Capitolul 1 SENZORI, TRADUCTOARE I SISTEME MULTISENZORIALE 1.1. Introducere De multe ori, noiunile de traductor i senzor sunt considerate ca fiind similare. Riguros vorbind, cele dou noiuni au semnificaii distincte. Creterea complexitii sistemelor de msurare i control, dar i necesitatea evalurii calitative i/sau cantitative a unor mrimi fizice cu o distribuie spaio-temporal au condus la apariia i dezvoltarea sistemelor multisenzoriale. 1.1.1. Traductorul Acest termen deriv din cuvntul latinesc transducere, care nseamn a transfera. Traductorul este un element funcional tipic din structura sistemelor automate, reprezentnd dispozitivul care convertete o mrime fizic proprie unui sistem, ntr-o mrime (de obicei electric sau pneumatic i cu un domeniu de variaie calibrat) apt pentru a fi recepionat i interpretat cantitativ de echipamentele de conducere. Pentru realizarea funciilor traductorului, sunt necesare operaii de conversie a informaiei i transformri energetice, bazate pe energia dezvoltat de mrimea din proces sau pe cea furnizat de sursa auxiliar. Structura general a unui traductor [10-6, 10-10], prezentat n figura 10.1, conine elementul sensibil (ES), adaptorul (Ad) i, opional, elementul de legtur pentru transmiterea semnalului (EL) i sursa auxiliar de energie (SAE). Elementul sensibil (detector, captor sau senzor) reprezint componenta primar, care detecteaz mrimea fizic x pe care traductorul trebuie s o msoare. Este detectat numai mrimea x i se elimin sau se reduc (la un minim acceptabil) influenele exercitate asupra ei de celelalte mrimi care acioneaz n mediul de funcionare al traductorului. Mrimea de intrare modific starea elementului sensibil, aceasta presupunnd un consum de energie. Modificarea de stare const n apariia unui semnal la ieirea ES sau variaia unor parametri de material ai acestuia; n al doilea caz se genereaz un semnal de ieire numai consumndu-se o energie extern de activare, care este asigurat de blocul SAE. x ES EL Ad y

SAE Figura 10.1 Structura general a unui traductor ES - element sensibil; EL - element de legtur; Ad - adaptor; SAE - surs auxiliar de energie. Adaptorul (Ad) are rolul de a adapta informaia obinut la ieirea elementului sensibil, la cerinele impuse de aparatura de automatizare care o utilizeaz. Adaptoarele se caracterizeaz printr-o mare diversitate a elementelor constructive de intrare, care asigur

1

1. Senzori, traductoare i sisteme multisenzoriale preluarea semnalelor provenite de la elementul sensibil. Aparatura standardizat de automatizare include adaptoare care conin elemente constructive comune la ieire, astfel nct s se genereze semnale unificate, indiferent de tipul sau domeniul de valori ale mrimii de intrare. Structura funcional simpl a traductorului conine numai elementul sensibil i adaptorul. Unele particulariti funcionale, tehnologice sau economice impun includerea unor elemente auxiliare, care sunt de dou tipuri: elemente de legtur, folosite pentru transmiterea ctre adaptor a modificrii de stare a elementului sensibil; ele realizeaz conexiuni electrice, mecanice, optice sau de alt natur; surse auxiliare de energie, care asigur energia necesar conversiilor de semnal care se produc n elementul sensibil i n adaptor, fr s altereze performanele impuse semnalului de ieire al traductorului. n funcie de natura semnalelor furnizate la ieire, traductoarele (folosite n automatizri) se mpart n electrice (electronice) i pneumatice. Dup forma de variaie n timp a semnalelor de ieire, traductoarele sunt analogice sau numerice. De obicei, traductoarele folosite n automatizrile industriale au semnale de ieire cu variaii ntr-o gam fixat, indiferent de domeniul de valori ale mrimii de intrare. Apare astfel posibilitatea tipizrii celorlalte elemente din sistem, care, n asemenea condiii, funcioneaz cu semnal unificat. Tipizarea permite producerea n serii mari a aparatelor de automatizare, modularizarea, interanjabilitatea i interconectarea comod a diferitelor componente ale sistemului etc. Principalele semnale analogice unificate, furnizate de traductoare, sunt urmtoarele: ! curent continuu: 0,5-5 mA, 2-10 mA sau 4-20 mA; ! tensiune continu: 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 dac este similar elementului sensibil al acestuia. Dezvoltarea roboilor i realizarea unor instalaii de supraveghere i control complexe au condus la asocierea unei alte semnificaii noiunii de senzor. Roboii au un caracter mai mult sau mai puin antropomorfic (tind s capete nsuiri omeneti), n funcie de gradul lor de dezvoltare. Ca urmare, pe lng facilitile de acionare, acetia sunt dotai i cu sisteme de culegere a informaiilor referitoare la starea intern sau la cea a mediului de operare. Elementele (ncorporate n aceste sisteme) care au capacitatea de a asigura informaiile respective, ntr-o prim form, deci au capacitatea de a substitui elemente ale simului uman, poart numele de senzori. Cuvntul senzor provine din latinescul sentire, care nseamn a simi. n concluzie, traductoarele achiziioneaz informaia ntr-un anumit loc, ntr-un anumit moment, sub o form care va trebui interpretat cantitativ, iar senzorii acioneaz ntr-un cmp de valori, fiind capabili s furnizeze informaii care s permit o apreciere de natur calitativ. Termenul de senzor a devenit mai frecvent odat cu dezvoltarea roboilor evoluai, precum i a unor sisteme complexe de msurare i evaluare a unor ansambluri de procese sau fenomene cu proprieti caracterizate de o distribuie spaio-temporal, astfel nct se poate face o paralel cu maniera de percepere asigurat de organele de sim umane. n contextul acestui paralelism cu elementele sensibile ale simurilor umane, senzorii [10-9] sunt acele elemente

2

1. Senzori, traductoare i sisteme multisenzoriale sau ansambluri de elemente detectoare care, asociate cu blocurile de prelucrare adecvate, permit obinerea unei informaii pertinente cu privire la un cmp de obiecte sau de fenomene. Un senzor este un dispozitiv care recepioneaz un stimul (de natur fizic, chimic sau biologic) i rspunde cu un semnal, de regul electric, compatibil cu circuitele electronice crora l transmite. Acest semnal poate fi - analogic (tensiune, curent sau sarcin electric), descris n termeni de amplitudine, frecven sau faz, respectiv - digital, descris de un cod numeric. Exist mai multe criterii de clasificare a senzorilor, dintre care, cele mai importante sunt menionate n continuare. " Dup principiul de funcionare exist senzori rezistivi, capacitivi, inductivi, piezoelectrici, optici, chimici, tensometrici etc. " n funcie de natura mrimilor detectate se deosebesc urmtoarele tipuri de senzori: de poziie, deplasare, vitez, acceleraie, temperatur, presiune, for etc. " Dup simul uman pe care-l suplinesc pot fi a) senzori tactili care sesizeaz calitativ, dar (uneori) i cantitativ, prin contact direct cu un obiect, anumite caracteristici ale acestuia: dimensiunile, textura, duritatea, temperatura, umezeala etc.; b) senzori acustici responsabili cu recepionarea de mesaje sonore, unde acustice, zgomot ce pot caracteriza starea fizic a unui obiect, fenomen sau proces; c) senzori vizuali capabili s capteze imagini, n scopul descrierii bi- sau tridimensionale a unui obiect sau a mediului nconjurtor; d) senzori olfactivi destinai detectrii prezenei unor gaze, lichide, arome sau alte substane ntr-un mediu, folosind procedee care nlocuiesc mirosul natural. " Dup modul cum sunt fabricai, exist dou mari categorii de senzori, i anume: a) senzori discrei, care au o construcie mai simpl i al cror rol este mai degrab de a sesiza i transmite o informaie cu caracter local; b) senzori integrai, care, din punct de vedere tehnologic, au o construcie mai complicat, incluznd i alte componente de prelucrare a informaiei receptate, indiferent dac mrimea msurat are un caracter local sau un caracter global, din punct de vedere spaial. " Din punct de vedere energetic se disting dou tipuri de senzori: pasivi i activi. n cazul senzorilor pasivi, semnalul electric de ieire este produs cu ajutorul unor surse de energie extern, care pun n eviden variaii ale unor parametri electrici de circuit, determinate de mrimile de intrare. Senzorii activi genereaz la ieire semnale electrice care au asociat o anumit energie preluat de la mrimile de intrare i, n principiu, nu necesit surse externe de energie. " Dup natura informaiei oferite, senzorii pentru roboi pot fi [10-7] a) intrinseci, dac asigur o imagine a strii interne a robotului (de exemplu senzorii care msoar poziia, viteza, acceleraia n cuplele de rotaie), b) extrinseci, dac ofer informaii despre starea extern a robotului (de exemplu sezorii tactili, de proximitate, vizuali care msoar parametri externi robotului). " Dup natura interaciunii cu mediul de operare, senzorii folosii la roboi [10-7]sunt a) cu contact (senzori tactili sau pentru stres), care permit contactul dintre robot i un obiect din mediul de lucru, b) fr contact (senzori de imagine, de proximitate, ultrasonici), care asigur o interaciune de la distan.

3

1. Senzori, traductoare i sisteme multisenzoriale 1.1.3. Sistemul multisenzorial Starea unui proces sau aprecierea unui obiect sau fenomen este, n general, dependent de mai muli parametri i determinarea acestei stri (din punct de vedere calitativ i cantitativ) presupune determinarea fiecrui parametru n parte, n coordonate spaio-temporale. Msurtorile efectuate n vederea obinerii de informaii pot avea un caracter local sau un caracter global. De cele mai multe ori, informaia primit de la un singur senzor este insuficient pentru a obine o imagine a strii sistemului studiat. De aceea, pentru o caracterizare cantitativ i calitativ ct mai complet, n spaiu i timp, a unui obiect, proces sau fenomen, este nevoie de mai muli senzori. Un sistem format din mai muli senzori de acelai tip sau diferii i care opereaz mpreun n vederea furnizrii de informaii coerente cu privire la anumii parametri necesari determinrii strii unui obiect, proces sau fenomen, poart denumirea de sistem multisenzorial [10-7]. ntr-o situaie simpl, un singur senzor (care detecteaz un anumit parametru) este suficient pentru a realiza o descriere local, la un moment dat sau la intervale de timp determinate, a unui obiect, proces sau fenomen. Dac se studiaz un fenomen complex, caracterizat de mai muli parametri, starea lui nu poate fi descris dect cu ajutorul unui vector de stare; n asemenea situaii se impune utilizarea unui sistem multisenzorial, care s furnizeze componentele vectorului de stare. Dup natura senzorilor coninui, un sistem multisenzorial poate fi format din senzori de acelai tip (folosii pentru cmpuri de mrimi de aceeai natur) sau din senzori diferii (n scopul de a obine informaii despre un obiect sau proces caracterizat de mai multe mrimi diferite). Din punct de vedere al structurii tehnologice, un sistem multisenzorial utilizeaz pentru msurare - o structur cu senzori discrei, atunci cnd componentele detectoare, ca i cele de transmitere i prelucrare, sunt elemente discrete; - o structur cu senzori integrai, atunci cnd ansamblul elementelor utilizate pentru msurarea mai multor parametri este realizat sub form integrat; - o structur mixt, cnd ansamblul elementelor de msurare conine componente att discrete ct i integrate. Robotul este un sistem complex, care execut multe i variate micri, n concordan cu sarcinile impuse. Apare necesitatea ca robotul s se comporte ca un sistem autoadaptiv, adic s i modifice caracteristicile funcionale odat cu schimbrile intervenite n starea proprie sau n mediul su de operare. Controlul micrilor efectuate presupune informaii despre starea intern a robotului (cunoaterea poziiei, vitezei, acceleraiei elementelor mobile etc.). Operaiile pe care trebuie s le realizeze impun adesea caracterizarea strii externe a robotului (cunoaterea unor proprieti ale mediului de operare). Sistemul senzorial al robotului este ansamblul tuturor senzorilor (dispozitive sau echipamente senzoriale) care ofer robotului o imagine a lumii externe (n care evolueaz) i informaiile necesare despre starea intern, permindu-i s realizeze o comportare adaptiv fa de orice modificare de stare intern sau extern [10-7]. Funcia realizat de un robot impune complexitatea sistemului senzorial al acestuia.

4

1. Senzori, traductoare i sisteme multisenzoriale 1.1.4. Poziia i rolul senzorilor ntr-un sistem de achiziie de date De cele mai multe ori, un senzor nu funcioneaz individual, ci este o component a unui sistem multisenzorial, care la rndul lui face parte dintr-un sistem de achiziie de date. Un senzor poate fi ! extrinsec cnd este poziionat n afara sistemului sau procesului studiat i este folosit pentru detectarea influenelor externe, semnalizarea variaiilor stimulilor externi, msurarea proprietilor unor obiecte externe etc.; ! intrinsec cnd este poziionat n interiorul sistemului sau procesului studiat, avnd rolul de a monitoriza starea intern a acestuia. Alegerea senzorilor i structura sistemului multisenzorial depind de performanele la care ar trebui s rspund ntregul sistem de msurare. Sistemul de achiziie de date, prezentat n figura 10.2, este compus dintr-un sistem multisenzorial (care conine senzorii 1, 2,...,5, de diferite tipuri), sursa auxiliar de energie aferent acestuia, circuitele CI1, CI3 de condiionare a semnalelor, un multiplexor i un convertor analog-numeric. Mediul de msurare poate fi un obiect, un proces sau un fenomen. Senzorii utilizai sunt intrinseci (2, 3 i 4) sau extrinseci (1 i 5). Senzorul 1 este noncontact (camer TV, detector de radiaii, senzor de proximitate), iar senzorul 5 monitorizeaz condiiile interne de funcionare a sistemului de achiziie de date. ntruct formatele semnalelor de ieire ale senzorilor 1 i 3 nu permit conectarea direct la multiplexor, se impune intercalarea unor circuite de condiionare (numite i condiionere de semnal), notate cu CC n figura 10.2. Senzorii 1, 2, 3 i 5 sunt activi, iar senzorul 4 este pasiv (pentru detectarea mrimii de intrare necesit o surs auxiliar de energie).Obiect, proces

Senzor 1 CC1 MULTIPLEXOR

Echipamente periferice

2 3 4 Surs aux. de energie CC3

CAN Calculator

5 Elemente de execuie

Senzor

Figura 10.2 Sistem de achiziie de date

Semnalele electrice furnizate de senzori i, eventual, condiionate sunt preluate, de regul, de un multiplexor care le transmite unui convertor analog-numeric sau direct unui calculator, dac senzorul produce semnale n format digital. Calculatorul are funcia de unitate central de prelucrare a informaiei i de control al ntregului sistem. El supravegheaz, prin

5

1. Senzori, traductoare i sisteme multisenzoriale transmiterea unor semnale de comand i control, multiplexorul, convertorul analog-numeric i elementele de execuie (care acioneaz asupra mediului de msurare). Sistemul poate conine i unele echipamente periferice (nregistratoare de date, afioare) care sunt conectate la calculatorul central. 1.2. Arhitecturi de sisteme multisenzoriale Dac trebuie determinate una sau mai multe mrimi cu componente spaiale, se folosete un sistem multisenzorial constituit din senzori de acelai tip sau diferii, dispui spaial n mod corespunztor; fiecare senzor realizeaz o determinare punctual, specific locului sau punctului vizat (sau n care a fost amplasat dispozitivul de msurare). Sistemul multisenzorial realizeaz o determinare global a mrimii/mrimilor msurate, rezultnd o hart care caracterizeaz procesul la un moment dat. Repetnd secvenele de msurare (harta) la intervale de timp precizate sau n mod continuu, se obine evoluia n timp a procesului (un film). Dac procesul este caracterizat de mrimi de natur diferit, se impune utilizarea unui sistem multisenzorial mai complex, format din senzori de diferite tipuri. n ultimii ani, au avut loc o serie de progrese ale tiinei i ingineriei materialelor, n special a oxizilor metalici, a mixturilor anorganice, a substanelor ceramice, a polimerilor conductivi, a catalizatorilor i, mai ales, a tehnologiilor siliciului i circuitelor integrate [10-9]. Cercetrile n aceste direcii, dezvoltarea unor tehnologii de fabricaie mai puin costisitoare pentru dispozitive pe baz de siliciu i materiale menionate mai sus, au condus la apariia senzorilor individuali sau multipli (arii de senzori), ntr-o form simplificat spaial n sensul miniaturizrii. Acest lucru a fost posibil folosind descoperirile din domeniul senzorilor semiconductori i prin integrarea acestor dispozitive, sub form de arii de senzori, mpreun cu circuitele de condiionare a semnalelor de ieire, rezultnd astfel senzorii integrai. n prezent, se urmrete obinerea unor sisteme multisenzoriale, cu funcii i performane cel puin similare cu cele asigurate de senzorii discrei, dar care extind considerabil sfera aplicaiilor, datorit miniaturizrii, capacitii lor de a funciona on-line i raportului cost/performan foarte avantajos (justificat de fabricarea senzorilor integrai pe baza tehnologiei siliciului). Exist dou tipuri de arhitecturi de sisteme multisenzoriale folosite ntr-un sistem de msurare i control care supervizeaz starea unui proces: - arhitecturi cu senzori discrei - arhitecturi cu senzori integrai. a) Arhitecturi cu senzori discrei Dac la un moment dat sunt necesare mai multe informaii cu privire la starea unui obiect sau proces cu o distribuie spaial, pentru preluarea acestor informaii este necesar utilizarea concomitent a mai multor senzori discrei, dispui corespunztor, n diferite puncte de msurare i pe o arie spaial destul de larg. Aceste dispozitive formeaz o arhitectur multisenzorial discret, care poate fi constituit din - senzori de acelai tip, care msoar mrimi fizice de aceeai natur, determinnd componentele unui vector de stare coloan; - senzori diferii ca tip, care msoar mrimi fizice de natur diferit i determin componentele unui vector de stare linie; -senzori de acelai tip i senzori de diferite tipuri, formnd o structur senzorial mixt (arie sau matrice de senzori).

6

1. Senzori, traductoare i sisteme multisenzoriale Modelul matematic care descrie starea unui proces explorat de o arie de senzori este o matrice de stare. Pentru preluarea informaiei de la aria de senzori se folosesc un demultiplexor (DEMUX) i un multiplexor (MUX), controlate de un bloc de comand digital (BC), ca n figura 10.3 Demultiplexorul selecteaz tipul de senzori (vectorul coloan), iar multiplexorul alege senzorul care trebuie citit din coloana respectiv. Informaia senzorial astfel obinut este transmis blocului de condiionare i adaptare i, apoi, convertorului analog-numeric care o furnizeaz unitii centrale de prelucrare i decizie.

S11 S12 .. S1j S1n S21 S22 .. S2j S2n .. Si1 Si2 .. Sij Sin .. Sm1 Sm2 .. Smj Smn

M U X Circuite de prelucrare a informaiilor

DEMUX

BC

Figura 10.3 Structura senzorial mixt

(S12 , S 22 ,..., S m 2 ) este mulimea senzorilor de tipul 2,senzorilor de tipul j .a.m.d.

n figura 10.3,

(S11, S 21,..., S m1 )

este mulimea senzorilor de tipul 1,

(S1 j , S 2 j ,..., S mj ) este mulimea

Exemple O arhitectur multisenzorial discret, realizat cu senzori de acelai tip, se folosete ntr-un sistem de msurare care urmrete evaluarea global a temperaturii unei suprafee ntinse sau a unui spaiu de volum dat. Se poate determina astfel distribuia spaial a temperaturii n interiorul unei incinte (determinare de volum) sau la periferia ei (determinare de suprafa). Pe baza acestor msurtori, se fac aprecieri asupra existenei pierderilor (scurgerilor) de energie din unele zone sau asupra apariiei de puni termice (locuri unde scurgerea energetic este mai accentuat). Pentru determinrile de temperatur pot fi folosite termistoare, termocuple, termorezistene sau senzori semiconductori. O arhitectur multisenzorial discret, cu senzori de acelai tip i senzori de diferite tipuri, se folosete ntr-o aplicaie mai complex, care are ca scop detectarea gazelor rezultate n urma unor reacii sau procese chimice (de exemplu de oxido-reducere), separarea gazelor, determinarea concentraiilor, presiunilor i temperaturilor lor pe flux. Arhitectura conine senzori discrei, pentru determinarea prezenei anumitor tipuri de gaze i pentru msurarea parametrilor cerui (concentraie, presiune i temperatur), parametri care caracterizeaz gazele pe fluxul tehnologic de obinere a lor. Sistemul multisenzorial va avea o arhitectur compus din mai multe tipuri de senzori, fiecare tip fiind reprezentat de mai muli senzori discrei.

7

1. Senzori, traductoare i sisteme multisenzoriale b) Arhitecturi cu senzori integrai (sisteme multisenzoriale integrate) Urmrirea concomitent a evoluiei mai multor parametri, ntr-un anumit punct sau ntr-o zon restrns din spaiu, a devenit o necesitate n ultima vreme, datorit diversitii i complexitii problemelor de msurare aprute. Pentru aceasta, sunt necesari mai muli senzori (de acelai tip sau de tip diferit), care se afl n acelai modul (realizat n form monolitic sau hibrid) i formeaz un sistem multisenzorial integrat. Arhitectura acestuia este asemntoare cu cea a sistemelor multisenzoriale discrete. n prezent, se fac nc cercetri n domeniul microsenzorilor solid-state. Evoluia microelectronicii a condus la o nou arhitectur de sistem de msurare i control, n form integrat (monolitic), numit microsistem. O astfel de arhitectur concentreaz, ntr-o singur structur monolitic, ntreg sistemul multisenzorial i, uneori, interfaa de comunicaie cu acesta. Matricea de senzori este mai dens i poate cuprinde mult mai muli senzori dect n cazul arhitecturii cu senzori discrei. Sistemele multisenzoriale integrate devin tot mai necesare n multe aplicaii din domeniul roboilor sau monitorizrii mediului ambiant, din medicin, aviaie etc. 1.3. Realizri i tendine n domeniul sistemelor multisenzoriale 1.3.1. Generaii de senzori i sisteme multisenzoriale De-a lungul timpului, senzorii au evoluat de la un simplu element sensibil (capabil s detecteze o singur mrime pe care s o transmit ntr-o form analogic primar), pn la sisteme multisenzoriale integrate sau senzori inteligeni (capabili s perceap un numr mare de proprieti i s prelucreze informaia ntr-un format digital avansat). Etapele parcurse n evoluia tehnologiei electronice (n special a microelectronicii) au determinat conturarea a 6 generaii de senzori sau arhitecturi multisenzoriale. Prima generaie include senzorii discrei, asemntori cu elementele sensibile. Un asemenea senzor detecteaz un parametru sau o proprietate, fr s includ circuite de condiionare sau prelucrare a semnalului rezultat, iar informaia se transmite, sub form analogic primar, la nivelul ierarhic superior. Ca exemple pot fi menionai senzorii parametrici cu structur simpl, termistoarele, termocuplele, senzorii semiconductori etc. A II-a generaie cuprinde senzorii discrei sau integrai care au pe acelai cip i circuite de prelucrare primar a semnalelor. De exemplu senzorul monolitic de temperatur, cu compensare termic, M135.MASTER ROM Magistrala (BUS)

ES

CIRCUIT DE CONDIIONARE

Date analogice

CAN

C

Senzor hibrid sau discret RAM

Figura 10.4 Generaia a III-a de senzori

8

1. Senzori, traductoare i sisteme multisenzoriale Generaia a III-a (figura 10.4) corespunde senzorilor care sunt utilizai frecvent astzi. Senzorul (hibrid sau discret) conine un element sensibil (ES) i un circuit pentru condiionarea semnalului. Prelucrarea semnalului analogic rezultat se realizeaz la distan, unde exist un convertor analog-numeric (CAN) i un microcontroler (C). La primele trei generaii de senzori ! informaia se transmite analogic i numai unidirecional (de la senzor ctre nivelul superior), ! prelucrarea informaiei se realizeaz la nivelul ierarhic superior senzorului. Generaia a IV-a (figura 10.5) se refer la senzorii matriceali integrai care pot fi interogai de un microcontroler, ntruct conin i un decodificator de adres. Fluxul informaional este bidirecional: adresa este codificat binar i transmis numeric senzorului integrat, iar semnalul analogic de la ieirea circuitului de condiionare (tensiune, curent sau impulsuri) este transmis convertorului analog-numeric. Compensarea parametrilor perturbatori (de exemplu compensarea termic) o realizeaz (la distan) microcontrolerul.MASTER ROMMATRICE DE SENZORI CIRCUIT DE CONDIIONARE DECODIFICATOR DE ADRES

Date analogice Date numerice

CAN

C

Figura 10.5 Generaia a IV-a de senzori

RAM

Generaia a V-a (figura 10.6) cuprinde senzorii matriceali integrai, cu structur complex. Un asemenea senzor include matricea senzorial, un microcontroler, o memorie PROM, circuite pentru citirea matricei de senzori, circuitul de condiionare i convertorul analog-numeric. Fluxul informaional ntre senzor i nivelul superior este bidirecional, numeric n ambele sensuri. Compensarea mrimilor perturbatoare i calibrarea se realizeaz la distan fa de senzor.MASTER SENZOR MATRICEAL INTEGRAT MATRICE DE SENZORI PROM CAN C RAM Magistral numeric bidirecional C ROM Magistrala (BUS)

Modul monolitic sau hibrid

Figura 10.6 Generaia a V-a i a VI-a de senzori Generaia a VI-a (figura 10.6) este o variant perfecionat a generaiei anterioare: mrimile perturbatoare sunt compensate local de ctre senzor, iar calibrarea se poate realiza local sau la distan, prin generarea unui semnal de intrare standard i comanda senzorului n bucl nchis.

9

Magistrala (BUS)

SENZOR MATRICEAL INTEGRAT

1. Senzori, traductoare i sisteme multisenzoriale 1.3.2 Microsisteme senzoriale integrate a) Microsisteme unisenzor Crearea de senzori prin procedee tehnologice proprii circuitelor electronice integrate a condus la apariia microsistemelor unisenzor. Cipul conine un microsenzor i un circuit de condiionare (figura 10.7) ALIM

S

CC

OUT

Microsenzor

Circuit de condiionare

Figura 10.7 Microsistem unisenzor Principalele avantaje ale acestor microsisteme sunt dimensiunile i costul reduse apreciabil, mbuntirea calitii semnalului de ieire (se asigur rejecia factorilor perturbatori i cresc sensibilitatea, liniaritatea dependenei intrare-ieire i precizia msurrii), posibilitatea standardizrii formatului semnalului de ieire analogic sau numeric (pentru a asigura interfaarea cu circuitele de prelucrare). Circuitul de condiionare poate realiza numai adaptarea ca nivel i tip a semnalului de ieire (curent, tensiune, frecven), poate conine i convertoare analog-numerice sau chiar circuite de prelucrare i corecie primar pentru semnalele analogice. b) Microsisteme multisenzor Tehnologia circuitelor integrate din siliciu permite controlarea cu mare precizie a procesele pe care le comport, existnd astfel posibilitatea de a obine un nalt grad de reproductibilitate a caracteristicilor senzorilor care constituie o matrice. ALIMS11 S21 S31 S41 S12 S22 S32 S42 S13 S23 S33 S43 S14 S24 S34 S44

M CC U X OUT

SMS

CA Figura 10.8 Microsistem multisenzor COM. EXT.

10

1. Senzori, traductoare i sisteme multisenzoriale Microsistemul multisenzor conine, pe acelai cip, matricea senzorial (SMS), un multiplexor (MUX), circuitul de condiionare (CC) i un circuit de adaptare (CA). Microsistemele multisenzor pot fi mprite n dou categorii: - cu matrice (arii) de senzori de acelai tip, destinate msurrii distribuiei bi(tri)dimensionale a unei singure mrimi (de exemplu o matrice tactil cu fotodiode); - cu integrarea pe acelai cip a mai multor senzori destinai unor mrimi diferite (presiune, temperatur, debit, pH, concentraii de diferite gaze). Integrnd pe acelai cip matricea senzorial i circuitele electronice de condiionare, multiplexare i adaptare, numrul de conexiuni se reduce considerabil. Dezvoltarea microsistemelor multisenzor ofer posibilitatea obinerii de informaii complexe i a efecturii unor corecii (dificil sau imposibil de operat prin alte mijloace) atunci cnd sunt utilizate n zone nguste sau greu abordabile (de exemplu n medicin), la un raport cost/mrime msurat net avantajos. c) Microsisteme multisenzor cu microelemente de execuie n prezent, eforturile de cercetare i de perfecionare a microtehnologiilor sunt ndreptate spre obinerea unor cipuri care s conin pe lng senzori, circuite pentru citirea acestora, circuite de condiionare, i microelemente de execuie (microactuators) EE, mpreun cu dispozitivele de comand aferente (figura 10.9). O astfel de structur este un sistem automat n bucl nchis, denumirea de microsistem fiind pe deplin justificat. n tehnologie integrat, microelementele de execuie nu se pot obine prin simpla reducere dimensional a unor elemente de execuie convenionale (motoare, valve, pompe etc.), utilizate la scara macro. Integrarea n microsisteme a microelementelor de execuie ridic probleme tehnologice serioase ntruct microtehnologiile planare nu sunt, adeseori, satisfctoare i trebuie completate cu tehnologii de asamblare a unor micromodule bidimensionale sau este necesar adaptarea i perfecionarea microprelucrrilor tridimensionale (de volum). ALIM SMSS11 S21 S31 S41 S12 S22 S32 S42 S13 S23 S33 S43 S14 S24 S34 S44

M U X CC OUT

CA DEMUX BC COM. EXT.

EE

Figura 10.9 Microsistem multisenzorial cu microelement de execuie

11

1. Senzori, traductoare i sisteme multisenzoriale Microsistemele cu microelemente de execuie incluse au numeroase aplicaii mai ales n medicin, biologie, robotic etc. (microsisteme pentru manipulat celule i micromolecule, microroboi). De altfel, exist anumite variante de microsisteme la care microelementele de execuie constituie obiectul esenial al integrrii i numai pentru funcionarea corect a acestora sunt folosii senzorii. d) Microsisteme inteligente multisenzor Asigurarea unei interconectri comode a microsistemelor senzoriale cu echipamentele de calcul constituie un deziderat esenial prin implicaiile majore asupra performanelor sistemului n ansamblu, sub multiple aspecte: capacitate de procesare i control, precizie i fiabilitate. Primele variante de microsisteme, care integreaz numai senzorii i circuitele de condiionare a semnalelor, sunt conectate la circuite de interfaare, care asigur funciile de eantionare i multiplexare, conversie analog-numeric i comunicaie cu sistemul de calcul; acestuia din urm i revin toate celelalte funcii de control, stocare i procesare primar a datelor, efectuarea de corecii, verificri i etalonri urmate de prelucrri (n concordan cu algoritmi adecvai cerinelor de interpretare sintetic a informaiilor). Inteligena sistemului este concentrat la nivelul superior, la care se afl sistemul de calcul i control; la acesta din urm sunt conectate microsistemele senzoriale (prin intermediul interfeelor).ALIM SMS S11 S21 S31 S41 S12 S22 S32 S42 S13 S23 S33 S43 S14 S24 S34 S44D E M U X

M U X

CC

C A N

U C

I C

BC

BA

Figura 10.10 Microsistem inteligent multisenzor Microsistemul inteligent multisenzor are, n plus fa de microsistemele multisenzor prezentate anterior, capacitate proprie de procesare i interpretare (asigurat de microcontroler, RAM i PROM - incluse n unitatea central UC din figura 10.10) i este prevzut cu interfee evoluate de comunicaie (RS-232, RS-485 sau 422, notate cu IC n aceeai figur). Microsistemele inteligente pot fi interconectate prin intermediul unei magistrale de comunicaie. Blocurile electronice reprezentate schematic n figura 10.10 sunt integrate toate n microsistemul inteligent.

12

Magistrala (BUS)

1. Senzori, traductoare i sisteme multisenzoriale 1.4. Domenii de aplicaie ale sistemelor multisenzoriale Sistemele multisenzoriale i-au gsit foarte repede o larg utilizare. Dezvoltarea tehnico-tiinific din ultimii ani a creat premiza apariiei unor sisteme de control i supraveghere complexe i a unor roboi evoluai, dotai cu sisteme multisenzoriale (capabile s preia informaiile necesare pentru conducerea i supravegherea unei instalaii, a unui flux tehnologic i, n general, a unui proces). Dac pn de curnd erau folosii frecvent senzorii discrei, acum acetia sunt utilizai din ce n ce mai puin, locul lor fiind luat de cei integrai, care au avantajul simplificrii i miniaturizrii sistemului de msurare i control. Sistemele multisenzoriale sunt ntlnite ntr-o mare diversitate de aplicaii; cele mai importante dintre acestea sunt menionate n continuare. ! Sisteme multisenzoriale de temperatur, folosite pentru ntocmirea hrilor termice, n medicin, pentru inspecie i diagnoz; ! Sisteme multisenzoriale vizuale, ntlnite n vederea artificial, pentru analiza scenelor sau recunoaterea formelor, la roboi staionari sau mobili, pentru ntocmirea hrilor; ! Sisteme multisenzoriale tactile, utilizate pentru recunoaterea formelor, determinarea temperaturii, duritii sau texturii unor corpuri; ! Sisteme multisenzoriale acustice, ntlnite n percepia auditiv (comenzi vocale), pentru determinarea poziiei sau vitezei de deplasare a unor corpuri, pentru investigaii medicale, detectarea unor obiecte fixe sau n micare; ! Sisteme multisenzoriale olfactive, necesare pentru analiza gazelor toxice, a substanelor combustibile sau a substanelor aromatice. BIBLIOGRAFIE 10-1. Baltes H. .a., Sensors Update. Vol. I, II, Weinheim, New York, 1996. 10-2. Bodea M, Mihu I., Aparate electronice pentru msurare i control, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1985. 10-3. Buiu C., Pop V., Inginerie cognitiv, Editura ICPE, Bucureti, 2001. 10-4. Dobriceanu M., Sisteme de achiziie i microprocesoare, Editura Universitaria, Craiova, 2003. 10-5. Iliescu C. .a., Metrologie, sisteme de msurare. Preocupri actuale, Editura ICPE, Bucureti, 1994. 10-6. Ionescu G. .a., Traductoare pentru automatizri industriale. Vol.I, Editura Tehnic, Bucureti, 1985. 10-7. Ivnescu M., Roboi industriali. Algoritmi i sisteme de conducere, Editura Universitaria, Craiova, 1994. 10-8. Pantelimon B., Iliescu C., Senzori i traductoare, Editura Tritonic, Bucureti, 2000. 10-9. Posdrscu E., Contribuii privind achiziia semnalelor de la sisteme multisenzoriale, Tez de doctorat, Universitatea Politehnica, Bucureti, 2003. 10-10.Purcaru D.M., Senzori i traductoare. Vol.I, Editura Reprograph, Craiova, 2001. 10-11.Purcaru D.M., Sisteme senzoriale. Metode i algoritmi pentru recunoaterea tactil a formelor, Editura Sitech, Craiova, 1997. 10-12.Purcaru I., Contribuii la optimizarea sistemelor distribuite de achiziie a datelor cu aplicaii n electroenergetic, Tez de doctorat, Universitatea Politehnica, Bucureti, 2004. 10-13.Vlaicu C., Sisteme de msurare informatizate, Editura ICPE, Bucureti, 2000.

13