senzori - utclujusers.utcluj.ro/~tarnovan/senzori integrati in ingineria... · 2012-02-23 ·...

23 februarie 2012 Senzori Integraţi în Ingineria Instrumentală - Prof. Ioan G. TÂRNOVAN 1

Senzori

Senzor (captor, traductor,…): conversia unei mărimi ne-electrice

intr-un semnal electric, cu domeniu de variație calibrat

x – semnal de intrare

y – semnal de ieşire

ES – element sensibil

ELT – elemente de legătura si transmisie

A – adaptor

SA – sursa de activare


Senzori

Conversie Principiu

fizic Senzor

Marimi Obs.

x y

Mecanica →

electrica

Inductie

electromagnetica

Tahogenerator n t.e.m.

Senzor inductiv Q t.e.m. Q – debit

Efect

piezoelectric

Dinamometru F q F – forța

q – sarcina electrica

Termica →

electrica

Efect

termoelectric

Termocuplu t.e.m. - diferența de

temperatura

Optica →

electrica

Efect fotoelectric Fotoelement I Ifoto I – intensitate luminoasa

Ifoto – curent fotoelectric

Chimica →

electrica

Disociere

electrolitica

Celula+electrod

de măsurare

pH t.e.m.


Materiale:

Fe + Cr + Al

Pt + Ir

Cursor:

Pt + Ir

Pt + Be

Ag …

Senzori rezistivi

lR k l

S

R – rezistenta conductorului

- rezistivitatea

l – lungimea conductorului

S – secţiunea


Senzori rezistivi

Caracteristica ideala:

a – deplasare unghiulara relativa

Senzori rezistivi: a) liniar; b) circular.

t t

t

R R R a


Senzori rezistivi

Caracteristica reala:

Factor de treapta:

Eroare de discontinuitate:

2

tt

RR R a

n

1

2s

n

1;

2 2

ta r

R

n an


Senzori inductivi

Inductivitatea unei bobine:

N – număr de spire

m – reluctanţa circuitului magnetic

lk – lungimea unei secţiuni k a circuitului magnetic

μk – permeabilitatea magnetica a secţiunii k

Sk – aria secţiunii k

2 2

1

n

km

k k k

N NL

l

S


Senzori inductivi – sisteme cu 1 inductivitate

Senzori:

a) intrare: x↔l; ieşire: y↔ΔL

b) intrare: x↔α, l; ieşire: y↔ΔL

2 2

1

n

km

k k k

N NL

l

S


Senzori inductivi – sisteme cu 1 inductivitate

Mărimi caracteristice ale senzorilor inductivi: R – rezistenta; X – reactanța inductiva; Z - impedanța


Senzori inductivi – sisteme cu 2 inductivităţi

Senzori:

a, b) intrare: x↔l; ieşire: y↔ΔL1, ΔL2

c) intrare: x↔α, l; ieşire: y↔ ΔL1, ΔL2

2 2

1

n

km

k k k

N NL

l

S


Senzori inductivi – inductivităţi mutuale

Tensiune de ieşire:

22 1

1

( )N

U k UN

2 2

1

n

km

k k k

N NL

l

S

Dielectric mobil

l C

Armatura oscilanta α C neliniar

α mic

Armatura mobila l C


Senzori capacitivi

Senzori Schema

constructiva

Mărimi Caracteristici

x y

0

0 0

0

1

liniaritate: 25 %

SC

d

d dC

C d d

d

d

0

0

1

1

r

r

a cC

d

aC

C b


Tensiune de ieşire liniara

Sensibilitate ridicata

Capacitaţi iniţiale:

Tensiune de ieşire:

Senzori capacitivi

Punte dezechilibrata cu senzor capacitiv diferenţial

10 20;S S

C Ca b

( )o a

av V f a

a b


Senzori termoelectrici

Efect Seebeck → termocuplu;

T.t.e.m.:

Parametri:

Domeniu de măsurare:

-100…3000ºC

Sensibilitate la temperatura:

10…100 µV/ºC

Rezistenta: ~ 10 Ω

1 2

1 2

, material fireE f

S

Structura unui termocuplu si circuitul echivalent


Senzori piezoelectrici

Efect piezoelectric:

Direct: tensiuni mecanice → sarcina electrica

Invers: sarcina electrica → deformări mecanice

Structura unui cristal de cuarţ: Ox – axa electrica; Oy – axa mecanica; Oz – axa optica



Efect piezoelectric longitudinal:

P – intensitate de polarizare

px, Fx – presiune si forţa pe fata ‘bc’

Sx – aria fetei ‘bc’

k – constanta piezoelectrica

Qx – sarcina electrica de polarizare

Structura unui cristal de cuarţ

xx x x x

x

FP k p k Q P S k F

S



Efect piezoelectric transversal:

Sarcina electrica → pe aceeaşi suprafaţa ‘bc’

Creştere sensibilitate → valori mari ale raportului b/a

Structura unui cristal de cuarţ

y xy y x y y

y y

F S bP k p k Q P S k F k F

S S a


Senzori piezoelectrici: parametri

Constanta (modul) piezoelectrica, k [C/N];

Sensibilitati:

Sensibilitate de tensiune:

Sensibilitate la sarcina electrica:

Aplicaţii: măsurare acceleraţii si forte

-2

mV, ,

ms

aV a

U QS U

a C

-2

pC,

msQ

QS

a


Senzori piezoelectrici: proprietăţi

Sare Seignette:

Sensibilitate piezoelectrica maxima: k = 3×10-10 C/N

Higroscopica; rezistenta mecanica redusa

Cuarţ (SiO2):

Constanta piezoelectrica: k = 2.1×10-12 C/N

Permitivitate relativa: εr = 4.5

Proprietăţi piezoelectrice pina la ~ 500 ºC

Titanat de bariu (BaTiO3):

Constanta piezoelectrica: k = 1.2×10-10 C/N

Permitivitate relativa: εr = 1 000

Proprietăţi piezoelectrice după polarizare la tensiune înalta

(7.5…8 kV)


Noţiuni despre radiaţii

Radiaţie: emisie de particule sau unde (electromagnetice,

acustice, etc.) cu propagare radiala

Radiaţii luminoase: unde electromagnetice 0.1…100 µm

Ultraviolet: 0.01…0.4 µm

Vizibil: 0.4…0.76 µm

Infraroşu: 0.76…100 µm

Parametri:

Flux luminos: Φ [lm]

Intensitate luminoasa: Il = dΦ/dΩ [cd]

Iluminare: Ev = dΦ/dA [lx]

Luminanţa: L = dIl/(dA·cosα) [cd/m2]

Culoare: asociata cu lungimea de unda


Noţiuni despre radiaţii

Efecte fotoelectrice

Fotoemisie

Efect fotovoltaic

Fotoconductivitate

Surse de radiaţii luminoase

Lămpi

LED (Light Emitting Diodes)

IRED (InfraRed Emitting Diodes)


Fotorezistenţa

Materiale semiconductoare: R = f(Φ);

Sensibilitatea senzorului:

Ro – rezistenta la întuneric

RE – rezistenta la iluminare

Timp de răspuns: 10…100 ms (frecvente joase)

Fotorezistenţa si caracteristica tensiune-curent

oR

E

RS

R


Fotocurent invers, IΦ:

SΦ – sensibilitatea joncţiunii

Φ – flux luminos

Dezavantaj: curent invers IR

care depinde de temperatura

(erori)

Fotodioda

Caracteristica tensiune-curent a unei fotodiode

I S


Fotojonctiune: baza-colector

Curent de emitor la întuneric:

β – factor de amplificare

ICB0 – curent baza-colector

Curent de emitor la iluminare:

IΦ – fotocurent al joncţiunii baza-

colector

Fototranzistor

Circuit de măsurare cu fototranzistor npn

dark 0CBI I

light 0CBI I I


Fibre optice:

Θc – unghi de apertura numerica (fasciculul luminos mai este condus)

Surse de iluminare: diode laser

GaAlAs – 0.850 µm

GaInAsP – 1.3…1.6 µm

Senzori cu fibre optice



Sisteme de măsurare cu fibre optice: a) sistem hibrid electro-optic; b) sistem optic



Mecanisme de modulaţie optica:

Intensitate optica:

extern

fibre multimod

ieftin

sensibilitate buna

Faza

intern

fibre monomod

Polarizare

intern

senzori - utclujusers.utcluj.ro/~tarnovan/senzori integrati in ingineria... · 2012-02-23 ·...

Documents