1

Clasificarea senzorilor fizici [2]

Criterii pentru clasificarea senzorilorUn senzor (sau traductor de intrare) efectuează conversia informațiilor din domeniul fizic al măsurandului în domeniul electric. Mulți autori au încercat să construiască o schemă consistentă de clasificare a senzorilor care să cuprindă toate principiile senzorilor. O astfel de clasificare a milioane de senzori disponibili ar facilita înțelegerea funcționării și ar face alegerea corespunzătoare a acestora, însă o bază utilă pentru clasificare este dificil de definit.

Există diferite posibilități, cum ar fi:- în raport cu măsurandul- în raport cu domeniile de aplicare- conform unui model de porturi- în conformitate cu principiul conversiei- conform domeniului energetic al măsurandului- în funcție de considerente termodinamice.Aceste scheme vor fi discutate pe scurt în următoarele secțiuni.

2

Clasificarea bazată pe măsurand

Clasificarea bazată pe măsurand și domeniul de aplicare

Multe cărți despre senzori urmează o clasificare în funcție de măsurand deoarece proiectantul care este interesat de o anumită cantitate ce urmează să fie măsurată poate găsi rapid o trecere în revistă a metodelor pentru această mărime. Proiectantul mai experimentat poate consulta, de asemenea, cărți care se ocupă doar cu o mărime măsurată (de exemplu, temperatura sau debitul de lichid).

Numeroase informații despre senzori pot fi găsite în cărți axate pe o arie specifică de aplicații, de exemplu roboți (mobili) [1], inspecție industrială [2], clădiri [3], fabricație [4], mecatronici [5], auto, biomedicale si multe altele.

Cu toate acestea, un câmp de aplicație nu oferă un set limitat de senzori, deoarece în fiecare domeniu ar putea fi aplicați mai multe tipuri de senzori. Dacă s-ar face o listă de mărimi fizice (măsuranzi) [6], pentru fiecare dintre aceste cantități sunt disponibile unul sau mai multe principii de măsurare.

3

Clasificarea bazată pe modele de porturi

Clasificarea bazată pe modele de porturi

Figura ..... Debitul energetic la senzorii direcți, respectiv cu modulareProprietatea distinctivă în clasificarea bazată pe modele de porturi este necesitatea de energie auxiliară (Figura ....).

Senzorii care nu necesită energie auxiliară pentru funcționarea lor se numesc senzori direcți sau senzori cu auto-generare. Senzorii care utilizează o sursă de energie suplimentară pentru funcționarea lor se numesc senzori cu modulare sau senzori cu interogare. Senzorii direcți nu necesită energie suplimentară pentru conversie.

4

Clasificarea bazată pe modele de porturi

Deoarece transportul de informații nu poate exista fără transport de energie, un senzor direct folosește energia de ieșire direct de la obiectul de măsurat. În consecință, se poate produce pierderea de informație cu privire la starea inițială a obiectului. Pierderea de energie ar putea fi, de exemplu, prin transfer caloric. Un avantaj important al unui senzor direct este compensarea offset-ului la intrare zero, ieșirea este în esență zero. Exemple de senzori direcți sunt senzorii piezoelectrici de accelerație și termocuplul. Senzorii cu modulare sau interogare folosesc o sursă de energie suplimentară, care este modulată de măsurand; energia de ieșire a senzorului provine în principal din această sursă auxiliară și doar o fracțiune din energie este obținută de la obiectul măsurării. Termenii cu modulare și cu interogare se referă la faptul că măsurandul afectează o proprietate specifică de material care, la rândul ei, este interogată de o cantitate auxiliară. Majoritatea senzorilor aparțin acestui grup: toate grupele de senzori rezistivi, capacitivi și inductivi se bazează pe o modificare a parametrilor (de exemplu, rezistență, capacitate și inductanță) cauzată de măsurand. De asemenea, cei mai mulți senzori de deplasare sunt de tip cu modulare: deplasarea unui obiect modulează proprietăți optice sau acustice (de exemplu, transmisie, reflexie și interferență), unde lumina sau sunetul reprezintă cantitatea care se interoghează.

5

Clasificarea bazată pe modele de porturi

Energia (și astfel informația) intră sau iese din sistem printr-o pereche de terminale care alcătuiesc un „port“. Distingem porturi de intrare și porturi de ieșire.

Figura ...... Modele pe porturi ale senzorilor; a) – cu două porturi, b) – cu trei porturiUn senzor direct poate fi descris printr-un model cu două porturi sau model cu patru borne (Figura ...a). Portul de intrare este conectat la măsurand; portul de ieșire corespunde cu conexiunile electrice ale senzorului. Un senzor cu modulare poate fi conceput ca un sistem cu trei porturi: un port de intrare, un port de ieșire și un port prin care este alimentat cu energie auxiliară (Figura ....b). În aceste modele variabilele sunt indicate prin variabile de efort ε, respectiv prin variabile flux de curgere F . Subscripturile x, y și z sunt alese în conformitate cu intrarea, ieșirea, respectiv energia auxiliară de alimentare.

6

Clasificarea bazată pe principii de conversie

Senzorii direcți furnizează informații despre măsurand ca un semnal de ieșire, o cantitate de energie. Senzorii cu modulare conțin informație ca valoare a unei proprietăți de material, sau o cantitate geometrică, nu un semnal energetic.

Clasificarea bazată pe principii de conversie Clasificarea în conformitate cu principiile de conversie este adesea folosită pentru motivul că performanța senzorului este determinată în principal de fizica care stă la baza principiului de funcționare. Cu toate acestea, un anumit tip de senzor poate fi potrivit pentru o varietate de mărimi fizice și în multe aplicații diferite. De exemplu, un senzor magnetic de un anumit tip poate fi aplicat ca senzor de deplasare, ca senzor de viteză, ca senzor tactil și așa mai departe. Pentru toate aceste aplicații performanța este limitată de fizica acestui senzor magnetic, dar limitările se manifestă în moduri complet diferite. O privire mai atentă la diferitele efecte de conversie poate conduce la observația că producția de energie electrică a unui senzor depinde fie de o proprietate de material, fie de geometria sau mișcarea acestuia. Figura 2.5 cataloghează aceste trei fenomene pentru diferite tipuri de senzori.

7

Clasificarea bazată pe principii de conversie

8

Clasificarea conform domeniului energetic

Clasificarea conform domeniului energeticO reprezentare sistematică a efectelor senzorilor bazate pe domenii energetice implică o serie de aspecte. În primul rând, domeniile de energie trebuie să fie definite. În al doilea rând, domeniile de energie ar trebui să fie alocate atât la intrarea cât și la ieșirea senzorului. În cele din urmă, deoarece mulți senzori sunt de tip cu modulare, ar trebui, de asemenea, să fie luate în considerare domeniul cantității auxiliare. Din punct de vedere fizic, se pot distinge nouă forme de energie:_ Energie radiantă electromagnetică_ Energie gravitațională_ Energie mecanică_ Energie termică_ Energie electrostatică și electromagnetică_ Energie moleculară_ Energie atomică_ Energie nucleară_ Energie masică.

9

Clasificarea conform domeniului energetic

Această clasificare este mai degrabă nepractică pentru descrierea senzorilor. Lion [8] a propus numai șase domenii și a adoptat termenul de domeniul de semnal. Aceste șase domenii sunt: radiant, termic, magnetic, mecanic, chimic și electric. Numărul de domenii este o alegere destul de arbitrară, astfel încât, din motive practice, vom continua cu sistemul de șase domenii pe care le vom numi domenii energetice.

Informațiile conținute în fiecare dintre cele șase domenii pot fi convertite în orice alt domeniu. Aceste conversii pot fi reprezentate într-o matrice

Figura 2.6 arată matricea, inclusiv unele dintre efectele de conversie. Un traductor de intrare sau senzor efectuează conversia dintr-o domeniu neelectric în unul electric (coloana hașurată), și un traductor de ieșire sau de acționare realizează conversia din domeniu electric în alt domeniu (rândul hașurat). Celulele de pe diagonala matricei indică efecte într-un singur domeniu.

10

Clasificarea conform domeniului energetic

11

Clasificarea bazată pe aportul informațional

Senzorii şi informaţiaÎn conformitate cu cantitatea de informație pe care un senzor sau un sistem senzorial le oferă, se pot distinge trei grupuri de senzori: senzori binari, senzori analogici și senzori de imagine. Senzorii binari dau doar un singur bit de informație, dar sunt foarte utili în aplicații. Aceștia sunt utilizați ca opritoare, ca detectoare de evenimente și ca dispozitive de siguranță. În funcție de ieșirea lor (0 sau 1), procesele pot fi pornite, finalizate sau întrerupte. Caracterul binar al ieșirii îi fac extrem de insensibili la interferențe electrice.

Senzorii analogici sunt utilizați pentru achiziția de informații metrice în ceea ce privește cantitățile legate de diverse mărimi fizice, ca de exemplu: distanță (de poziție relativă, viteză și accelerație liniară / unghiulară), forță (presiune, forță de prindere / îndoire) sau altele ca mărimile termice, optice, mecanice, proprietățile electrice sau magnetice ale unui obiect etc. Sunt disponibile o mare varietate de senzori industriali pentru aceste scopuri. A treia categorie cuprinde senzorii de imagine, destinați achiziției de informații legate de structuri și forme.

12

Clasificarea bazată pe aportul informațional

În funcție de aplicație, datele senzorilor se referă la imagini cu una, două sau trei dimensiuni. Cerințele de acuratețe sunt mai puțin severe, în comparație cu senzorii din categoria precedentă (cei analogici), dar conținutul informațional al lor este mult mai mare. Ca urmare, achiziția de date și prelucrarea cu astfel de senzori sunt mai complexe și mai mari consumatoare de timp.

Senzorii binariUn senzor binar are o intrare analogică și o ieșire cu două stări (0 sau 1). Cantitatea (analogică) de intrare se convertește într-un semnal de ieșire pe un bit. Acești senzori sunt de asemenea denumiți switch-uri sau detectoare de prag. Au un nivel de prag un xt reglabil (Figura F.a) sau fix. În esență, există, două nivele, care marchează intervalul de histerezis (Figura F.b). Orice senzor analogic poate fi convertit într-un senzor binar prin adăugarea unui trigger Schmitt (comparator cu histerezis).Cu toate că histerezisul scade precizia detectării de prag (până la intervalul de histerezis), aceasta poate ajuta la reducerea nedorită a comutărilor false provocate de zgomotul din semnalul de intrare.

13

Clasificarea bazată pe aportul informațional

Figura F. Caracteristica unui senzor binar fără histerezis a), respectiv cu histerezis impus b)

Majoritatea senzorilor binari măsoară poziția. Senzorii de deplasare binari sunt denumiți și senzori de proximitate. Ei reacționează atunci când o parte a unui sistem sau a unui obiect în mișcare a atins o poziție specificată.

14

Clasificarea bazată pe aportul informațional

Se evidențiază două tipuri majore: switch-uri controlate mecanic (senzori cu atingere –touch sensors) și switch-uri controlate magnetic (reed sensors).Foarte răspândiți sunt senzorii de proximitate electronici: optici, inductivi, capacitivi, magnetici (efect Hall).

Senzorii analogiciExistă un număr foarte mare de senzori analogici pe piață, pentru aproape orice mărime fizică, care funcționează în conformitate cu o diversitate de principii fizice. De exemplu, în mecatronică, mărimile de interes măsurate sunt deplasarea liniară și unghiulară, derivaleacestora de timp (viteza și accelerația) și forța (inclusiv cuplul și presiunea).

Senzorii de imaginiImagistica este o metodă puternică folosită pentru a obține informații cu privire la parametrii geometrici ai obiectelor cu o formă complexă. Obiectul 3D sau o scenă completă este transformat într-un set de puncte de date care reprezintă parametrii geometrici ce descriu caracteristicile particulare ale obiectului, (de exemplu, poziția și orientarea în spațiu), dimensiunile, forma sau identitatea.

15

Clasificarea bazată pe aportul informațional

O condiție esențială în imagistică este păstrarea informațiilor solicitate. Acest lucru nu este cu siguranță o banalitate: imaginile fotografice – obținute cu aparatele de fotografiat - sunt reprezentări 2D ale unei lumi 3D, și, prin urmare, mai multe informații se pierd prin procesul de formare a imaginii.

Figura G. Tehnici de obținere a imaginilor: a) – senzor cu dublă rotație; b) – senzor cu o singură rotație; c) – proiecție pe o matrice de senzori bidimensională

Trei concepte de bază pentru achiziția de imagini sunt reprezentate schematic în Figura D.

16

Clasificarea bazată pe aportul informațional

În prima metodă – figura G,a - scena care urmează să fie reprodusă este scanată punct cu punct prin mijloace mecanice (de exemplu, o oglindă pe un motor pas cu pas), sau electronice (de exemplu, cu matrici pe etape punctuale). Un astfel de sistem de formare a imaginii este adesea menționat ca telemetru: sunt apreciate distanța ca informație într-un domeniu unghiular determinat de limitele mecanismului de scanare. Ieșirea este un flux de date secvențial care conține informații 3D despre scenă: datele de adâncime de la senzorul de scanare și datele unghiulare din mecanismul de scanare. Deși punctele de date sunt de trei dimensiuni, se obțin informații numai cu privire la intervalul limită de suprafață și numai acea parte a suprafeței conectată la sistemul de senzori printr-o linie de vedere directă. Prin urmare, datele din gamă sunt numite uneori date 2,5D.

Deși metoda de scanare este lentă, este nevoie doar de un singur senzor, care poate, prin urmare, să fie de înaltă calitate.

17

Clasificarea bazată pe aportul informațional

În a doua metodă (Figura G,b), scena este scanată linie cu linie, din nou, folosind un dispozitiv mecanic de scanare. Fiecare linie este proiectată pe o serie de senzori (în domeniul optic, de exemplu, o matrice de diode). Rețeaua de senzori poate include scanarea electronică pentru a procesa datele într-un mod adecvat. Cu toate acestea, mecanismul de scanare mecanică funcționează într-o singură direcție, ceea ce mărește viteza de formare a imaginii și reduce complexitatea de construcție în comparație cu scanarea punctuală.

A treia metodă (Figura G,c) implică proiecția imaginii necunoscute pe o matrice de senzori cu 2D puncte. Această matrice este scanată electronic pentru procesarea serială a datelor. Deoarece toate scanarea se efectuează în domeniul electronic, timpul de achiziție este scurt. Dispozitivul de imagistică cel mai bine cunoscut este camera de matrice CCD (Charge Coupled Device). Ea are cea mai înaltă rezoluție spațială a tuturor matricelor de imagine.Probleme importante care apar în achiziția imaginii: lumina, (ultra)sunetul și forța de contact.

Există trei modalități de obținere a imaginii: optic, acustic și tactil.

18

Criterii de alegere a senzorilor

Alegerea (selectarea) senzorilorAlegerea unui senzor adecvat nu este cu siguranță o sarcină banală. În primul rând, sarcina care urmează să fie susținută de către unul sau mai mulți senzori trebuie să fie analizată în detaliu, iar strategiile posibile să fie atent investigate. Senzorii potențiali trebuie să fie specificați cu precizie, inclusiv condițiile de mediu și constrângerile mecanice și electrice și numai în cazul în care senzorii comerciali pot fi găsiți că satisfac cerințele, se recomandă cumpărarea acestora. O atenție specială trebuie acordată interfeței electronice (în general, disponibilă ca unitate separată, dar rareori adecvată pentru sistemele nou dezvoltate).

În cazul în care piața nu oferă sistemul de senzori direct cerut, un astfel de sistem poate fi asamblat din componente de senzori comerciali și electronica adecvată. Selecția senzorului se bazează pe satisfacerea cerințelor; cu toate acestea, aceste cerințe sunt de multe ori necunoscute cu exactitate sau în detaliu, în special în cazul în care proiectantul sistemului și utilizatorul acestuia sunt persoane diferite.

19

Criterii de alegere a senzorilor

Prima sarcină a proiectantului, prin urmare, este de a obține cât mai multe informații cu privire la viitoarele aplicații ale sistemului, toate condițiile posibile de funcționare, factorii de mediu și caietul de sarcini, în ceea ce privește calitatea, dimensiunile fizice și costurile. Lista de cereri trebuie să fie exhaustivă. Chiar și atunci când nu toate elementele sunt relevante, acestea trebuie să fie indicate ca atare. Acest lucru va lăsa mai mult spațiu pentru proiectant și minimizează riscul de a o lua de la capăt. Lista ar trebui să fie făcută într-un mod care să permită compararea lipsită de ambiguitate cu specificațiile finale ale sistemului proiectat. Odată ce proiectantul are o idee completă despre utilizarea viitoare a sistemului, faza de proiectare conceptuală poate începe. Înainte de a ne gândi la senzori, trebuie mai întâi să fie luat în considerare principiul de măsurare. Pentru instrumentarea fiecărui principiu de măsurare, proiectantul are o multitudine de metode senzoriale la dispoziția sa. Pentru realizarea unei metode senzoriale particulare, proiectantul trebuie să aleagă componenta senzorială optimă și tipul de senzor dintr-o vastă colecție de senzori oferiți de numeroși producători de senzori. Pentru exemplificare, considerăm măsurarea unei cantități de material dintr-un rezervor exemplificată în figura D

20

Criterii de alegere a senzorilor

Fig.D. Măsurarea conținutului unui rezervor

Prima întrebare la care trebuie răspuns este, în ce unități ar trebui să fie exprimată valoarea: de volum sau de masă? Aceasta poate influența selecția finală a senzorului. Figura D prezintă diferite principii de măsurare într-un mod schematic:A: măsurarea greutății totale a rezervorului;B: măsurarea presiunii pe fundul rezervorului;C: O riglă gradată de sus în jos cu un sistem electronic de citire;D: Detector de nivel pe partea de jos, măsurarea înălțimii coloanei;E: Detector de nivel la partea superioară a rezervorului, măsurarea înălțimii părții goale;F: (masă sau volum) debitmetre atât la admisie cât și la evacuare.

Evident, pot fi găsite mai multe principii pentru a măsura cantitatea de lichid din rezervor.În faza de concepție a desenului sau modelului ar trebui să fie luate în considerare cât mai multe principii, chiar și cele neconvenționale.

21

Criterii de alegere a senzorilor

Funcție de lista de cerințe ar trebui să fie posibil să se găsească un principiu adecvat candidat din această listă, pentru a șterge multe dintre principiile enumerate, pe o bază argumentată. De exemplu, în cazul în care rezervorul conține un fluid coroziv, este de preferat un principiu de măsurare fără contact, punând principiile B, C și D pe o poziție inferioară în listă. Mai mult, pentru rezervoarele foarte mari, metoda A poate, eventual, să fie eliminată din cauza costurilor ridicate. Design-ul conceptual se încheie cu un set de principii cu argumente pro și contra, clasificate în funcție de perspectivele de succes.Următorul pas este de a găsi o metodă de detectare adecvată pentru fiecare dintre principiile candidate. In exemplul din figura D vom investiga în continuare principiul E, un detector de nivel plasat în partea superioară a rezervorului. Trebuie remarcat faptul că știind numai nivelul nu poate fi determinată cantitatea de lichid: forma recipientului ar trebui să fie luată în considerare.

22

Criterii de alegere a senzorilor

Din nou, se face o listă a diferitelor metode de funcționare a senzorilor, după cum urmează:E1: un plutitor, conectat la un sistem electronic de citire;E2: măsurarea optică a timpului de propagare;E3: măsurarea gamei optice;E4: măsurarea distanței electromagnetice (radar);E5: măsurare acustică a timpului de propagare și așa mai departe.Ca și în faza conceptuală, aceste metode sunt evaluate utilizând lista de cereri, astfel încât nu numai caracteristicile metodei de detectare, ci și proprietățile obiectului de măsurare (de exemplu, tipul de lichid și forma rezervorului) și mediul ar trebui luate în considerare. Pentru sistemul rezervor, metoda acustică de măsurare a timpului de propagare ar putea fi indicată întrucât este o metodă non-contact. În această fază, este de asemenea important să se ia în considerare metode de reducere a influenței unor factori de mediu ca temperatura. In cele din urmă, aceasta fază se încheie cu o listă de metode de detectare favorabile și avantajele lor în ceea ce privește realizarea cerințelor.

23

Criterii de alegere a senzorilor

Ultimul pas este selectarea componentelor care alcătuiesc sistemul de detectare. Aici trebuie luată o decizie între achiziționarea unui sistem disponibil comercial și dezvoltarea unui sistem dedicat. Criteriile majore sunt costurile și timpul: ambele sunt adesea subestimate când dezvoltarea prin efort propriu este pe prim plan.În această fază a procesului de selecție, caietul de sarcini și caracteristicile senzorilor devin importante. Furnizorii de senzori publică specificațiile în fișele de catalog sau pe Internet. Cu toate acestea, accesibilitatea acestor date este încă slabă, ceea ce face această parte a procesului de selecție critică și consumatoare de timp, în special, pentru non-specialiștii în domeniul senzorilor.

Evident, exemplul senzorului de nivel este foarte simplificat, iar procesul de selecție nu este de obicei așa de simplu. Din moment ce senzorul este de multe ori doar un element în proiectarea unui sistem complex se recomandă o interacțiune strânsă și frecventă cu alte discipline de proiectare, precum și cu recomandările clientului.

24

Bibliografie apelată în cadrul cursului

[1] Stoyan Nihtianov, Antonio Luque (editors) - Smart sensors and MEMS, Woodhead Publishing Limited, 2014, ISBN 978-0-85709-502-2

[2] Paul P.L. Regtien - Sensors for Mechatronics, Elsevier, 2012, ISBN: 978-0-12-391497-2[3] Brian R. Eggins - Chemical Sensors and Biosensors, John Wiley & Sons, 2005, [4] John X. J. Zhang, Kazunori Hoshino - Molecular Sensors and Nanodevices, Elsevier, 2014,

ISBN: 978-1-4557-7631-3[5] IEEE Standard for a Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators – Digital

Communication and Transducer Electronic Data Sheet (TEDS) Formats for Distributed Multidrop Systems (2003), std. 1451.3.

[6] IEEE Standard for a Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators – Network Capable Application Processor (NCAP) Information Model (1999), std. 1451.1.

[7] IEEE Standard for a Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators – Transducer to Microprocessor Communication Protocols and Transducer Electronic Data Sheet (TEDS) Formats (1997), std. 1451.2.

[8] VIM . International Vocabulary of Metrology – Basic and General Concepts and Associated Terms (2012), 3rd edn, 2008 version with minor corrections, BIPM, JCGM 200. Available from: http://www.bipm.org/utils/common/documents/ jcgm/JCGM_200_2012.pdf (Accessed 29 August 2013).

[9] Duta, M and Henry, M. (2005), ‘The fusion of redundant SEVA measurements’, IEEE Transactions on Control Systems Technology , Vol. 13 , No. 2, 173–184.

[10] Abbate, S., Avvenuti, M. and Light, J. (2012), ‘MIMS: a minimally invasive monitoring sensor platform, IEEE Sensors Journal , Vol. 12 , No 3, art. no. 5762310, 677–684.

[11] Gundlach, D. J. (2007), ‘Organic electronics: low power, high impact’, Nature Materials , Vol. 6 , No. 3, 173–174.

[12] Spencer, M. J. S. (2012), ‘Gas sensing applications of 1D-nanostructured zinc oxide: insights from density functional theory calculations’, Progress in Materials Science , Vol. 57 , No. 3, 437–486.

[13] Catterall, R. W., Chemical Sensors, Oxford University Press, Oxford, UK, 1997.