Post on 02-Jan-2020
transcript
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
23 februarie 2012 Senzori Integraţi în Ingineria Instrumentală - Prof. Ioan G. TÂRNOVAN 2
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.
23 februarie 2012 Senzori Integraţi în Ingineria Instrumentală - Prof. Ioan G. TÂRNOVAN 3
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
23 februarie 2012 Senzori Integraţi în Ingineria Instrumentală - Prof. Ioan G. TÂRNOVAN 4
Senzori rezistivi
Caracteristica ideala:
a – deplasare unghiulara relativa
Senzori rezistivi: a) liniar; b) circular.
t t
t
R R R a
23 februarie 2012 Senzori Integraţi în Ingineria Instrumentală - Prof. Ioan G. TÂRNOVAN 5
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
23 februarie 2012 Senzori Integraţi în Ingineria Instrumentală - Prof. Ioan G. TÂRNOVAN 6
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
23 februarie 2012 Senzori Integraţi în Ingineria Instrumentală - Prof. Ioan G. TÂRNOVAN 7
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
23 februarie 2012 Senzori Integraţi în Ingineria Instrumentală - Prof. Ioan G. TÂRNOVAN 8
Senzori inductivi – sisteme cu 1 inductivitate
Mărimi caracteristice ale senzorilor inductivi: R – rezistenta; X – reactanța inductiva; Z - impedanța
23 februarie 2012 Senzori Integraţi în Ingineria Instrumentală - Prof. Ioan G. TÂRNOVAN 9
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
23 februarie 2012 Senzori Integraţi în Ingineria Instrumentală - Prof. Ioan G. TÂRNOVAN 10
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
23 februarie 2012 Senzori Integraţi în Ingineria Instrumentală - Prof. Ioan G. TÂRNOVAN 11
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
23 februarie 2012 Senzori Integraţi în Ingineria Instrumentală - Prof. Ioan G. TÂRNOVAN 12
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
23 februarie 2012 Senzori Integraţi în Ingineria Instrumentală - Prof. Ioan G. TÂRNOVAN 13
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
23 februarie 2012 Senzori Integraţi în Ingineria Instrumentală - Prof. Ioan G. TÂRNOVAN 14
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
23 februarie 2012 Senzori Integraţi în Ingineria Instrumentală - Prof. Ioan G. TÂRNOVAN 15
Senzori piezoelectrici
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
23 februarie 2012 Senzori Integraţi în Ingineria Instrumentală - Prof. Ioan G. TÂRNOVAN 16
Senzori piezoelectrici
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
23 februarie 2012 Senzori Integraţi în Ingineria Instrumentală - Prof. Ioan G. TÂRNOVAN 17
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
23 februarie 2012 Senzori Integraţi în Ingineria Instrumentală - Prof. Ioan G. TÂRNOVAN 18
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)
23 februarie 2012 Senzori Integraţi în Ingineria Instrumentală - Prof. Ioan G. TÂRNOVAN 19
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
23 februarie 2012 Senzori Integraţi în Ingineria Instrumentală - Prof. Ioan G. TÂRNOVAN 20
Noţiuni despre radiaţii
Efecte fotoelectrice
Fotoemisie
Efect fotovoltaic
Fotoconductivitate
Surse de radiaţii luminoase
Lămpi
LED (Light Emitting Diodes)
IRED (InfraRed Emitting Diodes)
23 februarie 2012 Senzori Integraţi în Ingineria Instrumentală - Prof. Ioan G. TÂRNOVAN 21
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
23 februarie 2012 Senzori Integraţi în Ingineria Instrumentală - Prof. Ioan G. TÂRNOVAN 22
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
23 februarie 2012 Senzori Integraţi în Ingineria Instrumentală - Prof. Ioan G. TÂRNOVAN 23
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
23 februarie 2012 Senzori Integraţi în Ingineria Instrumentală - Prof. Ioan G. TÂRNOVAN 24
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
23 februarie 2012 Senzori Integraţi în Ingineria Instrumentală - Prof. Ioan G. TÂRNOVAN 25
Senzori cu fibre optice
Sisteme de măsurare cu fibre optice: a) sistem hibrid electro-optic; b) sistem optic