Szenzorok Bevezetés és alapfogalmak

1. Szenzorok Bevezetés és alapfogalmak Pólik Zoltán Kutató-fejlesztő mérnök CorporateInnovation Management, Veszprém BALLUFF Elektronika Kft. Veszprém zoltan.polik@balluff.hu Irodalom: [1] Lambert Miklós: Szenzorok – elmélet és gyakorlat

2. Mi az érzékelő? Az érzékelő egy fizikai (kémiai, biológiai, stb.) mennyiség változásának hatására egy elektromos (vagy elektromosan közvetlenül mérhető) jellemző változásával válaszol. távolság sebesség hőmérséklet frekvencia koncentráció mágneses térerősség erő tömeg forgatónyomaték fényerősség sugárzás vezetőképesség fordulatszám hangintenzitás nyomás szín ... érzékelő feszültség ellenállás áramerősség frekvencia vezetőképesség kapacitás ... ... ... számérték változása változó

3. Szenzor, érzékelő Érzékelőelem, mérőelem: elsődlegesen a méréstechnikában, szabályozástechnikában használatosak, de a modern kommersz (commerce) elektronikában a számuk robbanásszerűen növekszik. Mérés: összehasonlítás (SI mértékegységgel), információgyűjtés a mérendő mennyiségről Mérés pontossága: a mérési bizonytalanság a szenzor tulajdonsága és függ a mérés körülményeitől (a jegyzőkönyv tartalmazza a mérés körülményeit; be kell tartani a specifikációkat) Mérőrendszer elrendezése, mérés menete Mérendő paraméter Mérőrendszer Kimenet Mért érték Bemenet Fizikai mennyiség Megfigyelő

4. Általános mérőrendszer strukturális felépítése Bemenet Fizikai mennyiség Szenzor Jelkondícionáló, átalakító Jelfeldolgozó Adatmegjelenítő Kimenet Mért érték Termisztoros hőmérőrendszer blokkvázlata Bemenet Hőmérséklet Termiszor Linearizáló áramkör A/D konverter Kijelző Kimenet Megfigyelő

5. Mérés eredményének feldolgozása Bizonyos alkalmazásokban elegendő lehet a mért értéket csak vizuálisan kijelezni, de általában nem az. Az analóg vagy digitális formában reprezentált mért érték általában egy rendszerhez csatlakozik, ahol visszacsatoló, vagy beavatkozó jel funkcióját tölti be. Ettől a ponttól, a szabályozástechnikából ismert műveletekkel dolgozhatjuk fel őket.

6. Szenzorok osztályozása A szenzorok osztályozása többféleképpen lehetséges, a különböző szakirodalmak különbözőképpen tárgyalják. Egy általános felosztási elv az érzékelendő fizikai paraméter szerinti osztályozás. Érzékelők osztályozása az érzékelendő fizikai jel szerint Termikus Hőmérséklet, hőmennyiség, hőáram, entrópia, hőkapacitás, stb. Sugárzás Gamma-, Röntgen-, UV-, látható sugárzás, infravörös, mikrohullámú, RF, stb. Mechanikai Helyzet, sebesség, gyorsulás, erő, nyomaték, nyomás, tömeg, áramlás, hangfrekvencia, hangnyomás, rezgés. stb. Mágneses Mágneses tér, fluxus, mágneses nyomaték, mágneses indukció, permeabilitás, stb. Villamos Töltés, áram, feszültség, ellenállás, vezetőképesség, kapacitás, induktivitás, dielektromosság, polarizáció, frekvencia, stb. Kémiai Nedvesség, pH érték, gázkoncentráció, gőzök és illatok, mérgező és gyúlékony anyagok, szennyező anyagok, stb. Biológiai Cukrok, proteinek, hormonok, antigének, stb.

7. Érzékelők osztályozása kimenet szerint Kapcsoló Induktív-, kapacitív-, optikai közelítéskapcsolók, stb. Analóg Nyúlásmérő bélyeg, potenciométer, hőmérő,stb. Lineáris útmérő Induktív-, mágneses-, pozíció jeladók, mágneses és magnetostrikciós útmérő Analóg távolságmérő Induktív-, kapacitív-, optikai távolságmérők Elfordulás Optikai, induktív forgó encoderek és elfordulásmérők Digitális jel Kapcsolójel, analóg jel, lineáris pozícióadat, elfordulás-érték digitalizált értékének megjelenítése a kimeneten Aktív és passzív érzékelőelemek : Aktív: A mérendő folyamat energiájából állítják elő a mérőjelet Pl.: hőelem, pH-mérő, fényelem stb. Passzív: Külső tápforrás szükséges a mérőjel előállításához Pl.: potenciométer, fotoellenállás, magnetorezisztor stb.

8. Szenzorok karakterisztikái Szenzorok esetében kétféle karakterisztikát különböztetünk meg: Statikus karakterisztikát és dinamikus karakterisztikát. Statikus karakterisztikák A szenzorok jelátalakítók, amik a mérendő fizikai paramétereket feldolgozható (általában villamos) mennyiségekké alakítják. Az átalakítási tulajdonságot, vagyis a mérendő és kimeneti jel összefüggését karakterisztikával adják meg. A karakterisztika megadható diagrammal, táblázattal, vagy analitikusan. Az analitikus megadási mód lineáris, vagy egyszerű matematikai összefüggéssel leírható karakterisztikájú szenzoroknál elterjedt (pl.: szinusz, exponenciális stb.). Bonyolultabb összefüggéseknél a grafikus megoldások jellemzőek. Példa: termisztorok karakterisztikái A táblázatos megadás nem elterjedt, mivel itt a közbülső értékek interpolációval határozhatók csak meg.

9. Statikus karakterisztikák A statikus karakterisztika időben állandósult bemeneti és kimeneti jelek értékpárjaira vonatkozik! A statikus karakterisztikák felvétele állandósult környezeti körülmények között, definiált referenciafeltételek mellett történik. Pl.: beállított hőmérséklet, páratartalom, légnyomás, geometriai elrendezés, stb. Statikus karakteriszika [1] - Mérési tartomány: specifikált bemeneti- kimeneti értékpárok - Működésképtelen tartomány: kicsi a mérőjel; rossz jel-zaj viszony; a zaj összemérhető a hasznos jel értékével - Túlterhelési tartomány: bemenő jel meghaladja az engedélyezett mértéket, a kimeneti jel nem a specifikáció szerint függ a bemeneti jeltől (pl.: telítésbe megy). Károsodás léphet fel, feléledési időre lehet szükség a mérési tartománybeli újbóli helyes működéshez.

10. Érzékenység Az üzemi tartomány pontjainak jellemzője az érzékenység. Az érzékenység megmutatja az érzékelő kimenti jele változásának mértékét a bemeneti jel változásának függvényében: ahol βaz érzékenység, x a mérendő tulajdonság, y a mérőjel. A sorozatgyártással készült szenzorok karakterisztikái az alkatrészek paraméterszórásai és a gyártási szórások miatt a specifikációban megadott karakterisztikát csak valamekkora eltéréssel tudják teljesíteni. A statikus karakterisztika ideálistól való eltérésének jellemzőit különböző paraméterekkel szokás megadni: Hiszterézis hiba, ismétlőképességi hiba, linearitási hiba, alakhiba, felbontóképesség, kúszás, nullpont- eltolódás, érzékenységváltozás. y x Szenzor

11. Hiszterézis A legtöbb szenzor a bemenő jel megegyező értékénél eltérő kimeneti jelet szolgáltat, ha a bemenő értéket csökkenő, illetve növekvő megközelítésével érjük el.Ezt a jelenséget nevezzük hiszterézisnek. Kimenet hiszterézise [1] Ismétlőképességi hiba Ha a szenzor kimenetén azonos irányú bemenőjel-változás esetén eltérő kimeneti értéksort kapunk, ismétlőképességi hibáról beszélünk. Ismétlőképességi hiba [1]

12. Linearitási hiba A szenzorok többsége lineáris statikus karakterisztikával rendelkezik. Egy konkrét példány a termékspecifikációban megadott lineáris statikus karakterisztikától maximum a gyártó által meghatározott mértékben térhet el. Ezt az eltérést a linearitási hibával szokás jellemezni, melyet többféleképpen is lehet definiálni. Elméleti linearitási hiba A linearitási hiba miatt a valóságos karakterisztika eltér a lineáristól. A definíció szerint a valódi karakterisztikákhoz a lineárissal párhuzamos érintőt húzunk, +hlin és –hlin érték a lineáristól való eltérés mértéke. Elméleti linearitási hiba [1]

13. Végpontra vonatkoztatott linearitási hiba Az elméleti karakterisztika meghatározása az üzemi méréshatár végpontjából a közepes ofszet értékéhez húzott egyenessel történik. A hiba az elméleti linearitási hibához hasonlóan a mért karakterisztikák érintő párhuzamosának és az elméleti karakterisztikának függőleges tengelyen mérhető távolságából származtatható. Végpontokra vonatkoztatott linearitási hiba [1] Független linearitási hiba Az a hiba, melynek értékénél a valódi karakterisztikák sem pozitív, sem negatív irányban nem térnek el nagyobb mértékben a lineáristól. Független linearitási hiba [1]

14. Regressziós linearitási hiba A regressziós linearitási hiba definíciója szerint az elméleti karakterisztika egyenese ott fut, ahol a mért görbeeltérések négyzetösszege minimális. Regressziós linearitási hiba [1]

15. Alakhiba Nem minden érzékelő karakterisztikája lineáris. Az elméleti nemlineáris karakterisztikától való eltérést alakhibának nevezzük és a görbe bizonyos pontjára vonatkoztatva adjuk meg. Felbontóképesség A felbontóképesség a legkisebb mérhető mennyiség, amely a szenzor kimenetén mérhető jelet szolgáltat. Másszóval a bemeneti jel felbontóképességnél kisebb változásainak érzékelésére a szenzor nem alkalmas Felbontóképesség [1]

16. Kúszás A szenzor egyik stabilitáshibája, amely a bemeneti és kimeneti értékpárok élettartam alatti lassú változását okozzák. A kúszás oka általában a szenzorban felhasznált anyagok és alkatrészek öregedés miatti paraméterváltozása, de gyártástechnológiai és konstrukciós okai is lehetnek. Nullpont eltolódás A nullpont eltolódás okai hasonlóak a kúszáséhoz, a jelenség azonban eltérő. A nullpont eltolódáskor zérus bemeneti jel és állandó referenciafeltételek mellett a kimeneti jel a szenzor élettartama során megváltozik. Érzékenységváltozás Az szenzor érzékenységének meghatározott idő alatt tapasztalható megváltozása, melynek okai az előző két stabilitáshibához hasonló okokra vezethetők vissza.

17. Környezeti hatások Mivel a szenzorok a legritkább esetben működnek a referenciafeltételek mellett – rendszerbe integrált szenzorokkal találkozhatunk pl. minden automatizált gépben – a környezet hatása is befolyásolhatja a statikus karakterisztikát. A környezeti hatások a mérésre és a szenzor alkatrészeire is befolyással vannak, ezért az adatlapban meghatározzák a környezeti változók megengedett maximális és minimális értékeit. Pl.: hőmérséklet (-40..+85 °C), gyorsulás (100 m/s2) stb. A megadott tartományon belüli használat esetén a szenzor az adatlapban megadott pontossággal képes működni (általában!). Hőmérséklet hatása A hőmérséklet a legtöbb szenzor karakterisztikájára hatással van. A hőmérsékletváltozás által okozott statikus karakterisztika-változást diagramban, hibasávval szokás megadni. Lineáris karakterisztikájú érzékelőknél a nullpont eltolódására és az érzékenység meredekségének hőmérséklet függvényében előálló változására külön grafikont szokás megadni.

18. A hőmérséklet állandósult értékei mellett előfordul, hogy a hőmérséklet ugrásszerű megváltozása is hatással van a szenzor karakterisztikájára. Ha definiálva van, akkor a tranziens hőmérsékleti változás hatása diagram formájában adható meg. Tranziens hőmérsékleti hiba [1]

19. További hibák Mivel a szenzorok többsége ipari környezetben helyezkedik el, ezért fokozottan ki vannak téve a rezgéseknek is. Azok a szenzorok, amelyek mérőeleme, vagy elektronikája érzékeny a rezgésekre, a kimeneten tapasztalható hibajelenségeket produkálhat. Ezért a rezgésekre érzékeny szenzorok esetén megadják a maximális rezgést, vagy sokkot, amelyet az érzékelő helyes működés mellett képes tolerálni és a meghibásodási értékeket is, amelyeknél nagyobb fizikai behatásoknál a szenzor tönkremenetelére lehet számítani. A környezeti levegő vagy folyékony közeg nyomása deformációkat okozhat az érzékelő felületén, alkatrészeiben, amely a statikus karakterisztika megváltozását okozhatja. A nyomásváltozás melegedést is okozhat, amely ezen keresztül járul hozzá a kimenet megváltozásához. Az adatlapon megadott maximális nyomás meghaladásakor a szenzor károsodhat. A nedvesség különböző módokon hathat az érzékelők karakterisztikájára. Nedvszívó anyagoknál geometriai deformációt, nyomásnövekedést, vezetőképesség változást okozhat, szigetelőknél a dielektromos állandó és a veszteségi tényező megváltozását eredményezheti, villamos átvezetéshez, átütéshez vezethet, illetve hosszú távon korróziót okozhat, amely hibás mérési eredményekhez vezet. A külső elektromágneses tér is hatással lehet az érzékelők működésére, különösen azokéra, amelyek elektromágneses elven működnek. Habár léteznek (és egyre több) olyan eszközök, amelyek EMC- védelemmel ellátottak, többségüknél hibás működésre, extrém esetben tönkremenetelre lehet számítani a megengedettnél nagyobb hatások esetén. Az ipari érzékelők gyártói általában megadják az jellemző elektromágneses zavarokra vonatkozó vizsgálatok (pl.: ESD, Surge, Burst) eredményeit, ezeknek megfelelően kell alkalmazni őket.

20. EMC IEC EN 61000-4-2, Electromagnetic compatibility (EMC)- Part 4-2: Testing and measurement techniques - Electrostatic discharge immunity test IEC EN 61000-4-3, Electromagnetic compatibility (EMC)- Part 4-3: Testing and measurement techniques - Radiated, radio-frequency, electromagnetic field immunity test IEC EN 61000-4-4, Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-4: Testing and measurement techniques - Electrical fast transient/burst immunity test IEC EN 61000-4-5, Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-5: Testing and measurement techniques - Surge immunity test IEC EN 61000-4-6, Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-6: Testing and measurement techniques - Immunity to conducted disturbances, induced by radio-frequency fields IEC EN 61000-4-7, Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-7: Testing and measurement techniques - General guide on harmonics and interharmonics measurements and instrumentation, for power supply systems and equipment connected thereto EN 61000-4-8, Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-8: Testing and measurement techniques - Power frequency magnetic field immunity test IEC EN 61000-4-9, Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-9: Testing and measurement techniques - Pulse magnetic field immunity test IEC EN 61000-4-11, Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-11: Testing and measurement techniques - Voltage dips, short interruptions and voltage variations immunity tests

21. Szerelési hatások - Szerelő szerszámok (nyomatékkulcs) -Technológia (csavarmaghúzási sorrend, tömítőanyag) -Beüzemelési feltételek (geometriai, levegő nyomás, páratartalom stb.) -Környező anyagok (fémek, dielektromos anyagok) - … minden ami hatással lehet a mérés fizikai elvére vagy a szenzor alkatrészeire Ezért beüzemelésnél, beépítésnél, beállításnál mindig az adatlapban leírtak szerint kell eljárni. Élettartam A szenzoroknak, mint minden műszernek, élettartama van, amely típusonként eltérő. Az érzékelő élettartamára az adatlapban találhatunk információt. Típustól, fajtától függően az adatlap előírhat karbantartást, amelyet be kell tartani. Csak így biztosítható a megadott élettartam. A karbantartás jelenthet tisztítást, kalibrációt, beállítást stb. Vannak olyan szenzorok is, amelyek nem igényelnek karbantartást, ezek élettartamuk végéig az adatlapban megadott paraméterek szerint üzemeltethetők. Környezeti hatások működésen kívül A szenzor beszerelése előtt (késztermék, áru formájában) üzemen kívül van, és beszerelése után is lehet üzemen kívüli állapotban. Fontos, hogy szállítás, tárolás során, illetve beszerelt üzemen kívüli állapotban is be legyenek tartva az adatlapban megadott feltételek. Ezek nem teljesülése esetén a szenzor meghibásodhat. Jellemzően hőmérséklet, páratartalom, mechanikai behatások megadása az általános.

22. Környezeti hatások csökkentésének módszerei Korrekció: A szenzort zavaró jel külön szenzorral való mérése és jelfeldolgozó egységgel a szenzor jelének zavaró jellel történő korrekciója. Különbségképzés: Két ugyanolyan szenzor elhelyezése, melyek közül az egyikre a mérőjel és a zavaró jel, a másikra csak a zavaró jel hat. A zavaró jelet mérő szenzor jelének másik szenzor jeléből való levonásával a mérendő jel kapható meg. Kompenzáció: Nemlineáris jelleggörbéjű szenzornál az egyik szenzorra a mérendő jel és a zavarjel hat, a referenciaszenzorra pedig a zavarjel és egy ismert, a mérendő jellel arányos jel, amellyel a mérendő jel kompenzációja történik. A referenciaszenzor jelét végül levonjuk a mérendő jelet mérő szenzor jeléből. Visszahatás Szenzorok alkalmazásakor fontos tudatában lenni annak, hogy a szenzorok sok esetben visszahatnak a mérendő mennyiségre. Például a hőmérő felmelegítése hőt (hőenergiát) von el attól a testtől, aminek a hőmérsékletét mérni szeretnénk. Egy kontaktusos végálláskapcsoló is megváltoztathatja a céltárgy pozícióját. Ezért a rendszer tervezésekor figyelembe kell venni a mérőrendszer hatását is a mérendő folyamatra és ennek megfelelően kell megválasztani az érzékelőt, beállítani a rendszert.

23. Dinamikus karakterisztikák Habár a szenzorok állandósult állapotban való viselkedése a statikus karakterisztikával kellő pontossággal leírható, időben gyorsan változó bemeneti jeleknél ezek nem feltétlenül lesznek igazak. A kimeneti és bemeneti mennyiségek pillanatnyi értékei között a szenzor időfüggő differenciálegyenlete adja meg a kapcsolatot, amelyet a szenzor dinamikus karakterisztikájának nevezünk. A dinamikus karakterisztika felvétele speciális vizsgálójellel (dirac, egységugrás), vagy szabványban meghatározott módszerrel történik. Megadható az idő és frekvenciatartományban. Időtartományban Általában egységugrásra adott válasz. Beállási idő és hibasáv definiálható A beállás közben a szenzor által szolgáltatott jelalak a szenzor tulajdonságaitól függ. Dinamikus karakterisztika az időtartományban [1]

24. Frekvenciatartományban Frekvenciatartomány beli dinamikus karakterisztika a frekvenciakarakterisztika. A bemeneti jel szinuszos, frekvenciája a kérdéses tartományon belül változik. A válaszfüggvény a szenzor frekvenciakarakterisztikája. A ±δamplitúdóváltozáshoz tartozik az ω sávszélesség. Frekvenciatartománybeli dinamikus karakterisztikák [1]

25. Szenzor adatlapok