1. Senzori si sisteme de achizitie de date

1.1 Senzori, semnale si sisteme Un senzor este adesea definit ca si un obiect care receptioneaza si raspunde la un semnal sau stimul. Aceasta definitie este vasta. De fapt, este atat de vasta ca acopera aproape orice, de la ochiul uman, la un indicator de nivel. Sa ne oprim, spre exemplu, asupra sistemului de control aratat in figura 1.1 Operatorul regleaza nivelul fluidului din tanc / rezervor prin manipularea valvei. Variatiile debitului de intrare, schimbarile de temperatura (care ar altera vascozitatea fluidului si in consecinta debitul prin valva) si alte anomalii similare trebuie compensate de catre operator. Fara control, rezervorul e foarte probabil sa se umple si sa fie inundatie sau sa ramana fara lichid, in gol / uscat. Pentru a functiona corespunzator, operatorul trebuie sa obtina informatii despre nivelul fluidului din rezervor in mod regulat. In acest exemplu, informatia este observata/perceputa de catre senzor prin 2 parti principale: tubul de vedere al nivelului in rezervor si ochiul operatorului, care genereaza un raspuns electric (impuls) in nervul optic. Tubul rezervorului singur, nu este un senzor, iar in acest sistem particular de control, nici ochiul nu este un senzor. Doar o combinatie intre aceste doua componente alcatuieste un senzor adecvat (detector) care este sensibil in mod selectiv la nivelul fluidului. Daca tubul rezervorului este proiectat corect, acesta va reflecta rapid variatiile de nivel si se spune ca senzorul are un raspuns rapid. Daca diametrul intern al tubului este prea mic ptr. o anumita vascozitate data a fluidului, nivelul din tub poate ramane in urma celui din rezervor. Evident, trebuie luata in considerare o eroare caracteristica a unui asemenea senzor. In unele cazuri, diferenta poate fi acceptabila, dar in altele apare necesitatea proiectarii unui tub nou. Totusi, performanta senzorului trebuie stabilita/evaluata doar ca o parte din sistemul de achizitii de date, iar acesta, ca un subsistem din sistemul de comanda si control. Putem admite ca tubul si ochiul operatorului formeaza un senzor (un sistem care transforma informatia in semnal electric).

Fig. 1.1. Sistemul de control al nivelului.

Observam ca acest senzor este format din componente naturale si artificiale (create de om). Senzorii naturali, ca aceia ce se gasesc in organismele vii, de obicei raspund cu semnale ce au caracter electro-chimic-optic; functionarea lor se bazeaza pe generarea si transportul ionilor (asemenea unui nerv optic in cazul operatorului de fluid din rezervor). In obiectele create de om, informatia se transmite si se proceseaza electric prin intermediul transportului de electroni, sau optic - prin asa-numitii fotoni. Senzorii care sunt folositi in sistemele artificiale trebuie sa vorbeasca aceeasi limba cu dispozitivele de interfata. Aceasta compatibilizare e de natura electrica, sau optica, iar un senzor artificial ar trebui sa fie capabil

sa raspunda cu semnale electrice acolo unde informatia este preluata de dispositive electronice, sau semnale optice (fotoni) daca aceasta se trasporta si prelucreaza optic. De regula1, ar trebui sa fie posibil ca un senzor sa se conecteze mai degraba la un sistem electronic prin fire electrice sau optice, decat printr-o solutie electro-chimica sau o fibra nervoasa. Din aceasta cauza, in acest material vom folosi o definitie mai ingusta a senzorilor, care ar putea fi formulata astfel: Un senzor este un mecanism care receptioneaza stimuli si raspunde printr-un semnal electric. Termenul de stimul este folosit de-a lungul acestui material si trebuie inteles foarte bine.

Stimulul este cantitatea, proprietatea sau conditia care sunt percepute si transformate in semnale electrice. Unele materiale bibliografice folosesc un termen diferit - masura care are aceeasi semnificatie si totusi cu accent pe sensibilitatea asupra caracteristicilor cantitative.

Scopul unui senzor este de a raspunde unui anumit tip de input cu proprietati fizice (stimul) si de a-l transforma intr-un semnal electric care este compatibil cu circuitele electronice. Putem spune ca un senzor e in general un translator / transformator al unei valori generale non-electrice, intr-una electrica. Cand spunem electric ne referim la un semnal care poate fi canalizat, amplificat si modificat de echipamente electronice. Semnalul de iesire al senzorului poate fi sub forma de tensiune, curent sau sarcina/incarcare. Acestea s-ar putea descrie in continuare in termeni ca amplitudine, frecventa, faza sau cod digital/numeric. Acest set de caracteristici se mai numeste formatul semnalului de iesire. Totusi, un senzor are marimi de intrare (de orice fel) si marimi electrice de iesire.

Fig. 1.2. Un senzor poate cuprinde mai multe traductoare e1,e2 si astfel sunt convertite diferite tipuri de energie. Ultima parte constituie un senzor direct. De fapt, un senzor este un convertor de energie. Orice am incerca sa masuram, intotdeauna ne vom lovi de acest transfer energetic de la obiectul de masurat catre senzor. Procesul perceptiei (sensibilitatii senzorului) este, prin urmare, un caz particular de transfer energetic si orice transmitere a informatiei necesita o transmitere energetica. Bineinteles, nu trebuie uitat un fapt evident, acela ca transmiterea energiei se realizeaza in ambele directii poate avea semn pozitiv, dar si negativ; energia poate curge fie de la un obiect catre senzor, fie de la senzor catre obiect. Un caz special ar fi atunci cand energia e zero, dar totusi pastreaza informatii despre existenta acestui caz particular. De exemplu, un senzor de radiatie infrarosie - termopila - va produce o tensiune pozitiva atunci cand obiectul este mai cald decat senzorul (fluxul infrarosu va curge catre senzor) sau tensiunea e negativa cand obiectul este mai rece decat senzorul (fluxul infrarosu curge de la senzor catre obiect). Cand atat senzorul cat si obiectul au aceeasi temperatura, fluxul este zero si tensiunea/curentul de iesire este zero. Acesta transmite un mesaj ca temperaturile sunt identice. Termenul senzor ar trebui distins clar de traductor. Cel din urma este un convertor al unui tip de energie in altul, in timp ce primul transforma orice tip de energie in una electrica. Un exemplu de traductor este un difuzor care transforma un semnal electric intr-un camp magnetic si ulterior in unde acustice.

1Exista un domeniu foarte interesant al comunicatiilor si al calculului optic unde informatia e procesata prin transport de fotoni. Acest domeniu nu intra in discutie in acest material.

Acesta2 (difuzorul) nu are nici o legatura cu perceptia sau capacitatea senzoriala. Traductorii pot fi folositi ca si parti active in diferite sisteme. O parte activa / actuator poate fi descrisa ca un opus al senzorului acesta converteste semnalul electric in energie, in general nonelectrica. De exemplu, un motor electric este o parte activa el transforma energia electrica in actiune mecanica. Traductorii pot fi parti dintr-un complex de senzori (fig. 1.2). De exemplu, un senzor chimic poate avea o parte care transforma energia unei reactii chimice in caldura (traductor) si o alta, termopila, care transforma caldura in semnal electric. O combinatie intre cele doua alcatuieste un senzor chimic un mecanism care produce un semnal electric ca raspuns la o reactie chimica. A se observa in exemplul de mai sus - un senzor chimic este unul complex; contine un traductor si alt senzor (pentru caldura). Aceasta sugereaza ca multi senzori cuprind cel putin un senzor de tip direct si un numar de traductori. Senzorii directi sunt aceia care determina un asemenea efect fizic incat duce la conversia energiei directe in generarea de semnal electric sau modificarea acestuia. Exemple ptr. asemenea efecte fizice sunt efectul foto si efectul Seebeck.

1. 2 Achizitii de date Pe scurt, exista doua tipuri de senzori: direct si complex. Un senzor direct transforma un stimul in semnal electric sau modifica un asemenea semnal folosind un efect fizic adecvat, in timp ce un senzor complex necesita unul sau mai multi traductori de energie inainte ca un senzor direct sa poata fi implicat in generarea unui raspuns electric. Un senzor nu functioneaza de sine statator (singur); intotdeauna face parte dintr-un sistem mai complex care cuprinde mai multi asemenea detectori, conditionatori de semnal, procesatori de semnal, mecanisme de memorare, memoratori de date si actuatori. Locul senzorului intr-un sistem este fie intrinsec, fie extrinsec. Se poate constitui in partea de intrare a unui mecanism care receptioneaza efectele externe si atentioneaza sistemul despre variatiile stimulilor externi. Totodata poate fi parte interna a unui mecanism care monitorizeaza starea acestuia pentru a determina o evolutie performanta adecvata. Un senzor este intotdeauna parte a unui sistem de achizitii de date. De multe ori, un asemenea sistem poate fi parte a unui sistem mai larg, de control, care include diverse mecanisme de feedback. Pentru a ilustra locul senzorilor intr-un sistem mai larg, fig. 1.3 contine o schema, cu bloc de achizitii de date si un mecanism de control. Obiectul poate imbraca orice forma masina, nava spatiala, om sau animal, lichid sau gaz. Orice obiect material poate deveni subiectul unei masuratori. Datele sunt colectate de la un obiect printr-un anumit numar de senzori. Cativa dintre ei sunt pozitionati direct pe obiect iar altii sunt in interiorul acestuia. Senzorul 1 percepe obiectul fara a avea vreun contact fizic cu acesta, de aceea se numeste senzor noncontact. Un exemplu de un asemenea senzor ar fi detectorul de radiatii sau o camera TV.

2Este interesant de notat ca un difuzor, cand este conectat la un amplificator, poate functiona ca si microfon. In acest caz, devine un senzor acustic.

Fig. 1.3. Pozitii ale senzorilor in cadrul unui sistem de achizitii de date. Senzorul 1 este noncontact, senzorii 2 si 3 sunt pasivi, senzorul 4 este activ iar senzorul 5 e parte integranta dintr-un sistem de achizitii de date. Chiar daca spunem noncontact, ne amintim ca transferul energetic intotdeauna apare intre orice senzor si un obiect. Senzorul 5 serveste unui scop diferit. Acesta monitorizeaza conditiile interne ale al unui sistem de achizitii de date de sine statator. Anumiti senzori (1 si 3) nu pot fi direct conectati la circuite standard electronice datorita unor semnale de iesire inadecvate. Acestia necesita folosirea unor mecanisme de interfata (conditionatori de semnal). Senzorii 1,2,3 si 5 sunt pasivi. Acestia genereaza semnale electrice fara consum energetic de la circuitele electronice. Senzorul 4 este activ. Acesta necesita un semnal de functionare care este furnizat de catre un circuit excitator. Acest semnal este modificat de catre senzor in concordanta cu informatia convertita. Un exemplu de senzor activ este termistorul care este un rezistor sensibil la temperatura. Ar putea functiona cu o sursa de curent continuu, care constituie un circuit excitator. In functie de complexitatea sistemului, numarul total de senzori poate varia de la unul (un termostat casnic) la cateva mii (in cazul unei nave spatiale). Semnalele electrice de la senzori sunt introduse intr-un multiplexor (MUX) care este un switch sau o poarta. Functia lui/ei ar fi aceea de a conecta senzorii, pe rand cate unul, la un convertor analogic-digital (A/D) daca senzorul produce un semnal analogic sau direct la un computer daca senzorul produce semnale in format digital. Computerul controleaza multiplexorul si un convertor A/D ptr. un timp adecvat. Totodata poate trimite semnale de control catre un actuator, care actioneaza asupra obiectului. Exemple de actuatori ar fi motorul electric, un solenoid, un releu sau o valva pneumatica. Sistemul contine cateva mecanisme periferice (de exemplu un inregistrator de date, un display, o alarma) si un numar de componente care nu apar in schema bloc. Acestea ar putea fi filtre, circuite sample-and-hold, amplificatoare si asa mai departe. Pentru a ilustra cum functioneaza un asemenea sistem, sa luam in considerare un exemplu simplu de monitorizare cum este cazul usilor de la masina. Fiecare usa de la masina este dotata cu un senzor care detecteaza pozitia acesteia (deschisa sau inchisa). In cazul celor mai multe masini, senzorul este un simplu switch electric. Semnale de la toti senzorii de la usi merg catre

microprocesorul intern al masinii (nu e necesar un convertor A/D deoarece semnalele de la toate usile sunt in format digital: 1 sau 0). Microprocesorul identifica care usa este deschisa si trimite un mesaj indicator catre mecanismele periferice (tablou de bord si o alarma auditiva). Soferul (actuatorul) primeste mesajul si actioneaza asupra obiectului (inchide usa). Un exemplu de mechanism mai complex ar fi un sistem de livrare de vapori anestezici. Este folosit ptr. a controla nivelul de anestezic dat unui pacient prin inhalare in timpul procedurilor chirurgicale. Sistemul contine o serie de senzori activi si pasivi. Concentratia de vapori anestezici (de diverse tipuri) este monitorizata selectiv de un senzor activ piezoelectric, instalat intr-un tub de ventilatie. Moleculele de vapori anestezici se aduna pe cristalul oscilator in senzor si ii schimba frecventa normala, care este o masura a concentratiei de vapori. Alti cativa senzori, monitorizeaza concentratia de CO2 pentru a face distinctie intre aerul inhalat si cel emanat, temperatura si presiunea ptr. a compensa variabile aditionale. Toate aceste date sunt multiplexate, digitizate si introduse in modulul/microprocesorul care calculeaza concentratia actuala de vapori. Un anestezist seteaza nivelul optim de gaze si procesorul ajusteaza actuatorul (valvele) pentru a mentine anestezicul la o concentratie corecta.

Fig. 1.4. Senzori multipli, activatori si semnale de avertizare toate sunt parte a unui vehicul de inalta siguranta Alt exemplu al unei combinatii complexe intre senzori variati, activatori si semnale indicatoare este aratat in figura 1.4. Este un exemplu de autovehicul de inalta siguranta care este dezvoltat de un anumit producator. Sistemul are drept scop cresterea sigurantei masinii. Printre multe altele, aceasta include sistemul de avertizare la somnolenta si sistemul de depistare/inlaturare a acesteia. Acesta ar putea include senzorul de miscare al globului ocular si detectorul de inclinatie a capului soferului. Senzorii de masura ptr. microunde, ultrasunete si infrarosii sunt incorporati in sistemul avansat de avertizare al franei de urgenta pentru a conecta becurile de stop inainte ca soferul sa apese frana in cazul unei urgente, totodata avertizandu-l pe acesta de existenta unei masini care il urmeaza pentru ca acesta sa poata reactiona corespunzator. Sistemul de avertizare la obstacol include atat detectorii radar cat si pe cei infrarosii. Sistemul de control care se adapteaza la drum functioneaza daca soferul se apropie prea mult de un vehicul aflat in fata lui viteza este automat redusa pentru a mentine o distanta de siguranta corespunzatoare. Sistemul de monitorizare pietonal detecteaza si alerteaza soferul asupra prezentei pietonilor noaptea si in unghiurile moarte. Sistemul de control asupra benzii carosabile ajuta in cazul in care acesta detecteaza si determina ca o deviatie incipienta de la banda de drum, poate nu este in intentia soferului. Acest sistem emite o avertizare si automat dirijeaza vehiculul, atunci cand e necesar, pentru a preintampina devierea de la banda de drum.

In etapele urmatoare ne vom concentra pe metode de sesizare/principii fizice de operare a senzorilor, modele practice si circuite electronice de interfata. Alte parti esentiale ale sistemului de control si monitorizare cum ar fi actuatorii, display-urile, stocatorii de date, transmitatorii si altele nu fac obiectul acestui material si vor fi amintiti doar trecator. In general, semnalul de intrare ptr. un senzor (stimulul) poate fi de orice natura imaginabila chimica sau fizica (de ex. flux de lumina, temperatura, presiune, vibratie, deplasare, pozitie, viteza, concentratie de ioni). Modelul senzorului poate avea un scop general. O constructie si o amplasare speciala il fac pe acesta sa se fie folosit/potrivit intr-un anumit caz particular. De exemplu, un senzor pentru presiune microprelucrat si piezorezistiv poate fi amplasat intr-un invelis rezistent la apa pentru a masura invaziv presiunea sangelui in artera aorta. Aceluiasi senzor ii va fi atribuit un invelis total diferit cand va fi destinat pentru a masura non invaziv presiunea sangelui prin metoda oscilometrica cu un tensiomtru. Unii senzori sunt special creati pentru a fi foarte selectivi intr-un caz particular pentru un anumit interval/tip de stimuli si pentru a fi total imuni la semnale externe incadrate in limite bine definite/dezirabile. De exemplu un senzor de miscare la un sistem de supraveghere, ar trebui sa fie sensibil la miscari/prezente umane si fara nici un raspuns pentru miscari ale animalelor mici, cum ar fi cainii si pisicile. 1.3 Senzori - clasificare Modalitatile de clasificare pentru un senzor variaza de la foarte simple la complexe. In functie de scopul clasificarii, pot fi selectate diferite criterii de clasificare. Aici ne referim la cateva moduri practice de a privi senzorii. Senzorii pot fi de doua tipuri: pasivi si activi. Un senzor pasiv nu necesita nici o sursa suplimentara de energie si genereaza direct un semnal electric ca raspuns la un stimul extern; astfel, energia stimulului de intrare este convertita de catre senzor in semnal de iesire. Ca si exemple, ar putea fi un termocuplu, o fotodioda si un senzor piezoelectric. Cei mai multi senzori pasivi sunt directi, asa cum i-am definit mai devreme. Senzorii activi necesita putere/energie externa pentru activitatea lor, fiind furnizata sub denumirea de semnal excitator. Acel semnal este modificat de catre senzor pentru a produce semnalul de iesire. Senzorii activi uneori sunt numiti parametrici, deoarece proprietatile lor se schimba ca raspuns la un factor extern si aceste proprietati pot fi ulterior convertite in semnale electrice. Se poate afirma faptul ca parametrii unui senzor moduleaza semnalul excitator si ca modularea contine informatia valorii masurate. De exemplu, un termistor este un rezistor sensibil la temperatura. Nu genereaza nici un semnal electric, dar atunci cand este parcurs de un curent electric (semnal excitator), rezistenta ii poate fi masurata prin detectarea variatiilor curentului electric si/sau tensiunii de-a lungul termistorului. Aceste variatii (prezentate/masurate in ohm) sunt in legatura directa cu temperatura, printr-o anumita functie. Un alt exemplu de senzor activ este un tensosenzor rezistiv in care rezistenta electrica depinde de tensiunea mecanica. Pentru a masura rezistenta electrica, a unui senzor, curentul electric trebuie sa ajunga la acesta dintr-o sursa externa. In functie de referinta aleasa, senzorii pot fi clasificati in absoluti si relativi. Un senzor absolut detecteaza stimulii luand ca referinta o scala fizica absoluta care este independenta de conditiile de masura, in timp ce un senzor relativ produce un semnal care se refera la un caz special. Un exemplu de senzor absolut este un termistor: rezistor sensibil la temperatura. Rezistenta sa electrica se refera direct la scala temperaturii absolute a lui Kelvin. Alt senzor foarte popular - termocuplul este un senzor relativ. Produce o tensiune electrica care variaza in functie de gradientul de temperatura de-a lungul firelor termocuplului. Totusi, un semnal de iesire al unui termocuplu nu se poate referi la o anumita temperatura fara referire la una de baza. Alt exemplu de senzori absoluti si relativi ar fi cei de presiune. Un senzor absolut pentru presiune produce semnal avand ca referinta vidul un zero absolut pe scala presiunii. Un senzor de presiune relativ produce semnal avand ca referinta o anumita baza selectata diferita de zero (de exemplu presiunea atmosferica). Alt fel de a privi un senzor, ar fi acela de a lua in considerare toate proprietatile sale, asa cum ar fi: -ce masoara (stimulul), -care ii sunt specificatiile, -la care fenomen fizic este sensibil,

-ce mecanism de conversie este implicat, -din ce material este fabricat si -care ar fi domeniul lui de aplicare. Tabelele 1.1-1.5 adaptate din diverse resurse bibliografice, prezinta o asemenea schema de clasificare, care e mult mai larga si mai reprezentativa. Daca luam, pentru exemplificare, un senzor accelerometric, datele de intrare in tabel ar fi urmatoarele:

- Stimul: acceleratia - Specificatii: sensibilitatea la schimbarea acceleratiei pe fiecare domeniu de frecventa, stabilitatea pe

termen lung si scurt, in hertzi pe unitatea de timp - Detectarea: mecanica - Fenomenul de conversie: elastoelectric - Material: izolator anorganic - Domeniu: auto, marin, spatial si masuratori stiintifice

Tabel 1.1. Caracteristici ale senzorilor Sensibilitate gama in care se incadreaza senzorii (anvergura) Stabilitatea (pe termen scurt si lung) - rezolutie Acuratetea - selectivitatea Viteza de raspuns - conditii de mediu Caracteristicile de supraincarcare - liniaritate Histereza - banda moarta Durata de viata operationala - formatul semnalului de iesire Cost, marime, greutate - altele Tabel 1.2. Materiale pentru senzori Anorganic Organic Conductor Semiconductor Substante biologice

Izolator Lichid, gaz sau plasma Altele

Tabel 1.3. Cai de detectie folosite de catre senzori Biologice Chimice Electrice, magnetice, sau unde electromagnetice Caldura, temperatura Unda sau deplasare mecanica Radioactivitate, radiatie, altele Tabel 1.4. Tipul conversiei Fizica Termoelectrica Fotoelectrica Fotomagnetica Magnetoelectrica Electromagnetic Termoelastica Electroelastica Termomagnetica Termooptica

Chimica Transformare chimica Transformare fizica ca urmare a reactiilor chimice Process electrochimic Spectroscopie Altele Biologica Transformare bilogica Transformare fizica

Fotoelastica Altele

Efect testat asupra organismului Spectroscopie Altele

Tabel 1.5. Domeniul de aplicare Agricultura Auto Inginerie si constructii civile Distributie, comert, finante Energie, putere Sanatate, medicina Militar Masuratori stiintifice Industrial Transport (exclusiv auto) Aplicatii domestice? Mediu, Meteorologie, securitate Informatica, telecomunicatii Marin Agrement, jucarii Spatiu Altele

1.4 Caracteristicile de catalog ale senzorilor

Deoarece ieirea unui senzor este un semnal electric, aceste componente tind s fie caracterizate, prin datele de catalog, ca nite produse electronice.

Proiectantul de sisteme cu senzori trebuie s interpreteze corect performantele senzorilor raportate la aplicaia sa, lucru care nu este tocmai uor.

Datele de catalog ale senzorilor scot ntotdeauna n evident atribuitele pozitive iar, uneori, neglijeaz s comenteze unele caracteristici negative.

Dac senzorii au fost gndii pentru o aplicaie particular a unui client, datele de catalog vor pune n eviden caracteristicile legate de aceast aplicaie.

Un potenial nou utilizator al senzorului trebuie s recunoasc aceast situaie i s interpreteze rezonabil lucrurile, adica utilitatea caracteristicilor pentru aplicatia noua pe care o are de solutionat.

9 Funcia de transfer arat relaia ntre stimulul fizic de la intrare i semnalul electric de la ieire (apare in cataloage sub form de grafice, relaii matematice, curbe de calibrare). Una ideala sau teoretic, o relaie stimul ieire, exist pentru fiecare senzor. n cazul n care senzorul este ideal conceput i fabricat cu materiale ideale de ctre lucrtori ideali cu utilizarea uneltelor ideale, un astfel de senzor ar reprezenta ntotdeauna valoarea real la stimulul exterior.

O relaie ideala (teoretica) dintre stimul - ieire se caracterizeaz de aa-numita funcie de transfer. Aceast funcie stabilete dependena ntre S semnal electric produs de senzor i s stimul: S = f (s). Aceast funcie poate fi o conexiune liniar simpl sau o dependen neliniar, (de exemplu, logaritmic, exponenial, sau funcia putere). n multe cazuri, relaia este unidimensionala (de exemplu, ieirea fa de un stimulul la intrare). O relaie liniar unidimensionala este reprezentat prin ecuaia

S=a+bs

unde a este valoarea initiala (de exemplu, semnalul de ieire la semnalul de intrare zero) i b este panta, care este uneori numita sensibilitate. S este una din caracteristicile de ieire, semnal electric utilizat de ctre dispozitivele de achiziie de date ca informatie de ieire a senzorului. Acesta poate fi amplitudine, frecven, sau faz, n funcie de proprietile senzorului.

Functia logaritmica:

S =a +b ln s

Functia exponentiala

S =aeks

Functia putere

S =a0 +a1sk,

Unde k este o constanta.

Un senzor poate avea o astfel de funcie de transfer la care niciuna dintre aproximri de mai sus nu se potrivete destul de bine. n acest caz o aproximare de ordin superior, un polinom, este adesea utilizat.

Pentru o funcie de transfer neliniara, b, sensibilitatea, nu este un numr fix ca pentru funcia liniar. La orice valoare de intrare particulara, s0, ea poate fi definit ca:

b=dS(s0)/ds

n multe cazuri, iesirea unui senzor neliniar poate fi considerat liniar ntr-un interval limitat. Peste domeniul extins, o funcie de transfer neliniara poate fi modelata de mai multe linii dreapte. Aceasta se numete o aproximare pe poriuni. Pentru a determina dac o funcie poate fi reprezentata de un model liniar, variabilele elementare incrementate sunt introduse la intrare, n timp ce se observa iesirea. O diferenta ntre rspunsul real i modelul linear este comparata cu limitele de acuratete/precizie.

O funcie de transfer poate avea mai mult de o dimensiune, atunci cnd semnalul de iesire este influenat de mai mult de un stimul de intrare. Un exemplu este functia de transfer a unui senzor pentru radiaia termica (infrarosu). Function1 conecteaz dou temperaturi (Tb, temperatura absolut a unui obiect de msurare, i Ts, temperatura absolut de la suprafaa senzorului) rezultand tensiunea de ieire V:

V =G(T4b T4s ),

Unde G este o constanta.

Pentru a determina sensibilitatea/senzitivitatea relative la temperatura Tb a obiectului trebuie calculate derivata partiala in raport cu aceasta:

b=V/Tb =4GT 3b

Semnalul de iesire bidimensional arata, reprezentat graphic 3D, o suprafata.

9 Sensibilitatea/Senzitivitatea raportul ntre o mic schimbare a semnalului electric furnizat la iesirea senzorului, la o mic schimbare a semnalului fizic (stimulului). Poate fi exprimat ca derivata functiei de transfer n raport cu semnalul fizic (volt/0K, mV/Kpascal etc.). 9 Domeniul maxim de intrare (FSI) si Domeniul maxim de iesire (FSO) Un domeniu dinamic de stimuli care pot fi convertiti de ctre un senzor este numit un interval sau un domeniu de intrare maxim (FS). El reprezint valoarea de intrare cat mai mare posibila, care poate sa fie aplicat la intrare fr a cauza senzorului o valoare de iesire de o inexactitate inacceptabil de mare. Pentru senzori cu o caracteristic de rspuns foarte larg i neliniara, un FSI este adesea exprimat n decibeli - care este o msur logaritmic a raporturilor de puteri sau for, (exprimate in valori de tensiune electrica). Domeniul maxim de ieire (FSO) este diferena algebric dintre semnalele de ieire electrice msurate cu stimul maxim de intrare i cele datorate celui mai mic stimul aplicat la intrare.

9 Domeniul dinamic intervalul semnalului fizic de la intrare care poate fi convertit n semnal electric. De regul productorul specific ce se ntmpl dac se depete acest domeniu (0K, Kpascal, N etc.). Cu alte cuvinte este vorba de viteza de variatie a stimulului fizic care poate fi redata in semnalul electric de la iesirea senzorului. 9 Acurateea/incertitudinea eroarea ntre valoarea actual i valoarea real a semnalului de ieire (0K, N, mm etc.); este dat ca o fraciune din valoare maxim a ieirii. Abaterea poate fi descris ca o diferen ntre valoarea care se calculeaz din tensiunea de ieire i valoarea de intrare curenta. De exemplu, pentru o deplasare liniar, senzorul in mod ideal ar trebui s genereze 1 mV la 1 mm deplasare, daca are funcia sa de transfer liniara, cu o pant (sensibilitate), b = 1 mV / mm. Cu toate acestea, ntr-un experiment, o deplasare de s = 10 mm, a produs o tensiune de S = 10.5mV. Conversia acestui numr ntr-o valoare de deplasare prin utilizarea inversei funciei de transfer (1 / b = 1 mm / mV), ne-ar indica c deplasarea a fost sx = S / b = 10.5 mm; rezulta c este sx -s = 0,5 mm, mai mult dect cea real. Aceast suplimentare (0.5mm) este o abatere eronat de msurare, sau o eroare. Prin urmare, ntr-un domeniu de 10 mm, inexactitatea absoluta a senzorului este 0,5 mm, sau n termeni relativi, inexactitatea este (0.5mm/10mm) 100% = 5%. Dac vom repeta acest experiment de mai multe ori fr nici o eroare aleatorie i de fiecare dat se observ o eroare de 0,5 mm, putem spune c senzorul are o inexactitate sistematic de 0,5 mm, pe o lungime de 10 mm. Firete, o component aleatoare este ntotdeauna prezenta, astfel nct eroarea sistematic poate fi reprezentata ca o valoare medie sau medie de mai multe erori. Figura A de mai jos arata o funcie de transfer ideala sau teoretica. n lumea real, orice senzor lucreaza cu un fel de imperfeciune. O funcie de transfer real este posibil sa nu poata fi nici liniara, nici monotona (reprezentat de o linie groas, pe fig. A)

O funcie real rareori coincide cu idealul. Din cauza variaiilor de materiale, manopera, erori de proiectare, toleranele de fabricaie, i de alte limitri, este posibil de a avea o familie mare de funcii de transfer reale, chiar i atunci cnd senzorii sunt testati n condiii identice. Cu toate acestea, exist mai multe funcii de transfer ins trebuie s se ncadreze n limitele de precizie specificate. Aceste limite permisive difer de funcia de transfer ideala cu . Functiile reale se abat de la ideal cu , n cazul n care .

De exemplu, s luam un stimul avnd o valoare x. n mod ideal, ne-am atepta ca aceast valoare s corespund la punctul z cu privire la funcia de transfer, rezultnd o valoare de ieire Y. n schimb, funcia de transfer reala va rspunde la punctul Z, productoare de valoare de ieire Y. Acesta valoarea de ieire corespunde cu litera z cu privire la funcia de transfer ideal, care, la rndul su, se refer la un "ar-fi" x stimulent de intrare, a crui valoare este mai mic dect x. Astfel, n aceast exemplu, imperfeciunea n funcia de transfer a senzorului duce la o eroare de msurare de -.

Evaluarea include in precizie efectul combinat al factorilor: variaii conditii, histerezis, erori de banda moarta, de calibrare, repetabilitate.

Limitele specificate de precizie, n general, sunt utilizate n analiza celui mai ru caz pentru a determina situatia cea mai defavorabila a sistemului. Figura B arat c poate fi adusa mai aproape de funcia de transfer real, ceea ce nseamn o mai bun tolerana de precizie a senzorului. Acest lucru poate fi realizat printr-o calibrare in mai multe puncte. Astfel, limitele de precizie specificate nu sunt stabilite n jurul unei valori de funcia de transfer teoretic (ideala), ci n jurul valorii curbei de etalonare, care este determinat ntr-o procedur reala de etalonare. Apoi, limitele permisive devin mai restrnse si acopera variaiile ntre senzori, fiind stabilite n mod specific la calibrare. n mod evident, aceast metod permite masurarea mai precisa. Cu toate acestea, n unele aplicaii, aceasta poate fi prohibitiva din cauza un cost mai mare.

Rating-ul inexactitate poat fi reprezentat ntr-o serie de forme:

1. Direct n ceea ce privete valoarea msurat ()

2. n procente din domeniul de intrare (gam complet)

3. n ceea ce privete semnalul de ieire

De exemplu, un senzor de presiune piezorezistiv are o scal de 100 kPa intrare maxim i de 10 pe domeniul de ieire. Inexactitate sa poate fi specificat ca: 500 Pa, 0.5%, sau 0,05.

n caietul de sarcini la senzori moderni, precizia este adesea nlocuita cu termenul de incertitudine, deoarece incertitudinea este compusa din toate efectele de distorsionare att sistematice cat i aleatorii i nu se limiteaz la inexactitatea funciei de transfer.

Un alt exemplu: un cantar are acuratetea de 3% din valoarea maxima ce o poate cantari. Acurateea este un termen calitativ, iar privit caincertitudine este cantitativ (Un senzor cu incertitudine de 1% are o acuratete mai buna decat unul cu incertitudinea de 3%).

9 Saturarea Chiar dac este considerat cu iesire liniar, la unele nivele de stimuli de intrare, ieirea semnalului nu va fi proportionala. O cretere ulterioar printr-un stimul nu produce o ieire dorita. Se spune c senzorul are la sfritul domeniului o saturaie (neliniaritate).

9 Repetabilitatea incapacitatea senzorului de a arata aceeasi valoare in conditii identice, de exemplu in doua cicluri de calibrare in aceleasi conditii. Este reprezentata ca % of FS:

r =/ FS 100%.

9 Zona moarta este insensibilitatea senzorului pe un anumit domeniu al stimulilor la intrare. In acest caz iesirea ramane cam la aceeasi valoare (de obicei 0).

9 Neliniaritatea deviaia maxim de la o funcie de transfer liniar n domeniul de msurare (domeniul dinamic) specificat. Se indic prin ncadrarea f.d.t. ntre dou valori ideale (minim i maxim), adica incadrarea f.d.t. intre doua linii paralele. Se poate liniariaza folosind doua puncte de la capatul domeniului de masurare (linia 1 pe fig.) sau folosind mai multe puncte si metoda celor mai mici patrate (linia 2) sau liniarizarea in jurul punctului de masura (linia3).

9 Histerezisul abaterea ieirii cnd intrarea crete i descrete ciclic. Se exprima in procente. De exemplu, un senzor de deplasare, cnd obiectul se deplaseaz de la stnga la dreapta la un anumit punct, produce o tensiune care difer cu 20 mV, decat atunci cnd obiectul se mut de la dreapta la stnga. Dac sensibilitatea senzorului este 10 mV/mm, eroarea de histerezis in uniti de deplasare este 2 mm. Tipic, cauzele pentru histerezis sunt modificri structurale i frecarea n materialele.

9 Zgomotul se produce suprapus cu semnalul util si trebuie s fie mai mic dect fluctuaiile semnalului fizic. Zgomotul este distribuit in spectrul de frecventa al senzorului. De regul este un zgomot alb. La msurtoare se adaug o valoare proporional cu rdcina ptrat a limii de band n care se msoar. Zgomotul scade cu rdcina ptrat din durata de msurare. 9 Rezoluia minima fluctuaie a stimulului ce poate fi detectat. Dac fluctuaiile sunt fenomene temporale exist relaii ntre scara de timp pentru fluctuaie i amplitudinea minim detectabil. Sunt importante deci

informatiile despre natura masuratorii efectuata, pentru a face aprecieri asupra rezolutiei. Se exprim n semnal fizic / ( )Hz . Pentru senzori unghiulari poteniometrici, rezoluia poate fi specificat ca "un unghi minim de 0.5." Uneori, poate fi prevzuta ca % din scala complet (FS). De exemplu, pentru senzorul de unghi avnd 270 FS, rezoluia 0.5 poate fi specificat ca 0.181% din FS. Trebuie notat c precizia poate varia n intervalul de masurare, prin urmare, rezoluia poate fi specificat ca tipic, medie sau "cel mai ru caz." Rezoluia de ieire digital pentru astfel de senzori este data de numrul de bii din cuvntul de date. De exemplu, rezoluia poate fi specificat ca 8-bit. Pentru a avea sens, aceast declaraie trebuie s se coreleze cu valoarea FS sau valoarea LSB (cel mai puin semnificativ bit). Atunci cnd nu este o treapta msurabil a semnalului de ieire, se spune c senzorul are rezoluie continuua sau infinitezimal (denumit uneori n mod eronat " rezoluia infinit").

9 Limea de band caracterizeaza rspunsul la schimbri instantanee ale semnalului fizic. Este important timpul de stabilire, durata dupa care un senzor raspunde la un stimul fizic scotand la iesire valoarea corespunzatoare. La multi senzori se precizeaza si timpul de decadere/revenire, adica durata dupa care la o anulare a stimulului fizic, iesirea revine la valoare initiala. Inversul celor doi timpi definesc latimea de banda in care lucreaza senzorul. 9 Timpul de stabilire/revenire reprezint timpul dup care o schimbare de tip impuls n semnalul fizic induce o comportare corespunzatoare la semnalul de la ieirea senzorului (cu redarea corecta a valorilor corespunzatoare impulsului fizic). 9 Impedanta de iesire

9 Excitarea este semnalul electric necesar pentru funcionarea senzorului in zona activ. Excitaia este specificat ca o gam de tensiune i/sau curent. Pentru unii senzori, trebuie menionate, de asemenea, frecvena semnalului de excitaie i stabilitatea acestuia. Variaiile de excitaie pot altera funcia de transfer a senzorului i provoca erori la ieire. 9 Fiabilitatea/Disponibiltatea (realiability) este abilitatea unui senzor s ndeplineasc o funcie necesara n conformitate cu condiiile stabilite pentru o perioad (ne)determinat. Se exprima in procente. Determinarea ei se realizeaza prin supunerea senzorului la niste cicluri de imbatranire (valori mai mari decat cele normale de exploatare) apoi verificarea functionarii. 9 Caracteristici dinamice n condiii statice, un senzor este descris integral de funcia de transfer, domeniu, calibrare i aa mai departe. Cu toate acestea, atunci cnd un stimul la intrare variaz, un senzor da rspuns, n general, nu urmarind cu fidelitate perfect intrarea. Motivul este c ambii (senzor i cuplaj cu sursa de stimul) nu rspund ntotdeauna instantaneu. Cu alte cuvinte, un senzor poate fi caracterizat cu o caracteristic dependenta de timp, care este numita o caracteristic dinamica. Dac un senzor nu rspunde instantaneu, acesta poate indica valorile de stimuli care sunt oarecum diferite de real; senzorul rspunde cu o eroare de dinamica. Atunci cand un senzor este o parte a unui sistem de control, care are propriile sale caracteristici dinamice, combinaia poate provoca, n cel mai bun caz, o ntrziere n care reprezint o valoare intarziata la un stimul extern, iar n cel mai ru caz, provoac oscilaii. Timpul de nclzire este timpul dintre alimentarea cu energie electrica i momentul cnd senzorul poate funciona n limitele acuratetei specificate. Cei mai multi senzori au un timp de warm-up scurt. Cu toate acestea,

unele detectoare, n special cele care opereaz ntr-un mediu controlat termic (un termostat) pot solicita secunde i chiar minute de warm-up nainte de a fi pe deplin operaionale n limitele de precizie specificate.

n teoria sistemelor, se descrie relaia inputoutput printr-o ecuaie diferenial liniar cu coeficienti constanti. Apoi, dinamica uni senzor (dependenta de timp) poate fi studiata prin evaluarea unei astfel de ecuaii. n funcie de structura senzorului, ecuaia diferenial poate fi de diferite ordine.

Un senzor de ordinul zero este caracterizat prin relaia unei funcii linear de transfer, unde intrarea i ieirea sunt funcii de timp t:

S(t)=a +bs(t ).

Valoarea a este numita offset i b se numete sensibilitatea statica. Ecuaia de mai sus spune c senzorul nu cuprinde niciun dispozitiv de stocare a energiei, cum ar fi un condensator sau mas. Senzorul de ordin zero rspunde instantaneu. Cu alte cuvinte, un asemenea senzor nu are nevoie de caracteristici dinamice.

Ecuaia diferenial de ordinul intai descrie un senzor care ncorporeaz o component de stocare de energie. Relaia ntre s(t) intrare i ieire S(t) este ecuaia diferenial:

b1dS(t)/dt +b0S(t)=s(t).

Senzorii de ordinul nti pot fi specificati de ctre un productor n diverse moduri. Tipic este un rspuns in frecven, care arat ct de repede senzorul de ordinul nti poate reaciona la schimbarea stimulului la intrare. Rspunsul n frecvena este exprimat n hertzi sau rad /secund si arata reducerea relativ a semnalului de ieire pentru o anumit frecven.

Uzual atenuarea folosit (limit de frecven) este 3 dB. Acesta arat la ce frecven tensiunea de ieire (sau actuala) scade cu aproximativ 30%. Frecvena rspuns limit este adesea numita frecvena limit superioar, aa cum este considerata ca fiind cea mai mare frecven ce o poate procesa un senzor.

Alt modalitate de a specifica viteza de rspuns este durata de timp, care este necesar senzorului pentru a ajunge la 90% din nivel constant sau maxim (de regim stationar) dupa expunerea la un stimul treapta. Pentru rspunsul de ordinul nti, este foarte convenabil de a folosi aa-numitele constante de timp. Constanta de timp, , este o msur de inerie a senzorului. Din punct de vedere electric, este egala cu produsul dintre capacitate

electric i rezistena: = CR. n termeni termici, o capacitate termic i rezistena termic ar trebui utilizate. Practic, constanta de timp poate fi msurat cu uurin. Un sistem de ordinul nti are rspunsul:

S =Sm(1et/ ),

Unde Sm este iesirea in regim stationar, t este timpul si e este baza logaritmului natural. Substituind t =, vom obtine:

S/Sm =11/e =0.6321.

Cu alte cuvinte dupa trecerea unui timp egal cu o constanta de timp, raspunsul atinge 63% din valoarea de regim stationar, iar dupa doua constante de timp atinge 95%.

Frecvena de taiere indic frecvena mai mic sau mai mare de/pana la care senzorul poate procesa stimul. Frecvena limit superioar arat ct de repede reacioneaz senzorul; frecvena limit inferioar arat regimul lent de schimbare al stimulilor pe care senzorul ii poate procesa.

Ca o regul, o formul simpl poate fi folosita pentru a stabili o legatura ntre frecvena de limitare, fc (superior i inferior) i constanta de timp pentru un senzor de ordinul nti:

fc 0.159/

Defazajul cu o anumit frecven arata cum semnalul de ieire se situeaz n spatele modificarii stimulului. Aceast schimbare este msurat n grade unghiulare sau rad i de obicei este specific pentru un senzor care proceseaz semnalele periodice. Dac un senzor este o parte a unui sistem de control cu feedback, este foarte important s tii caracteristice sale de faz. Latena (intarzierea) de faza reduce marja de faz a sistemului i poate duce la instabilitate globala.

O ecuaie diferenial de ordinul al doilea descrie un senzor care include dou componente de stocare de energie (de exemplu o masa si un arc pendulul elastic).

Orice senzor de ordinul al doilea poate fi caracterizat de o frecven de rezonan (naturala), care este un numr exprimat n hertzi sau rad pe secunda. Frecvena arat unde semnalul de ieire al senzorului crete considerabil. Multi senzori se comport ca avand o dinamica standard de tipul unui rspuns de sistem de ordinul al doilea; fabricantul va preciza frecvena naturala (de rezonanta) i factorul de amortizare ai senzorului. n general, trebuie selectat intervalul de frecven pentru lucrul cu senzorul sub (cel puin 60%) sau deasupra frecvenei de rezonan. Cu toate acestea, unii senzori au punctul de funcionare la frecvena rezonan.

Amortizarea este reducerea progresiv sau stoparea oscilaiei la ieirea senzorului avnd caracteristici ale rspunsului de ordin mai mare dect de ordinul nti. Cnd rspunsul senzorului creste ct de repede posibil, fr depirea valorii regimului stationar, rspunsul este declarat a fi amortizat critic.

9 Factorii de mediu temperatura, presiunea, umiditatea, stabilitatea in timp (drift), vibraiile mecanice, ocurile, eroarea de autonclzire. 9 Calibrarea - nseamn determinarea de variabile specifice care descriu funcia de transfer global, adic ansamblul format de ntregul lan, inclusiv senzor, circuitul de interfa, i convertorul A / D. Modelul matematic al funciei de transfer trebuie s fie cunoscut nainte de calibrare. Dac modelul este o funcie liniar, atunci calibrarea ar trebui s determine variabile a i b; dac este exponenial, variabile a i k trebuie s fie stabilite; i aa mai departe. S luam n considerare o funcie de transfer in cazul n care se utilizeaz o jonciune p-n semiconductoare pentru msurarea temperaturii, cu un grad nalt de precizie; funcia sa de transfer (temperatura este intrare i tensiunea este rezultatul) poate fi considerata liniara:

v =a +bt.

Pentru a determina constantele a i b, la un asemenea senzor ar trebui supus la dou temperaturi (t1 i t2) i rezulta corespunztoar dou tensiuni de ieire (v1 i v2) care vor fi nregistrate. Apoi, dup nlocuirea acestor valori n relatia de mai sus, vom ajunge la:

v1 =a +bt1

v2 =a +bt2,

iar prin rezolvare rezulta constantele: b=(v1 v2)/(t1 t2) si a =v1 bt1.

Pentru a gsi temperatura, nlocuim tensiunea msurat n ecuaia: t=(v a)/b.

n unele cazuri norocoase, una din constante poate fi indicat cu o precizie suficient astfel nct nici o calibrare special nu mai este necesar. n acelai senzor de temperatur, jonciune p-n, panta b este de obicei o valoare foarte precisa pentru un anumit lot i tip de semiconductoare. De exemplu, o valoare de b = 0.002268 V/C a fost determinat s fie consecvent pentru un tip de diode selectate, apoi un singur punct de msurare este necesar pentru a afla valoarea a cu relaia a= v1+ 0.002268t1.

Pentru funcii neliniare, pot fi cerute, n funcie de un modelul matematic al funciei de transfer, mai mult de dou puncte. Orice funcie de transfer poate fi modelata cu un polinom, i n funcie de precizia necesara,

numrul de puncte de etalonare trebuie stabilit. Deoarece calibrarea poate fi un proces lent, pentru a reduce costul de producie n procesul de fabricaie, este foarte important a se minimiza numrul punctelor de calibrare.

Trebuie s se neleag clar c precizia sistemului de msurare este direct ataata la precizia etalonului folosit. O incertitudine standard a etalonului, trebuie s fie inclus n declaraia privind incertitudinea global.

Eroarea de calibrare este inexactitatea permis de un productor atunci cnd un senzor este calibrat n fabric. Aceast eroare este de natur sistematic, nsemnnd c este adugata la toate funciile de transfer reale posibile. Aceasta schimb exactitatea transduciei pentru fiecare punct de stimulare cu o constant. Aceast eroare nu este neaprat uniform n orice interval i se poate modifica n funcie de tipul de eroare de calibrare. De exemplu, se consider dou puncte de calibrare a unei funcii de transfer reale, liniar (linie groasa din figura de mai jos).

Pentru a stabili panta i intersecia cu axa funciei, doi stimuli, s1 i s2, sunt aplicai senzorului. Senzorul rspunde cu dou semnale de ieire corespunztoare A1 i A2. Primul rspuns a fost msurat absolut corect, cu toate acestea, semnalul mai mare a fost msurat cu eroare . Acest lucru duce la erori n calculul pantei i a interseciei cu axa output a funciei. O noua intersecie, a1, va diferi de intersecia real, a, prin:

a =a1 a =/(s2 s1)

si panta va fi calculata cu eroarea:

b =-/(s2 s1).

Ex: accelerometru ADXL 150/250:

F.d.t. V(Acc) = 1,5V+(Accx167g

mV),

Sensibilitatea/Senzitivitatea 167 mV/g

Domeniul dinamic 2g. nafara intervalului senzitivitatea nu este garantat Histerezis nu are Coeficientul de temperatur senzitivitatea se schimb cu temperatura < 0,025%/0C. Tensiunea de offset pentru lipsa acceleraiei (nominal 1,5V) se schimb cu maxim 2 mg/0C. n expresia f.d.t. tensiunea de offset nu se modific cu mai mult de 6.3 V/0C. Liniaritatea 2% din captul de scal. Zgomotul densitatea de zgomot < 300 g/ ( )Hz exprimat n V o nmulim cu senzitivitatea (167 mV/g) i obinem 0,5 V/ ( )Hz . Atunci ntr-o aplicaie cu filtru trece jos de 10 Hz vom avea un zgomot de aprox. 1,5 V RMS i o eroare de acceleraie de 1 mg. Rezoluia 300 g/ ( )Hz . Limea de band depinde de alegerea capacitorilor i rezistorilor externi.

Aici:

http://www.mikroe.com/eng/products/view/133/three-axis-accelerometer-board/

gasiti un senzor inteligent (modul accelerometru).