05-senzory-definice-deleni-principy-cinnosti-bezkontaktni-snimace.md

Senzory

1. definice - blokové schéma
2. Druhy signálů a převod analogových veličin na digitální signál
3. dělení senzorů
4. principy činnosti – odporový, kapacitní, piezoelektrický a využití při měření
5. bezkontaktní senzory

1. Definice - blokové schéma

Senzory převádějí neelektrické veličiny na veličiny elektrické.

2. Druhy signálů a převod analogových veličin na digitální signál

Analogové

• Veličinou je stejnosměrné napětí a proud, jejichž velikost je úměrná okamžité hodnotě měřené veličiny (parametrem je amplituda)
• Může nabývat jakékoliv hodnoty v daném rozsahu a je spojitý v čase
• Generují jej čidla, převodníky pro měření spojitých fyz. veličin např. tlaku, teploty, hladiny, průtoku apod.

Binární

• Nabývá pouze dvou úrovní (log. Nula a log. Jednička) např. u napětí 0V a 5V
• Parametr: Amplituda
• Zdrojem jsou: kontakty relé, spínače, přepínače, tlačítka, logické obvody
• Jedná se zejména o stavy např. motorů (čerpadel, kompresorů) – zapnuto, vypnuto – nebo stavy dvoupolohových ventilů – otevřeno, zavřeno

Impulsní

• Generovány snímači s impulsním výstupem, hodnotu nese:
  • Frekvence impulsů
  • Šířka impulsů
  • Amplituda impulsů
• Parametr: Amplituda
• Zdrojem jsou: elektroměry, průtokoměry, tachodynama pro měření rychlosti

Číslicové

• Mění svou hodnotu skokově, vždy o stejnou hodnotu
• Mají větší počet stavů
• Mění se stupňovitě
• Zdrojem jsou: číslicové voltmetry, dávkovací váhy, ultrazvukové hladinoměry

Převod analogového signálu na digitální

Jde o převod spojitého (analogového) signálu na digitální, pomocí:

• Vzorkování - rozdělení vodorovné osy signálu na rovnoměrné úseky, z kterých se vyberou vzorky
• Kvantování - prostor kolem jednotlivých hodnot je rozdělen na toleranční pásy, a podle toho, do kterého pásu vzorek zapadne, je mu následně přiřazena daná hodnota.

3. Rozdělení senzorů

Dle měřené veličiny:

• Senzory teploty
• Senzory tlaku
• Senzory průtoku
• Senzory mechanických veličin (posunutí, polohy, rychlosti, zrychlení, síly, mechanického napětí aj.)
• Senzory radiačních veličin ve viditelném, infračerveném a jiném spektru
• Senzory pro analýzy látek, kapalin a plynů
• Senzory elektrických a magnetických veličin

Dle styku senzoru s měřeným prostředím:

• bezdotykové
• dotykové

Dle tvaru výstupního signálu:

• analogové (spojité)
• digitální (číslicové, diskrétní)
• impulzní

Dle transformace signálu:

• Aktivní - jsou zdrojem el. napětí (termočlánky, piezoelektrické)
• Pasivní - Potřebují cizí zdroj el. Napětí (tlak, teplota)

4. Principy činnosti – odporové, kapacitní, piezoelektrické a využití při měření

Odporové

Typy:

• Platinové
• Niklové
• Měděné
• Speciální slitiny

Dilatační jev

Dva pásky z různých kovů jsou svařeny k sobě, při zahřívání se pásek ohýbá, protože každý pásek má jinou délkovou roztažnost

Odporové polovodičové senzory

• Velmi citlivé, velký výstupní signál
• Horší stabilita, šum, malý teplotní rozsah, nelinearita

Termistor - negistor (NTC)

• Typický měřící rozsah: -50 °C do +150 °C
• Senzor teploty prostorů ve větracích/klimatizačních zařízeních
• Venkovní senzory teploty

Termistor - pozistor (PTC)

• Měřící rozsah: +60 °C do +180 °C
• Vykazují prudký nárůst teploty, dvoustavové senzory

Termoelektrické senzory – termočlánky:

• Měřící rozsah: -200 °C až 3500 °C
• Lineární charakteristiky, velký teplotní rozsah, malé rozměry sond
• Malá citlivost = malé výstupní napětí
• Pro velké změny teplot
• spalovací kotle

Tenzometry – kovové (konstantanový drátek)

• Změna délky (průřezu) vodiče ovlivňuje el. Odpor vodiče
• Měření: tahu, tlaku, krouticí moment
• Velmi přesné
• Použití: Váhy, siloměry, tlakoměry

Tenzometry – polovodičové

• Piezoelektrický jev - působením mechanických sil dochází u některých krystalů ke vzniku náboje. Dochází k přesunu nábojů, tj. vzniká napětí (Nejčastěji se používá - SiO2 , BaTiO3 titaničitan barnatý, křemen).
• Velmi citlivé (až 60krát víc než kovové tenzometry)
• Použití: měření rychle se měnících tlaků ve spalovacích motorech nebo turbínách (dynamické tlaky), mechanického napětí, tlakové síly.

Magnetorezistor:

• V magnetickém poli dochází k ovlivňování toku nosičů el. Proudu a prodlužování jejich dráhy, což se projeví zvětšením odporu magnetorezistoru

Fotorezistor:

• Jeho odpor klesá s intenzitou dopadajícího světla, řádově z mega ohmu na stovky ohmů.
• Z polovodičového materiálu je na keramické destičce vytvořena meandrová cestička na kterou dopadá světlo.
• Energie světla uvolňuje elektrony – proud roste a hodnot a odporu klesá

Kapacitní

Jsou založeny na existenci kapacity mezi dvěma kovovými částmi. Změnou těchto kovových částí se mění kapacita a tím se převádí měřená fyzikální veličina na el. Signál.

• Použití: měření tlaku, kmitočtů, poloha, úrovně hladin, dotyk. Telefony
• εr … poměrná permitivita
• εo … permitivita vakua má hodnotu 8,845 * 10-12 [F/m]
• S … plocha elektrody (obě shodných rozměrů)
• d … vzdálenost elektrod.

Výhody

• velká přesnost
• celkem snadno konstrukčně dosažitelná

5. Bezkontaktní senzory a snímače

Výhody a nevýhody bezkontaktních snímačů

Výhody:

• Rychlé měření, bezpečné (až do 3000 °C)
• Zanedbatelný vliv měřící techniky na měřený objekt

Nevýhody:

• Lze měřit jen povrchové veličiny (teplotu)
• Vliv nečistot

Přibližovací snímače

• Bezkontaktní snímače
• Princip činnosti je založen na oscilačním obvodu, který vyzařuje elektrostatické nebo elektromagnetické pole vystupující z čelní plochy. Přiblíží-li se elektricky vodivý předmět/změní-li se dielektrikum, poklesne rezonance a obvod se vypne.

Kapacitní

• i nekovové
• Reagují na změny kapacity v důsledku přiblížení kovových i nekovových předmětů
• Kondenzátor je součástí RC oscilátoru
• Pokud měřený předmět není v elektrickém poli, je amplituda kmitů malá
• Přiblížením předmětu kapacita vzroste a zvýší se i amplituda kmitů a dojde k přepnutí klopného obvodu a výstupu
• Použití: Snímání úrovně hladiny, lze snímat kapaliny (olej, voda, alkohol), sypké materiály (prášky, cukr, obilí, počítání prvků

Základní části:

• RC Oscilátor
• Vyhodnocovací obvody
• Koncový (výkonový) stupeň

Indukční

Základní části:

• RC Oscilátor
• Vyhodnocovací obvody
• Koncový (výkonový) stupeň

Optické snímače, použití

Dělení:

• Snímače pro SPOJÍTÉ měření polohy
  • Inkrementální (přírůstkové)
  • Absolutní
• Snímače pro NESPOJITÉ měření (indikaci) polohy

Spojité

Inkrementální

• Princip: spočívá v clonění světelného toku mezi zdrojem a detektorem (pravítkem nebo kotoučem) pravidelně rozděleným na průhledné a reflexní úseky. Právitko se překrývá maskou (clonou) se stejnou roztečí rysek, takže intenzita světelného signálu přijímaného fotodiodami se periodicky mění. Signály na fotodiodách jsou sinusové, fázově posunuté o 180°.

Absolutní

• poskytují pro každou polohu určitou číselnou hodnotu
• Čísla jsou zakódována na kódových pravítkách a kotoučích v binárním kódu pomocí průhledných a neprůhledných plošek
• Např. Binární, Grayův kód

Nespojité snímače pro indikaci

Využívají:

• ultrafialové světlo UV (λ = 400 – 10 nm, f = 10 15 – 1017 Hz)
• infračervené světlo IR (λ = 760 nm – 1 mm, f = 300 GHz – 400 THz)
• Zdroje světla:
  • laserová dioda LD
  • DBF laserová dioda
  • LED dioda (dnes se nepoužívá)

Principy optickych snímačů:

• světelná závora
• reflexní snímač
• difúzní snímač

Světelná závora

Systém sestává ze dvou oddělených komponent: z vysílače a přijímače. Vysílač vysílá taktované světlo v infračerveném nebo červeném rozsahu vlnových délek. Přijímač rozpozná dopadající světelný paprsek a jeho přerušení, způsobené objektem nacházejícím se v detekční oblasti, převede ihned na spínací signál.

Reflexní optický snímač

U reflexních světelných závor se nachází vysílač i přijímač v jednom pouzdře. Pomocí zrcadla je vysílačem vyslaný světelný paprsek přiveden zpět k přijímači. Objekt, který se dostane do cesty světelného paprsku, přeruší světelný paprsek a tím spustí spínací proces.

Difůzní optický snímač

Slouží k přímé detekci objektů. Stejně jako u reflexního senzoru nachází se zde vysílač i přijímač v jednom pouzdře. Senzor vyzařuje světlo, které se od objektu, který má být detekován odrazí a odražené světlo je přijato přijímačem.

Vyhodnoceno není u tohoto systému přerušení světelného paprsku, ale příjem odraženého světla od objektu.

Optoelektrické snímače

• Výhodou optoelektronických snímačů je necitlivost vůči rušení elektromagnetickým polem a velký rozsah vzdáleností, ve kterých jsou schopny detekovat objekty. Jsou citlivější na vlhkost, vnější světlo a infračervené záření.
• K typickým aplikacím patří hlídání rozměrů, kontrola obsahu, hlídání hladin, odměřování polohy.
• Ultrazvuk je mechanické vlnění s frekvencí větší než 20 kHz (neslyšitelné pro člověka, některé zvířata jej slyší – psi, delfíni)
• Využití: Lékařství, defektoskopier, sonar

Zdroje ultrazvuku:

• mechanickými generátory (speciálními píšťalami a sirénami).
• Magnetostrikční generátory vytvářejí ultrazvukové kmity do 60 kHz. V prostředí kolem feromagnetické tyčinky, která je umístěna v magnetickém poli elektromagnetu napájeného střídavým proudem. Využití mají pouze v zubním lékařství při odstraňování zubního kamene a kazu.
• Piezoelektrické generátory je destička křemene připojena k elektrodám se střídavým napětím a tak kmitá se stejnou frekvencí jako napětí a mění energii elektrickou na mechanickou. Ta rozkmitá okolní prostředí. Frekvence bývají v rozsahu 1 – 20 kHz. Jsou využívány pro diagnostické i terapeutické účely.

Difůzní ultrazvukový snímač

Piezoelektrický ultrazvukový měnič pracuje střídavě jako reproduktor a mikrofon tak, že po vyslání signálu měří dobu odezvy po odrazu od překážky. Při příjmu se vzorek porovnává s vyslaným signálem.

Výhody

• detekce transparentních a lesklých předmětů
• měření hladiny kapaliny a pastovitých látek
• nevadí prašné prostředí

Magnetické snímače, použití