Utilizarea Senzorilor Pentru Controlul Giroscopic

CUPRINS

INTRODUCERE

CAPITOLUL 1. SENZORI ȘI TRADUCTOARE

1.1.Senzorul. Definiție. Considerații generale

1.2.Traductorul. Definiție. Considerații generale. Clasificări.

CAPITOLUL 2. CARACTERISTICI ȘI PERFORMANȚE GENERALE ALE SENZORILOR ȘI TRADUCTOARELOR

2.1. Caracteristici și performanțe în regim staționar

2.2. Caracteristici și performanțe în regim dinamic

2.3. Indicatori de regim dinamic pentru traductoare numerice

2.4. Caracteristici energetice

2.5. Caracteristici constructiv

2.6. Caracteristici și performante generale ale senzorilor

CAPITOLUL 3. SENZORI ȘI TRADUCTOARE PENTRU DEPLASARE

3.1. Senzori rezistivi

3.2. Senzori inductivi

3.3. Senzori capacitivi

3.4. Adaptoare specifice traductoarelor pentru deplasări mici

3.5. Traductoare numerice de deplasare

3.6. Traductoare pentru deplasări liniare mari

CAPITOLUL 4. DESCRIEREA MODULULUI

4.1. Configurația și funcționarea platformelor de stabilizare giro cu o axă

4.2. Configurația și funcționarea platformelor de stabilizare giro cu două axe

4.3. Configurația și funcționarea platformelor de stabilizare giro cu trei axe

4.4. Platformă biaxială stabilizată giroscopic

CAPITOLUL 5. REALIZAREA CONTROLULUI GIROSCOPIC

5.1. Controler BGC3.1(brushless gmbal controller)

5.2. Accelerometru + Giroscop IMU MPU 6050

5.3. Motorul electric de curent continuu fără perii

CONCLUZII

BIBLIOGRAFIE

INTRODUCERE

Această lucrare are la bază studiul senzorilor și traductoarelor pentru controlul giroscopic în vederea realizării unui sistem stabilizat giroscopic pentru camere foto-video. Astfel că începând cu primul capitol am definit termenii de senzor și traductor.

Odată definiți acești termeni am studiat caracteristicile și performanțele generale ale acestora urmând ca apoi să definesc noțiunile de deplasare și poziție în vederea realizării controlului giroscopic.

Lucrarea de față este structurată astfel încât să cuprindă aspectele necesare pentru realizarea unui stabilizator giroscopic pentru o camera foto-video. Structura se regăsește astfel:

CAPITOLUL 1. Senzori și traductoare

CAPITOLUL 2. Caracteristici și performanțe generale ale senzorilor și traductoarelor

CAPITOLUL 3. Senzori și traductoare pentru deplasare

CAPITOLUL 4. Descrierea modulului

CAPITOLUL 5. Realizarea controlului giroscopic

În primele patru capitole am discutat despre noțiunile generale pe care un pasionat de artă fotografică trebuie să le cunoasca în vrederea realizarii propriului stabilizator giroscopic.

În capitolul cinci Realizarea controlului giroscopic am prezentat Controlerul BGC3.1(brushless gimbal controller), Modulul MPU 6050 și motorul de curent continuu fără perii (Brushless DC electric motor,BLDC motor) cu ajutorul cărora se poate construii un astfel de sistem.

Ceea ce am vrut să evidențiez în această lucrare este faptul că îți poți construii un stabilizator giroscopic homemade de o calitate și performanță foarte mare având cunoștințe medii și cu un stric necesar redus și ieftin în comparație cu unul gata realizat și comercializat de firmele de specialitate.

CAPITOLUL 1.

SENZORI ȘI TRADUCTOARE

Senzorul. Definiție. Considerații generale. Clasificări.

Dicționarele din prima parte a anilor '70 nu cuprind cuvântul "senzor". Acesta a apărut odată cu dezvoltarea microelectronicii, împreună cu alte noțiuni de mare impact, cum ar fi cele de „microprocesor”, „microcontroller”, „transputer”, „actuator” etc., adăugând o noțiune nouă unei terminologii tehnice având o anumită redundanță.

Astfel, o mare parte din elementele tehnice senzitive sunt încadrate în categoria de traductor. Un traductor este un dispozitiv care convertește efecte fizice în semnale electrice, ce pot fi prelucrate de instrumente de măsurat sau calculatoare.

În unele domenii, în special în sfera dispozitivelor electro-optice, se utilizează termenul de detector (detector în infraroșu, fotodetector etc.).

Ce este senzorul? Trebuie spus că nu există o definiție unitară și necontestată a „senzorului”, motiv care lasă mult spațiu pentru interpretări, ambiguități și confuzii. Mulți autori preferă să folosească sintagma „senzori și traductoare”, în cadrul căreia, fie pun pe picior de egalitate senzorul și traductorul, utilizând, alternativ sau preferențial, unul dintre termeni, fie consideră că unul reprezintă o categorie ierarhică superioară, incluzându-l pe celălalt. De multe ori se mai utilizează și noțiunea de „captor”, care amplifică semnele de întrebare, întrucât în limba franceză, termenul „capteur” este utilizat pentru a desemna elementele tehnice, care în această carte au fost numite „senzor”.

Cuvântul “senzor” este derivat din cuvântul latin sentire care înseamnã “a percepe”, în timp ce “traductor” din transducere care înseamnă “a traversa”. O definiție de dicționar atribuie cuvântului “senzor” semnificația de “dispozitiv care detectează o schimbare într-un stimul fizic și o transformă într-un semnal care poate fi măsurat sau înregistrat”, în timp ce pentru cuvântul “traductor” definiția este de “dispozitiv care transferă putere de la un sistem la altul în aceeași formă sau în una diferită”.

Senzorul se evidențiază prin cel puțin trei proprietăți care îl diferențiază de traductor:

Un senzor realizează măsurarea într-o manieră similară organelor de simț umane.

Senzorii sunt de dimensiuni reduse, ceea ce conduce la determinări „punctuale”, făcând posibilă extinderea către o arie de măsurare sau o matrice de senzori.

Senzorii permit determinarea unei hărți a unei scene investigate prin metode sau mijloace de baleiere.

Senzorii reprezintă un ansamblu de dispozitive sensibile de dimensiuni reduse care permit determinarea unui câmp de valori pentru o mărime investigată într-o manieră similară percepției umane.

Senzorul este legat de modalitatea de percepție a mărimilor măsurate, sugerând o similitudine cu comportamentul uman în maniera de a obține informație despre cantitățile fizice.

Un senzor nu imită modul de operare a simțurilor umane (lucru de altfel dificil, întrucât nu sunt cunoscute încă în profunzime mecanismele de funcționare ale organelor de simț), dar încearcă să redea cât mai bine comportamentul lor, iar prin miniaturizare să se apropie de dimensiunile acestora.

Putem spune că senzorul presupune măsurarea unei mărimi într-o manieră similară modului de observație al omului. În același timp, senzorii sunt dispozitive de mărimi reduse (miniaturi), care permit determinãri “punctuale” ale măsurandului, ceea ce conduce la extensia definiției către “arie” / “matrice” de senzori.

Senzorii permit obținerea de imagini sau hărti ale unei scene prin căi similare/analoge omului. Această afirmație trebuie înțeleasă în sensul definiției introduse, adică câmpul de valori obținut cu ajutorul senzorilor trebuie prelucrat în vederea redării cât mai corecte a imaginii achiziționate, deci aceasta să aibă o reprezentare similară celei formate în modul de gândire umană.

Prin prisma definiției, un senzor realizează aceeași funcție ca și un traductor, adică percepe starea unei mărimi fizice pe care o convertește în semnal electric; în consecință, structura funcțională a unui senzor respectă – în principiu – aceeași schemă ca a traductorului. Aceasta explică de ce cele două noțiuni sunt folosite frecvent în explicarea principiilor funcționale pentru diferite structuri constructive.

Totuși, senzorilor le sunt specifice cel putin trei caracteristici:

► miniaturizarea, care permite realizarea de măsurări (determinări) “punctuale” ale mărimilor investigate;

► multiplicarea funcțională, adică existența în structura unui senzor a unui număr mare de dispozitive sensibile care îndeplinesc aceeași funcție, dispuse liniar sau matricial;

► fusiunea senzorială, care presupune reuniunea mai multor senzori într-o configurație unică, pentru a asigura o funcționalitate dorită.

►Aceste caracteristici, împreună cu proprietatea de “imitare” a simțurilor umane, fac ca senzorii să se diferențieze de traductoare. Exemplificare: fenomenul de piezoelectricitate folosit atât în construcția traductoarelor de fortă cât și a senzorilor tactili.

►Multiplicarea funcțională specifică senzorilor face ca și partea de prelucrare locală să fie diferită – chiar principial – de cea a traductoarelor, aspect care conduce la o diferențiere suplimentară pentru cele două noțiuni.

Traductorul. Definiție. Considerații generale. Clasificări.

În conducerea eficientă a unui proces, indiferent de procedeele și mijloacele aplicate, funcția de informare este indispensabilă deoarece deciziile de conducere nu pot fi luate decât pe baza unor informații cât mai corecte și mai complete asupra unor parametrii semnificativi pentru caracterizarea tehnico-economică a procesului. Aceste informații se obțin ca rezultat al unei operații de măsurare, operație ce este fundamentată pe noțiunea de unitate de măsură prin stabilirea pe cale experimentală a valorii unei mărimi fizice necunoscute prin compararea acesteia cu o mărime de aceiași natură aleasă în mod convențional ca unitate.

Pentru efectuarea unei măsurări este necesară în acest caz realizarea concretă a unității de măsură, dar există și mărimi ale căror unități nu se pretează a fi concretizate fizic, sau mărimi fizice inaccesibile simțurilor umane astfel că pentru efectuarea operației de măsurare în aceste cazuri se utilizează aparatele de măsurat.

În conducerea proceselor sau impus sistemele automate de conducere ce efectuează operația de conducere fără intervenția directă a unui operator uman. Aceste sisteme impun la rândul lor ca mijloacele tehnice prin care se realizează conducerea, deci și cele care se referă la funcția de informare sa fie adaptate condițiilor și în consecință operațiile de măsurare în cadrul sistemelor automate sunt efectuate de către unități fizice numite traductoare.

Cuvântul "traductor" derivă din latinescul "traduco" ceea ce indică în mod uzual un element care transferă energia de la un sistem la altul în aceiași formă sau intr-o formă modificată. Domeniul de utilizare tipică al acestui element este domeniul măsurărilor neelectrice și în acest caz cuvântul traductor denumește generic un dispozitiv în care un semnal de o natură dată, de regulă un semnal neelectric, este convertit intr-un semnal de altă natură, de regulă un semnal electric.

În sens general traductoarele sunt definite ca fiind entități fizice ce stabilesc o corespondență între mărimea de măsurat și o mărime cu un domeniu de variație calibrat, aptă de a fi recepționată, transmisă și prelucrată de echipamentele de conducere (regulatoare, controlere de proces, PLC, etc. ).

Definirea noțiunii de traductor poate fi extinsă și pentru acele elemente cu funcțiuni similare din componenta unui lanț de măsurare complex utilizat în scopul de determinare a valorii unei mărimi fizice și care nu este inclus intr-o buclă de reglare sau intr-un sistem de conducere funcționând on-line.

Traductoarele sunt elemente din structura sistemelor automate care au rolul de a măsura valorile parametrului reglat și de a converti acest parametru (mărime) într-o mărime fizică ce este compatibilă cu mărimea de intrare în elementul următor al sistemului. Traductoarele se compun din elementul sensibil și elementul traductor , conform figurii.

Elementul sensibil efectuează operația de măsurare propriu-zisă, iar elementul traductor asigură transformarea semnalului într-un alt semnal, în general electric sau pneumatic, unificat, semnal ce se pretează pentru transmiterea la distanță.

Criteriile de clasificare a traductoarelor electronice sunt următoarele:

După natura mărimii fizice neelectrice de intrare, traductoarele sunt:

– pentru semnale radiante, termice, chimice, mecanice, magnetice, etc.

După modul în care se face transformarea semnalului de la intrare și modul de interconectare, traductoarele se împart în:

traductoare directe, care realizează o singură transformare.

traductoare complexe, care înglobează mai multe tipuri de traductoare directe și uneori chir poate fi extinsă și pentru acele elemente cu funcțiuni similare din componenta unui lanț de măsurare complex utilizat în scopul de determinare a valorii unei mărimi fizice și care nu este inclus intr-o buclă de reglare sau intr-un sistem de conducere funcționând on-line.

Traductoarele sunt elemente din structura sistemelor automate care au rolul de a măsura valorile parametrului reglat și de a converti acest parametru (mărime) într-o mărime fizică ce este compatibilă cu mărimea de intrare în elementul următor al sistemului. Traductoarele se compun din elementul sensibil și elementul traductor , conform figurii.

Elementul sensibil efectuează operația de măsurare propriu-zisă, iar elementul traductor asigură transformarea semnalului într-un alt semnal, în general electric sau pneumatic, unificat, semnal ce se pretează pentru transmiterea la distanță.

Criteriile de clasificare a traductoarelor electronice sunt următoarele:

După natura mărimii fizice neelectrice de intrare, traductoarele sunt:

– pentru semnale radiante, termice, chimice, mecanice, magnetice, etc.

După modul în care se face transformarea semnalului de la intrare și modul de interconectare, traductoarele se împart în:

traductoare directe, care realizează o singură transformare.

traductoare complexe, care înglobează mai multe tipuri de traductoare directe și uneori chiar elemente auxiliare.

Transformarea directă se face într-un singur element fizic iar transformarea complexă (indirectă) se face atunci când sunt necesare mai multe transformări succesive ale mărimii fizice de intrare.

După principiul de funcționare, traductoarele sunt:

parametrice (modulatoare)

energetice (generatoare).

Traductoarele parametrice sau modulatoare transformă variația mărimii neelectrice de la intrare într-o variație a unui parametru electric (rezistența, inductanța mutuală, capacitate) și necesită o sursă de energie auxiliară (termorezistență, marcă tensometrică, fotorezistență, piezorezistență, bolometrul, etc.).

Traductoarele energetice sau generatoare transformă mărimea neelectrică de intrare într-o tensiune, curent sau sarcină electrică fără a avea nevoie de o sursă auxiliară de energie. Exemple: termopila, fotodioda, fotodetectorul piroelectric, traductorul piezoelectric, etc.

După forma semnalului electric de ieșire, traductoarele sunt:

analogice, la care semnalul produs depinde continuu de mărimea de intrare.

numerice, la care semnalul de ieșire varia ză discontinuu, după un anumit cod (operație de codificare).

După mărimea neelectrică:

Traductoare pentru mărimi geometrice: rezistive, inductive, capacitive și numerice de deplasare; cu radiatii; de proximitate.

Traductoare pentru mărimi cinematice: de viteză; de accelerație; de șocuri și vibrații; giroscopice.

Traductoare pentru mărimi mecanice: elastice (tracțiune, compresie, îndoire, cuplu); tensometrice rezistive; cu coardă vibrantă; magnetostrictive; de forță; de cuplu.

Traductoare pentru mărimi tehnologice: presiune, debite, nivel, temperatură.

Alte traductoare: integrate, etc.

CAPITOLUL 2.

CARACTERISTICI ȘI PERFORMANȚE GENERALE

ALE SENZORILOR ȘI TRADUCTOARELOR

2.1. Caracteristici și performanțe în regim staționar

Caracteristicile funcționale ale traductoarelor reflectă (în esență) modul în care se realizează relația de dependență intrare-ieșire (I-E).

Performanțele traductoarelor sunt indicatori care permit să se aprecieze măsura în care caracteristicile reale corespund cu cele ideale și ce condiții sunt necesare pentru o bună concordanță între acestea.

Caracteristicile și performanțele de regim staționar se referă la situația în care mărimile de intrare și de ieșire din traductor nu variază, adică parametrii purtători de informație specifici celor două mărimi sunt invarianți.

Caracteristica statică a traductorului este reprezentată prin relația intrare – ieșire (I-E):

y = f(x) (2.1)

în care y și x îndeplinesc cerințele unei măsurări statice.

Relația (2.1) poate fi exprimată analitic sau poate fi dată grafic printr-o curbă trasată cu perechile de valori (x , y).

Caracteristica y = f(x) redă dependența I-E sub forma ideală deoarece, în realitate, în timpul funcționării traductorului, simultan cu mărimea de măsurat x, se exercită atât efectele mărimilor perturbatoare externe cât și a celor interne care determină modificări nedorite ale caracteristicii statice ideale.

În afara acestor perturbații (nedorite), asupra traductorului intervin și mărimile de reglaj, notate prin . Aceste reglaje servesc la obținerea unor caracteristici adecvate domeniului de variație al mărimii de măsurat în condiții reale de funcționare a traductorului. Ținând seama de toate mărimile care pot condiționa funcționarea traductorului, acesta se poate reprezenta printr-o schemă funcțională restrânsă, ilustrată în figura 2.1.

Reglajele nu provoacă modificări nedorite ale caracteristicii statice ideale și sunt necesare pentru:

alegerea domeniului de măsurare;

prescrierea sensibilității traductorului,

calibrarea internă și reglarea zeroului.

Fig. 2.1. Influențe asupra caracteristicii de funcționare a traductorului

Mărimile perturbatoare externe 1 , 2 , 3 , …, n cele mai importante sunt de natura unor factori de mediu: presiunea, umiditatea, temperatura , câmpuri electrice sau magnetice etc. Aceste perturbații (nedorite) pot acționa atât asupra mărimii de măsurat, cât și asupra elementelor constructive ale traductorului.

Mărimile perturbatoare interne se datorează zgomotelor generate de rezistoare, de semiconductoare, frecări în lagăre, îmbătrânirea materialelor care-și schimbă proprietățile, variații ale parametrilor surselor de alimentare etc. Datorită mărimilor perturbatoare, traductorul va funcționa după o relație de dependență (I-E) reală, descrisă de funcția:

; (2.2)

Este important de observat că erorile sunt generate de variațiile mărimilor perturbatoare și nu de valorile lor absolute, care dacă ar rămâne constante ar putea fi luate în considerare ca atare în expresia caracteristicii.

Modul în care mărimile perturbatoare influențează ieșirea , admițând că variațiile lor sunt mici, se pune în evidență prin dezvoltarea în serie Taylor a funcției (2.1) cu neglijarea termenilor corespunzători derivatelor de ordin superior. Se obține:

(2.3)

Derivatele de ordinul I au semnificația unor sensibilități:

– este sensibilitatea utilă a traductorului

și sunt sensibilități parazite.

Cu cât sensibilitatea utilă va fi mai mare, iar sensibilitățile parazite vor fi mai mici, cu atât caracteristica reală a traductorului va fi mai apropiată de cea ideală (2.1).

Dacă sensibilitățile parazite au valori ridicate se impune introducerea unor dispozitive de compensare automată.

Prin concepție (proiectare) și construcție, traductoarele se realizează astfel încât mărimile de influență (perturbatoare) să determine efecte minime și deci, să se poată considera valabilă caracteristica statică ideală y = f(x) în limitele unei erori tolerate.

În ipoteza de liniaritate și admițând că influențele mărimilor perturbatoare nu depășesc eroarea tolerată, forma uzuală pentru caracteristica statică a traductoarelor analogice este:

; (2.4)

în care x0 și y0 pot lua diverse valori pozitive sau negative, inclusiv zero.

Caracteristicile statice liniare sunt tipice pentru traductoare, dar pot apărea, în anumite cazuri particulare, (cerute de un S.R.A.), caracteristici neliniare. În cele ce urmează se prezintă câteva exemple de caracteristici statice – pentru traductoare:

liniară unidirecțională – (figura 2.2), defintă prin funcția:

;

x x0

k = tg (panta caracteristicii)

proporțională liniară bidirecțională – (figura 2.3), definită prin funcția:

; k = tg (2.5)

liniară pe porțiuni cu zonă de insensibilitate și saturație – (figura 2.4) definită prin funcția:

(2.6)

liniară pe porțiuni cu zonă de insensibilitate, saturație și histerezis – (figura 2.5), definită prin funcția:

(2.7)

Pentru traductoarele cu ieșiri numerice caracteristica statică este cvasiliniară având forma din figura 2.6.

Reprezentarea este pur convențională, graficul corespunzând echivalentului în sistemul de numerație zecimal al codului redat de semnalul YN de la ieșirea traductorului, pentru diverse valori ale mărimii de intrare, considerând un interval de cuantificare x.

Prin unirea punctelor corespunzătoare valorilor medii ale nivelelor de cuantificare se obține o dreaptă (reprezentată printr-o linie discontinuă) ce reprezintă caracteristica statică a traductorului numeric.

Exceptând discontinuitățile datorate operației de cuantificare, această caracteristică se consideră liniară. Estimarea mărimii de ieșire a traductorului (YN) este cu atât mai precisă, cu cât intervalul de cuantificare x este mai mic.

Erorile de neliniaritate și histerezis

Caracteristicile statice sunt determinate de legile fizice pe care se bazează funcționarea elementelor componente din structura traductorului. Aceste caracteristici se deduc prin calcul sau experimental. Raportate la un domeniu larg de variație a mărimii de intrare, caracteristicile statice se obțin neliniare.

Datorită avantajelor pe care le au caracteristicile liniare se procedează fie la limitarea funcționării traductorului pe anumite zone ale caracteristicii (unde neliniaritatea este redusă), fie se liniarizează pe porțiuni caracteristice cu ajutorul unor dispozitive special introduse în structura traductorului. Astfel, caracteristicile statice liniare constituie o aproximare a caracteristicilor reale neliniare, aproximare acceptabilă pentru condițiile de utilizare a traductorului.

O măsură a aproximării o reprezintă abaterea de la liniaritate sau eroarea de neliniaritate, ilustrată în figura 2.7.

În domeniul (xmin , xmax), în care ne interesează determinarea erori de neliniarizare se trasează dreapta AB (linie continuă), care aproximează cât mai bine caracteristica reală. Paralel cu AB se trasează dreptele A’B’ și A”B” care să încadreze între ele, caracteristica reală. Cea mai mare dintre diferențele y’ și y” reprezintă abaterea absolută de la liniaritate, notată prin ymax.

“Abaterea relativă de la liniaritate” se definește prin relația:

; (2.8)

unde: ymax este abaterea absolută de la liniaritate, definită prin relația:

ymax = y”-y’; (2.9)

Alt tip de eroare, care poate fi estimată pe caracteristicile statice este eroarea de histerezis. Din figura 2.5 se observă că fenomenul de histerezis se manifestă prin aceea că se obțin două nivele diferite ale semnalului de ieșire (y) pentru aceeași valoare a mărimii de intrare, în raport cu sensul crescător ( ) sau descrescător ( ) de variație prin care acesta atinge valoarea respectivă.

Eroarea de histerezis este dată de diferența dintre cele două nivele ale semnalului de ieșire (y). Pentru a asigura univocitatea valorii măsurate, eroarea de histerezis trebuie să se încadreze, ca și cea de neliniaritate, sub o limită admisibilă.

Domeniul de măsurare se situează pe caracteristica statică în zona în care aceasta este liniară. Domeniul de măsurare se exprimă prin intervalul [xmin…xmax] în cadrul căruia traductorul permite efectuarea corectă a măsurării. Valorile limită minime atât pentru intrarea xmin , cât și pentru ieșirea ymin pot fi zero sau diferite de zero, de aceeași polaritate sau de polaritate opusă limitei maxime. Pentru traductoarele cu semnal unificat se întâlnesc cazuri în care ymin0 pentru xmin=0, precum și invers: ymin=0 când xmin0. De regulă domeniul de măsurare se definește pentru intervalul în care eroarea rămâne în limitele admisibile.

Observație. La traductoarele cu semnal unificat, limitele semnalelor de ieșire ymin și ymax rămân constante indiferent de limitele xmin și xmax ale semnalelor de intrare.

Sensibilitatea (S)

Sensibilitatea traductorului se definește în raport cu mărimea de intrare, neglijând sensibilitățile parazite introduse de mărimile perturbatoare. Pentru variații mici x și y sensibilitatea se definește prin raportul dintre variația ieșirii și variația intrării. În cazul unei caracteristici statice liniare sensibilitatea este reprezentată de coeficientul unghiular al dreptei.

S = dy/dx y/x = k = tg (2.10)

O altă exprimare a sensibilității, ce ține seama de domeniul de măsurare, este dată de relația:

(2.11)

Din relația (2.11) rezultă că sensibilitatea este constantă pentru întregul domeniu de măsurare. În cazul unor caracteristici statice neliniare se pot defini numai valori locale ale sensibilității sub forma:

; (2.12)

unde x și y sunt variații mici în jurul punctului de coordonate (xi, yi).

Sensibilitatea Si – se numește și sensibilitate diferențială. Din relațiile (2.10) și (2.11) se observă că sensibilitatea este o mărime ale cărei dimensiuni depind de dimensiunile mărimilor de intrare și de ieșire, iar valoarea sa depinde de unitățile de măsură utilizate pentru mărimile respective.

În cazurile caracteristicilor liniare, la care natura mărimilor x și y este aceeași, sensibilitatea (S) se va numi factor de amplificare, dacă este supraunitară (S > 1), iar dacă S < 1 sensibilitatea se va numi factor de atenuare.

Acești factori sunt adimensionali și sunt frecvent utilizați pentru caracterizarea traductoarelor.

Când domeniul mărimii de intrare este foarte extins, amplificarea sau atenuarea se exprimă în decibeli [db] prin relația:

A=20 log (yx); [db] (2.13)

Uneori se utilizează noțiunea de sensibilitate relativă exprimată prin:

(2.14)

unde yy este variația relativă a ieșirii, iar xx este variația relativă a intrării.

Sensibilitatea relativă (Sr) se exprimă printr-un număr adimensional, iar valoarea sa nu depinde de sistemul de unități și ca urmare Sr este utilă la compararea traductoarelor atunci când acestea au domenii de măsurare diferite.

Determinarea sensibilității unui traductor analogic.

Sensibilitatea unui traductor este determinată de sensibilitățile elementelor componente și de modul de conectare a acestora în schema structurală a traductorului. Dacă elementele care compun traductorul au caracteristicile de transfer (I-E) liniare, sensibilitatea totată a traductorului (St) se deduce ușor din sensibilitățile parțiale ale elementelor traductorului, considerând aceste sensibilități constante pe întreg domeniul de măsurare.

Se prezintă modul de calcul al sensibilității totale (St) pentru câteva scheme tipice de conectare a elementelor componente (descrise de caracteristici liniare).

Pentru conexiunea serie (figura 2.8):

(2.15)

Pentru conexiunea paralel (figura 2.9):

(2.16)

c) Conexiunea cu reacție negativă (figura 2.10):

(2.17)

În cazul conexiunii cu reacție negativă, deoarece (de regulă S11), se poate admite aproximarea:

; (2.18)

Deci se observă că sensibilitatea elementului de pe calea de reacție este determinantă în calculul sensibilității totale a traductorului.

Rezoluția

Sunt traductoare care au caracteristici statice ce nu sunt perfect netede. Ca urmare, la variații continue ale mărimii de intrare (x) în domeniul de măsurare, semnalul de ieșire (y) se modifică prin salturi având valori bine precizate (deoarece are variații discrete).

Intervalul maxim de variație al mărimii de intrare necesar pentru a determina apariția unui salt la semnalul de ieșire, se numește rezoluție.

Rezoluția este utilizată, mai ales, la traductoare cu semnale de ieșire numerice, a căror caracteristică statică este dată printr-o succesiune de trepte (figura 2.6). În acest caz rezoluția este dată de intervalul de cuantificare x al mărimii de intrare, iar pentru un domeniu de măsurare fixat prin x se stabilește numărul de nivele analogice ce pot fi reprezentate de către semnalul de ieșire.

Rezoluția reprezintă un indicator de performanță și în cazul unor traductoare considerate (de obicei) analogice, cum sunt traductoarele pentru deplasări liniare sau unghiulare bobinate, la care variațiile de rezistență (sau de tensiune – la montajele potențiometrice) prezintă un salt la trecerea cursorului de pe o spiră pe alta.

Pragul de sensibilitate

Cea mai mică variație a mărimii de intrare care poate determina o variație sesizabilă (măsurabilă) a semnalului de ieșire, se numește prag de sensibilitate.

Pragul de sensibilitate este important, întrucât condiționează variațiile minime la intrare care pot fi măsurate prin intermediul semnalului de ieșire.

Factorii care determină pragul de sensibilitate sunt fluctuațiile datorate perturbațiilor interne și externe: zgomotul în circuitele electrice, frecările statice și jocurile în angrenaje pentru dispozitive mecanice.

Calitatea traductoarelor este cu atât mai bună cu cât sensibilitatea S este mai mare, iar rezoluția și pragul de sensibilitate sunt mai reduse.

Precizia (eroarea de măsurare)

Scopul fundamental al oricărei măsurări, acela de a determinarea și exprima numeric valoarea mărimii de măsurat, poate fi realizat numai cu un anumit grad de incertitudine.

Oricât de perfecționate ar fi metodele și aparatele utilizate și oricât de atent ar fi controlat procesul de măsurare, rezultatul măsurării va fi întotdeauna diferit de valoarea reală sau adevărată a măsurandului.

Eroarea de măsurare reprezintă diferența dintre rezultatul măsurării și valoarea reală. Este evident că, din punct de vedere calitativ măsurările sunt cu atât mai bune cu cât erorile respective sunt mai mici. Cauzele erorilor de măsurare sunt multiple și se pot evidenția printr-o analiză atentă a operațoiei de măsurare. Acestea sunt:

– Eroarea de interacțiune este provocată de faptul că ES al traductorului exercită o acțiune asupra valorii reale a mărimii de măsurat, astfel încât valoarea efectiv convertită diferă de cea reală. Erorile de interacțiune pot apărea și între diversele componente din structura traductorului.

– Eroarea de model este determinată de faptul că se idealizează caracteristicile statice, ignorându-se anumiți factori care le pot influența. Determinarea experimentală a caracteristicilor statice prin utilizarea unor etaloane cu precizie limitată, generează eroarea de model.

– Erori de influență care apar atunci când mărimile perturbatoare au variații mari și nu pot fi compensate (prin mijloace tehnice).

În raport cu proprietățile lor generale s-au stabilit următoarele criterii de clasificare a erorilor :

Caracterul variațiilor și valorilor pe care le pot lua:

erori sistematice;

erori aleatoare;

erori grosiere.

Erorile sistematice se produc în același sens în condiții neschimbate de repetare a măsurării și au valori constante sau variabile, după o lege determinată în raport cu sursele care le generează.

Erorile aleatoare (întâmplătoare sau accidentale) variază imprevizibil la repetarea măsurătorii, putând lua valori diferite atât ca sens cât și ca valoare.

Erorile grosiere (inadmisibile) afectează prea grav rezultatele măsurătorii, încât rezultatele nu pot fi luate în considerare. Aceste erori au două cauze:

funcționarea incorectă a aparatelor;

utilizarea unei metode incorecte de măsurare.

b) Modul de exprimare valorică prin care se face deosebirea între erorile absolute și erorile relative.

Erorile absolute sunt: xi, vi pozitive (sau negative) exprimate în aceleași unități de măsură cu vi.

Eroarea relativă (reală sau convențională) a unei măsurări individuale se definește prin relațiile:

(2.19)

Erorile relative sunt exprimate prin numere fără dimensiune. Acestea pot estima precizia de măsurare, deoarece înglobează și informația cu privire la valoarea mărimii măsurate.

c) Mărimea de referință în funcție de care se deosebesc erorile reale față de erorile convenționale.

Eroarea reală (a unei măsurări individuale) este notată xi și exprimă diferența dintre valoarea măsurată vi și valoarea reală (adevărată) x:

xi = vi-x; (2.20)

Eroarea convențională (a unei măsuri individuale) este diferența

vi = vi-v; (2.21)

unde: v – valoarea de referință (admisă); vi – valoarea măsurată.

Eroarea admisibilă (sau tolerată) reprezintă valoarea limită a erorii ce nu poate fi depășită în condiții corecte de utilizare a aparatului. Cunoscând valoarea admisibilă absolută xad, intervalul în care se află valoarea reală (x) a mărimii de măsurat este determinat cu probabilitatea 1, conform relației:

x[vi – xad , vi + xad]; (2.22)

care poate fi exprimat și în formele:

vi – xad x vi + xad ; (2.23)

sau:

x = vi xad ; (2.24)

În cazul traductoarelor, în general, se prevăd dispozitive pentru compensarea automată a erorilor suplimentare, astfel încât precizia măsurărilor să fie determinată numai de eroarea intrinsecă, chiar la variații mari ale factorilor de mediu.

În final eroarea tolerată de aparat, sub formă absolută, prin care se poate exprima corect precizia măsurării efectuate în condiții reale de funcționare, este dată de relația:

xtot = xb xs ; (2.25)

unde:

xb – este eroarea tolerată intrinsecă (de bază) determinată în primul rând de clasa de precizie ;

xs – este eroarea tolerată suplimentară, calculată corespunzător intervalelor în care se află mărimile de influență.

Observație: cele menționate cu privire la precizie și indicatorii corespunzători sunt specifice traductoarelor analogice, dar ținând seama de particularitățile conversiei analog-numerice aceste noțiuni se pot extinde și la traductoarele cu ieșiri numerice.

La traductoarele cu ieșiri numerice, datorită faptului că adaptorul conține un convertor analog-numeric (CAN), apare o eroare inerentă de metodă, numită eroare de cuantificare, egală cu 12 din intervalul de cuantificare x, adică 12 din bitul cel mai puțin semnificativ (LSB).

Reducerea acestor erori la valori acceptabile se face prin micșorarea lui x.

Erorii de cuantificare i se poate adăuga eroarea de zero, ilustrată în figura 2.11-a, și/sau eroarea de domeniu prezentată în figura 2.11-b.

a) Eroare de zero b) Eroare de domeniu

Fig. 2.11. Erorile de zero și domeniu

2.2. Caracteristici și performanțe în regim dinamic

Regimul dinamic al unui traductor corespunde funcționării acestuia în situația în care mărimea de măsurat (x) și implicit semnalul de ieșire (y) variază în timp. Variațiile mărimii de intrare nu pot fi urmărite instantaneu la ieșire , datorită inerțiilor care pot fi de natură: mecanică , electromagnetică, termică etc.

Funcționarea traductorului în regim dinamic este descrisă de o ecuație diferențială de tipul:

(2.26)

unde , sunt derivatele în raport cu timpul de ordinul q și k ale intrării x(t) și respectiv ieșirii y(t); și – sunt coeficienți (de regulă invarianți).

Ecuația (2.26) caracterizează complet regimul dinamic al traductorului dacă sunt prevăzute: condițiile inițiale, valorile mărimilor x(t), y(t) și valorile derivatelor la momentul inițial t0.

Pentru ca traductorul (ca element fizic) să poată fi realizat practic este necesară condiția: n > m, deci se impune ordinul ecuației diferențiale. Pentru determinarea soluției ecuației (2.26) se utilizează tehnicile uzuale de rezolvare a ecuațiilor diferențiale liniare cu coeficienți constanți.

După rezolvarea ecuației diferențiale (2.26) se obține soluția ecuației pentru condiții inițiale date și mărimea de intrare cunoscută sub forma unei anumite funcții de timp:

y(t) = ytl (t) + ytf (t) + ysf (t) (2.27)

Cei trei termeni ai soluției (2.27) au semnificațiile:

– ytl (t) componenta tranzitorie liberă, care nu depinde de intrare, dar depinde de dinamica traductorului, cât și de condițiile inițiale nenule de la ieșire ;

– ytf (t) componenta tranzitorie forțată, care depinde atât de dinamica traductorului cât și de intrare (x) ;

– ysf (t) componenta forțată în regim stabilizat (sau permanent), în care, datorită neliniarității, se regăsește forma de variație a intrării.

Traductorul ideal, din punct de vedere al comportării dinamice, ar fi acela la care să existe numai ultima componentă în (2.27), fără componente tranzitorii.

Analiza comportării dinamice a traductoarelor utilizând rezolvări ale ecuației (2.26) reprezintă operații complicate (deși posibile). Din acest motiv se utilizează metode mai simple care să asigure suficientă precizie, dar aprecieri și comparații mai rapide referitor la performanțele dinamice ale traductoarelor.

Adoptând ipotezele simplificatoare: condiții inițiale nule, intrări (x) – standard (impuls sau treaptă) se poate aplica transformarea directă Laplace ecuației diferențiale și rezultă funcția de transfer a traductorului:

; (2.28)

Funcția de transfer permite (f.d.t.) determinarea răspunsului (traductorului) în formă explicită pentru orice tip de variație a intrării (x). De asemenea, funcția de transfer permite o corelare între analiza teoretică a regimului dinamic și determinările experimentale.

Analiza performanțelor în regim dinamic (pentru traductoare) utilizând H(s) se poate face astfel:

În domeniul timpului – utilizând funcția indicială (răspuns la treaptă) sau funcția pondere (răspunsul la impuls);

În domeniul frecvenței, pe baza răspunsului permanent armonic la variația sinusoidală a intrării (x).

Analiza în regim dinamic este similară cu cea de la circuitele electronice (sau din teoria SRA) cu precizarea că valoarea benzii de stabilizare nu trebuie să depășească valoarea de 2% din semnalul de la ieșire în regim staționar (stabilizat) ys.

Fig.2.2 Funcția indicială a unui traductor analogic echivalent

cu un element de ordinul II (oscilant – amortizat).

Principalii indicatori de regim dinamic pentru traductoarele analogice sunt :

a) M – abaterea dinamică maximă (influențată de factorul de amortizare al traductorului);

b) Suprareglarea (supracreșterea) definită prin relația:

(2.29)

c) Abaterea (eroarea) dinamică curentă definită prin relația

D = y(t)-ys ; (2.30)

d) Timpul tranzitoriu (timp de răspuns) tt – definit ca la disciplina de B.S.A.

Criteriul de delimitare a timpului tranzitoriu (tt) este stabilit prin relația:

(2.31)

2.3. Indicatori de regim dinamic pentru traductoare numerice

În cazul traductoarelor numerice care operează cu mărimi eșantionate, caracteristicile dinamice sunt descrise cu ajutorul ecuațiilor cu diferențe finite, sau al funcțiilor de transfer, utilizând variabila complexă , unde T este perioada de eșantionare.

Pentru traductoarele numerice, care au conectate la ieșire CAN (convertori analog – numerici), indicatorii tipici specificați sunt: timpul de conversie sau (uneori) rata de conversie care reprezintă numărul de conversii posibile în unitatea de timp.

Însumând timpul de conversie al CAN cu timpul tranzitoriu (tt) al părții analogice se obține timpul de stabilizare al mărimii la ieșirea traductorului numeric.

2.4. Caracteristici energetice

Orice operație de măsurare implică un consum energetic. Puterea, prin integrarea căreia rezultă energia consumată poate fi preluată total sau parțial de la mărimile de măsurat.

Există mărimi active, care au asociată o putere suficientă pentru ca, prin intermediul unor ES adecvate, să asigure conversia directă într-un semnal electric. Când mărimile de măsurat sunt pasive este obligatoriu necesară, pentru conversia lor în semnal electric, o sursă de energie auxiliară.

Pentru a nu afecta rezultatul măsurătorii este necesar ca puterea preluată de la mărimile de măsurat să fie cât mai mică. În practica utilizării traductoarelor se pune problema adaptării impedanței aparatului de măsură (Zm) sau a traductorului (Ztr), în raport cu impedanța sursei Zs , astfel încât consumul energetic și erorile de măsurare să se mențină în limitele admise.

Acest procedeu se numește adaptare de amplitudine sau nivel și se realizează prin utilizarea unor amplificatoare. În acest fel pe lângă adaptarea de nivel se realizează și o adaptare în putere. Consumurile de putere pot avea valori de la W până la W, valorile fiind specificate pentru fiecare traductor.

Pentru caracterizarea puterii solicitate de la măsurand, fiecărui traductor i se precizează în catalog sau pe placa indicatoare: impedanța de intrare pentru aparatul receptor, tipul sursei auxiliare (c.c. sau c.a.), valoarea parametrilor (tensiune, curent) și limitele admisibile de variație ale acestor parametri.

2.5. Caracteristici constructive

Calitatea efectivă a unui traductor este determinată, atât de concepția care dă principiul de funcționare, cât și de modul în care este realizat constructiv acesta.

Condițiile efective de funcționare oferite de industrie pot impune cerințe constructive diferite, chiar dacă măsurandul și intervalul de variație al acestuia sunt aceleași.

Caracteristicile constructive determină modul în care un traductor își păstrează caracteristicile funcționale sub acțiunea mărimilor de influență care se exercită în cazul diverselor aplicații. În cele ce urmează se prezintă câteva din caracteristicile constructive ale traductoarelor:

Robustețea

Capacitatea de supraîncărcare

Protecția climatică

Protecția contra exploziilor

Protecția anticorozivă

Gradele normale de protecție

Efectele șocurilor și vibrațiilor mecanice

2.6. Caracteristici și performanțe generale ale senzorilor

La alegerea și utilizarea unui senzor în cadrul unui sistem de măsurare este importantă cunoașterea și interpretarea corectă a specificațiilor sale tehnice. Aceste specificații se referă la comportarea senzorului în raport cu mărimea de intrare, cu etajul următor din structura sistemului și cu mediul înconjurător. Importanța fiecărui parametru caracteristic al unui senzor depinde de mărimea de măsurat și de sistemul de măsurare proiectat. De exemplu, în cazul unui senzor de presiune destinat măsurărilor într-un domeniu îngust de valori este mai important un histerezis mic decât o liniaritate ridicată.

Performanțele tehnice ale unui senzor cuprind două categorii de specificații:

specificații pentru regim static (precizie, rezoluție, sensibilitate, liniaritate, repetabilitate). Caracteristicile și performanțele de regim static se referă la situația în care măsurandul are o valoare constantă sau foarte lent variabilă în timp.

specificații pentru regim dinamic, privind comportarea în domeniul timp (constanta de timp, timpul de creștere, timpul de stabilizare, timpul mort) și comportarea în domeniul frecvență (banda de frecvență, frecvența proprie, factorul de amortizare). Regimul dinamic al unui senzor corespunde funcționării acestuia în situația în care mărimea de măsurat și, ca urmare, și semnalul de ieșire variază rapid în timp.

Calibrarea senzorilor

Specificațiile senzorilor sunt determinate de către producător prin operația de calibrare, care permite reprezentarea sub formă grafică sau algebrică a relației dintre valorile mărimii de măsurat și cele ale mărimii de ieșire a senzorului, ținând cont de toți parametrii adiționali care pot influența răspunsul acestuia.

In cazul regimului static, măsurandul este o mărime unică, iar senzorul se consideră insensibil sau nesupus la acțiunea unor mărimi de influență (de exemplu, măsurarea distanțelor fixe cu ajutorul unui senzor potențiometric care nu depinde de temperatură, măsurarea unei forțe constante cu senzori compensați termic, măsurarea unei temperaturi stabile cu ajutorul unui termocuplu). În aceste cazuri, se realizează o calibrare simplă, care poate fi:

directă, când diversele valori ale măsurandului sunt furnizate de către etaloane sau elemente de referință a căror valoare este cunoscută cu precizie ridicată;

indirectă (prin comparație), când se utilizează un senzor de referință supus la acțiunea măsurandului în același timp și în aceleași condiții cu senzorul de calibrat.

In regim dinamic, atunci când nu se poate defini răspunsul senzorului doar prin intermediul mărimii de măsurat, trebuie specificată printr-o calibrare multiplă influența fiecărui parametru adițional.

Dacă senzorul este constituit din componente care pot avea histerezis (mecanic sau magnetic), valoarea mărimii de ieșire nu depinde doar de valoarea actuală a măsurandului, ci și de valorile sale anterioare. În acest caz, calibrarea presupune analiza senzorului supus la o succesiune ordonată de valori ale mărimii de măsurat (din origine, în ordine crescătoare, apoi în ordine descrescătoare, de la valoarea maximă obținută).

Viteza de variație a măsurandului (cu alte cuvinte, spectrul său de frecvență) este un parametru care afectează funcționarea oricărui senzor. Răspunsul în frecvență al senzorului definește domeniul de frecvență în interiorul căruia răspunsul este optim și cel mai adesea independent de viteza de variație; în exteriorul acestui domeniu performanțele senzorului scad în funcție de frecvență. În aceste condiții, este necesară realizarea unei calibrări duble: pe de o parte se determină răspunsul în frecvență al senzorului (obținut prin măsurarea mărimii de ieșire în funcție de frecvența măsurandului având amplitudine constantă), iar pe de altă parte se determină răspunsul senzorului în funcție de amplitudinea măsurandului (la frecvență fixă).

De asemeni, proprietățile fizice ale suportului material al măsurandului pot constitui parametri determinanți pentru răspunsul senzorului (de exemplu, capacitatea unui senzor capacitiv de nivel nu depinde numai de înălțimea lichidului, dar și de constanta sa dielectrică). În acest caz, se recomandă realizarea unei calibrări separate a senzorului pentru fiecare material cu care va fi utilizat.

În mod asemănător se procedează în cazul unor mărimi de influență. De exemplu, dacă temperatura mediului modifică răspunsul senzorului, se realizează o serie de calibrări la temperatură constantă și repetate pentru diverse temperaturi în domeniul de funcționare posibil. Pentru fiecare parametru care influențează răspunsul senzorului, producătorul furnizează date de calibrare corespunzătoare, pe baza cărora utilizatorul poate determina prin interpolare mărimea de ieșire în condiții experimentale.

Mărimi de influență

Mărimile de influență sunt acele mărimi fizice “parazite” ale căror variații pot conduce la modificarea mărimii electrice de ieșire a senzorului, care nu poate fi deosebită de acțiunea măsurandului. Principalele mărimi de influență la care poate fi sensibil senzorul sunt: – temperatura, care modifică caracteristicile electrice, mecanice și dimensionale ale componentelor senzorului;

presiunea, accelerația și vibrațiile care pot crea în anumite elemente componente ale senzorului deformații ce afectează răspunsul acestuia;

umiditatea, la care pot fi sensibile anumite proprietăți electrice ca rezistivitatea sau constanta dielectrică și care poate deteriora izolarea electrică între componente ale senzorului sau între senzor și alte elemente de circuit;

câmpuri magnetice variabile sau statice; primele generează tensiuni electromotoare de inducție care se suprapun peste semnalul util, iar celelalte pot modifica o proprietate electrică (de exemplu, rezistivitatea);

frecvența și amplitudinea tensiunii de alimentare.

În scopul evitării influenței acestor mărimi asupra semnalului de ieșire al senzorului, se urmărește: fie reducerea importanței mărimilor de influență la nivelul senzorului prin protejarea acestuia cu o izolare adecvată (de exemplu, blindaj magnetic, ecran electrostatic, suport antivibrator); fie stabilizarea mărimilor de influență la valori perfect cunoscute și etalonarea senzorului în aceste condiții (de exemplu, cu surse de alimentare regulatoare, incinte termostatate); fie utilizarea unor circuite care permit compensarea influenței mărimilor parazite.

Caracteristici metrologice

Limitele de utilizare

Fenomenele de natură mecanică, termică sau electrică la care este supus un senzor pot conduce, atunci când depășesc anumite nivele impuse, la modificarea caracteristicilor senzorului, specificate de producător. Pentru a evita acest lucru, este importantă cunoașterea unor limite de utilizare a senzorului, definite prin următorii parametri:

domeniul nominal de utilizare: corespunde condițiilor normale de funcționare a senzorului; limitele sale sunt valorile extreme care pot fi atinse permanent de mărimea de măsurat, mărimile fizice asociate sau mărimile de influență, fără a fi afectate specificațiile senzorului;

domeniul de nedeteriorare: dacă valorile măsurandului, mărimilor fizice asociate sau mărimilor de influență depășesc limitele acestui domeniu, caracteristicile metrologice ale senzorului suferă o modificare reversibilă (specificațiile senzorului revin la valorile inițiale atunci când condițiile de funcționare redevin cele ale domeniului nominal de utilizare);

limitele de distrugere: depășirea acestor limite de către valorile măsurandului, mărimilor fizice asociate sau mărimilor de influență conduce la modificare de natură ireversibilă a caracteristicilor senzorului;

domeniul de măsurare: este definit prin diferența valorilor extreme ale mărimii de măsurat, în cadrul căreia funcționarea senzorului satisface specificațiile date. Adesea, domeniul de măsurare coincide cu domeniul nominal de utilizare a unui senzor.

Sensibilitatea

Sensibilitatea reprezintă una din specificațiile cele mai importante ale unui senzor și se definește ca variația mărimii de ieșire a senzorului (∆y) raportată la variația mărimii măsurate care a provocat-o (∆x). Ea poate fi indicată ca sensibilitate absolută: sau ca sensibilitate relativă: .

Pentru diverși senzori bazați pe același principiu de funcționare, valoarea sensibilității poate depinde de natura materialului sau de dimensiunile elementului sensibil. De asemeni, sensibilitatea poate fi funcție de parametri adiționali care influențează răspunsul senzorului (tensiunea și frecvența de alimentare, temperatura mediului ambiant, frecvența variațiilor măsurandului). De exemplu, în cazul senzorilor tensometrici din materiale semiconductoare, la care temperatura este un parametru important, trebuie specificată pe de o parte sensibilitatea la o temperatură dată (de exemplu, 25ºC), iar pe de altă parte coeficientul de variație termică:

Frecvența de variație a mărimii de măsurat este un alt parametru care poate influența sensibilitatea; aceasta depinde de modul de funcționare a senzorului: funcționare statică sau dinamică.

La senzorii cu caracteristici statice liniare, sensibilitatea este constantă pe întreg domeniul de măsurare. In cazul senzorilor cu caracteristici de conversie neliniare, sensibilitatea absolută nu este constantă pe întreg domeniul de măsurare și se pot defini numai valori locale ale sensibilității:

,

unde Δy, Δx sunt variații reduse în jurul unui punct de coordonate (xi, yi).

Liniaritatea

Un senzor este liniar într-un domeniu de măsurare atunci când sensibilitatea sa nu depinde de valoarea măsurandului. Cu alte cuvinte, în plaja de liniaritate a senzorului semnalul la ieșirea acestuia este proporțional cu variația măsurandului. Rezultă astfel o prelucrare ușoară a semnalului în lanțul de măsurare. In cazul în care senzorul nu este liniar, fie se urmărește utilizarea senzorului pe anumite zone ale caracteristicii în care neliniaritățile sunt reduse, fie se introduc în cadrul sistemului de măsurare circuite de corecție (de liniarizare) a caracteristicii senzorului.

Abaterea de la liniaritate a caracteristicilor senzorilor este evaluată cu ajutorul erorii de neliniaritate:

.

O altă eroare care poate fi evidențiată din caracteristica senzorului este eroarea de histerezis, care apare atunci când se obțin două valori diferite ale semnalului de ieșire pentru aceeași valoare a mărimii de intrare, în funcție de sensul de variație a măsurandului (crescător sau descrescător).

Precizia

Precizia este indicată, în general, prin eroarea senzorului. Ținând cont de toate sursele de erori, precizia delimitează un interval în jurul valorii măsurate în interiorul căruia se găsește valoarea adevărată a măsurandului.

Cauzele erorilor care intervin asupra măsurării sunt multiple și complexe. O clasificare generală a acestora evidențiază: erori sistematice și erori accidentale.

Erorile sistematice au valori constante sau lent variabile pentru valori date ale mărimii de măsurat, introducând un decalaj constant între valoarea adevărată și valoarea măsurată. Erorile sistematice sunt cauzate, în general, de cunoașterea incompletă a caracteristicilor sistemului de măsurare sau de utilizarea sa necorespunzătoare. Câteva tipuri de erori sistematice sunt:

erori asupra mărimilor de referință (de exemplu, valoarea eronată a temperaturii de referință a unui termocuplu cauzată de un amestec apă – gheață impură);

erori asupra caracteristicilor senzorului: eroare asupra sensibilității sau curbei de etalonare (de exemplu, datorate îmbătrânirii componentelor senzorului sau acțiunii unor agenți chimici);

erori datorate condițiilor de utilizare: eroare de rapiditate (orice măsurare realizată înaintea atingerii regimului permanent este afectată de erori), eroare de interacțiune (chiar prezența senzorului poate afecta valoarea măsurandului).

Erorile accidentale au un caracter aleator, atât ca apariție, cât și ca valoare și sens. Dacă erorile sistematice pot fi determinate prin calcul sau procedee experimentale, erorile accidentale pot fi doar estimate pe baza unor măsurări repetate. Principalele tipuri de erori accidentale care pot afecta funcționarea unui senzor sunt:

eroare de mobilitate: variația măsurandului sub o anumită valoare nu conduce la o variație măsurabilă a mărimii de ieșire a senzorului (de exemplu, în cazul unui senzor potențiometric bobinat, deplasarea cursorului pe o distanță mai mică decât cea dintre două spire poate să nu genereze o variație a rezistenței electrice);

eroare de histerezis: răspunsul unui senzor poate depinde de sensul de variație al mărimii de măsurat;

erori datorate unor semnale parazite: cuplaje, variații ale tensiunii de alimentare, zgomot de fond produs de agitația termică a purtătorilor de sarcină în rezistențe sau componente active de circuit, etc.;

erori de influență: dacă variațiile mărimilor de influență au fost neglijate în operația de calibrare, acțiunea lor poate conduce la erori mari, ce nu pot fi compensate.

Erorile accidentale pot fi reduse în anumite situații printr-o serie de metode adecvate, cum ar fi: protecția senzorului și a celorlalte elemente ale sistemului de măsurare față de posibile cauze de erori (menținerea la temperatură și umiditate controlată, stabilizarea tensiunii de alimentare, suporturi antivibratorii, ecranări, legături la masă corespunzătoare, etc.), utilizarea unor moduri de funcționare adecvate (măsurare diferențială, detecție sincronă, etc.).

Indicatorul principal pentru exprimarea cantitativă a preciziei unui senzor îl reprezintă eroarea admisibilă sau tolerată, obținută prin însumarea mai multor componente de eroare, unele sistematice, care reflectă justețea senzorului, iar altele aleatoare, prin care se evidențiază fidelitatea sa. Trebuie menționat că anumite erori pot fi specificate separat, fiind în strânsă legătură cu particularități ale caracteristicii senzorului (de exemplu, eroarea de neliniaritate, eroarea de histerezis).

Erorile admisibile sunt exprimate sub formă normată, putându-se defini:

eroarea absolută: ,

unde a este o constantă a cărei valoare este exprimată în aceleași unități ca și măsurandul;

eroarea relativă:

eroarea raportată: ,

unde xc este o valoare convențională care poate fi: limita superioară a domeniului de măsurare (xmax), atunci când limita inferioară este zero; diferența celor două limite (xmax-xmin); valoarea nominală a măsurandului.

Eroarea tolerată se exprimă sub forma unor combinații de erori relative și raportate, în cazurile când eroarea are atât o componentă constantă independentă de valoarea măsurată, cât și o componentă variabilă liniar cu aceasta:

Pragul de sensibilitate (rezoluția)

Pragul de sensibilitate se definește ca cea mai mică variație a mărimii de măsurat care determină o modificare sesizabilă a mărimii de la ieșirea senzorului. Pragul de sensibilitate este un parametru important pentru senzorii analogici, fiind influențat de fluctuațiile datorate perturbațiilor interne și externe (zgomotul propriu componentelor electrice, frecările statice, jocurile în angrenaje la dispozitive mecanice, etc.).

Rezoluția reprezintă intervalul maxim de variație a mărimii de intrare necesar pentru a determina apariția unui salt al semnalului de ieșire. Rezoluția este un parametru important îndeosebi în cazul senzorilor numerici, a căror caracteristică statică variază în trepte. In acest caz, rezoluția este reprezentată de intervalul de cuantificare al mărimii de intrare și, pentru un domeniu de măsurare fixat, stabilește numărul de nivele analogice care pot fi reprezentate de semnalul de ieșire.

Rezoluția unui senzor poate să nu fie aceeași pe întreg domeniul de măsurare; în aceste situații, se consideră fie valoarea maximă a rezoluției, fie o valoare medie (atunci când diferențele nu sunt prea mari).

Timpul de răspuns

Timpul de răspuns este o măsură a rapidității senzorului, adică a vitezei cu care mărimea de la ieșirea sa urmărește în timp variațiile măsurandului. Altfel spus, timpul de răspuns este intervalul de timp scurs din momentul apariției unei variații a mărimii de măsurat până când variația mărimii de ieșire a senzorului devine egală cu o limită fixată convențional (ε% din valoarea finală). Așadar, timpul de răspuns trebuie specificat împreună cu această limită convențională: tr(ε%).

Un senzor este cu atât mai rapid cu cât timpul său de răspuns este mai mic. Timpul de răspuns, caracteristică a vitezei de evoluție a regimului tranzitoriu, poate fi exprimat în funcție de parametrii care determină acest regim.

Pe lângă tr(ε%) se definesc și alți parametri care permit cunoașterea mai exactă a regimului tranzitoriu (figura 1.9). In cazul în care variația măsurandului determină o creștere a valorii mărimii de ieșire a senzorului, se definesc:

timpul de întârziere la urcare (tîu): timpul necesar pentru ca mărimea de ieșire y să ajungă de la valoarea inițială la 10% din variația sa totală (valoarea de regim permanent);

timpul de urcare (tu): intervalul de timp corespunzător creșterii mărimii de ieșire de la 10% la 90% din variația totală;

constanta de timp (τ): caracteristică specifică elementelor de ordin întâi, reprezintă intervalul de timp în care mărimea de ieșire atinge 63.3% din valoarea de regim permanent;

coeficientul de amortizare (β) și frecvența proprie (ω0): determină timpul de răspuns al elementelor de ordinul al doilea.

In cazul scăderii valorii mărimii de ieșire a senzorului sub acțiunea măsurandului, se definesc în mod asemănător:

timpul de întârziere la cădere (tîc)

timpul de cădere (tc)

Figura 2.6. Intervale de timp caracteristice regimului tranzitoriu

repetabilitatea

Repetabilitatea este calitatea senzorului de a furniza la ieșire același semnal atunci când la intrare se aplică repetat aceeași mărime de măsurat, în condiții identice. Eroarea de repetabilitate este determinată realizând cel puțin două calibrări succesive; cauzele sale principale se regăsesc în erorile aleatoare din etapa de etalonare.

CAPITOLUL 3.

SENZORI ȘI TRADUCTOARE PENTRU DEPLASARE

Deplasarea este definită că o mărime fizică de natură mecanică ce oferă informații despre schimbarea poziției unui punct material sau a unui corp fată de un sistem de referință. Mărimi derivate din aceasta pot fi considerate: poziția, distanța, proximitatea.

Poziția reprezintă localizarea spațială a punctului sau corpului în raport cu sistemul de referință. Distanța reprezintă o măsura a poziției relative între două puncte sau între un punct și sistemul de referință. Proximitatea reprezintă situarea la foarte mică distanța a unui punct sau corp față de un reper fix.

În cele mai multe aplicații este necesară considerarea acestor mărimi ca fiind mărimi vectoriale astfel că este necesară determinarea atât a modului acestora cât și a sensului. Deplasarea ca mărime vectorială poate fi liniară când are loc după o traiectorie liniara sau unghiulară când are loc după o traiectorie circulară astfel ca o problema specifică traductoarelor de deplasare o reprezintă sistemele de cuplare la mărimea de măsurat, care pot fi atât liniare, cât și (mai ales) rotative.

Determinarea valorii unei deplasări, fie ea liniară sau unghiulară, permite măsurarea mai multor mărimi al căror efect primar se materializează prin modificarea poziției unui punct, suprafață sau corp în raport cu o referință cum ar fi de exemplu: presiune, forță, nivel, temperatura, etc.

În ceea ce privește deplasările liniare acestea la rândul lor se împart în două în funcție de domeniul maxim de măsură existând traductoare pentru deplasări liniare mici (până la 10-1 m) respectiv traductoare pentru deplasări liniare mari (până la 102…103 m).

Senzori rezistivi

Funcționarea acestor traductoare se bazează pe dependența dintre rezistența electrică R a unui conductor și lungime l, secțiunea S sau rezistivitatea ρ a materialului conform relației:

(3.1)

Elementul sensibil al unui traductor rezistiv poate fi realizat prin bobinarea cu pas uniform, spiră lângă spiră, a unui fir conductor pe un suport izolator (ceramică) sau prin depunerea unei pelicule rezistive continue de asemenea pe un suport izolator. Prima soluție tehnologică oferă avantajul unui curent de lucru mai mare dar are dezavantajele unei rezoluții limitate și a erorilor de contact iar cea dea două soluție are avantajele unei rezoluții practic infinite și a rezistenței relativ mare a elementului sensibil (< 500Ω) și dezavantajul unui curent de lucru limitat la ordinul mA.

Schemele tipice de utilizare a elementelor sensibile rezistive sunt: conexiunea reostatică (fig.3.1.a) și conexiunea potențiometrică (fig.3.1.b).

Pentru conexiunea reostatică elementul sensibil este conectat în serie cu rezistența de sarcina Rs astfel că la o

mărime de intrare reprezentată de deplasarea x a cursorului se obține ca mărime de ieșire curentul Ix conform relației (3.2) unde L0 reprezintă lungimea reostatului iar Rxmax reprezintă rezistența totală a elementului sensibil (reostatului).

(3.2)

După cum se observă și din fig.3.2 pentru a obține o caracteristica liniară trebuie ca Rs >> Rxmax dar îndeplinirea acestei condiții se face în detrimentul reducerii sensibilității astfel că utilizarea acestor traductoare se face pe baza unui compromis liniaritate/sensibilitate.

În cazul conexiunii potențiometrice (fig.3.1.b.) elementul sensibil este conectat ca un divizor de tensiune și în aceleași condiții pentru mărimea de intrare x se obține ca mărime de ieșire căderea de tensiune pe rezistența de sarcina Ux a cărei expresie este:

(3.3)

Și cazul acestui tip de conexiune liniaritatea

caracteristicii (fig.3.3) este cu atât mai buna cu cât este îndeplinită condiția : Rs >> Rxmax. Pentru această conexiune îmbunătățirea liniarității nu se mai realizează în detrimentul sensibilității ceea ce constituie un avantaj față de conexiunea reostatică. Din fig.3.4. se observă că sensibilitatea globală în cazul conexiunii reostatice este constantă pe întreg domeniul de măsură pe când la conexiunea potențiometrică sensibilitatea este comparativ mai buna dar este variabilă pe domeniul de măsură astfel că la alegerea tipului de conexiune se tine seama aceasta.

O altă posibilitate de utilizare a elementului sensibil rezistiv în construcția traductoarelor pentru deplasări mici este și conexiunea potențiometrică în punte, fig. 3.5.

Se presupune că două din brațele punții sunt formate din părți ale reostatului cu rezistența totală 2R utilizat ca senzor de deplasare și că pentru poziția mediana a cursorului puntea este echilibrată având

elementele R1=R2=R3=R4=R Ca urmare a deplasării cursorului cu distanța x rezistentele R3 și R4 se modifică cu valoarea r:

(3.5)

unde R/l reprezintă rezistența unitară astfel că

valorile acestora devin:

și (3.6)

Mărimea de ieșire a senzorului este considerată tensiunea de dezechilibru ΔU și prin aplicarea teoremei a două a lui Kirchhoff se obține:

de unde (3.7)

Tensiunile U1 și U2 rezultă aplicând principiul divizorului de tensiune:

(3.8)

iar tensiunea de dezechilibru:

(3.9)

și ținând seama de expresia rezistenței unitare se obține:

(3.10)

condițiile în care lungimea l și tensiunea de alimentare U sunt constante. Schema are și avantajul că prin determinarea polarității tensiunii de dezechilibru se poate sesiza și sensul deplasării.

Atât conexiunea reostatică cât și conexiunea potențiometrică pot fi utilizate și pentru măsurare deplasărilor unghiulare cu aceleași avantaje și dezavantaje ca și în cazul deplasărilor liniare. Pentru acest domeniu al deplasărilor unghiulare mici se utilizează mai ales conexiunea potențiometrică, elementele sensibile fiind denumite servopotențiometre și acestea putând fi de două categorii:

uniturn, la care se execută o singură rotație începând cu o poziție de zero până la αmax=355o÷358o

multiturn, la care rezistența este aplicată pe un suport elicoidal astfel că sec pot realiza 3÷10 rotații. Prin utilizarea unui sistem mecanic adecvat se pot utiliza și pentru deplasări liniare în domenii marii (5÷10 m).

Utilizarea senzorilor potențiometrici pentru toate aplicațiile implică luarea în considerare a câtorva măsuri de ordin tehnic astfel:

mișcarea cursorului pe suprafața rezistivă trebuie să se realizeze cu o forța de frecare cât mai mică;

mișcarea cursorului pe suprafața rezistivă trebuie să se realizeze cu viteza mică;

conectarea senzorului la obiectul aflat în mișcare se realizează printr-un sistem adecvat astfel încât să se transmită senzorului toți parametrii mișcării;

frecarea și tensiunea de alimentare (excitație) determina încălzirea senzorului;

se impune o stabilitate cât mai bună a parametrilor de mediu.

Senzori inductivi

La realizarea acestor traductoare se utilizează două principii, și anume: modificarea inductanțelor proprii sau mutuale prin deplasarea unui miez mobil respectiv modificarea întrefierului sub acțiunea mărimii primare.

Elementele sensibile cu modificarea inductanței sunt formate dintr-o bobina B de lungime l, în interiorul căreia se deplasează un miez M, sub acțiunea mărimii de măsurat x (fig.3.6.). Ca urmare a deplasării miezului are loc o variație a inductanței proprii Li(x) a bobinei care plecând de la forma expresiei inductanței unui circuit magnetic va fi de forma:

(3.8)

unde mărimile au următoarele semnificații:

N – numărul de spire al înfășurării;

Sf – suprafața secțiunii transversale a miezului;

lf – lungimea medie a circuitului magnetic;

δ(x) – lungimea întrefierului;

μr, μf- permeabilitatea întrefierului și miezului.

Se obține o caracteristică de transfer puternic neliniară, datorită câmpului magnetic neomogen creat în bobina și în plus apar forțe ce influențează deplasarea miezului. O atenuare a acestor dezavantaje poate fi realizată în varianta diferențială (fig.3.7.a.) ce constă din utilizarea a două bobine în interiorul cărora se deplasează sub influența mărimii primare un miez feromagnetic. Poziția de referință a miezului coincide cu mijlocul geometric al ansamblului celor două bobine. Având în vedere relația (3.8) precum și faptul că în acest caz apar două bobine înseriate dintre care una cu miez magnetic L1 și alta fără miez L2 și inductanța echivalentă este suma celor două inductanțe, după cum rezultă și din fig.3.7.b. există un domeniul în jurul poziției de referință în care caracteristica de transfer este aproximativ liniară.

Sesizarea efectului deplasării miezului magnetic în interiorul ansamblului celor două bobine se face prin conectarea acestora în brațele adiacente ale unei punți de impedanțe alimentată în c.a. de la o sursă cu tensiunea efectiva Uef și pulsația ω cunoscute și constante. Celelalte două brațe sunt realizate din câte o rezistență Rp de asemenea cunoscute și constante rezultând o tensiune de dezechilibru U(x) :

(3.9)

în care:

(3.10)

iar R, reprezintă rezistența ohmică a bobinelor L1, L2 și L12 reprezintă inductanțele proprii ale bobinelor și respectiv inductanța mutuală de cuplaj. Se constată că tensiunea de dezechilibru este o mărime complexa caracterizată prin modul și fază, faza indicând sensul de deplasare al miezului mobil. Traductoarele inductive cu astfel de elemente sensibile au domeniul maxim de măsură ±100 mm și asigură o precizie de max. 1%.

O variantă asemănătoare este aceea la care bobinele din montajul diferențial constituie secundarul unui transformator, traductoarele realizate astfel purtând denumirea de transformatoare diferențiale liniar variabile LVDT (Linear Variable Differential Transformer). Elementul sensibil este format dintr-o bobina primară și două bobine secundare plasate simetric într-o capsulă cilindrică în interiorul căreia sub influența mărimii primare se deplasează pe distanța x un miez ce asigură închiderea fluxului magnetic (fig. 3.8.a.).

Alimentarea în c.a. a înfășurării primare determină inducerea unei tensiuni în fiecare din cele două bobine secundare și deoarece acestea sunt legate în sens contrar, tensiunile induse sunt în opoziție de fază. Se obține astfel la ieșire o tensiune reprezentând diferența tensiunilor induse. Tensiunea de ieșire este nulă atunci când miezul se află în centru bobinei (poziția de referință) și are forma de variație prezentată în fig. 3.8.b. atunci când miezul se deplasează de o parte și de alta a poziției de referință. Acest mod de funcționare presupune alimentare bobinei primare de la o sursă de curent constant deoarece alimentarea de la o sursă de tensiune determină variația semnalului de ieșire în funcție de impedanța bobinei primare având în vedere mai ales variația cu temperatura a rezistenței conductorului bobinei. Se impune de asemenea păstrarea constantă a frecventei curentului de alimentare având în vedere influența acesteia în impedanța unei înfășurări. Aceste condiții pot fi realizate fizic alimentând

bobina primară prin intermediul unui oscilator care să furnizeze un semnal în tensiune cu amplitudine și respectiv frecvența constantă, semnal care ulterior este convertit într- un curent constant prin intermediul unui circuit specific. Schema bloc a adaptorului pentru LVDT prezentată in fig.3.9. utilizează un redresor sincron astfel încât semnalul de ieșire este un semnal de c.c.

Redresorul sincron este realizat cu un multiplexor analogic MUX și detector de trecere prin zero care convertește semnalul sinusoidal furnizat de oscilator în impulsuri dreptunghiulare utilizate la comanda multiplexorului. Există posibilitatea de a ajusta nivelul semnalului de ieșire astfel încât acesta să fie nul pentru poziția centrală miezului în interiorul senzorului LVDT. Amplificatorul de ieșire permite adaptarea nivelului semnalului de ieșire pentru următorul etaj. Se obține astfel un semnal de ieșire a cărui amplitudine indică gradul de depărtare al miezului față de poziția de referință și a cărui polaritate indică sensul deplasării.

Pentru măsurarea deplasărilor unghiulare se poate utiliza varianta rotativă a LVDT și anume Rotary Variable Differential Transformer (RVDT). Acestea sunt utilizate în general astfel încât să funcționeze pe un unghi de aproximativ ±40o față de poziția de referință ce corespunde și în acest caz poziției mediane a miezului magnetic astfel încât să se asigure o abatere de la liniaritate de cel mult 0,5%.

Utilizarea senzorilor de tip LVDT sau RVDT asigură următoarele avantaje:

rezoluție foarte buna;

sunt elemente fără contact astfel încât forța de frecare este neglijabilă;

histerezisurile magnetice și mecanice sunt neglijabile;

impedanța de ieșire foarte mică;

efecte neglijabile ale zgomotelor și interferentelor electrice;

– construcție solidă și robustă.

Adaptorul traductoarelor cu element sensibil de tip transformator diferențial poate fi un montaj de tip oscilator cu cuplaj inductiv realizat dintr-un amplificator și un circuit de reacție de tip circuit oscilant acordat.

Firma ANALOG DEVICES produce adaptorul AD598 pentru condiționarea semnalului furnizat de către LVDT sau RVDT a cărui schema bloc funcțională este asemănătoare schemei prezentate.

Principiul de realizare al traductoarelor inductive de deplasare cu modificarea întrefierului este prezentat în fig. 3.10 și la această grupă de traductoare parametrul variabil este reactanța inductiva X = ωL, unde ω este pulsația curentului, iar L reprezintă inductanța elementului sensibil care este dependentă de deplasarea armăturii mobile sub acțiunea mărimii primare.

Modificarea reactanței poate fi datorată variației atât a întrefierului δ cât și a secțiunii S a întrefierului. Inductanța bobinei in cazul când miezul magnetic este nesaturat poate fi exprimată prin relația (3.11) unde N reprezintă numărul de spire al bobinei, Rm reprezintă reluctanța miezului și armaturii, δ reprezintă lungimea întrefierului, iar S aria secțiunii transversale a întrefierului. Aproximația din relația (3.11) este dată de condiția de nesaturare a circuitului magnetic caz în care Rm << 2δ/S.

(3.11)

Pentru curentul I și tangenta unghiului de defazaj tgφ din circuitul bobinei rezultă:

(3.12)

(3.13)

unde R reprezintă rezistența înfășurării bobinei iar reprezintă impedanța sarcinii. Așa cum rezultă din ecuațiile (3.12), (3.13) se observă (fig.3.11) că orice variație a lungimii δx sau a secțiunii transversale Sx a întrefierului va acționa asupra valorii curentului sau defazajului.

Cu toată simplitatea sa acest element sensibil prezintă dificultăți de utilizare datorită caracteristicii puternic neliniare precum și datorită forțelor considerabile necesare pentru deplasarea armăturii mobile a miezului magnetic.

Pentru compensarea acestor neajunsuri, se utilizează de obicei elemente sensibile cu două bobine de reactanța conectate după o schema diferențială (fig. 3.12.a) sau după o schemă în punte (fig. 3.12.b). La orice valoare a întrefierului forțele de atracție se vor echilibra reciproc aproape în întregime astfel că pentru deplasarea armăturii mobile trebuie învinsă numai greutatea acesteia, eventual forțele de frecare determinate de greutate.

În cazul schemei diferențiale tensiunile U1 și U2 din secundarul transformatorului vor fi date de aplicarea legii inducției electromagnetice fiind egale, respectiv cu:

(3.14)

Ținând seama de expresia fluxului magnetic printr-un circuit și considerând reluctanța magnetică a miezului nulă (RmFe≈0) rezultă expresiile celor două fluxuri:

(3.15)

și respectiv expresiile celor două tensiuni:

(3.16)

Considerând că tensiunea de excitație din primar este o tensiune sinusoidală astfel că aceasta generează un curent de forma și respectiv că întrefierul inițial este egal pentru cele două secțiuni adică rezultă diferența de tensiune pentru o deplasare a armaturii mobile. Sub influența mărimii de măsurat are loc o deplasare x a armaturii mobile care va afecta lungimea întrefierului astfel încât și . În aceste condiții cele două tensiuni devin:

(3.17)

iar diferența de tensiune rezultă:

(3.18)

și se observa că această diferență de tensiune este o funcție de deplasarea x, de pulsația ω și de amplitudinea Im a curentului de excitație i și considerând cele două mărimi de excitație constante rezultă ΔU = f(x):

(3.19)

unde .

Se observă că pentru o deplasare mult mai mică decât lungimea întrefierului x << δ se obține o caracteristică aproximativ liniară a acestui tip de traductor inductiv de deplasare:

unde dacă (3.20)

În vederea compensării neliniarității se poate utiliza ca mărime de ieșire și fie diferența

curenților prin cele două înfășurări fie raportul acestora caracteristicile statice prezentate in fig.3.13.

Se poate utiliza de asemenea ca mărime de ieșire și unghiul de defazaj între cei doi curenți și anume:

(3.21)

Tot în categoria traductoarelor inductive pot fi considerate și transformatoarele de unghi respectiv selsinele, acestea din urmă putând fi: de tip resolver sau de tip inductosyn.

Transformatorul de unghi (fig.3.14.) este construit din două înfășurări dintre care una

reprezintă statorul sau primarul și este alimentată cu o tensiune u1:

(3.22)

Cea de-a două înfășurare constituie rotorul sau secundarul și ca urmare a deplasării unghiulare cu unghiul α față de stator, în aceasta înfășurare se induce tensiunea u2:

(3.23)

în care k reprezintă raportul de transformare între primar și secundar, iar φ defazajul propriu.

Traductorul de tip resolver este construit din două înfășurări statorice decalate electric cu 90o și un rotor monofazat (fig. 3.15.).

Dacă se alimentează statorul, rotorul devine indus și se disting două metode de

utilizare: cu modulație de amplitudine și cu modulație de faza. În cazul utilizării resolverului cu modulație de amplitudine pentru a măsura deplasarea unghiulară a unui ax (care antrenează rotorul) în raport cu o poziție de referință α0 se alimentează cele două înfășurări statorice, respectiv cu tensiunile:

(3.24)

Tensiunea indusă în rotor (3.24) va fi o funcție de deplasarea a axei rotorului față de axa înfășurării:

(3.25)

semnul fiind dat de sensul de parcurgere al înfășurărilor S1 și S2. Se obține astfel o tensiune periodică cu amplitudinea modulată cu sinusul (sau cosinusul) unghiului α0±α și care reprezintă deplasarea unghiulară față de poziția de referință α0.

În cazul utilizării resolverului cu modulația de fază cele două înfășurări statorice se alimentează cu tensiuni de aceiași frecvență și amplitudine dar decalate cu 90o electrice:

(3.26)

iar tensiunea indusă în rotor va fi:

(3.27)

și se observă că tensiunea rezultată are faza proporțională cu unghiul de deplasare relativ

dintre rotor și statorul S1.

Pentru ambele modalități de utilizare problema esențială constă în furnizarea tensiunilor de alimentare a înfășurărilor statorice. Aceste tensiuni pot fi generate analogic când se utilizează un alt resolver alimentat pe rotor astfel că pe cele două înfășurări statorice se culeg tensiunile necesare sau pot fi generate numeric utilizând tensiuni dreptunghiulare dependente de unghiul α0.

O metoda modernă pentru generarea tensiunilor de forma Usin2πf, Ucos2πf constă în baleierea cu frecvența N/f a unui spațiu de memorie ROM în care sunt înscrise cu precizia dorită valorile discrete ale funcției sinus, respectiv cosinus, calculate pentru un număr de N eșantioane pe o perioada. Pentru a obține o precizie bună (eroare < 1%) se recomandă utilizarea a 1 kO de memorie.

Inductosynul (Farand Industries Inc.) este de asemenea un transformator de unghi cu un număr foarte mare de poli desfășurat în plan și constructiv (fig. 3.16.) realizat din două discuri plane: unul mobil (rotor) solidar cu punctul a cărui deplasare se măsoară și celălalt fix

asociat cu elementul de referință. Înfășurările atât pe rotor cât și stator sunt realizate prin tehnica circuitelor imprimate, între cele două se află un mediu dielectric.

Tensiunea indusă în rotor (U0) depinde de poziția relativă dintre cele două înfășurări și este de forma:

(3.28)

unde k reprezintă raportul de transformare dintre cele două înfășurări p reprezintă pasul înfășurărilor, iar x deplasarea relativă dintre acestea.

Uzual există un decalaj inițial dintre cele două înfășurări astfel că tensiunea indusă în rotor este de forma:

(3.29)

În ambele cazuri pentru deplasarea corespunzătoare unui semipas, informația de deplasare este conținută în amplitudinea tensiunii induse iar numărul de treceri prin zero al acesteia indică numărul de semipași realizați ca urmare a deplasării.

Modele obișnuite de inductosyne au distanța dintre înfășurări de 0,178 mm, pasul p = 2 mm și domeniul de măsură cuprins în intervalul 250 mm ÷ 36 m asigurând o eroare de neliniaritate de 2,5 μm pentru modelele liniare respectiv de ±1" ÷ ±4" pentru modele rotative.

Alimentarea înfășurării primare se realizează cu o tensiune alternativă cu frecvența de 200 Hz până la 200 kHz, tensiunea rezultată în înfășurarea secundară fiind de până la 100 mV.

Senzori capacitivi

Traductoarele de acest tip utilizează elemente sensibile formate dintr-un condensator plan la care mărimea primară x poate modifică distanța dintre armături d, suprafața comună a armăturilor S sau permitivitatea dielectricului ε, având în vedere relația de definiție a capacității C în funcție de aceste mărimi.

Elementele sensibile realizate pe baza modificării distanței dintre armături pot fi realizate în varianta simplă (fig. 3.17.a) sau în varianta diferențială (fig.3.17.b).

Pentru varianta simplă variația de capacitate datorată acțiunii mărimii primare x este dată de relația:

(3.30)

și se observă o caracteristică statică puternic neliniară. Îmbunătățirea liniarității se poate obține prin folosirea unui montaj diferențial care este alimentat cu o tensiune sinusoidală U. Astfel capacitățile C1 și C2, având aceiași suprafață comună a armăturilor și același dielectric formează un divizor capacitiv de tensiune, se încarcă, respectiv, cu tensiunile:

(3.31)

Alegând ca mărime de ieșire tensiunea diferențială ΔU se obține:

(3.32)

ceea ce oferă o caracteristică statică liniară pentru acest tip de traductor.

Principiul de realizare al adaptorului pentru traductoare cu elemente sensibile capacitive este prezentat în fig.3.18. și constă în utilizarea unei punți de tip Sauty având în două brațe capacitățile diferențiale C1 și C2 și în celelalte două brațe capacitățile fixe C3 și C4. Puntea este alimentată cu o tensiune cu frecvența de 500…5000 Hz, iar tensiunea de dezechilibru este preluată de un amplificator A și un redresor sensibil la fază RS.

Pentru deplasări unghiulare există varianta rotativă a elementului sensibil diferențial capacitiv ce constă din două armaturi circulare egale ca suprafața și fiecare divizată în două părți izolate (fig.3.19) Una din cele două perechi formează rotorul, iar cealaltă statorul astfel că aria comuna a celor două armaturi este proporțională cu unghiul de deplasare α măsurată față de poziția de referință, reprezentată de poziția perpendiculară a suprafețelor izolatoare de pe fiecare armatura. Neglijând capacitățile parazite introduse de cele două armaturi se obțin patru condensatoare ale căror capacități sunt date de relațiile:

(3.33)

Conectând cele patru capacități într-o punte de măsură astfel încât C1 și C3 respectiv C2 și C4 sa fie dispuse pe brațele opuse ale punții se obține o tensiune

proporțională cu unghiul de deplasare α. Liniaritatea caracteristicii este influențată de distanța dintre armături, care trebuie din acest motiv să fie constantă. O sursă de erori este reprezentată de asemenea de capacitatea parazită a liniei între puntea de măsură și circuitul de prelucrare, această capacitate afectând atât liniaritatea cât și sensibilitatea traductorului.

Adaptoare specifice traductoarelor pentru deplasări mici

Utilizarea senzorilor rezistivi în realizarea traductoarelor pentru deplasări liniare mici nu pune probleme deosebite în ceea ce privește construcția adaptorului acesta fiind în principiu un amplificator de curent continuu realizat în general pe baza utilizării amplificatoarelor operaționale sau în cazul în care se impune realizarea adaptării de rezistența a amplificatoarelor de curent continuu cu modulare-demodulare. Unele probleme apar la realizarea traductoarelor cu senzori inductivi și respectiv capacitivi datorită necesității alimentării acestora cu o tensiune alternativa cu frecvența de regulă cuprinsă între 500÷5000 Hz.

După cum rezultă din ecuațiile de funcționare (3.20), (3.24), (3.26), (3.28) ale senzorilor inductivi semnalul de ieșire al acestora este o tensiune sinusoidală sau cosinusoidală cu amplitudinea dependentă de valoarea mărimii primare astfel că pentru a extrage informația utilă din aceste semnale se impune redresarea lor. Utilizarea schemelor clasice de redresare nu este posibilă datorită neliniarității introdusă de tensiunea de deschidere

a diodelor (U0≈0,6 V) care în foarte multe cazuri datorită nivelului mic al semnalului furnizat de senzor nu conduce la deschiderea diodelor. Eliminarea acestui inconvenient se realizează prin utilizarea redresoarelor de precizie a căror schemă de principiu este prezentată în fig.3.20. Principiul de realizare al redresoarelor de precizie constă în utilizarea unui amplificator operațional AO cu factor de amplificare în buclă deschisă (A > 25000) foarte mare și a diodelor D1 și D2 ca elemente redresoare.

Atâta timp cât tensiunea de deschidere a diodei D1 (pentru semialternanța pozitivă) nu este atinsă (dioda D2 fiind oricum blocată) amplificatorul lucrează în buclă deschisă și considerând A = 25000 și U0 = 0,6 V rezultă că valoarea tensiunii aplicate la intrare pentru a se obține tensiunea de deschidere este de 24 μV (0,6/25000). În momentul în care D1 se deschide se închide bucla de reacție și circuitul se comportă ca un amplificator inversor cu amplificarea A=R4/R1, iar tensiunea din punctul B urmărește tensiunea de la intrare (din punctul A). Deoarece D2 este blocată la ieșire nu se obține semnal, dar pentru semialternanța negativă D2 trece în conducție și la ieșire se obține o tensiune proporțională cu tensiunea de intrare factorul de proporționalitate fiind dat de raportul R4/R1 care poate fi și unitar (R4 = R1). Se obține astfel un redresor monoalternanță aproape perfect cu zona de ineficacitate pentru semnale de intrare extrem de mici (< 24 μV pentru cazul considerat). Prin adăugarea unui circuit de însumare se poate obține redresor dublă alternanță pe același principiu.

Pentru senzorii inductivi de tip TDLV și pentru senzorii capacitivi schema bloc adaptorului este prezentată în fig. 3.21.a, iar în figurile 3.21.b și respectiv 3.21.c sunt prezentate detalii de conectare a elementelor sensibile inductive și respectiv capacitive la adaptor.

Alimentarea senzorului se realizează prin intermediul unui oscilator care furnizează tensiunea de excitație a acestuia Uex astfel încât semnalul de ieșire este un semnal de c.a. care poate fi amplificat fără probleme cu ajutorul amplificatorului ACA. Elementul esențial în această structură este reprezentat de redresorul sensibil la fază (numit și redresor sincron RS) ce are rolul de a extrage semnalul util în prezența tensiunii Uex de alimentare a senzorului.

Același principiu poate fi utilizat și la extragerea semnalului util în prezența unei tensiuni de zgomot.

Principiul RS (fig.3.22.) constă în utilizarea unui element (de regulă dispozitiv electronic) cu rol de întrerupător K a cărui închidere și deschidere este comandată de același

oscilator pentru alimentare cu frecvența fref. Atâta timp cât K este închis tensiune de ieșire Ue = Δu și aceasta este zero cât K este deschis.

Considerând tensiunea de intrare Δu ca fiind sinusoidală:

(3.34)

și de aceiași frecvență cu frecvența tensiunii de comanda dar defazată cu unghiul φ și tensiunea de ieșire Ue are forma de dependentă de acest unghi (fig.3.23.).

Deoarece interesează valoarea medie a tensiuniide ieșire RS este urmat de un filtru trece jos (FTJ)caracterizat printr-o constantă de timp τ. Valoarea medie a tensiunii de ieșire se calculează cu relația:

(3.35)

și se obține:

(3.36)

Se observă că funcție de φ tensiunea medie la ieșire poate fi maxim pozitivă (φ = 0), zero (φ = 90) sau maxim negativă (φ = 180). Cazul φ = 90 se recomandă pentru folosirea RS în cazul detectoarelor de cuadratură unde acesta are rolul de indicator de nul.

Traductoare numerice de deplasare

Traductoarele numerice au avantajul esențial că oferă la ieșire un semnal electric ce poate fi utilizat, fără prelucrări ulterioare prin conversie analog-numerică, de către circuitele și sistemele digitale. Astfel de traductoare se pot folosi atât pentru deplasări liniare cât și pentru deplasări unghiulare și utilizează diverse suporturi pe care informația referitoare la deplasare este codată absolut sau relativ. Pentru deplasări unghiulare se utilizează discuri de codare, iar pentru deplasări liniare rigle de codare.

Un alt avantaj remarcabil al traductoarelor numerice este dat de faptul că acestea pot fi utilizate atât la măsurarea deplasărilor liniare mici, a deplasărilor liniare mari, cât și a deplasărilor unghiulare.

Există mai multe procedee de inscripționare și citire a informației dar rezultatele cele mai bune sunt asigurate de procedeul optic, prin care informația este dispusă pe suport, prin zone transparente și opace, respectiv reflectorizante și absorbante.

În funcție de modul de codificare a informației discurile, respectiv riglele de codare pot fi relativ (incremental) (fig.3.24) sau codificate absolut(fig.3.25).

Prin codificarea absolută se furnizează la ieșire un "cuvânt" binar (natural, BCD sau Gray) cu lungimea egală cu numărul pistelor și care corespunde poziției relative a riglei sau discului față de o poziție de referință. Cuvântul binar conține un număr de biți egal cu numărul pistelor iar valoarea unui bit poate fi 0 sau 1 după cum în timpul citirii capul de citire întâlnește o zona transparentă sau opacă.

Utilizarea unuia sau altuia dintre codurile binare este impusă de destinația informației, astfel dacă informația relativa la deplasare este utilizată pentru afișare directă este preferat codul BCD deoarece nu este necesară o conversie ulterioară iar dacă informația este utilizată pentru conducerea automată a unui proces este preferat codul binar natural datorită compatibilității directe a acestuia cu tehnica de prelucrare digitală. Utilizarea celor două coduri natural respectiv BCD are dezavantajul că din cele N tranziții N/2 se fac cu modificarea a mai mult de un bit ceea ce face ca în timpul tranziției pierderea unui bit să conducă la erori grosolane. Codul Gray sau codul reflectat este un cod simetric astfel că pentru toate cele N tranziții modificarea cuvântului se face prin modificarea unui singur bit. Rezoluția traductoarelor ce utilizează astfel de elemente sensibile este dată de numărul piste al codificatorului.

Utilizarea codificatoarelor absolute presupune existența unui cap de citire (sursa optică+fotodetector) pentru fiecare pistă ceea ce reprezintă un dezavantaj din punct de vedere al prețului de cost. Un alt dezavantaj este dat de necesitatea introducerii unei unități de calcul pentru deplasarea zeroului. La aceste dezavantaje se adaugă avantajele că informația nu se pierde în cazul dispariției tensiunii de alimentare și că eventualele impulsuri parazite au o influență neglijabilă asupra informației.

Elementele de codare se realizează de obicei sub formă de discuri de codare având în vedere posibilitatea conversiei, printr-un sistem adecvat, a deplasării liniare intr-o deplasare unghiulară și aceste discuri pot avea 4÷16 piste cu diametre intre 50 până la 175 mm. Creșterea rezoluției (preciziei) presupune mărirea numărului de piste ceea ce în final conduce la creșterea diametrului codificatorului soluție limitată din considerente de gabarit și de inerție. Structura adaptorului pentru traductoarele digitale ce utilizează astfel de elemente sensibile conține registre, decodificatoare, circuite de deplasare a zeroului eventual elemente de afișare.

Pentru obținerea informațiilor referitoare la deplasare cel mai bine se pretează codificatoarele incrementale rotative. Procedeul de măsurare al deplasărilor utilizând codificatoare incrementale are avantajele că nu necesită circuite electronice de prelucrare pretențioase, de regulă acestea fiind reprezentate în general de blocul de numărare precum și faptul că pentru orice poziție relativă intre capul de citire și codificator starea numărătorului care conține informația poate fi resetată astfel că se asigură o deplasare comodă a zeroului. La aceste avantaje trebuie adăugate și dezavantajele ce constau în faptul că pierderea unui impuls sau apariția unui impuls parazit determină erori de măsurare precum și în faptul că la pierderea tensiunii de alimentare se pierde informația și măsurătoarea trebuie repetată.

Codificatoarele incrementale se realizează frecvent sub formă de discuri și prin alternanța zonelor transparente și opace furnizează un tren de impulsuri ce au de regulă factorul de umplere de 50 % și rezoluția acestora poate fi cuprinsă între 100÷6000 de impulsuri/rotație. Deoarece creșterea rezoluției nu impune obligatoriu și creșterea diametrului aceasta fiind limitată de dimensiunea fotodetectorului se pot obține rezoluții apreciabile pentru discuri de codare cu diametre cuprinse între 25 și 80 mm.

Adaptoarele traductoarelor numerice cu codificatoare incrementale conțin un bloc de numărare ce oferă o ieșire numerică funcție de numărul de incrementare generate de disc

plecând de la o poziție de referință. Citirea este realizată de un cap optic format dintr-un

fotoemițător (LED) și un fotodetector (fotodioda FD, fototransistor FT). Sistemul de obținere și prelucrare a informației pentru traductoare incrementale este de obicei o grilă de scanare (vernier) formată din patru ferestre decalate geometric cu 1/4 din perioada geometrică corespunzătoare rețelei de pe disc (fig.3.26.a) astfel încât la deplasarea discului în raport cu această grilă fotodetectoarele plasate în dreptul ferestrelor (fig.3.26.b.) furnizează tensiunile Eij (fig.3.26.c.) defazate două câte două cu 180o electrice și respectiv cu 90o electrice. Aceste

forme de undă conduc la realizarea unui montaj diferențial astfel că la fiecare pereche de fotodetectoare sunt cuplate în perechi (e11 și e12 și respectiv e21 și e22). Tensiunile diferențiale ale fiecărei perechi după o amplificare corespunzătoare determină generarea a două tensiuni cvasisinusoidale defazate cu 90o electrice între ele. Se obțin astfel structura bloc a adaptorului (fig.3.27.a.) și respectiv formele de unda (fig.3.27.b.) Ue1 și Ue2. Prin intermediul unui bloc de formare FI (triggerare) se obțin două trenuri de impulsuri dreptunghiulare care sunt prelucrate în continuare.

Deoarece deplasarea este o mărime vectorială valoarea acesteia se obține prin numărarea impulsurilor u1 sau u2, iar sensul acestui vector se stabilește prin sensul de numărare incrementarea respectiv decrementarea numărătorului. Blocul de numărare în cazul măsurării deplasări sau poziției va fi format fie din numărătoare binare reversibile în cazul în care informația este utilizată într-o buclă numerică de reglare fie din numărătoare BCD reversibile în cazul în care informația este utilizată în vederea afișării acesteia pe un display.

Circuitele integrate β74193 (CDB 4193) și respectiv β74192 (CDB 4192) sunt numărătoare reversibile sincrone binare respectiv BCD realizate în tehnologie TTL, iar circuitele integrate MMC 40193 și respectiv MMC 40192 sunt numărătoare reversibile binare respectiv BCD realizate în tehnologie CMOS. La toate aceste numărătoare sensul de numărare este stabilit prin nivelul logic al uneia din cele două intrări de numărare precum și de frontul semnalului pe intrările complementare.

Determinarea condițiilor de funcționare se face ținând seama de funcționarea numărătoarelor pe un ciclu de funcționare complet înțelegând prin aceasta evoluția sistemului care plecând dintr-o stare considerată inițială comută succesiv într-un număr finit de stări stabile fiecare din acestea corespunzând unei situații reale și necesare din condițiile impuse. Ultima stare în care comută sistemul este identică cu starea inițială.

În conformitate cu funcționare numărătoarelor blocul logic numit și discriminator de sens trebuie să furnizeze la ieșire două semnale y1 și y2 astfel:

dacă impulsul u1 apare înaintea lui u2 reprezentând un anumit sens al vectorului la ieșire y1 trebuie să existe câte o tranziție 0→1 pentru fiecare impuls u1 iar ieșirea y2 să fie în starea "1 logic" pentru fiecare tranziție 0→1 a ieșiri y1;

dacă impulsul u2 apare înaintea lui u1 reprezentând sensul opus al vectorului la ieșirea y2 trebuie să existe câte o tranziție 0→1 pentru fiecare impuls u2, iar ieșirea y1 să fie în starea "1 logic" pentru fiecare tranziție 0→1 a ieșirii y2.

Cele două semnale de ieșiri y1 și y2 corespund intrărilor CU și respectiv CD ale blocului de numărare.

În vederea realizării sintezei discriminatorului se consideră acesta un automat secvențial și se construiește graful de tranziție al stărilor și în continuare funcțiile logice în conformitate cu principiile de sinteză ale automatelor secvențiale. Determinarea funcțiilor de excitație x1, x2 și respectiv a funcțiilor de ieșire y1, y2 se face utilizând metoda diagramelor Karnaugh și se obțin funcțiile logice respective reprezentate de relațiile (3.37):

(3.37)

În vederea materializării funcțiilor logice pentru implementarea acestora cu ajutorul completelor logice universale de tip NAND se transformă funcțiile de excitație și respectiv de ieșire cu ajutorul teoremelor De Morgan, rezultând schema logică prezentată în fig.3.28.

Deoarece există și numărătoare reversibile a căror funcționare într-un sens sau altul este comandată printr-o unică intrare UP/ DOWN astfel încât un nivel 1 logic pe această intrare comandă incrementarea numărătorului, iar un 0 logic pe aceeași intrare comandă

decrementarea numărătorului. Atât incrementarea cât și decrementarea se realizează ca

urmare a impulsurilor aplicate pe intrarea CLOCK. O astfel de funcționare este caracteristică numărătoarelor MMC 4510 (numărător BCD) și MMC 4516 (numărător binar), ambele realizate în tehnologie CMOS respectiv 74190 (numărător BCD) și 74191 (numărător binar), ambele realizate în tehnologie TTL.

Pentru comanda unui bloc de numărare realizat cu astfel de numărătoare sunt necesare două semnale de comandă unul corespunzător intrării UP/ DOWN pentru selectarea sensului de numărare și unul corespunzător intrării de tact (CLOCK). Blocul logic ce trebuie sa

furnizeze astfel de semnale are ca mărimi de intrare semnalele furnizate de un codificator

incremental cu grilă de scanare. Schema blocului logic pentru comanda acestor tipuri de numărătoare prezentată în fig.3.29. formează semnalul de comandă al sensului de numărare prin intermediul a doi bistabili de tip D. Pentru adaptarea semnalelor de intrare u1 și u2 inversoarele C11 și C12 precum și C13 sunt de tipul trigger Schmitt (7414). Porțile NAND C21

și C22 conectate la primul bistabil în capsula 7474 asigură selecția sensului de numărare în funcție de semnalul care are prima tranziție 0→1. Semnalul de tact este furnizat blocului de numărare prin intermediul porților inversoare C31÷C34 ce au rolul de a asigură o mică întârziere până la stabilizarea semnalului de comanda a sensului de numărare.

Traductoare pentru deplasări liniare mari

Deplasările liniare mari de ordinul metrilor sau zecilor de metrii se pot măsura direct cu elemente sensibile liniare de tip riglă optică codată absolut sau incremental sau indirect cu elemente sensibile unghiulare de tip inductosyn sau numeric de tip disc codat absolut sau incremental.

Pentru deplasări foarte mari se utilizează traductoare cu radiații electromagnetice numite și telemetre. Principiul utilizat la realizarea acestor traductoare se bazează pe:

viteza finită de propagare a radiației într-un mediu;

atenuarea amplitudinii radiației datorită absorbției în mediile prin care se propagă;

formarea undelor staționare.

Teoretic se poate utiliza orice tip de radiație dar cele mai utilizate sunt radiațiile luminoase (laser), ultrasunete și undele radio.

Schema bloc a unui telemetru cu laser este prezentată în fig. 3.30.

Sub acțiunea blocului de comanda laserul transmite spre obiect un impuls concomitent cu setarea unui circuit basculant bistabil (CBB).

Filtrul optic selectează numai radiația utilă, cu aceiași lungime de undă cu cea emisă. Ca urmare a reflexiei impulsul se întoarce fiind detectat de fotodetectorul FD care comandă resetarea bistabilului după un timp t reprezentând timpul în care este parcursă distanța l până la obiect atât de unda directă cât și de unda reflectată. Notând cu c viteza de propagare a luminii valoarea intervalului de timp va fi:

(3.38)

Pe acest interval de timp bistabilul ține poarta logică de tip ȘI deschisă astfel că numărătorului i se aplică impulsuri cu frecvența f furnizate de către oscilator, conținutul acestuia devenind

(3.39)

considerând constante și cunoscute frecvența oscilatorului și viteza de propagare a radiației în mediul respectiv.

Pe același principiu funcționează și telemetrele cu ultrasunete care însă sunt utilizate de regulă la măsurarea grosimii unor materiale și telemetrul cu unde radio (radar).

CAPITOLUL 4

DESCRIEREA MODULULUI

Ce este giroscopul ?

Giroscopul, în termeni simpli, este un mic dispozitiv folosit la măsurarea și menținerea orientației. În ziua de azi, aproape orice telefon mobil are un mic giroscop pe care îl utilizează atunci când se schimbă poziția ecranului din modul Portrait în Landscape. Avioanele, elicopterele sau aparatele de zbor în general, utilizează giroscoape ce le ajuta la orientarea în spatiu.

La ce se poate utiliza un stabilizator giroscopic ?

Stabilizatorul giroscopic se poate utiliza pentru a echilibra o cameră de filmat, pentru a echilibra o dronă ce se află în zbor, un avion cu radiocomandă sau un robot de tip Segway.

Stabilizatoarele giroscopice performante utilizează o gamă variată de motoare, servomotoare, motoare pas cu pas, în functie de aplicatie.

Platforme stabilizate giroscopic

În cadrul sistemelor de navigație prin inerție, platformele stabilizate îndeplinesc următoarele funcții:

asigură orientarea axelor de sensibilitate ale accelerometrelor după direcțiile reperului inerțial sau neinerțial, indiferent de mișcarea vehiculului, simplificând în mod esențial calculele de navigație;

oferă posibilitatea utilizării giroscoapelor de pe platforme ca aparate de zero;

izolează accelerometrele și giroscoapele de oscilațiile și vibrațiile vehiculului;

pot furniza informații privind mișcările de ruliu, de tangaj și de girație ale vehiculului.

Stabilizarea automată a unei platforme constă în modelarea la bordul vehiculului a unui reper față de care se orientează platforma, indiferent de perturbațiile create de mișcarea vehiculului. În funcție de numarul de axe dupa care se realizează stabilizarea, platformele giroscopice (stabilizatoarele giroscopice) pot fi cu una, doua sau trei axe. Stabilizatoarele giroscopice cu două sau trei axe sunt în general constituite din două sau trei stabilizatoare cu o axă, independente sau interconectate.

CONSIDERAȚII ASUPRA PLATFORMELOR STABILIZATE GIROSCOPIC

Din punct de vedere a soluțiilor tehnice actuale, pe plan mondial, privind modul de integrare a platformelor multisenzor, se poate observa că acestea sunt integrate în platforme de stabilizare giroscopică, atunci când sunt în componența mijloacelor mobile, terestre, navale sau aeriene.

Față de centralele giro de direcție, platformele giro încorporează și alte sisteme, cum ar fi:

sisteme de reglare automată a poziției cadrelor;

sisteme automate de reglare termică;

accelerometre pentru navigația inerțială;

sisteme automate de corecție în funcție de viteza de rotație a Pământului cu latitudinea;

sisteme de corecție în funcție de deriva polilor magnetici;

sisteme de corecție în funcție de viteza și altitudinea aeronavei;

sisteme de corecție în funcție de convergența meridianelor;

sisteme de corecție în funcție de traiectoria de zbor;

calculatoare de coordonate;

sisteme antiprecesie etc.

În funcție de tipul mijlocului mobil pe care este îmbarcat și în funcție și de misiunile sistemului de achiziție și urmărire a țintei, pe parcursul desfășurării proiectului se va analiza și justifica cu ce anume sisteme din cele menționate mai sus este necesar a fi echipată platforma giro. De asemenea se va stabili configurația platformei girostabilizate alături de configurația fizică și funcțională a sistemului de senzori care urmează a fi integrați.

4.1. Configurația și funcționarea platformelor de stabilizare giro cu o axă

Girostabilizatorul cu o axă este un sistem închis de reglare automată în raport cu mărimea și direcția de acțiune a momentului forțelor exterioare.

Figura 4.1: Schemă principială sistem stabilizare giro cu o axa

Sub acțiunea unui moment perturbator My orientat pe direcția axei cadrului exterior al girostabilizatorului apare o viteză unghiulară de precesie și ca urmare, un moment giroscopic orientat în sens opus momentului exterior perturbator. Pe măsura creșterii unghiului , crește și momentul de sarcină al buclei de reglare, care coincide ca direcție cu cel giroscopic.

Astfel, momentul forțelor exterioare ce acționează în jurul axei cadrului exterior al suspensiei cardanice se echilibrează nu numai cu momentul giroscopic dar și cu momentul dezvoltat de motorul de corecție. Dacă momentul cinetic K este mic, atunci momentul giroscopic poate fi neglijat în raport cu celelalte momente. În acest caz stabilizarea cadrului exterior este realizată de momentul de sarcină și de inerția acestuia. În acest fel giroscopul îndeplinește numai funcția de măsură (ca un giroînclinometru). Giroscopul măsoară în acest caz unghiul de rotație al cadrului exterior al suspensiei cardanice în jurul axei de stabilizare. Deci, în situația în care momentul cinetic K este mic, nu este necesară bucla de reglare, echipamentul fiind de fapt un stabilizator-indicator.

4.2. Configurația și funcționarea platformelor de stabilizare giro cu două axe

Această giroplatformă cu două axe are două grade de libertate în raport cu purtătorul pe care este montată. Rotația platformei în jurul axei OZ într-un plan perpendicular, care conține axa de stabilizare, are loc împreună cu vehiculul purtător. Giroscoapele G1 și G2 fixate pe platforma 11 efectuează mișcări de precesie proprii, iar împreună cu aceasta execută mișcări de precesie în jurul axelor de stabilizare ale girostabilizatorului. Cadrele de suspensie ale girostabilizatorului sunt reprezentate de platforma 11 (cadrul interior al articulației cardanice) și cadrul exterior 12 (cadrul de tangaj). Giroscoapele au câte două grade de libertate în raport cu platforma de ruliu 11.

Figura 4.2: Schemă principială sistem stabilizare giro cu două axe

Ecuațiile de mișcare ale girostabilizatorului în raport cu axele de stabilizare OX și OY sunt prezentate și explicitate detaliat în literatura de specialitate.

4.3. Configurația și funcționarea platformelor de stabilizare giro cu trei axe

Girostabilizatorul cu trei axe se deosebește față de cel cu două axe prin aceea că are libertate totală de rotație (trei grade de libertate) în raport cu purtătorul. Unghiurile sale de rotație în jurul axelor cadrelor suspensiei cardanice sunt nelimitate, în timp ce unghiul de rotație în jurul axei medii, în virtutea acelorași factori ce apar în stabilizatorul cu două axe, de regulă nu depășește 45º-60º.

Figura 4.3: Schemă principială sistem stabilizare giro cu trei axe

Girostabilizatorul cu trei axe poate fi folosit atât ca stabilizator de forță, cât și combinat (stabilizator de forță și indicator).

Originea 0 a sistemului de coordonate OXiYiZi legat de girostabilizator se alege în centrul de masă al vehiculului purtător.

Vitezele unghiulare proprii de precesie ale girostabilizatorului cu trei axe sunt mult mai mici decât cele ale girostabilizatoarelor cu una sau două axe, deoarece vitezele unghiulare de transport în jurul rotoarelor giroscoapelor sunt mult mai mici.

Pentru determinarea erorilor dinamice există relații explicitate în literatura de specialitate.

Principalele perturbații care generează erorile dinamice ale girostabilizatorului cu trei axe sunt momentele forțelor exterioare ce apar la oscilațiile aparatului de zbor.

În figura 4.4 este prezentat un girostabilizator-indicator echipat cu giroscoape integratoare pentru determinarea poziției în spațiu a giroplatformei. Acestea măsoară unghiurile de rotație ale platformei girostabilizatorului. Giroscoapele folosite sunt în general echipate cu flotor. Flotorul giroscopului integrator este legat de platforma girostabilizatorului prin intermediul unui lichid vâscos, care umple spațiul dintre flotor și corpul giroscopului.

Figura 4.4: Schemă principială sistem stabilizare giro cu trei axe

4.4. Platforma biaxială stabilizată giroscopic

O platforma giroscopică biaxială are două grade de libertate în raport cu vehiculul pe care este montată. Rotația platformei în jurul axei PZ’ (Fig. 4.5) într-un plan perpendicular care conține axa de stabilizare are loc impreună cu vehiculul. Giroscoapele G1 și G2 fixate pe platforma 11 efectuează mișcări de precesie proprii, iar împreună cu aceasta execută mișcări de precesie în jurul axelor de stabilizare ale girostabilizatorului. Cadrele de suspensie ale girostabilizatorului sunt reprezentate de platforma 11 (cadrul interior al articulației cardanice) și cadrul exterior 12 (cadrul de tangaj). Giroscoapele au câte două grade de libertate în raport cu cadrul (platforma) de ruliu 11.

Fig. 4.5. Schema de principiu a unei platforme biaxiale stabilizată giroscopic:

1 și 8 – angrenaje de corecție în ruliu și tangaj; 2 și 7 – motoarele de corecție în ruliu și tangaj; 3 și 10 – traductoarele de cuplu de pe axele de precesie; 4 și 6 – amplificatoarele (rețelele de corecție) ale sistemelor de stabilizare în ruliu și tangaj; 5 și 9 – detectoarele de unghi de precesie; 11 – cadrul (platforma) de ruliu; 12 – cadrul de tangaj.

Ecuațiile de mișcare ale girostabilizatorului în raport cu axele de stabilizare PX' și PY" sunt:

(4.1)

iar cele în raport cu axele de precisie sunt:

(4.2)

în care:

α și β – sunt unghiurile de rotație ale girostabilizatorului în jurul axelor PY" și PX';

– valoarea staționară a unghiului β;

– viteza unghiulară de transport a girostabilizatorului;

, – vitezele unghiulare relative ale giroscoapelor G1, G2 în raport cu cadrul de ruliu în jurul

axelor lor de precesie;

J1 – momentul de inerție al girostabilizatorului în raport cu axa PY";

J 2 – momentul de inerție al girostabilizatorului în raport cu axa PX';

J 3 , J 5 – momentele de inerție ale giroscoapelor G1 , G2 în raport cu axele lor de precesie;

J 4 , J 6 – momentele de inerție ale carcaselor giroscoapelor G1 , G2 față de axele rotoarelor lor;

k1 , k2 – coeficienți de proporționalitate ai momentelor corespunzatoare vitezelor unghiulare , ;

, – momentele perturbatoare în jurul axelor de stabilizare;

, – momentele perturbatoare în jurul axelor de precesie;

, – momentele de corecție după axele de stabilizare;

, – momentele de corecție după axele de precesie.

Mișcarea liberă a girostabilizatorului corectat este descrisă de ecuațiile:

(4.3)

Fiecare canal al girostabilizatorului este un element oscilator. Pulsațiile proprii de nutație sunt:

(4.4)

iar factorii de amortizare:

(4.5)

Reacția girostabilizatorului biaxial la momente perturbatoare ce acționează în jurul axelor lui de precesie și de stabilizare se determină similar ca la girostabilizatorul monoaxial.

Principalele momente perturbatoare ce apar în jurul axelor de precesie și de stabilizare sunt: momentele generate de forțele exterioare, momentele de frecare din lagarele suspensiilor cardanice ale girostabilizatorului și momentele generate de momentele de inerție ce apar în mișcarea de oscilație și la rotirea cadrelor suspensiei cardanice, precum și momentele generate de momentele de inerție ce apar la rotirea corpului girostabilizatorului ca urmare a nesimetriilor sale geometrice. Pe linga acestea, apar și momente generate de momentele de inerție produse de nebalansarea statică a elementelor girostabilizatorului în regim de zbor nestabilizat.

Pentru reducerea componentei dinamice a vitezei proprii de precesie a girostabilizatorului trebuie reduse vitezele unghiulare de precesie ale giroscoapelor. Pentru aceasta, giroscoapele pot fi amplasate astfel încât vectorii momente cinetice și să fie paraleli cu suprafața stabilizată a girostabilizatorului. În acest caz axele de precesie ale giroscoapelor sunt paralele cu axa PZ'. Această soluție prezintă inconvenientul că în circuitele de corecție ale girostabilizatorului apar perturbații la mișcarea de transport în jurul axei PZ'. De aceea este indicat a se folosi patru giroscoape (câte două pe fiecare axă, montate ca în fig. 4.6).

Fig. 4.6 Platforma giroscopică monoaxială cu doua giroscoape

Unghiul de rotație în jurul axei exterioare a suspensiei cardanice a girostabilizatorului cu doua axe este nelimitat, iar cel în jurul axei interioare de regulă nu depaseste 45º-60º. Odată cu cresterea lui se reduce frecvența de nutație. Proporțional cu creste momentul de inerție al girostabilizatorului în raport cu axa perpendiculară pe planul cadrului exterior în prezența accelerațiilor unghiulare în jurul acestei axe.

CAPITOLUL 5

REALIZAREA CONTROLULUI GIROSCOPIC

5.1. Controler BGC3.1(brushless gimbal controller)

Fig. 5.1.BGC3.1 Style Board

Controlerul poate fi folosit pentru construcția unui stabilizator cu 2 axe de înaltă calitate pentru camere foto-video portabile.

Este utilizat pentru acționarea directă a motoarelor fără perii (Brushless DC electric motor, prescurtat BLDC motor). Axul motorului BLDC este foarte asemănător cu axul servomotoarelor uzuale. Principala diferență- fiecare axă de rotatie trece prin centrul de greutate (CG) din Camera+corpul stabilizatorului și conectată la motorul BLCD. Lipsa vitezei permite ansamblului să utilizeze inerția sistemului. În caz de echilibru ideal al camerei, sistemul este stabilizat, fără rezistență și chiar fără a avea nevoie de aplicarea forței de control suplimentar, care permite camerei să prelucreze imagini fără a fi perturbate.

Pentru a controla motoarele, a fost proiectat un controller special. Acesta primește informații de la giroscop și accelerometru montate pe platforma camerei.  Un algoritm standard IMU este utilizat pentru a defini unghiul de înclinare al aparatului de fotografiat. Controlerul  PID calculează valoarea de compensare și trimite comanda la unitatea de putere, care controlează curentul în înfășurările statorice și, astfel, direcția vectorului de câmp magnetic din rotor. 

Fig. 5.2.Schema de conectare BGC3.1

Datorită faptului că se folosește un senzor IMU, partea mecanică a sistemului este foarte simplă. Nu este nevoie de encodere complexe și costisitoare de înaltă calitate pentru fiecare axă.  Acesta oferă o calitate impresionantă de stabilizare în raport cu servomotoarele obișnuite.

Pentru proiectarea mecanică a cadrului gimbal trebuie respectate câteva cerințe de bază:

Posibilitatea de echilibrare precisă pe cele două axe. Cu cât echilibrul este mai bun, cu atât necesitatea de stabilizare este mai mică.

Rigiditate mecanică de a purta elemente pentru a preveni rezonanțele de la elice în timpul zborului.

Minimizarea frecării la nivelul articulațiilor. 

Eliminarea vibrațiilor din cadru. Vibrațiile au un impact negativ asupra calității video. Un alt efect negativ în cadrul sistemului îl reprezintă vibrațiile ce produc auto-excitația controlerului în buclă închisă.

Dimensiuni ale operatorului, mm.

Fig. 5.3. Dimensiunile BGC3.1 Style Board

Specificațiile controlerului:

• Conector USB (FTDI nu este necesar)
• VBUS stabilizat (port USB)
• Pin ieșire optimizat GND, A1 și A2 GND, multi-port, 5V
• L6234 driver pentru motoare fără perii
• 2 ieșiri pentru motoare fără perii
• 4 intrări de recepție
• 6 intrări analogice
• Port serial disponibil
• LED de putere (albastru)
• LED-uri mici de pe USB
• Găuri de montare stilul standard MK 45 mm x 45 mm
• 2 în loc de 4 diode de sticlă SOT23
• 5V mai bine stabilizat

5.2. Accelerometru + Giroscop IMU MPU 6050

Inertial Measurement Unit – IMU

IMU a venit în multe forme și mărimi. Ele toate folosesc același chip-MPU 6050 Invensense și au utilizări multiple în mai multe dispozitive.

Fig. 5.4. IMU-forme si marimi

Familia MPU-6000/MPU-6050 ™ de piese sunt primele și singurele dispozitive din lume cu 6-axe de urmarire a mișcării concepute pentru puteri mici, precum și cerințe de înaltă performanță pentru smartphone-uri, tablete și senzori portabili, deoarece oferă un mod intuitiv pentru consumatori de a interacționa cu dispozitivele electronice pentru urmărirea mișcarii în spațiu liber și perceperea acestor mișcări ca intrări de comendă.

Fig. 5.5. Modul MPU6050

Modulul MPU-6050 combină un giroscop cu 3 axe și un accelerometru cu 3 axe pe aceeași cip împreună pe o placa Digital Motion Processor (DMP) capabil să prelucreze algoritmi complecși pentru 9 axe . Permite dispozitivelor să adune un set complet de date de la senzori prin intermediul magistralei I2C, fără intervenția procesorului.

Cele mai multe placi de IMU au "X" pozitiv și "Y" săgețile indicatoare imprimate pe placă. Dacă aceste săgeți nu sunt imprimate pe placă, utilizați următoarea hartă direcțională pentru orientare. Cipul are o gropiță pe un colț, care este folosită pentru a seta aceste direcții.

Fig. 5.6. Hartă direcțională pentru orientare

Pentru o urmărire precisa atât a mișcarilor rapide și lente, componentele dispun de un giroscop programabil de către utilizator pe scară largă în interval de ± 250, ± 500, ± 1000, și ± 2,000 ° / sec (DPS) și un accelerometru programabil de utilizator pe scară largă în interval de ± 2 g , ± 4 g , ± 8 g , și ± 16g . Funcțiile suplimentare includ un senzor de temperatură încorporat și un oscilator cu variatie de ± 1% față de intervalul de temperatură de funcționare.

Folosește filtre digitale programabile pentru giroscop, accelerometru, și senzorul de temperatură;

Ieșire digitală pentru senzorul de temperatură, 9-Axe digital motion processor (DMP)

Magistrală auxiliară I2C pentru citirea datelor de la senzori externi;

Minim de sensibilitate încrucișată între axele accelerometrului și axele giroscopului;

Frecvență de 400kHz a magistralei I2C pentru a comunica cu toate registrele.

Caracteristicile Giroscopului

Giroscopul MEMS cu 3 axe în MPU6050 include o gamă largă de caracteristici:

Ieșiri digitale ale axelor X, Y și Z;

Senzori de viteză unghiulară (giroscoape), cu o gamă scară largă programabile de utilizator de ± 250, ± 500, ± 1000, și ± 2,000 ° / sec;

Semnal de sincronizare extern conectat la pinul FSYNC suportă imagine, video și GPS-ul de sincronizare;

Integrat pe 16-biți ADC ce permite prelevarea de probe simultane de giroscoape;

Performanță îmbunătățită zgomot de joasă frecvență;

Filtru digital programabil trece-jos;

Curent de operare Giroscop: 3.6mA;

Curent de standby: 5μA;

Factorul de sensibilitate calibrat din fabrică.

Caracteristicile Accelerometrului

Accelerometrul MEMS cu 3 axe în MPU-60X0 include o gamă largă de caracteristici:

Ieșire digitală a accelerometrului cu trei axe, cu o gamă programabilă pe scară largă de ± 2g, ± 4g, ± 8g și ± 16g;

Integrat pe 16-biți ADC ce permite prelevarea de probe simultane de accelerometre în timp ce nu necesită multiplexor extern;

Curent de operare accelerometru de: 500μA;

Mod redus de putere al curentului: 10μA la 1.25Hz, 20μA la 5Hz, 60μA la 20Hz, 110μA la 40Hz;

Detectare orientare și semnalizare;

Detectare apăsare;

Intreruperi programabile de utilizator;

Intrerupere cădere liberă;

Intrerupere de mare G;

Auto-test.

5.3. Motorul electric de curent continuu fără perii

Motorul de curent continuu fără perii (fără colector), în engleză Brushless DC electric motor, prescurtat BLDC motor, este un motor electric de curent continuu, la care comutația căilor de curent necesară învărtirii rotorului se realizează electronic. Poate fi numit și motor de curent continuu fără colector, fiindcă colectorul și periile colectoare formează împreună (la motorul cu perii), un dispozitiv complet de comutare electromecanică.

Fig. 5.7. Motor de c.c. fara perii- GB 2208 90KV

Motorul fără colector și perii, este un motor electric sincron alimentat în curent continuu, care funcționează cu ajutorul unui sistem electronic de comutație. Comutarea necesară rotirii rotorului este comandată și controlată prin intermediul unui circuit electronic microprocesor.

Motorul de curent continuu fără perii posedă înfășurări statorice și magneți permanenți pe rotor. Înfășurările sunt conectate la sistemul electronic de control și nu există perii și comutatoare în interiorul motorului. Partea electronică alimentează înfășurările proprii similar unui comutator, bobinele sunt alimentate într-un model de mișcare rotativă în jurul statorului.

Înfășurările statorice alimentate de tensiune, încarcă magnetul rotorului. 

Motoarele BLDC sunt mai eficiente, sunt mai rapide și mai silențioase, și necesită o parte electronică pentru controlul câmpului învârtitor. Motoarele BLDC sunt, de asemenea mai ieftine în fabricare și eficiente de întreținut.    

Fig. 5.8. Sectiune transversală a motorului de c.c. fără perii

Avantaje față de motorul cu colector

Principalul avantaj este o comutare "fără scântei de perii", care reprezintă la motorul cu perii un factor de distorsiune a sistemului de alimentare de curent continuu, prin reinjectarea de impulsuri parazite în sens invers. Impulsurile de tensiune parazite deranjează pe alți consumatori conectați la aceeași rețea.

Durata de viață este sensibil mai mare în raport cu motorul cu colector, unde uzura periilor grafitoase o limitează și generează periodic probleme de service (întreținere).

Lipsa dispozitivului electromecanic, colector și perii, înlătură limitarea vitezei maxime dictată de încălzira periilor colectoare existentă la motorul de curent continuu clasic.

Sesizarea poziției rotorului

Pentru perceperea poziției reale a rotorului aflat în mișcare și a numărului de rotații pe unitatea de timp (turație) se folosesc diferite metode:

Senzori Hall

Senzori optici dispuși pe stator

Comutare nesenzorizată

Senzorii Hall

Principiul de funcționare al unui senzor Hall este ilustrat în figura 5.9:

Fig. 5.9. Principiul de funcționare a unui senzor Hall

Un material semiconductor parcurs de un curent electric I, plasat într-un câmp magnetic B a cărui direcție este perpendiculară pe cea a curentului va genera, prin efect Hall, o tensiune UH, perpendiculară atât pe direcția câmpului cât și pe cea a curentului, egală cu:

(5.1)

unde kH este sensibilitatea senzorului Hall ce depinde de material și de dimensiunile senzorului.

Materialele semiconductoare utilizate în construcția unui element Hall pot fi Ge, Si, AsIn, SbIn, AsGa, dintre care ultimul este preferat datorită caracteristicilor termice mai bune.

Senzorii Hall sunt utilizați în componența multor aparate cum ar fi: magnetometre, ampermetre, voltmetre, vitezometre, wattmetre, convertoare de frecvență și altele.

Senzorii Hall au numeroase avantaje:

dimensiuni mici

au o bună liniaritate cu inducția câmpului magnetic aplicat

au o bandă de frecvență bună

domeniul de utilizare este cuprins între 10-7 T și 0.4 T

Dezavantajele senzorilor Hall sunt:

au un offset mare datorită erorilor geometrice

sunt puternic influențați de temperatura ambiantă

Comutarea nesenzorizată

Pentru comutarea nesenzorizată a sensului curentului, se percepe poziția reală momentană a rotorului folosind contratensiunile induse în bobinele statorului, care sunt preluate de circuitul de comandă și control electronic (microprocesat), și prelucrate ca atare (valorificate). Totuși pentru a putea fi folosite (amplitudinal) respectivele tensiuni, este necesar mai întâi, ca rotorul să ajungă la o anumită turație și de aceea, pornirea acestui tip de motoare (MCCFP = motoare de c.c. fără perii) cu comutare nesenzorizată se face fără control al poziției (plastic exprimat: "orbește"), la fel ca la motoarele sincrone clasice.

Stabilizator giroscopic cu 2 axe

Fig. 6.0. Stabilizator giroscopic cu două axe

Utilizarea stabilizatorului giroscopic cu două axe

Fig. 6.1. Utilizarea stabilizatorului giroscopic cu două axe

Concluzii

Din punct de vedere al dezvoltării platformelor stabilizatoare deci implicit a echipării acestora cu diferiți senzori, la nivel internațional activitățile de cercetare și dezvoltare au următoarele direcții prioritare:

integrarea camerelor TV de rezoluție foarte mare HDTV în sisteme de achiziție a imaginilor cu foarte mare precizie, în timp real, în mod automat;

dezvoltarea de senzori capabili să detecteze diferite obiecte;

dezvoltarea în continuare a tehnologiei de realizare a senzorilor, în mod special a celor care au la bază nanotehnologii.

Există o corelare directă între tipurile de misiuni (aplicații), condițiile meteo, diurne/nocturne de achiziție a imaginilor și echiparea platformelor stabilizate giroscopic.

Deasemena, există un raport invers proporțional între rezoluția imaginii achiziționate și câmpul de observare al camerelor, ceea ce determină, pentru anumite misiuni, în cazul în care se urmărește și achiziția țintelor, necesitatea realizării mișcărilor axei optice în vederea achiziției imaginii unei arii mult mai mari decât cea determinată de câmpul de observare, la aceeași rezoluție.

În mod analog, pentru o zonă limitată, de mărime comparabilă cu aria de observare, este necesară orientarea cu o precizie foarte bună a aceleiași axe optice către acea zona de interes, pentru a se putea localiza precis ținta în cazul unei urmăriri.

Bibliografie

Nicolae Pătrășcoiu – SENZORI SI TRADUCTOARE – Note de curs

John Webster – Measurement, Instrumentation and Sensors, Handbook, CRC Press, 1999.

M.J. Usher – Sensors and Transducers, Mac Millan, 1985.

Ian Sinclar – Sensors and Transducers, Elsevier, 2001.

G.Ionescu, V.Sgarciu – Traductoare pentru aplicatii industriale, vol.1-1986, vol.2-1996, Ed.Tehnica.

V.Sgarciu, D.Popescu – Echipamente pentru masurarea si controlul parametrilor de proces, Ed.Electra-ICPE, 2003.

J.C. Cluley – Transducers for mocroprocessor systems, Mac Millan, 1985.

Edgar Callway – Wireless Sensors Networks, CRC Press, 2003.

Jacob Fraden – Handbook of Modern Sensors, AIP Press, 1993.

Brian Eggins – Chemical Sensors and Biosensors, J.Wiley, 2004.

http://www.slideshare.net/alexandra_010193/traductoare-de-deplasare

http://www.robotics.ucv.ro/master/pdf/Traductoare,%20senzori.pdf

http://www.sharepdf.com/61f41fe776cc436f9881e575e0279f5c/1%20Notiuni%20fundamentale.pdf

http://biblioteca.regielive.ro/cursuri/electronica/senzori-si-traductoare-1453.html?ref=doc2

http://biblioteca.regielive.ro/cursuri/mecanica/senzori-si-traductoare-293475.html

http://biblioteca.regielive.ro/laboratoare/electrotehnica/senzori-si-traductoare-electronica-energetica-886.html

http://aei.geniu.ro/downloads/st/STcurs1.pdf

http://ovidiupopovici.ro/uploaded_files/traducatoare_senzori_curs.pdf

http://webbut.unitbv.ro/Carti%20on-line/BSM/BSM/capitol4.pdf

http://avionics.pub.ro/ssrat/Act.I.2-St.comp.platf.multisenzor.pdf

http://biblioteca.regielive.ro/cursuri/electrotehnica/caracteristicile-si-performantele-traductoarelor-automatica-calculatoare-electronica-energetica-transporturi-116.html

http://avionics.pub.ro/ssrat/EtapaII-ActII-1.pdf

http://ro.swewe.net/word_show.htm/?33436_1&Gyro

http://ro.swewe.net/word_show.htm/?48894_1&Senzorul_de_deplasare

http://biblioteca.regielive.ro/cursuri/electrotehnica/senzori-111313.html

http://portal.ctcnvk.ro/suporturi-de-curs/cenuse-lavineta-suporturi-de-curs/tipuri-de-traductoare

http://www.itsqv.com/QVW/index.php?title=How_To_-_Martinez_Brushless_Gimbal_Controller_ Set-Up#Board_Identification

http://www.itsqv.com/QVW/index.php?title=Brushless_Gimbal_Project

http://www.itsqv.com/QVW/index.php?title=Easy_Brushless_Gimbal

http://www.basecamelectronics.com/simplebgc/

http://ro.farnell.com/jsp/search/productdetail.jsp?sku=1864742&CMP=KNC-GRO-FRO-GEN-SKU-ROBOTICS&mckv=suWafu7sj|pcrid|13698402520|kword|mpu-6050|match|p|plid|

http://www.invensense.com/mems/gyro/mpu6050.html

Bibliografie

Nicolae Pătrășcoiu – SENZORI SI TRADUCTOARE – Note de curs

John Webster – Measurement, Instrumentation and Sensors, Handbook, CRC Press, 1999.

M.J. Usher – Sensors and Transducers, Mac Millan, 1985.

Ian Sinclar – Sensors and Transducers, Elsevier, 2001.

G.Ionescu, V.Sgarciu – Traductoare pentru aplicatii industriale, vol.1-1986, vol.2-1996, Ed.Tehnica.

V.Sgarciu, D.Popescu – Echipamente pentru masurarea si controlul parametrilor de proces, Ed.Electra-ICPE, 2003.

J.C. Cluley – Transducers for mocroprocessor systems, Mac Millan, 1985.

Edgar Callway – Wireless Sensors Networks, CRC Press, 2003.

Jacob Fraden – Handbook of Modern Sensors, AIP Press, 1993.

Brian Eggins – Chemical Sensors and Biosensors, J.Wiley, 2004.

http://www.slideshare.net/alexandra_010193/traductoare-de-deplasare

http://www.robotics.ucv.ro/master/pdf/Traductoare,%20senzori.pdf

http://www.sharepdf.com/61f41fe776cc436f9881e575e0279f5c/1%20Notiuni%20fundamentale.pdf

http://biblioteca.regielive.ro/cursuri/electronica/senzori-si-traductoare-1453.html?ref=doc2

http://biblioteca.regielive.ro/cursuri/mecanica/senzori-si-traductoare-293475.html

http://biblioteca.regielive.ro/laboratoare/electrotehnica/senzori-si-traductoare-electronica-energetica-886.html

http://aei.geniu.ro/downloads/st/STcurs1.pdf

http://ovidiupopovici.ro/uploaded_files/traducatoare_senzori_curs.pdf

http://webbut.unitbv.ro/Carti%20on-line/BSM/BSM/capitol4.pdf

http://avionics.pub.ro/ssrat/Act.I.2-St.comp.platf.multisenzor.pdf

http://biblioteca.regielive.ro/cursuri/electrotehnica/caracteristicile-si-performantele-traductoarelor-automatica-calculatoare-electronica-energetica-transporturi-116.html

http://avionics.pub.ro/ssrat/EtapaII-ActII-1.pdf

http://ro.swewe.net/word_show.htm/?33436_1&Gyro

http://ro.swewe.net/word_show.htm/?48894_1&Senzorul_de_deplasare

http://biblioteca.regielive.ro/cursuri/electrotehnica/senzori-111313.html

http://portal.ctcnvk.ro/suporturi-de-curs/cenuse-lavineta-suporturi-de-curs/tipuri-de-traductoare

http://www.itsqv.com/QVW/index.php?title=How_To_-_Martinez_Brushless_Gimbal_Controller_ Set-Up#Board_Identification

http://www.itsqv.com/QVW/index.php?title=Brushless_Gimbal_Project

http://www.itsqv.com/QVW/index.php?title=Easy_Brushless_Gimbal

http://www.basecamelectronics.com/simplebgc/

http://ro.farnell.com/jsp/search/productdetail.jsp?sku=1864742&CMP=KNC-GRO-FRO-GEN-SKU-ROBOTICS&mckv=suWafu7sj|pcrid|13698402520|kword|mpu-6050|match|p|plid|

http://www.invensense.com/mems/gyro/mpu6050.html