1) Ústav elektroniky a fotoniky FEI STU, Bratislava 2 ) Ústav riadenia a priemyselnej informatiky

1. ZS 2011/2012 Senzorové systémy pre automobily prof. RNDr. Vladimír Tvarožek, PhD. 1), doc. Ing. JánŠturcel, PhD.2), Ing. Erik Vavrinský, PhD. 1), Ing. Soňa Flickyngerová, PhD. 1),, Ing. Miroslav Toman, PhD. 2) 1)Ústav elektroniky a fotoniky FEI STU, Bratislava 2)Ústav riadenia a priemyselnej informatiky FEI STU, Bratislava

2. Všeobecné informácie 1. týždeň

3. Všeobecné informácie • Prednášajúci: • prof. RNDr. Vladimír Tvarožek, PhD. • E313, +421 (2) 60 291 557, vladimir.tvarozek@stuba.sk • doc. Ing. Ján Šturcel, PhD. • D515, +421 (2) 60 291 678, jan.sturcel@stuba.sk • Ing. Erik Vavrinský, PhD. • E514, +421 (2) 60 291 731, erik.vavrinsky@stuba.sk • Ing. Soňa Flickyngerová, PhD. • E509, +421 (2) 60 291 346, sona.flickyngerova@stuba.sk • Cvičiaci: • Ing. Erik Vavrinský, PhD. • E514, +421 (2) 60 291 731, erik.vavrinsky@stuba.sk • Ing. Miroslav Toman, PhD. • D512, +421 (2) 60 291 356, miroslav.toman@stuba.sk

4. Všeobecné informácie • Sylabus • Meracia a riadiaca technika v automobiloch. Miniaturizácia senzorov: mikroelektronické a mikromechanické technológie výroby mikrosenzorov. • Metrologické a prevádzkové vlastnosti snímačov (senzorov). • Inteligentné ("smart") senzorové systémy. • Senzory teploty. Senzory mechanických veličín. Chemické senzory plynov. • Senzorové systémy, meracie kanály pre riadiace a zabezpečovacie systémy automobilov. • Odporúčaná literatúra [1] Tvarožek, V.: Senzorika, Pomocné učebné texty, http://www.kme.elf.stuba.sk/kme/buxus/generate_page.php?page_id=652 [2] Šturcel, J.: Snímače a prevodníky, STU Bratislava, 2002 [3] Fraden, J.: Handbookofmodernsensors: physics, design and applications, SpringlerVerlag, N.Y., 2004 [4] Jurgen, R.,K. :AutomotiveElectronicsHandbook, McGraw-HillInc., N.Y., 1999 [5] Husák, M. : Mikrosenzory a mikroaktuátory, ACADEMIA, Praha, 2008 • Bodovanie 100 bodov • Skúška 60 bodov • Cvičenia 40 bodov • Laboratórne práce 28 bodov • Zápočtová písomka 12 bodov

5. Obsah prednášok SSpA • Úvod: Senzory. Mikrosenzory a mikroaktuátory. Mikroelektronické a mikromechanické technológie výroby. (Vavrinský, Flickyngerová) • Informačný a merací systém v automobile, číslicový merací kanál a systém, získanie dát, úprava a prenos informácie.(Šturcel) • Inteligentné ("smart") senzorové systémy, ich štruktúra, vlastnosti a použitie, primárne spracovanie informácií, diagnostika a autokalibrácia. (Šturcel) • Metrologické a prevádzkové vlastnosti snímačov (senzorov) a celého meracieho kanála. (Šturcel) • Senzorové systémy, meracie kanály riadiacich a zabezpečovacích systémov pre automobily, aplikačné riešenia -- vybrané príklady (Šturcel) • Piezoodporové senzory tlaku. Inteligentné pneumatiky (Tvarožek) • Senzory teploty: odporové (kovové, polovodičové), termočlánky.(Vavrinský) • Magnetické senzory posunutia, otáčok: magnetoodporové, Hallove. (Tvarožek) • Senzory mechanických veličín: polohy, posunutia, výšky hladiny a prietoku tekutín. (Tvarožek) • Piezoelektrické senzory rýchlosti (Dopplerov jav), tlmenia. (Tvarožek) • Vibračné senzory pre snímanie zrýchlenia, nárazu (akcelerometre) a smeru pohybu (mikrogyroskopy). (Tvarožek) • Chemické senzory plynov a vlhkosti: elektronické (odporové, kapacitné, FET), elektrochemické, kalorimetrické. Lambda sonda. (Tvarožek)

6. Obsah cvičeníSSpA • Organizačné pokyny, plán cvičení, bezpečnosť pri práci........................... (E324) • Informačný merací systém v automobile...................................................... (D520, D521) • Inteligentné senzorové systémy.................................................................... (D520, D521) • Metrologické a prevádzkové vlastnosti senzorov........................................ (D520, D521) • Senzory mechanických veličín...................................................................... (D520, D521) - polohy, posunutia, výšky hladiny a prietoku tekutín. • Senzory tlaku.................................................................................................. (E324) • základné vlastnosti a závislosti (U = f ( P )) • inteligentný senzor (U = f (P, T)) • Magnetické senzory........................................................................................ (E324) - Hallove senzory (U = f (B), U = f(I)) - aplikácia pri meraní otáčok • Senzory teploty............................................................................................... (E324) • U, R = f (T) • Inteligentný senzor PtTi 222 • Test.................................................................................................................. (E324) • Inteligentné pneumatiky................................................................................. (E324) - snímanie teploty, tlaku pomocou PC • Zabezpečovacia technika............................................................................... (NE101) • Senzorové mikrosystémy pre lekársku diagnostiku stresu, krvi a svalov..(E324)

7. Senzorika 1. týždeň

8. Senzorika • Senzorika- oblasť techniky týkajúca sa merania a spracovania informácií • Z technického hľadiska informácia je kvantita, ktorá znižuje neurčitosť a môže byť identifikovateľná, merateľná a lokalizovaná. Nosičom informácie (a tým aj energie) je signál. • Prevodník je funkčný prvok, ktorý realizuje prevod (transformáciu) energie z jedného systému do iného v tej istej alebo inej forme. Sprostredkovateľom prevodu energie sú signály v rôznych formách: elektromagnetické, radiačné, mechanické, tepelné, elektrické, magnetické, chemické, biologické.V živej prírode (ale aj v chémii) odozva na vonkajšie podnety má väčšinou elektrochemický charakter, t. zn., že nosičom výstupného signálu sú ióny. V elektrotechnike sú hlavným nosičom informácie elektróny (ak neuvažujeme fotóny ako vlastné a nezávislé elementy spracovania informácií) • Podsystém informačných technológií - merací a riadiaci systém • triptych, zložený z troch prevodníkov: senzora, elektronického procesora a aktuátora

9. Senzory • Senzor je funkčný prvok, ktorý mení špecifický signál na elektrický signál • Senzor môže byť kombináciou viacerých prevodníkov, napr. chemický senzor :

10. Merací a riadiaci systém • V praxi: operátor udržuje konštantnú hladinu kvapaliny v nádrži pomocou ventilu. • Informácia o hladine kvapaliny v nádrži je získaná senzorom, ktorý sa skladá z dvoch častí: priesvitnej trubice na nádrži (mení mechanický signál - výšku hladiny - na optický signál) a operátorových očí (prevod optického signálu na elektrický signál pokračujúci cez nervy do mozgu). Kombináciou týchto dvoch častí dostávame selektívny senzor hladiny kvapaliny v nádrži - jeho rýchlosť odozvy, prípadne časové oneskorenie (fázový posun) budú determinované viskozitou kvapaliny a vhodnou konštrukciou meracej trubice. • Spracovanie informácií prebieha v mozgu operátora– procesor - , ktorý vysiela elektrický signál do aktuátora, tvoreného rukou operátora s ovládacím ventilom. Všetky nestability a poruchy (zmeny vstupného prúdenia, teploty, viskozity kvapaliny) sú kompenzované operátorom.

11. Automobilová elektronika

12. Automobilová elektronika ABS EPS

13. Fyzikálno – elektrická reprezentácia senzora • V reálnom svete existujú fyzikálne veličiny v pároch: vo forme "potenciálu P" a "toku F". Sú to, napr. elektrické napätie V a elektrický prúd I, tlak p a prúdenie dM/dt, teplo Q (teplota T) a tepelný tok dQ/dt, mechanické napätie  a deformácia . • Potenciál P je zviazaný so vzdialenosťou l, prípadne plochou ("priečna" premenná): • Tok Fje lokálna veličina ("cez"premenná v bode i) : • Súčin týchto komplexných veličín P x Fcharakterizuje"energiu E"alebo"výkon P“ • PodielP / F"impedanciu Z"

14. Prevodná charakteristika senzora • Ideálny vzťah medzi vstupným stimulom s a výstupným elektrickým signálom S je charakterizovaný prevodnoucharakteristikou: • lineárna: • logaritmická: • exponenciálna: • mocninová: • kde b je veľkosť výstupného signálu senzora pri nulovom stimule,a je citlivosť senzora, k je konštanta senzora • Senzory podľa excitácie výstupného signálu môžeme rozdeliť na: • aktívne - sú vlastným zdrojom elektrického signálu (termočlánok, potenciometrický, elektrochemický článok) • pasívne- potrebujú zdroj elektrickej energie e napájanie (piezoodpor, voltampérometrický článok). S=f(s)

15. Charakteristiky senzorov: rozsah • Maximálny rozsah hodnôt vstupných stimulov, ktoré je senzor schopný detekovať s dostatočnou presnosťou a bez poškodenia sa označuje FSI (FullScaleInput). • Maximálny rozsah hodnôt výstupných elektronických signálov (daný minimálnou a maximálnou hodnotou stimulov) je FSO (FullScaleOutput). • V prípade, že rozsahy senzora sú veľmi široké a prevodnácharakteristika je nelineárna, je výhodné vyjadrovať pomer hodnôt veličín v decibeloch (dB), ktoré môžeme vyjadriť pomerom: výkonov Psíl F Decibelová reprezentácia umožňuje zároveň vyjadriť malé signály s vysokým rozlíšením a veľké hodnoty komprimovať

16. Charakteristiky senzorov • Citlivosť senzora cS je pomer rozdielu hodnôt výstupných signálovS ku rozdielu odpovedajúcich hodnôt vstupných stimulov s • Pri lineárnych prevodových funkciách (S = as + b) je citlivosť konštantná a rovná smernici priamky, ktorá zviera s osou x ( s) uhol  • V prípade nelineárnych prevodných funkcií citlivosť cs nemá konštantnú hodnotu, ale pre každú vstupná hodnotu stimulu s0 je definovaná ako dotyčnica v tomto bode • Rozlišovacia schopnosť senzora definuje najmenší rozdiel hodnôt vstupných stimulov, ktorý je ešte schopný detekovať • Môže byť vztiahnuté na celkový vstupný rozsah a vyjadrené v percentách (napr. 0.1 % FSI). I keď je senzor schopný na vstupe detekovať spojité zmeny stimulu, často jeho výstupný signál nie je monotónny a "hladký" kvôli primárnemu rastrovaniu , šumu a podobne. Potom rozlíšenie je determinované parametrami výstupného signálu. Ak má senzor digitálny výstup, rozlíšenie býva špecifikované počtom bitov, napr. "8 bitové rozlíšenie".

17. Chyby senzorov : presnosť • Dôležitým parametrom senzora je jeho presnosť (v realite je to vlastne nepresnosť). Nehomogenity materiálu, nedokonalosť návrhu a technológie senzora spôsobujú, že reálna prevodná charakteristika sa líši od ideálnej. Pri opakovaných meraniach nám potom limity presnosti definujú pásma, v ktorých sa nachádzajú jednotlivé reálne prevodné charakteristiky. Tieto sa líšia od ideálnej prevodnej charakteristiky o chybu merania  , pričom . • Napríklad predpokladajme stimulo hodnote s, ktorej odpovedá na ideálnejcharakteristikebod za výstupná hodnota S. Avšak na reálnejcharakteristike bude stimulu odpovedať bod Z a z toho vyplývajúca výstupná hodnota S´. Tejto hodnote odpovedá bod z´ na ideálnejprevodnej charakteristike a vstupný stimul s´menší než s. Potom  = s´ - s< 0. Presnosť senzora môžeme vyjadriť viacerými formami: priamo v hodnotách vstupných meraných veličín , percentuálne vzhľadom k maximálnemu vstupnému alebo výstupnému rozsahu senzora, %FSIalebo %FSO

18. Chyby senzorov : nelinearita • Lineárnu aproximáciuje možné uskutočniť: • (1)Prepojením koncových bodov priamkou • (2)Metódou najmenších štvorcov • Vzorce pre lineárnu regresiu na určenie smernice aa priesečníka b s osou y z n‑ hodnôt S a s: • (3)Lokálnou linearizáciou v určitom kalibračnom bode c • Ak je potrebná vysoká presnosť v okolí určitého kalibračného bodu (napr. medicínsky teplomer musí byť presný v okolí teploty 37 °C), potom daným bodom vedieme dotyčnicu ku prevodovej krivke • V špeciálnych prípadoch môže byť senzor necitlivý v určitej oblasti vstupného signálu. Tejto "mŕtvej zóne" odpovedá približne konštantná hodnota výstupného signálu (dS/ds0) veľmi často rovná 0

19. Chyby senzorov • Hysteréziaje chyba senzora, ktorá je spôsobená tým, že prevodové funkcie sa líšiapodľa toho, v akom smere nastáva zmena stimulu: či ide o vzrastjeho hodnôt alebo ich pokles. Je to odchýlkavo výstupných signáloch pre rovnakúhodnotu stimulu, ktorý dosiahneme pri opačných smeroch pohybu po prevodovej krivke • Krížení citlivostí- senzor je citlivý na viacrôznych vstupných stimulov. Typickým stimulom, ovplyvňujúcim nežiadúco prácu senzora je teplota. Tento jav je možno kompenzovať - a tým zvýšiť selektivitusenzora - viacerými spôsobmi: • návrhovou štrukturálnou symetriou senzora(mechanické priestorové a elektrické usporiadanie, komparačné a pomerové metódy), • zákazkovou kompenzáciou individuálneho senzora(mechanické, elektrické a elektronické justovanie), • hardverovou a softverovou kompenzácioumonitorovaním ovplyvňujúcich stimulov, autokalibrácia, (inteligentné senzory), • deduktívnou metódou softverovej kompenzácie, využívajúcej modelovanie a simulácie senzorov.

20. Dynamické vlastnosti senzorov • 0. rádu: statická (časovo nezávislá odozva) • G je konštantná prevodná charakteristika, ktorá nie je závislá od času • 1. rádu: odozva je charakterizovaná diferenciálnou rovnicou • Senzor popísaný touto rovnicou má schopnosť uschovať energiu predtým než ju opäť odovzdá, t. zn., že má "zotrvačnosť" a dosiahne skutočnú hodnotu výstupného signálu odpovedajúcu stimulu až za určitý čas. • 2. rádu: odozva je charakterizovaná diferenciálnou rovnicou • a vyjadrená pomocou periodických funkcií sin(t), cos(t),eit • má vlastnú rezonančnú frekvenciuω0 a tlmenie b, • ktoré odpovedajúfyzikálnym, chemickým a elektrickým vlastnostiam senzora Dynamické charakteristiky časová závislosť parametrov senzora - rýchlosť odozvy, resp. frekvenčná odozva, fázové posunutie, vlastná frekvencia senzora, tlmenie a pod.