cp. senzori, trad., sisteme multisenzoriale

1

Capitolul 1

SENZORI, TRADUCTOARE ŞI SISTEME MULTISENZORIALE

1.1. Introducere

De multe ori, noţiunile de traductor şi senzor sunt considerate ca fiind similare.Riguros vorbind, cele două noţiuni au semnificaţii distincte. Creşterea complexităţiisistemelor de măsurare şi control, dar şi necesitatea evaluării calitative şi/sau cantitative aunor mărimi fizice cu o distribuţie spaţio-temporală au condus la apariţia şi dezvoltareasistemelor multisenzoriale.

1.1.1. Traductorul

Acest termen derivă din cuvântul latinesc “transducere”, care înseamnă “a transfera”.Traductorul este un element funcţional tipic din structura sistemelor automate, reprezentânddispozitivul care converteşte o mărime fizică proprie unui sistem, într-o mărime (de obiceielectrică sau pneumatică şi cu un domeniu de variaţie calibrat) aptă pentru a fi recepţionată şiinterpretată cantitativ de echipamentele de conducere.

Pentru realizarea funcţiilor traductorului, sunt necesare operaţii de conversie ainformaţiei şi transformări energetice, bazate pe energia dezvoltată de mărimea din proces saupe cea furnizată de sursa auxiliară. Structura generală a unui traductor [10-6, 10-10],prezentată în figura 10.1, conţine elementul sensibil (ES), adaptorul (Ad) şi, opţional,elementul de legătură pentru transmiterea semnalului (EL) şi sursa auxiliară de energie (SAE).

Elementul sensibil (detector, captor sau senzor) reprezintă componenta primară, caredetectează mărimea fizică x pe care traductorul trebuie să o măsoare. Este detectată numaimărimea x şi se elimină sau se reduc (la un minim acceptabil) influenţele exercitate asupra eide celelalte mărimi care acţionează în mediul de funcţionare al traductorului. Mărimea deintrare modifică starea elementului sensibil, aceasta presupunând un consum de energie.Modificarea de stare constă în apariţia unui semnal la ieşirea ES sau variaţia unor parametri dematerial ai acestuia; în al doilea caz se generează un semnal de ieşire numai consumându-se oenergie externă de activare, care este asigurată de blocul SAE.

Figura 10.1Structura generală a unui traductor

ES - element sensibil; EL - element de legătură; Ad - adaptor;SAE - sursă auxiliară de energie.

Adaptorul (Ad) are rolul de a adapta informaţia obţinută la ieşirea elementului sensibil,la cerinţele impuse de aparatura de automatizare care o utilizează. Adaptoarele secaracterizează printr-o mare diversitate a elementelor constructive de intrare, care asigură

ES EL Ad

SAE

x y

1. Senzori, traductoare şi sisteme multisenzoriale

2

preluarea semnalelor provenite de la elementul sensibil. Aparatura standardizată deautomatizare include adaptoare care conţin elemente constructive comune la ieşire, astfel încâtsă se genereze semnale unificate, indiferent de tipul sau domeniul de valori ale mărimii deintrare.

Structura funcţională simplă a traductorului conţine numai elementul sensibil şiadaptorul. Unele particularităţi funcţionale, tehnologice sau economice impun includerea unorelemente auxiliare, care sunt de două tipuri:• elemente de legătură, folosite pentru transmiterea către adaptor a modificării de stare a

elementului sensibil; ele realizează conexiuni electrice, mecanice, optice sau de altănatură;

• surse auxiliare de energie, care asigură energia necesară conversiilor de semnal care seproduc în elementul sensibil şi în adaptor, fără să altereze performanţele impusesemnalului de ieşire al traductorului.

În funcţie de natura semnalelor furnizate la ieşire, traductoarele (folosite înautomatizări) se împart în electrice (electronice) şi pneumatice. După forma de variaţie întimp a semnalelor de ieşire, traductoarele sunt analogice sau numerice.

De obicei, traductoarele folosite în automatizările industriale au semnale de ieşire cuvariaţii într-o gamă fixată, indiferent de domeniul de valori ale mărimii de intrare. Apareastfel posibilitatea tipizării celorlalte elemente din sistem, care, în asemenea condiţii,funcţionează cu semnal unificat. Tipizarea permite producerea în serii mari a aparatelor deautomatizare, modularizarea, interşanjabilitatea şi interconectarea comodă a diferitelorcomponente ale sistemului etc.

Principalele semnale analogice unificate, furnizate de traductoare, sunt următoarele:! curent continuu: 0,5-5 mA, 2-10 mA sau 4-20 mA;! tensiune continuă: 0-10 V, 0-20 V sau -10...+10 V;! presiune (aer): 20-100 kN/m2.

1.1.2. Senzorul

Senzorul poate fi considerat ca o parte a traductorului numai dacă este similarelementului sensibil al acestuia. Dezvoltarea roboţilor şi realizarea unor instalaţii desupraveghere şi control complexe au condus la asocierea unei alte semnificaţii noţiunii desenzor. Roboţii au un caracter mai mult sau mai puţin antropomorfic (tind să capete însuşiriomeneşti), în funcţie de gradul lor de dezvoltare. Ca urmare, pe lângă facilităţile de acţionare,aceştia sunt dotaţi şi cu sisteme de culegere a informaţiilor referitoare la starea internă sau lacea a mediului de operare. Elementele (încorporate în aceste sisteme) care au capacitatea de aasigura informaţiile respective, într-o primă formă, deci au capacitatea de a substitui elementeale simţului uman, poartă numele de senzori. Cuvântul “senzor” provine din latinescul“sentire”, care înseamnă “a simţi”.

În concluzie, traductoarele achiziţionează informaţia într-un anumit loc, într-un anumitmoment, sub o formă care va trebui interpretată cantitativ, iar senzorii acţionează într-un câmpde valori, fiind capabili să furnizeze informaţii care să permită o apreciere de natură calitativă.Termenul de senzor a devenit mai frecvent odată cu dezvoltarea roboţilor evoluaţi, precum şia unor sisteme complexe de măsurare şi evaluare a unor ansambluri de procese sau fenomenecu proprietăţi caracterizate de o distribuţie spaţio-temporală, astfel încât se poate face oparalelă cu maniera de percepere asigurată de organele de simţ umane. În contextul acestuiparalelism cu elementele sensibile ale simţurilor umane, senzorii [10-9] sunt acele elemente


3

sau ansambluri de elemente detectoare care, asociate cu blocurile de prelucrare adecvate,permit obţinerea unei informaţii pertinente cu privire la un câmp de obiecte sau de fenomene.Un senzor este un dispozitiv care recepţionează un stimul (de natură fizică, chimică saubiologică) şi răspunde cu un semnal, de regulă electric, compatibil cu circuitele electronicecărora îl transmite. Acest semnal poate fi

- analogic (tensiune, curent sau sarcină electrică), descris în termeni de amplitudine,frecvenţă sau fază, respectiv

- digital, descris de un cod numeric.Există mai multe criterii de clasificare a senzorilor, dintre care, cele mai importante

sunt menţionate în continuare." După principiul de funcţionare există senzori rezistivi, capacitivi, inductivi, piezoelectrici,

optici, chimici, tensometrici etc." În funcţie de natura mărimilor detectate se deosebesc următoarele tipuri de senzori: de

poziţie, deplasare, viteză, acceleraţie, temperatură, presiune, forţă etc." După simţul uman pe care-l suplinesc pot fi

a) senzori tactili – care sesizează calitativ, dar (uneori) şi cantitativ, prin contact direct cuun obiect, anumite caracteristici ale acestuia: dimensiunile, textura, duritatea,temperatura, umezeala etc.;

b) senzori acustici – responsabili cu recepţionarea de mesaje sonore, unde acustice,zgomot ce pot caracteriza starea fizică a unui obiect, fenomen sau proces;

c) senzori vizuali – capabili să capteze imagini, în scopul descrierii bi- sau tri-dimensionale a unui obiect sau a mediului înconjurător;

d) senzori olfactivi – destinaţi detectării prezenţei unor gaze, lichide, arome sau altesubstanţe într-un mediu, folosind procedee care înlocuiesc mirosul natural.

" După modul cum sunt fabricaţi, există două mari categorii de senzori, şi anume:a) senzori discreţi, care au o construcţie mai simplă şi al căror rol este mai degrabă de a

sesiza şi transmite o informaţie cu caracter local;b) senzori integraţi, care, din punct de vedere tehnologic, au o construcţie mai

complicată, incluzând şi alte componente de prelucrare a informaţiei receptate,indiferent dacă mărimea măsurată are un caracter local sau un caracter global, dinpunct de vedere spaţial.

" Din punct de vedere energetic se disting două tipuri de senzori: pasivi şi activi. În cazulsenzorilor pasivi, semnalul electric de ieşire este produs cu ajutorul unor surse de energieexternă, care pun în evidenţă variaţii ale unor parametri electrici de circuit, determinate demărimile de intrare. Senzorii activi generează la ieşire semnale electrice care au asociată oanumită energie preluată de la mărimile de intrare şi, în principiu, nu necesită surseexterne de energie.

" După natura informaţiei oferite, senzorii pentru roboţi pot fi [10-7]a) intrinseci, dacă asigură o imagine a stării interne a robotului (de exemplu senzorii care

măsoară poziţia, viteza, acceleraţia în cuplele de rotaţie),b) extrinseci, dacă oferă informaţii despre starea externă a robotului (de exemplu sezorii

tactili, de proximitate, vizuali care măsoară parametri externi robotului)." După natura interacţiunii cu mediul de operare, senzorii folosiţi la roboţi [10-7]sunt

a) cu contact (senzori tactili sau pentru stres), care permit contactul dintre robot şi unobiect din mediul de lucru,

b) fără contact (senzori de imagine, de proximitate, ultrasonici), care asigură ointeracţiune de la distanţă.


4

1.1.3. Sistemul multisenzorial

Starea unui proces sau aprecierea unui obiect sau fenomen este, în general, dependentăde mai mulţi parametri şi determinarea acestei stări (din punct de vedere calitativ şi cantitativ)presupune determinarea fiecărui parametru în parte, în coordonate spaţio-temporale.Măsurătorile efectuate în vederea obţinerii de informaţii pot avea un caracter local sau uncaracter global. De cele mai multe ori, informaţia primită de la un singur senzor esteinsuficientă pentru a obţine o imagine a stării sistemului studiat. De aceea, pentru ocaracterizare cantitativă şi calitativă cât mai completă, în spaţiu şi timp, a unui obiect, processau fenomen, este nevoie de mai mulţi senzori.

Un sistem format din mai mulţi senzori de acelaşi tip sau diferiţi şi care opereazăîmpreună în vederea furnizării de informaţii coerente cu privire la anumiţi parametri necesarideterminării stării unui obiect, proces sau fenomen, poartă denumirea de sistem multisenzorial[10-7].

Într-o situaţie simplă, un singur senzor (care detectează un anumit parametru) estesuficient pentru a realiza o descriere locală, la un moment dat sau la intervale de timpdeterminate, a unui obiect, proces sau fenomen. Dacă se studiază un fenomen complex,caracterizat de mai mulţi parametri, starea lui nu poate fi descrisă decât cu ajutorul unui vectorde stare; în asemenea situaţii se impune utilizarea unui sistem multisenzorial, care să furnizezecomponentele vectorului de stare.

După natura senzorilor conţinuţi, un sistem multisenzorial poate fi format din senzoride acelaşi tip (folosiţi pentru câmpuri de mărimi de aceeaşi natură) sau din senzori diferiţi (înscopul de a obţine informaţii despre un obiect sau proces caracterizat de mai multe mărimidiferite).

Din punct de vedere al structurii tehnologice, un sistem multisenzorial utilizeazăpentru măsurare- o structură cu senzori discreţi, atunci când componentele detectoare, ca şi cele de

transmitere şi prelucrare, sunt elemente discrete;- o structură cu senzori integraţi, atunci când ansamblul elementelor utilizate pentru

măsurarea mai multor parametri este realizat sub formă integrată;- o structură mixtă, când ansamblul elementelor de măsurare conţine componente atât

discrete cât şi integrate.

Robotul este un sistem complex, care execută multe şi variate mişcări, în concordanţăcu sarcinile impuse. Apare necesitatea ca robotul să se comporte ca un sistem autoadaptiv,adică să îşi modifice caracteristicile funcţionale odată cu schimbările intervenite în stareaproprie sau în mediul său de operare. Controlul mişcărilor efectuate presupune informaţiidespre starea internă a robotului (cunoaşterea poziţiei, vitezei, acceleraţiei elementelor mobileetc.). Operaţiile pe care trebuie să le realizeze impun adesea caracterizarea stării externe arobotului (cunoaşterea unor proprietăţi ale mediului de operare).

Sistemul senzorial al robotului este ansamblul tuturor senzorilor (dispozitive sauechipamente senzoriale) care oferă robotului o imagine a lumii externe (în care evoluează) şiinformaţiile necesare despre starea internă, permiţându-i să realizeze o comportare adaptivăfaţă de orice modificare de stare internă sau externă [10-7].

Funcţia realizată de un robot impune complexitatea sistemului senzorial al acestuia.


5

1.1.4. Poziţia şi rolul senzorilor într-un sistem de achiziţie de date

De cele mai multe ori, un senzor nu funcţionează individual, ci este o componentă aunui sistem multisenzorial, care la rândul lui face parte dintr-un sistem de achiziţie de date.

Un senzor poate fi! extrinsec – când este poziţionat în afara sistemului sau procesului studiat şi este folosit

pentru detectarea influenţelor externe, semnalizarea variaţiilor stimulilor externi,măsurarea proprietăţilor unor obiecte externe etc.;

! intrinsec – când este poziţionat în interiorul sistemului sau procesului studiat, având rolulde a monitoriza starea internă a acestuia.

Alegerea senzorilor şi structura sistemului multisenzorial depind de performanţele la care artrebui să răspundă întregul sistem de măsurare.

Sistemul de achiziţie de date, prezentat în figura 10.2, este compus dintr-un sistemmultisenzorial (care conţine senzorii 1, 2,...,5, de diferite tipuri), sursa auxiliară de energieaferentă acestuia, circuitele CI1, CI3 de condiţionare a semnalelor, un multiplexor şi unconvertor analog-numeric. Mediul de măsurare poate fi un obiect, un proces sau un fenomen.Senzorii utilizaţi sunt intrinseci (2, 3 şi 4) sau extrinseci (1 şi 5). Senzorul 1 este “noncontact”(cameră TV, detector de radiaţii, senzor de proximitate), iar senzorul 5 monitorizeazăcondiţiile interne de funcţionare a sistemului de achiziţie de date. Întrucât formatelesemnalelor de ieşire ale senzorilor 1 şi 3 nu permit conectarea directă la multiplexor, seimpune intercalarea unor circuite de condiţionare (numite şi condiţionere de semnal), notatecu CC în figura 10.2. Senzorii 1, 2, 3 şi 5 sunt activi, iar senzorul 4 este pasiv (pentrudetectarea mărimii de intrare necesită o sursă auxiliară de energie).

Figura 10.2Sistem de achiziţie de date

Semnalele electrice furnizate de senzori şi, eventual, condiţionate sunt preluate, deregulă, de un multiplexor care le transmite unui convertor analog-numeric sau direct unuicalculator, dacă senzorul produce semnale în format digital. Calculatorul are funcţia de unitatecentrală de prelucrare a informaţiei şi de control al întregului sistem. El supraveghează, prin

Echipamenteperiferice

CC1

CC3

1

2

3

4

Sursă aux.de energie

MU

LTIP

LEX

OR

CAN

Calculator

5 Senzor

Obiect, proces Senzor

Elemente deexecuţie


6

transmiterea unor semnale de comandă şi control, multiplexorul, convertorul analog-numericşi elementele de execuţie (care acţionează asupra mediului de măsurare). Sistemul poateconţine şi unele echipamente periferice (înregistratoare de date, afişoare) care sunt conectatela calculatorul central.

1.2. Arhitecturi de sisteme multisenzoriale

Dacă trebuie determinate una sau mai multe mărimi cu componente spaţiale, sefoloseşte un sistem multisenzorial constituit din senzori de acelaşi tip sau diferiţi, dispuşispaţial în mod corespunzător; fiecare senzor realizează o determinare punctuală, specificălocului sau punctului vizat (sau în care a fost amplasat dispozitivul de măsurare). Sistemulmultisenzorial realizează o determinare globală a mărimii/mărimilor măsurate, rezultând ohartă care caracterizează procesul la un moment dat. Repetând secvenţele de măsurare (harta)la intervale de timp precizate sau în mod continuu, se obţine evoluţia în timp a procesului (unfilm). Dacă procesul este caracterizat de mărimi de natură diferită, se impune utilizarea unuisistem multisenzorial mai complex, format din senzori de diferite tipuri.

În ultimii ani, au avut loc o serie de progrese ale ştiinţei şi ingineriei materialelor, înspecial a oxizilor metalici, a mixturilor anorganice, a substanţelor ceramice, a polimerilorconductivi, a catalizatorilor şi, mai ales, a tehnologiilor siliciului şi circuitelor integrate [10-9].Cercetările în aceste direcţii, dezvoltarea unor tehnologii de fabricaţie mai puţin costisitoarepentru dispozitive pe bază de siliciu şi materiale menţionate mai sus, au condus la apariţiasenzorilor individuali sau multipli (arii de senzori), într-o formă simplificată spaţial în sensulminiaturizării. Acest lucru a fost posibil folosind descoperirile din domeniul senzorilorsemiconductori şi prin integrarea acestor dispozitive, sub formă de arii de senzori, împreunăcu circuitele de condiţionare a semnalelor de ieşire, rezultând astfel senzorii integraţi. Înprezent, se urmăreşte obţinerea unor sisteme multisenzoriale, cu funcţii şi performanţe celpuţin similare cu cele asigurate de senzorii discreţi, dar care extind considerabil sferaaplicaţiilor, datorită miniaturizării, capacităţii lor de a funcţiona on-line şi raportuluicost/performanţă foarte avantajos (justificat de fabricarea senzorilor integraţi pe bazatehnologiei siliciului).

Există două tipuri de arhitecturi de sisteme multisenzoriale folosite într-un sistem demăsurare şi control care supervizează starea unui proces:

- arhitecturi cu senzori discreţi- arhitecturi cu senzori integraţi.

a) Arhitecturi cu senzori discreţi

Dacă la un moment dat sunt necesare mai multe informaţii cu privire la starea unuiobiect sau proces cu o distribuţie spaţială, pentru preluarea acestor informaţii este necesarăutilizarea concomitentă a mai multor senzori discreţi, dispuşi corespunzător, în diferite punctede măsurare şi pe o arie spaţială destul de largă. Aceste dispozitive formează o arhitecturămultisenzorială discretă, care poate fi constituită din

- senzori de acelaşi tip, care măsoară mărimi fizice de aceeaşi natură, determinândcomponentele unui vector de stare coloană;

- senzori diferiţi ca tip, care măsoară mărimi fizice de natură diferită şi determinăcomponentele unui vector de stare linie;

-senzori de acelaşi tip şi senzori de diferite tipuri, formând o structură senzorială mixtă(arie sau matrice de senzori).


7

Modelul matematic care descrie starea unui proces explorat de o arie de senzori este omatrice de stare. Pentru preluarea informaţiei de la aria de senzori se folosesc undemultiplexor (DEMUX) şi un multiplexor (MUX), controlate de un bloc de comandă digital(BC), ca în figura 10.3 Demultiplexorul selectează tipul de senzori (vectorul coloană), iarmultiplexorul alege senzorul care trebuie citit din coloana respectivă. Informaţia senzorialăastfel obţinută este transmisă blocului de condiţionare şi adaptare şi, apoi, convertoruluianalog-numeric care o furnizează unităţii centrale de prelucrare şi decizie.

Figura 10.3Structura senzorială mixtă

În figura 10.3, ( )12111 ,...,, mSSS este mulţimea senzorilor de tipul 1,( )22212 ,...,, mSSS este mulţimea senzorilor de tipul 2, ( )mjjj SSS ,...,, 21 este mulţimeasenzorilor de tipul j ş.a.m.d.

ExempleO arhitectură multisenzorială discretă, realizată cu senzori de acelaşi tip, se foloseşte

într-un sistem de măsurare care urmăreşte evaluarea globală a temperaturii unei suprafeţeîntinse sau a unui spaţiu de volum dat. Se poate determina astfel distribuţia spaţială atemperaturii în interiorul unei incinte (determinare de volum) sau la periferia ei (determinarede suprafaţă). Pe baza acestor măsurători, se fac aprecieri asupra existenţei pierderilor(scurgerilor) de energie din unele zone sau asupra apariţiei de punţi termice (locuri undescurgerea energetică este mai accentuată). Pentru determinările de temperatură pot fi folositetermistoare, termocuple, termorezistenţe sau senzori semiconductori.

O arhitectură multisenzorială discretă, cu senzori de acelaşi tip şi senzori de diferitetipuri, se foloseşte într-o aplicaţie mai complexă, care are ca scop detectarea gazelor rezultateîn urma unor reacţii sau procese chimice (de exemplu de oxido-reducere), separarea gazelor,determinarea concentraţiilor, presiunilor şi temperaturilor lor pe flux. Arhitectura conţinesenzori discreţi, pentru determinarea prezenţei anumitor tipuri de gaze şi pentru măsurareaparametrilor ceruţi (concentraţie, presiune şi temperatură), parametri care caracterizeazăgazele pe fluxul tehnologic de obţinere a lor. Sistemul multisenzorial va avea o arhitecturăcompusă din mai multe tipuri de senzori, fiecare tip fiind reprezentat de mai mulţi senzoridiscreţi.

S11 S12 ….. S1j … S1n

S21 S22 ….. S2j … S2n

………………………..Si1 Si2 ….. Sij … Sin

………………………..Sm1 Sm2 ….. Smj … Smn

D E M U X

M

U

X

BC

Circuite deprelucrare ainformaţiilor


8

b) Arhitecturi cu senzori integraţi (sisteme multisenzoriale integrate)

Urmărirea concomitentă a evoluţiei mai multor parametri, într-un anumit punct sauîntr-o zonă restrânsă din spaţiu, a devenit o necesitate în ultima vreme, datorită diversităţii şicomplexităţii problemelor de măsurare apărute. Pentru aceasta, sunt necesari mai mulţisenzori (de acelaşi tip sau de tip diferit), care se află în acelaşi modul (realizat în formămonolitică sau hibridă) şi formează un sistem multisenzorial integrat. Arhitecturaacestuia este asemănătoare cu cea a sistemelor multisenzoriale discrete.

În prezent, se fac încă cercetări în domeniul microsenzorilor solid-state. Evoluţiamicroelectronicii a condus la o nouă arhitectură de sistem de măsurare şi control, în formăintegrată (monolitică), numită microsistem. O astfel de arhitectură concentrează, într-o singurăstructură monolitică, întreg sistemul multisenzorial şi, uneori, interfaţa de comunicaţie cuacesta. Matricea de senzori este mai densă şi poate cuprinde mult mai mulţi senzori decât încazul arhitecturii cu senzori discreţi.

Sistemele multisenzoriale integrate devin tot mai necesare în multe aplicaţii dindomeniul roboţilor sau monitorizării mediului ambiant, din medicină, aviaţie etc.

1.3. Realizări şi tendinţe în domeniul sistemelor multisenzoriale

1.3.1. Generaţii de senzori şi sisteme multisenzoriale

De-a lungul timpului, senzorii au evoluat de la un simplu element sensibil (capabil sădetecteze o singură mărime pe care să o transmită într-o formă analogică primară), până lasisteme multisenzoriale integrate sau senzori inteligenţi (capabili să perceapă un număr marede proprietăţi şi să prelucreze informaţia într-un format digital avansat). Etapele parcurse înevoluţia tehnologiei electronice (în special a microelectronicii) au determinat conturarea a 6generaţii de senzori sau arhitecturi multisenzoriale.

Prima generaţie include senzorii discreţi, asemănători cu elementele sensibile. Unasemenea senzor detectează un parametru sau o proprietate, fără să includă circuite decondiţionare sau prelucrare a semnalului rezultat, iar informaţia se transmite, sub formăanalogică primară, la nivelul ierarhic superior. Ca exemple pot fi menţionaţi senzoriiparametrici cu structură simplă, termistoarele, termocuplele, senzorii semiconductori etc.

A II-a generaţie cuprinde senzorii discreţi sau integraţi care au pe acelaşi cip şi circuitede prelucrare primară a semnalelor. De exemplu senzorul monolitic de temperatură, cucompensare termică, βM135.

Figura 10.4Generaţia a III-a de senzori

ESCIRCUIT DE

CONDIŢIONARE CANDateanalogice µC

ROM

RAM

Mag

istra

la (B

US)

MASTER

Senzor hibrid sau discret


9

Generaţia a III-a (figura 10.4) corespunde senzorilor care sunt utilizaţi frecvent astăzi.Senzorul (hibrid sau discret) conţine un element sensibil (ES) şi un circuit pentrucondiţionarea semnalului. Prelucrarea semnalului analogic rezultat se realizează la distanţă,unde există un convertor analog-numeric (CAN) şi un microcontroler (µC).

La primele trei generaţii de senzori! informaţia se transmite analogic şi numai unidirecţional (de la senzor către nivelul

superior),! prelucrarea informaţiei se realizează la nivelul ierarhic superior senzorului.

Generaţia a IV-a (figura 10.5) se referă la senzorii matriceali integraţi care pot fiinterogaţi de un microcontroler, întrucât conţin şi un decodificator de adresă. Fluxulinformaţional este bidirecţional: adresa este codificată binar şi transmisă numeric senzoruluiintegrat, iar semnalul analogic de la ieşirea circuitului de condiţionare (tensiune, curent sauimpulsuri) este transmis convertorului analog-numeric. Compensarea parametrilorperturbatori (de exemplu compensarea termică) o realizează (la distanţă) microcontrolerul.

Figura 10.5Generaţia a IV-a de senzori

Generaţia a V-a (figura 10.6) cuprinde senzorii matriceali integraţi, cu structurăcomplexă. Un asemenea senzor include matricea senzorială, un microcontroler, o memoriePROM, circuite pentru citirea matricei de senzori, circuitul de condiţionare şi convertorulanalog-numeric. Fluxul informaţional între senzor şi nivelul superior este bidirecţional,numeric în ambele sensuri. Compensarea mărimilor perturbatoare şi calibrarea se realizează ladistanţă faţă de senzor.

Figura 10.6Generaţia a V-a şi a VI-a de senzori

Generaţia a VI-a (figura 10.6) este o variantă perfecţionată a generaţiei anterioare:mărimile perturbatoare sunt compensate local de către senzor, iar calibrarea se poate realizalocal sau la distanţă, prin generarea unui semnal de intrare standard şi comanda senzorului înbuclă închisă.

MATRICEDE SENZORI

Magistrală numericăbidirecţională

µC

ROM

RAM

Mag

istra

la (B

US)

MASTER

SENZOR MATRICEAL INTEGRAT

CAN

PROM µC

Modul monolitic sau hibrid

MA

TRIC

E D

ESE

NZO

RI CIRCUIT DE

CONDIŢIONARECANDate

analogiceDatenumerice

µC

ROM

RAM

Mag

istra

la (B

US)

MASTER

SENZOR MATRICEAL INTEGRAT

DECODIFICATOR DEADRESĂ


10

1.3.2 Microsisteme senzoriale integrate

a) Microsisteme unisenzor

Crearea de senzori prin procedee tehnologice proprii circuitelor electronice integrate acondus la apariţia microsistemelor unisenzor. Cipul conţine un microsenzor şi un circuit decondiţionare (figura 10.7)

Figura 10.7Microsistem unisenzor

Principalele avantaje ale acestor microsisteme sunt dimensiunile şi costul reduseapreciabil, îmbunătăţirea calităţii semnalului de ieşire (se asigură rejecţia factorilorperturbatori şi cresc sensibilitatea, liniaritatea dependenţei intrare-ieşire şi precizia măsurării),posibilitatea standardizării formatului semnalului de ieşire analogic sau numeric (pentru aasigura interfaţarea cu circuitele de prelucrare).

Circuitul de condiţionare poate realiza numai adaptarea ca nivel şi tip a semnalului deieşire (curent, tensiune, frecvenţă), poate conţine şi convertoare analog-numerice sau chiarcircuite de prelucrare şi corecţie primară pentru semnalele analogice.

b) Microsisteme multisenzor

Tehnologia circuitelor integrate din siliciu permite controlarea cu mare precizie aprocesele pe care le comportă, existând astfel posibilitatea de a obţine un înalt grad dereproductibilitate a caracteristicilor senzorilor care constituie o matrice.

Figura 10.8Microsistem multisenzor

µS CC

Microsenzor Circuit de condiţionare

OUT

ALIM

ALIM

M

U

X

CCS11

S21

S12 S13 S14

S22 S23 S24

S31

S41

S32 S33 S34

S42 S43 S44

CASMS

OUT

COM. EXT.


11

Microsistemul multisenzor conţine, pe acelaşi cip, matricea senzorială (SMS), unmultiplexor (MUX), circuitul de condiţionare (CC) şi un circuit de adaptare (CA).

Microsistemele multisenzor pot fi împărţite în două categorii:- cu matrice (arii) de senzori de acelaşi tip, destinate măsurării distribuţiei bi-

(tri)dimensionale a unei singure mărimi (de exemplu o matrice tactilă cu fotodiode);- cu integrarea pe acelaşi cip a mai multor senzori destinaţi unor mărimi diferite

(presiune, temperatură, debit, pH, concentraţii de diferite gaze).Integrând pe acelaşi cip matricea senzorială şi circuitele electronice de condiţionare,

multiplexare şi adaptare, numărul de conexiuni se reduce considerabil. Dezvoltareamicrosistemelor multisenzor oferă posibilitatea obţinerii de informaţii complexe şi a efectuăriiunor corecţii (dificil sau imposibil de operat prin alte mijloace) atunci când sunt utilizate înzone înguste sau greu abordabile (de exemplu în medicină), la un raport cost/mărime măsuratănet avantajos.

c) Microsisteme multisenzor cu microelemente de execuţie

În prezent, eforturile de cercetare şi de perfecţionare a microtehnologiilor suntîndreptate spre obţinerea unor cipuri care să conţină pe lângă senzori, circuite pentru citireaacestora, circuite de condiţionare, şi microelemente de execuţie (microactuators) µEE,împreună cu dispozitivele de comandă aferente (figura 10.9). O astfel de structură este unsistem automat în buclă închisă, denumirea de microsistem fiind pe deplin justificată.

În tehnologie integrată, microelementele de execuţie nu se pot obţine prin simplareducere dimensională a unor elemente de execuţie convenţionale (motoare, valve, pompeetc.), utilizate la scara macro. Integrarea în microsisteme a microelementelor de execuţieridică probleme tehnologice serioase întrucât microtehnologiile planare nu sunt, adeseori,satisfăcătoare şi trebuie completate cu tehnologii de asamblare a unor micromodulebidimensionale sau este necesară adaptarea şi perfecţionarea microprelucrărilortridimensionale (de volum).

Figura 10.9Microsistem multisenzorial cu microelement de execuţie

M

U

X

CC

S11

S21

S12 S13 S14

S22 S23 S24

S31

S41

S32 S33 S34

S42 S43 S44

CA

SMS

OUT

ALIM

COM. EXT.

DEMUX BC

µEE


12

Microsistemele cu microelemente de execuţie incluse au numeroase aplicaţii mai alesîn medicină, biologie, robotică etc. (microsisteme pentru manipulat celule şi micromolecule,microroboţi). De altfel, există anumite variante de microsisteme la care microelementele deexecuţie constituie obiectul esenţial al integrării şi numai pentru funcţionarea corectă aacestora sunt folosiţi senzorii.

d) Microsisteme inteligente multisenzor

Asigurarea unei interconectări comode a microsistemelor senzoriale cu echipamentelede calcul constituie un deziderat esenţial prin implicaţiile majore asupra performanţelorsistemului în ansamblu, sub multiple aspecte: capacitate de procesare şi control, precizie şifiabilitate.

Primele variante de microsisteme, care integrează numai senzorii şi circuitele decondiţionare a semnalelor, sunt conectate la circuite de interfaţare, care asigură funcţiile deeşantionare şi multiplexare, conversie analog-numerică şi comunicaţie cu sistemul de calcul;acestuia din urmă îi revin toate celelalte funcţii de control, stocare şi procesare primară adatelor, efectuarea de corecţii, verificări şi etalonări urmate de prelucrări (în concordanţă cualgoritmi adecvaţi cerinţelor de interpretare sintetică a informaţiilor). Inteligenţa sistemuluieste concentrată la nivelul superior, la care se află sistemul de calcul şi control; la acesta dinurmă sunt conectate microsistemele senzoriale (prin intermediul interfeţelor).

Figura 10.10Microsistem inteligent multisenzor

Microsistemul inteligent multisenzor are, în plus faţă de microsistemele multisenzorprezentate anterior, capacitate proprie de procesare şi interpretare (asigurată demicrocontroler, RAM şi PROM - incluse în unitatea centrală UC din figura 10.10) şi esteprevăzut cu interfeţe evoluate de comunicaţie (RS-232, RS-485 sau 422, notate cu IC înaceeaşi figură). Microsistemele inteligente pot fi interconectate prin intermediul uneimagistrale de comunicaţie. Blocurile electronice reprezentate schematic în figura 10.10 suntintegrate toate în microsistemul inteligent.

MUX

CC

S11

S21

S12 S13 S14

S22 S23 S24

S31

S41

S32 S33 S34

S42 S43 S44

BA

SMS

ALIM

BC

DEMUX

CAN

UC

IC

Mag

istra

la (B

US)


13

1.4. Domenii de aplicaţie ale sistemelor multisenzoriale

Sistemele multisenzoriale şi-au găsit foarte repede o largă utilizare. Dezvoltareatehnico-ştiinţifică din ultimii ani a creat premiza apariţiei unor sisteme de control şisupraveghere complexe şi a unor roboţi evoluaţi, dotaţi cu sisteme multisenzoriale (capabilesă preia informaţiile necesare pentru conducerea şi supravegherea unei instalaţii, a unui fluxtehnologic şi, în general, a unui proces).

Dacă până de curând erau folosiţi frecvent senzorii discreţi, acum aceştia sunt utilizaţidin ce în ce mai puţin, locul lor fiind luat de cei integraţi, care au avantajul simplificării şiminiaturizării sistemului de măsurare şi control.

Sistemele multisenzoriale sunt întâlnite într-o mare diversitate de aplicaţii; cele maiimportante dintre acestea sunt menţionate în continuare.! Sisteme multisenzoriale de temperatură, folosite pentru întocmirea hărţilor termice, în

medicină, pentru inspecţie şi diagnoză;! Sisteme multisenzoriale vizuale, întâlnite în vederea artificială, pentru analiza scenelor sau

recunoaşterea formelor, la roboţi staţionari sau mobili, pentru întocmirea hărţilor;! Sisteme multisenzoriale tactile, utilizate pentru recunoaşterea formelor, determinarea

temperaturii, durităţii sau texturii unor corpuri;! Sisteme multisenzoriale acustice, întâlnite în percepţia auditivă (comenzi vocale), pentru

determinarea poziţiei sau vitezei de deplasare a unor corpuri, pentru investigaţii medicale,detectarea unor obiecte fixe sau în mişcare;

! Sisteme multisenzoriale olfactive, necesare pentru analiza gazelor toxice, a substanţelorcombustibile sau a substanţelor aromatice.

BIBLIOGRAFIE10-1. Baltes H. ş.a., Sensors Update. Vol. I, II, Weinheim, New York, 1996.10-2. Bodea M, Mihuţ I., Aparate electronice pentru măsurare şi control, Editura Didactică

şi Pedagogică, Bucureşti, 1985.10-3. Buiu C., Pop V., Inginerie cognitivă, Editura ICPE, Bucureşti, 2001.10-4. Dobriceanu M., Sisteme de achiziţie şi microprocesoare, Editura Universitaria,

Craiova, 2003.10-5. Iliescu C. ş.a., Metrologie, sisteme de măsurare. Preocupări actuale, Editura ICPE,

Bucureşti, 1994.10-6. Ionescu G. ş.a., Traductoare pentru automatizări industriale. Vol.I, Editura Tehnică,

Bucureşti, 1985.10-7. Ivănescu M., Roboţi industriali. Algoritmi şi sisteme de conducere, Editura

Universitaria, Craiova, 1994.10-8. Pantelimon B., Iliescu C., Senzori şi traductoare, Editura Tritonic, Bucureşti, 2000.10-9. Posdărăscu E., Contribuţii privind achiziţia semnalelor de la sisteme multisenzoriale,

Teză de doctorat, Universitatea Politehnica, Bucureşti, 2003.10-10.Purcaru D.M., Senzori şi traductoare. Vol.I, Editura Reprograph, Craiova, 2001.10-11.Purcaru D.M., Sisteme senzoriale. Metode şi algoritmi pentru recunoaşterea tactilă a

formelor, Editura Sitech, Craiova, 1997.10-12.Purcaru I., Contribuţii la optimizarea sistemelor distribuite de achiziţie a datelor cu

aplicaţii în electroenergetică, Teză de doctorat, Universitatea Politehnica, Bucureşti,2004.

10-13.Vlaicu C., Sisteme de măsurare informatizate, Editura ICPE, Bucureşti, 2000.

cp. senzori, trad., sisteme multisenzoriale

Documents