Introducere 1Introducere 1In ultimul timp, senzorii inteligenti au capatat o

larga raspandire in cele mai diverse domenii industriale, dar mai ales in componenta sistemelor complexe de automatizare, roboti, etc.

Cel mai cunoscut mod de obtinere a informatiei asupra fenomenelor fizice se bazeaza pe evaluarea amplitudinii tensiunii sau curentului obtinut la nivelul senzorului.

O abordare mai noua este cea ce foloseste fenomenul de rezonanta si oscilatoare variabile. Astfel informatia este transformata in parametrii de frecventa sau timp ai semnalului obtinut la nivelul senzorului.

Sistemele senzoriale moderne pot utiliza insa si multe alte tehnici noi de masurare.

Introducere 2Introducere 2Înlocuirea muncii omului cu o maşină a constituit visul dintotdeauna a fiinţei umane. –Istoria automatizărilor a debutat prin inventarea unor sisteme mecanice simple. Apoi, acestea au fost progresiv dezvoltate şi automatizate. – În zilele noastre, mari sisteme, ajungând până la anumite uzine, sunt automatizate în totalitate.–Robotul este simbolul epocii automatizărilor. Chiar dacă nu este o reproducere exactă a corpului uman, el posedă de multe ori o formă şi un nume ce depinde de funcţia sa: robot observator meteorologic, robot de sudură, etc..

Introducere 3Introducere 3Nu se poate neglija rolul robotului în instalaţiile industriale automatizate, în toate domeniile şi la toate nivelurile. Dacă astăzi roboţii sunt utilizaţi cu precădere în industrie pentru creşterea rentabilităţii şi economia de manoperă, mai ales în aplicaţiile cu condiţii grele de lucru, în viitor aceştia vor pătrunde în administraţie, domeniul medico-social, sau casnic. De altfel dezvoltarea roboţilor se derulează cu repeziciune în multe laboratoare industriale sau de cercetare. Actualmente, Japonia este ţara care posedă cel mai mare număr efectiv de roboţi industriali şi în care cercetările în domeniu sunt cele mai evoluate.Avantajele principale ale robotizării sunt următoarele:•economia de manoperă;•înlocuirea funcţiilor simple ce se desfăşoară în condiţii de mediu grele;•creşterea productivităţii şi diminuarea costului;•ameliorarea şi stabilitatea calităţii.

Previziuni

• Dupa INTECHNO CONSULTINGDupa INTECHNO CONSULTING: : • Cererea de senzori va creste foarte mult pentru

2008-2009 valoarea tranzactiilor cu senzori va depasi suma de 50-55 billioane de US $

• Numai senzorii de tip semiconductor vor avea o crestere a cererii pe piata de peste 43% in 2008-2009

• Cea mai mare crestere este estimata pentru senzorii bazati pe tehnologiile MEMS, senzorii inteligenti si senzorii cu compatibilitate directa cu sistemele de calcul.

MST si MEMSMST si MEMS

• Avantajele incontestabile ale microelectronicii au condus la implementarea a noi incercari in constructia fizica a senzorilor integrati, precum:

MEMS (Micro-Electrical-Mechanical Systems) si SoC (Systems-on-Chip)

• Microsystem technologia de tip microsystem (MST) ofera noi cai de combinare a elementelor sensibile, cu circuitele de procesare si de comunicare pe acelasi cip.

Definitia MEMS si SoCDefinitia MEMS si SoC

• MEMS MEMS – – este un cip integrateste un cip integrat IC care are functiuni de IC care are functiuni de senzor si/sau de sistem de actionare cumulate cu o senzor si/sau de sistem de actionare cumulate cu o electronica necesara prelucrarii semnalelor vehiculate electronica necesara prelucrarii semnalelor vehiculate intre acestea.intre acestea.

• SoCSoC presupune integrarea tuturor componentelor unui presupune integrarea tuturor componentelor unui sistem de calcul pe acelasi cip. El contine sisteme de sistem de calcul pe acelasi cip. El contine sisteme de procesare analogica, numerica sau mixta a semnalelor si procesare analogica, numerica sau mixta a semnalelor si posibilitati de preluare a unor functii de transmitere a posibilitati de preluare a unor functii de transmitere a acestora in radiofrecventa. acestora in radiofrecventa. Ca urmare poate include: Ca urmare poate include: P, P, C, DSP, memorii, C, DSP, memorii, periferice, diferite interfete de communicatie, ADC, DAC, periferice, diferite interfete de communicatie, ADC, DAC, etc.etc.

• Dupa un studiu din 2006 al IFSA 55% din senzori sunt de tip analogic, 25% de tip digital si 20% de tip quasi-digital.

SenzoriSenzori Quasi-DigitaliQuasi-Digitali

• Sensorii quasi-digitali combina simplitatea si universalitatea caracteristica unui senzor analog si acuratetea si imunitatea la zgomote, proprii sensorilor cu iesire digitala

• Sensors quasi-digitali sunt senzori de tip frecventa-timp cu iesire in frecventa (70%), perioada (1%), factor de umplere (9%), numar de impulsuri (3%), impulsuri modulate (PWM)(16%), modificare de faza (1%), etc.

Senzori DigitaliSenzori Digitali

• Numarul de fenomene fizice ce pot fi convertite direct in digital sunt putine.

• Printre putinele exemple ar fi presiunea joasa, temperatura si bineinteles, cel mai cunoscut senzorul de pozitie unghiulara (encoder).

• Desi in 1961 prof. Novitskiy nu estima o dezvoltare a senzorilor digitali sau quasi-digitali, actualmente exista practic senzori cu iesire in frecventa pentru orice marime fizica, chimica, marime electrica sau neelectrica.

Sisteme de achizitii de date

x1

x3

xn

xjx2

s1s2

sj

sn

s3 Internet

Sistemul de achizitii de date este dispozitivul ce colecteaza, masoara si adapteza semnalele primite de la senzori facandu-le compatibile cu calculatorul. Acesta proceseaza semnalele primite, urmand a le afisa sau transmite altor operatori sau sisteme de operare pe cale digitala si/sau analogica sau via Internet.

Sensorul IntegratSensorul Integrat

Element sensbil

Circuit de conditionare

ADC Interfata Bus

rezistiv capacitativtranzistorpiezoelectricFotoelectricEf. MaterialPunteEtc.

ADCFDC

Amplificare liniarizare compensareFiltrareEtc.

RS 232/422/485IEEE 1451Etc.

MUX

Sensorul InteligentSensorul Inteligent

Element sensbil

Circuit de conditionare μC

rezistiv capacitativtranzistorpiezoelectricFotoelectricEf. MaterialPunteEtc.

Amplificare liniarizare compensareFiltrareEtc.

DSPFDCComunicare

MUX

Definitia sensorului inteligentDefinitia sensorului inteligent• Sensorul inteligentSensorul inteligent este un cip fara componente externe ce

include elementele sensibile de captare a semnalului fizic, de procesare analogica si digitala a semnalului primit de la acestea dar si functii de inteligenta: autotestare, autoidentificare, autovalidare sau autoadaptare. Ca urmare:

• Principalele proprietati ale unui asemenea senzor sunt:Principalele proprietati ale unui asemenea senzor sunt:- Adaptabilitatea:- Adaptabilitatea: modificarea preciziei in functie de viteza modificarea preciziei in functie de viteza de raspuns si invers; modificarea consumului de putere de raspuns si invers; modificarea consumului de putere prin ajustarea frecventei unui timer de tip oscilator cu cuart. prin ajustarea frecventei unui timer de tip oscilator cu cuart. - Precizie:- Precizie: erorile de masura pot fi programabile ( algoritmi erorile de masura pot fi programabile ( algoritmi statistici,valoare medie, abatere medie patratica, etc.) statistici,valoare medie, abatere medie patratica, etc.) - Siguranta:- Siguranta: pentru a controla performanta sistemului si pentru a controla performanta sistemului si conectarea acestuia la firele senzorului senzorului este conectarea acestuia la firele senzorului senzorului este utilizat autodiagnosticulutilizat autodiagnosticul

Aspecte TehnologiceAspecte Tehnologice

• Pentru anumite tipuri de senzori de tip semiconductor, mai ales cei de tip read-out trebuie dezvoltata o tehnologie speciala pentru a putea fi integrate pe un singur cip.

• Numai o productie de seri foarte mare ar putea asigura un cost acceptabil pentru astfel de senzori.

• Tehnologiile propuse pentru acesti senzori integrati trebuie sa aibe o complexitate acceptabila si/sau o aplicabilitate pentru o larga gama de senzori. Combinatia dintre integrarea monolitica si hibrida la care se adauga tehnici avansate de procesare si conversie a semnalelor , asigura in cele mai muilte cazuti rezultatele cele mai bune la un pret acceptabil.

Principalii parametrii ai senzorilor Principalii parametrii ai senzorilor Frecventa- Domeniu TimpFrecventa- Domeniu Timp

• Principalii parametrii ai senzorilor Frecventa- Domeniu Principalii parametrii ai senzorilor Frecventa- Domeniu TimpTimp sunt: -frecventa (fx)- perioada (Tx)- raportul de frecvente sau diferenta lor (f1/f2)- abaterea de frecventa(Δf)- factorul de umplere (%)- intervalul de timp (t2-t1)- largimea impuldului (ti)- numarul de impulsuri (N)- gradul de modulare a impulsului (PWM)- modificarea de faza (φ).

AvantajeleAvantajele utilizarii frecventei frecventei

• Imunitate mare la zgomot

• Semnal de putere mare

• Gama dinamica larga

• Precizie mare a semnalului de referinta

• Interfatare Simpla

• Integrare si Codare Simpla

Imunitate mare la zgomot

Proprietati si avantaje:• Posibilitatea de utilizare a modulatiei in frecventa• Frecventa unui semnal poate fi transmisa prin

linii de comunicatie la foarte mare distanta • Pentru transmiterea unui anumit semnal nu sunt

necesare decat doua fire• Transmiterea de date nu necesita o anumita

sincronizare• Transmiterea semnalelor in frecventa este ideala

pentru medii industriale cu zgomot ridicat

Semnal de putere mare

• Puterea de iesire a unui senzor si deci cea de intrare in amplificator constitue o problema de baza in configurarea unui canal de transmitere a semnalului la o putere acceptabila

• Pierderile de putere ce provin din aceasta parte nu pot fi sau sunt greu de compensat printr-o procesare de semnal.

• Puterea de iesire a senzorilor cu iesire in frecventa este de regula considerabil de mare

Gama dinamica larga

• Gama dinamica a senzorilor cu iesire in frecventa nu este limitata de sursa de alimentare si de nivelul zgomotelor

• Gama dinamica a senzorilor cu iesire in frecventa poate ajunge cu usurinta la peste 100 dB

Precizie mare a semnalului de referinta

• Oscilatoarele cu cristal de cuart pot fi realizate foarte stabile decat tensiunile de referinta

• Oscilatoarele cu cristal de cuart necompensate au de obicei erori de (150)·10-6

• Oscilatoarele cu cristal de cuart compensate cu temperatura pot ajunge la erori de 10-8 10-10

• Eroarea minima posibila pentru masurarea de frecventa prin utilizarea cuantizarii standard este de 10-14 iar pasul minim de cuantizare pentru intervale de timp este de 10-12 secunde

Interfatare Simpla

• Tensiunile electromotoare parazite, rezistentele de transfer, de intrare directe, diferentiale si de mod comun ale canalelor de multiplexare analogice, atunci cand se utilizeaza senzori analogici sunt sursa unor importante erori.

• Modularea in frecventa a semnalelor nu este sensibila la niciunul din factorii de mai sus

• Multiplexoarele de frecventa de la iesirea senzorilor cu iesire in frecventa sunt suficient de simple si nu introduc erori suplimentare

Integrare si Codare Simpla

• Drept integratoare se utilizeaza numaratoarele digitale de impulsuri care asigura o integrare cu un timp de masurare practic nelimitat

• Frecventa semnalului de la iesirea senzorului poate fi procesata prin intermediul controlerelor fara a necesita alte circuite aditionale

Clasificarea senzorilor quasi-digitaliClasificarea senzorilor quasi-digitali

• Senzorii quasi-digitali pot fi de trei tipuri; quasi-digitali pot fi de trei tipuri;

– Senzori cu conversie x(t) Senzori cu conversie x(t) F(t) F(t)

– Senzori cu conversie x(t)Senzori cu conversie x(t)V(t)V(t)F(t)F(t)

– Senzori cu conversie x(t)Senzori cu conversie x(t)P(t)P(t)F(t)F(t)

Senzori cu conversie x(t) Senzori cu conversie x(t) F(t) F(t)

• Sunt senzorii ce pot genera direct o frecventa la iesire, in functie de valoarea marimii de masurat

• Sunt insa necesare circuite electronice de putere pentru realizarea amplificarii si adaptarii de impedanta

• Un group de asemenea senzori se bazeaza pe fenomene de rezonanta (piezoelectrice, cristale de cuart, unde acustice de suprafata, oscilatoare duale, etc.) iar un altul se bazeaza pemodificarea periodica a structurii geometrice a senzorului (senzori de deplasare unghiulara sau encodere)

• Exemple: senzori senzori inductivi, senzorisenzori cu impulsuri fotoelectrice, senzorisenzori de tip cuarda vibranta senzori senzori , senzorisenzori acustici si cu stralucire (scintilatie)

Senzori cu conversie x(t)Senzori cu conversie x(t)V(t)V(t)F(t)F(t)

• Este cea mai mare categorie de senzori

• Avand iesirea in tensiune acestia necesita o simpla conversie tensiune-frecventa si/sau curent-frecventa

• Exemple :Exemple : senzori Hall, senzori de tip de tip termocouplu, senzori de tip fotoelectric sau fotovoltaic (celule fotoelectrice)

Senzori cu conversie x(t)Senzori cu conversie x(t)P(t)P(t)F(t)F(t)

• Din aceasta categorie, foarte numeroasa de altfel, fac parte senzorii bazati pe oscilatoare electronice

• Senzorul (elementul sensibil) este cel ce determina el insusi frecventa oscilatorului

• Exemple:Exemple: senzor inductiv, senzor capacitiv, senzor parametric rezistiv (cu modulare)

Senzori parametrici (cu modulare)Senzori parametrici (cu modulare)

• Senzori parametrici (cu modulare)Senzori parametrici (cu modulare) sunt ecei senzori ce realizeaza o transformare primara )bineinteles cu o anumita eroare) a masurandului (marime fizica) intru-un parametru electric sau intr-un circuit electric (inductanta, capacitate, rezistenta, etc.).

• Pentru efectuarea masurarii acestor parametri este necesara prezenta unei surse de putere (de alimentare) externa

• Exemple: senzori de presiune, senzori piezoresistivi, senzori fotoelectrici, etc.

SenzoriSenzori de tip Generatorde tip Generator

• sunt senzori ce pot autogenera la iesire un curent i(t) sau o tensiune u(t) in functie de valoarea marimii de masurat.

• Pentru aceasta conversie directa a masurandului nu este necesara existenta unei surse suplimentafre de putere (de alimentare)

• Exemple: Senzori bazati pe efectul Seebeck (thermocouple) si Senzori bazati pe efectul fotoelectric sau fotovoltaic (celule solare)

• SenzoriSenzori de tip Generatorde tip Generator mai sunt denumiti in literatura de specialitate si “senzori activi” iar cei parametrici cu modulare mai sunt denumiti in literatura de specialitate “senzori pasivi”

Senzori cu iesire in frecventa sau Senzori cu iesire in frecventa sau analogici ?analogici ?

Senzorii analogici cu iesire in curent sau tensiune Senzorii analogici cu iesire in curent sau tensiune sunt utilizati destul de frecvent mai ales in sunt utilizati destul de frecvent mai ales in sistemele cu semnale unificate standardizate sistemele cu semnale unificate standardizate

Un rol important in aceasta directie il joaca simplitatea tehnologica si costurile relativ mici

Acesti senzori necesita atentie la utilizarea in conditii concrete deoarece unele neconcordante de adaptare pot conduce la erori

Datorita dezvoltarii microsistemelor tehnologice si chiar a costurilor ce tind sa scada, senzorii cu iesire in frecventa tind sa capete o cat mai larga arie de aplicatii