conectate cu aceștia.

Tehnica senzorială înglobează totalitatea operațiilor software și hardware pentru reprezentarea unor mărimi de măsurare sau a unor combinații de mărimi de măsurare într-un semnal care poate fi prelucrat automat.

Abordarea generală a unei aplicații de orice natură în cadrul sistemelor de automatizare ale unui process determină un set de blocuri funcționale cu legături între ele specifice aplicației.

O schemă de curent continuu este prezentă în Fig. și are la bază următoarele elemente componente:

x – mărimea de măsurare

y – mărimea măsurată

y’- mărimea de referință impusă prin proces

ε – eroare

u – mărimea de comandă

w – mărimea de execuție

v – factor perturbator (pot fi de natură fizică, chimică sau generat de mediul ambient)

Regulator u convertor

y’ digital-analog w

y V

senzor

Convertor x

digital-analog

Fig.

Structura generală a unui sensor

Pentru îndeplinirea funcției de conversie de către sensor astfel încât semnalul obținut la ieșirea acestuia să reprezinte valoarea mărimii măsurate implică o serie de operații de conversie cu caracter informațional însoțite totodată și de transformarea energetică din proces.

Fig. Structura generală a unui sensor

Elementul sensibil ES are rolul de a converti mărimea de măsurare x aplicată la intrarea senzorului într-un semnal de ieșire de natură electrică. Elementul sensibil se caracterizează prin proprietatea de a detecta numai mărimea x, eliminând sau reducând la un minim acceptabil influențele pe care le exercită asupra sa toate celelalte mărimi fizice existente în mediul respectiv. Sub acțiunea mărimii de intrare are loc o modificare de stare a elementului sensibill care fiind o consecință a unei legi fizice cunoscute theoretic sau experiental conține informația necesară determinării valorii acestuia. Adaptorul A este cel de-al doilea bloc functional important al senzorului. El are rolul de a adapta informația obținută simbolic la ieșirea elementului sensibil la condițiile impuse de aparatura de automatizare respectiv să o convertească sub forma impusă pentru semnalul y. Adaptorul este cel care asigură conversia variabilelor de stare ale elementelor sensibile în semnal calibrat reprezentând valoarea mărimii de intrare. În cadrul adaptorului se efectuează operația specific măsurării și comparației cu U.M. adoptată. Potrivit legilor fizicii pe care se bazează detecția efectuată de elementul sensibil și măsurată în cadrul adaptorului poate să apară necesitatea efectuării unor calculi liniare (atenuare, amplificare, însumare, integrare, diferențiere, etc.) operații de calcul neliniare ( produs, ridicarea la putere, logaritmare) sau realizarea unor funcții neliniare, particulare intenționat introduce ăentru compensarea neliniarității între anumite component și asigurarea unei dependențe liniare intrare-ieșire pentru sensor.

Adaptoarele pot fi grupate în două mari categorii ținând seama de elementele constructive commune impuse de tipurile de semnale furnizate la ieșire. Acestea pot fi:

electrice (electronice)

pneumatice

Forma de variație a semnalelor conduce la o altă clasificare și anume în:

semnale analogice

semnale numerice (digitale)

1) Semnalele analogice se caracterizează prin variația continua a unui parametru caracteristic similar cu variația mărimilor aplicate la intrarea senzorului.

Ca exemplu de semnale analogice avem:

curent continuu [A] 0.5…5 mA; 2…10 mA; 4…20 mA

tensiune continuă [V] 0…5 V; 0…10 V; 0…20 V; -10…10 V

presiune 20-100 KN/

2) Semnalele digitale (numerice) se caracterizează prin variații discrete care permit reprezentarea într-un anumit cod a unui număr finit de valori din domeniul de variație continuă a mărimii de intrare numerică respectiv cu sistemul de interfațare ale calculatorului ceeace a impus și pentru acestor semnale numerice standardizarea.

Cele mai utilizate coduri sunt:

codul binar natural: 8,10,12,16 biți

codul binar codificat zecimal 2,3,4 grade

Elementul de legătură și transfer ELT realizează conexiunile electrice, mecanice, optice sau de altă natură. Sursele suplimentare de energie SAE sunt utilizate pentru a adduce un aport de energie necesar conversiei mărimii de măsurare în semnal electric.

Fig.1.5.a. Structuri ale sistemelor senzoriale

Sistemele mecatronice trebuie să fie capabile să identifice, în anumite condiții și limite,parametri ai mediului ambiant și să reacționeze la modificări ale acestora. Sistemele mecatronice trebuie să fie capabile să identifice, în anumite condiții și limite,parametri ai mediului ambiant și să reacționeze la modificări ale acestora (vezi exempleledin capitolul 2). Extrapolând considerațiile despre sistemele senzoriale ale lumii vii lasistemele mecatronice, prin senzor se va înțelege dispozitivul tehnic destinat înzestrăriimașinilor cu simțuri.

1.5.1. Clasificări

Astăzi există senzori pentru mai mult de 100 de mărimi fizice, iar dacă se iau înconsiderare și senzorii pentru diferite substanțe chimice, numărul lor este de ordinal sutelor. Se pot pune în evidență circa 2000 de tipuri distincte de senzori, oferite în 100.000de variante, pe plan mondial [ROD03]. Datorită marii diversități a principiilor de conversie a mărimilor fizice în mărimi electrice,precum și a soluțiilor de implementare a acestor principii, există și o multitudine de criteria de clasificare a senzorilor, dintre care vor fi enumerate câteva dintre cele mai importante:

Senzorii pot fi clasificați în funcție de tehnologiile utilizate pentru realizarea lor:

Tehnologii ale materialelor feromagnetice;

Tehnologii ale materialelor piezo-ceramice;

Tehnologii ale microelectronicii și microsistemelor;

Tehnologii ale staturilor subțiri;

Tehnologii ale staturilor groase;

Tehnologii pentru materiale sinterizate;

Tehnologii ale foliilor etc.

În funcție de tipul mărimii fizice de intrare senzorii pot fi clasificați în:

absoluți, când semnalul electric de ieșire poate reprezenta toate valorile posibile lemărimii fizice de intrare, raportate la o origine (referință) aleasă;

incrementali, când nu poate fi stabilită o origine pentru toate punctele din cadruldomeniului de măsurare, ci fiecare valoare măsurată reprezintă originea pentru cea următoare.

În funcție de tipul mărimii de ieșire senzorii se clasifică în:

senzori analogici, pentru care semnalul de ieșire este în permanență proporțional cu mărimea fizică de intrare;

senzori numerici (digitali), la care semnalul de ieșire poate lua numai un număr limitat de valori discrete, care permit cuantificarea semnalului fizic de intrare.

Privind problema semnalului de ieșire din punctul de vedere al numărului de valori posibile, pot fi puse în evidență alte două clase distincte:

senzori binari, care prezintă la ieșire numai două valori distincte;

senzori cu un număr mare de valori, pentru măsurarea unei mărimi într-o anumităplajă; pot fi analogici sau numerici.

Senzorii pot fi clasificați și în funcție de domeniul în care sunt utilizați:

În industrie

Robotică , fabricație flexibilă, controlul calității, activități de birou etc.

În protecția mediului

În transporturi

În automatizarea clădirilor și locuințelor

Senzori de poziție deplasare optici

Sunt construiți dintr-un emițător și un receptor eventual un transmițător de radiație luminoasă și dintr-un organ mobil solidar cu elementul căruia îi dorim să îi determinăm poziția. Principiul de funcționare are la bază moelarea luminii dintre emițător și receptor prin intermeiul elementului sensibil.

Fenomene optice (fotoelectrice)

Conversia radiației luminoase în semnal electric se bazează pe unul din următoarele fenomene:

fenomenul de fotoconducție

fenomenul fotovoltaic

fenomenul fotoimitiv

1) Fenomenul de fotoconduție are loc în interiorul unui semiconductor prin modificarea conductivității electrice sub acțiunea radiației electromagnetice ( a luminii) în urma transmiterii fasciculului de lumină.

2) Fenomenul fotovoltaic este un fenomen fotoelectric în care energia luminii este convertită direct în energie electrică având ca rezultat obținerea unei tensiuni electromotoare dependente de radiașia luminoasă.

3) Fenomenul fotoimisiv se manifestă într-un tub electric special numit fotocatod prin emiterea de către un catod a electronilor atunci când acesta este iluminat. Ca urmare a diferenșei de potențial dintre anod și catod electronii sunt antrenați către anod și dacă se conectează o rezistență de sarcină în circuit se va obține tensiunea electromotoare corespunzătoare variației de lumină de pe catod.

Receptori de radiații luminoase

Pot fi elemente semiconductoare fotorezistențe și celule fotovoltaice.

Laserul este o sursă de radiație luminoasă utilizată în măsurat de mare precizie. Laserul este un dispozitiv în care se produce amplificarea luminii prin stimularea emisiei de radiație.

Radiația laser are următoarele proprietăți specifice:

coerență spațială și temporală

direcționalitatea

intensitatea foarte mare datorită coerenței si direcționalității

Din punct de vedere al mediului activ laserii se împart în:

laser cu mediul activ solid (rubiniu, sticlă, ceramică)

laser cu mediul activ gazos (gaz ionic, atomic, cu gaz molecular și cu atomi neutri)

laser cu mediul activ lichid

laser cu semiconductori

Pentru concentrarea fascicului de radiație schimbarea direcției sau realizarea fasciculelor paralele se folosesc piese și instrumente optice: lentile, oglinzi, prisme, diafragme, lupe sau condensatoare.

Transmițător de radiație luminoasă. Fibra optică.

Utilizarea fibrei optice în tehnică poate fi obținută în trei tipuri de aplicații:

transmiterea de informație

transmiterea de lumină

senzori de lumină

Transmiterea de informație – conversia informației electrice în energie luminoasă permite a transporta semnale insensibile la paraziți electromagnetici. Deasemeni permite separarea electromagnetică a sursei față de receptor

Transmiterea de lumină- această aplicație este utilizată în special în locurile cu acces dificil. Fibra asgură transmiterea luminii de la un emițător la receptor.

Senzor de lumină – aceștia se utilizează datorită proprietăților de modificare a geometriei fibrei interioare forțelor externe.

Fig. propagarea luminii prin fibra optică

Discurile optice sunt de două tipuri:

– discuri absolute

– discuri relative (incrementale)

Discul optic absolut ne dă informație in orice moment față de poziția de referință în timp de discul incremental ne dă informație față de ultima poziție atinsă e efector.

Discul optic absolut

Discul optic este realizat din sticlă, plastic transparent sau magnetic, respectiv metal prin aplicarea de fante (decupări). Discurile optice au marele avantaj dat de marea precizie, astfel un disc optic cu 12 biți va avea o precizie de control de 0,024%.

Fig. Discul optic

Discurile optice absolute sunt realizate astfel încât să se obțină opt clase de precizie ridicată. Discurile absolute pot fi realizate în cod binar natural respectiv cod Gray “0”, “1”.

Codul binar natural nu este cel utilizat. În cazul trecerii de la o poziție la alta apare schimbarea stării mai multor piste în același timp. Acest aspect poate genera ambiguități pe zonele de trecere. Datorită dezavantajelor de a modifica mai mult de un bit la trecerea de la poziție la alta aceasta este rar utilizată.

Codul Gray are marele avantaj dat de paricularitatea de a modifica starea unui singur receptor la acea dată. Are avantajul de a fi monoscopic, adică combinațiile binare vecine diferă numai prin modificarea unui singur bit. Acest lucru simplifică sistemul de testare și de codificare. Este necesar în schimb o logică electrică pentru conversia semnalului de ieșire în codul dorit.

Fig. Cod binar natural Fig. Cod Gray

1.5.2. Senzori de poziție și deplasare

Senzorii de poziție/deplasare aparțin categoriei senzorilor interni (fig.4.3). Câte un astfel de senzor este amplasat în fiecare cuplă cinematică a unui sistem mecatronic, care trebuie comandată pe baza măsurării poziției, în vederea determinării poziției relative a celor două elemente ale cuplei. Toți roboții industrialisunt echipațicu senzori de poziție/deplasare în fiecare cuplă cinematică, aceștia reprezentând elementul esențial ce ajută la rezolvarea celor două probleme cinematice (directă și inversă). Totodată acest tip de senzor poate fi regăsit în anumite cazuri și la nivelul efectorului final, servind la măsurarea deplasării bacurilor de prindere.

1.5.2.1. Clasificare; Soluții de montare

Acești senzori se clasifică după mai multe criterii:

După modul de exprimare a mărimii deplasării senzorii se clasifică în:

senzori de poziție (absoluți) care transmit valoarea absolută a deplasării, corespunzătoare poziției curente a elementului mobil și al cuplei cinematice considerată față de originea sistemului de coordonate atașat cuplei;

senzori de deplasare (relativi) care definesc mărimea relativă a deplasării, rezultată din diferența valorilor ce corespund coordonatelor finale și inițiale ale elementului mobil.

După natura semnalului furnizat de sensor:

senzori numerici incrementali – transformă deplasarea reală și se definesc ca fiind o mărime continuă, într-o succesiune de impulsuri;

senzori numerici absoluți – deplasarea reală este exprimată folosind un set de semnale binare ce corespund unui număr codificat în binar;

senzori analogici – deplasarea reală se transformă într-o mărime continuă, modulată în amplitudine sau în fază.

După natura mărimii de intrare:

senzori liniari folosiți la măsurarea deplasărilor rectilinii;

senzori rotativi folosiți la măsurarea deplasărilor unghiulare.

Pentru acționarea modulelor de rotație se folosesc preponderent motoare rotative. În cvasi-totalitatea cazurilor măsurarea unghiurilor de rotație se face cu senzori rotativi. Utilizarea senzorilor liniari poate fi eficientă în cazurile în care cilindrii de acționare sunt prevăzuți cu sisteme senzoriale proprii pentru măsurarea deplasării tijei. În cazul modulelor de translație acționarea poate fi realizată cu motoare rotative, in principiu electrice, caz în care se preferă senzorii rotativi, sau cu motoare liniare, situație în care își găsesc locul și senzorii liniari.Sunt însă necesare mecanisme adecvate, care să transforme mișcarea de translație într-o mișcare de rotație la nivelul axului senzorului. Acestea pot fi mecanisme pinion-cremalieră de precizie foarte înaltă, furnizate de firme specializate, sau mecanisme cu curea dințată.

Sistemului de comandă îi sunt necesare valorile absolute ale coordonatelor generalizate, raportate la sistemul de coordonate atașat unei anumite cuple. Aceste valori pot fi furnizate fără alte complicații de către senzorii absoluți. În cazul senzorilor relativi (incrementali), odată cu decuplarea de la rețea, conținutul registrelor care contorizează impulsurile primite de la senzori se alterează și robotul își pierde orientarea.La o nouă cuplare la rețea sistemul mecatronic trebuie să parcurgă o fază de calibrare, care se bazează pe valori sau repere absolute.Cu toate acestea în multe sisteme mecatronice predomină totuși senzorii numerici incrementali rotativi, datorită unor avantaje incontestabile: construcție simplă și robustă, preț de cost redus, modul facil de prelucrare a semnalelor de către sistemele de comandă.

Firmele constructoare de servomotoare de c.a. livrează motoare echipate cu senzori absoluți analogici, iar cele constructoare de servomotoare de c.c. livrează motoarele echipate cu senzori incrementali.

1.5.3. Potențiometrul

Principiul de funcționare a potențiometrului clasic poate fi explicat cu ajutorul figurii 1.5.3.1..El este constituit dintr-o rezistență fixă Rt, de-a lungul căreia se deplasează un cursor, solidar cu elementul a cărui deplasare se măsoară și izolat electric față de acesta; cursorul asigură contactul cu rezistența fixă.

Fig. 1.5.3.1. Scheme de principiu ale potențiometrului

a) liniar; b) rotativ (fără contact)

Valoarea rezistenței Rx, ce se măsoară între cursor și una din extremitățile rezistenței fixe, depinde de poziția cursorului și de deplasarea elementului mobil; presupunând că rezistența Rt prezintă o configurație uniformă, Rx poate fi exprimată cu relațiile:

pentru un potențiometru liniar (fig.1.5.3.1.a)), respectiv:

pentru un potențiometru rotativ(fig.1.5.3.1.b)), unde înfășurarea este dispusă de-a lungul unui arc de cerc, și are o variație liniară în funcție de deplasare.

1.5.4. Senzori de poziție și deplasare numerici

1.5.4.1 Senzori numerici incrementali

Senzorii numerici (fotoelectrici, inductivi, pneumatici), care utilizează metoda demăsurare relativă, au ca principiu de lucru transformarea pașilor (cuantelor) de deplasare aelementului mobil în impulsuri electrice, care sunt însumate într-un numărător electronic.

Cea mai mare utilizare în mecatronică o au senzorii incrementali fotoelectrici.

Fig. 1.5.4.1.1. Principiul de lucru al senzorului incremental

Simplificând, într-o primă fază lucrurile, principiul de funcționare a unui astfel de senzorpoate fi explicat cu ajutorul figurii 4.14. O riglă sau un disc (4), confecționate din sticlăspecială, pe care au fost trasate linii opace echidistante, rezultând astfel o rețea formatădintr-o alternanță de zone opace și transparente, se deplasează, solidar cu elementul mobil,prin fața unui cap de citire. Acesta este constituit din sursa de lumină 1 (bec sau LED),lentila condensoare 2 și fotodetectorul 3 (fotodiodă, fototranzistor etc.). La ieșireafotodetectorului apar impulsuri electrice determinate de impulsurile radiațiilor optice care îlimpresionează. Distanța dintre două zone opace, respectiv dintre două zone transparente, senumește pas (p).

Această schemă simplă nu rezolvă însă două probleme importante:

discriminarea sensului de deplasare (stânga-dreapta, respectiv, orar-antiorar);

stabilirea unuia sau a mai multor puncte (repere) de referință pe lungimea riglei sau pecircumferința discului.

Fig. 1.5.4.1.2. Configurația unui senzor incremental:a) liniar; b) rotativ.

sursă de lumină;

lentilă condensoare;

bloc de fotodetectori;

disc/riglă divizoare;

disc/riglă vernier;

rețea pentru impulsul de referință.

Aceste două condiții impun soluții mai complexe, care sunt prezentate schematic înfigurile 1.5.4.1.2.a. pentru un senzor liniar și 1.5.4.1.2.b. pentru un senzor rotativ. Elementul principal care apare în plus este rigla/discul 5, care poartă denumirea de riglă/disc Vernier și este solidar cu capul de citire. Pe acesta sunt dispuse mai multe rețele. Cea din partea inferioară, paralelă cu rețeaua corespunzătoare de pe elementul divizor, colaborează cu aceasta la generarea impulsului de referință datorită decalării rețelelor cu p/4. Celelalte două rețele care pot fi distinse mai clar în figura 4.15, b,sunt decalate față de rețelele care produc impulsurile Ua și Ub cu p/2 și determină generare a unor impulsuri`Ua și `Ub, defazate față de Ua, respectiv Ub cu π

1.5.4.2. Senzori numerici absoluți

În cazul măsurării prin metoda numerică absolută, senzorul furnizează măsura deplasării elementului mobil sub forma unui număr binar, exprimat într-un cod adecvat. Pozițiaelementului mobil este astfel determinată în mod univoc, eliminându-se dezavantajul de la senzorii incrementali. Părțile senzorului sunt în acest caz o riglă sau un disc codificat și capul de citireoptoelectronică. Codificarea poate fi făcută în codul binar natural, în codul Gray sau în codul binar-zecimal natural (CBZN). Codul adoptat se desfășoară pe lungimea riglei sau pe suprafața discului pe un număr de piste, respectiv de inele concentrice, corespunzător cu numărul rangurilor numărului binar prin care se exprimă numărul zecimal, N, ce corespundedeplasării maxime a elementului mobil (pentru codurile binar și Gray N < 2n, N fiind numărul zecimal, iar n numărul de piste necesare, iar pentru CBZN, n = 4.m, unde m este numărul de cifre al numărului N).

Utilizarea codurilor binar sau CBZN prezintă inconvenientul că la trecerea de la o poziție la cea imediat următoare , se pot modifica simultan mai multe cifre binare , ceea ce poate conduce la erori de citire. Pentru înlăturarea acestui inconvenient se folosesc trei metode:

În codificarea în codul Grayla deplasarea cu un pas, se schimbă un singur ordin binar. Prelucrarea informațiilor codificate în cod Gray presupune convertirea lor în binar, sistemul de comandă trebuind să conțină convertoare Gray-binar, respectiv binar-Gray, implementate fie prin hardware, fie prin software.

Introducerea unei piste de interdicție, I, alături de pista 2º. Această pistă este divizată astfel în raport cu pista 2º (LSB), încât în dreptul zonelor de trecere de la un număr la altul se găsește un câmp opac, iar în mijlocul fiecărei diviziuni a pistei LSB un camp transparent, citit de un fotodetector distinct, care dă impulsurile de deschidere a porților pentru citirea fotodetectorilor care investighează pistele riglei. În felul acesta citirea informației furnizate de senzor se face în momentul în care, în principiu, toți fotodetectorii au avut timp sa comute. Este o metodă simplă și suficient de sigură, care prezintă inconvenientul că, din punct de vedere tehnologic, pista de interdicție trebuie realizată cu o finețe mai mare decât cea mai fină pistă a riglei, cea de rang 2º

Metoda dublei citiri. Se poate folosi citirea unei rigle/disc în U sau în V. Ambele metode se utilizează la rigle/discuri codificate în cod binar natural sau in CBZN, ambiguitățile în tranziție fiind evitate prin dispunerea pe pista aferentă bitului LSB a unui singur fotoelement de citire, iar pe celelalte piste, de ranguri superioare, a câte două fotoelemente, dispuse simetric față de linia de citire, unul în stânga, celălalt în dreapta față de fotoelementul de pe pista LSB.