SENZORI INTELIGENTI

1. SENZORI INTELIGENTI 2 ore de curs pe saptamana; Prof.dr.ing. Constantin Sărmăşanu 2 ore de aplicatii (L, P): Sef lucr. dr.ing. Marius Brânzilă Curs (sala 108) Laborator (sala E - 205); Consultatii (sala 207) Evaluarea: Examen - E Notare: NF = 0,4 NE + 0,6 NA +B Unde NE  5 ; NA  5 ; B <1 B = npC /nC

2. Bibliografie selectiva • Modern Sensors Handbook, Pavel Ripka. Alois Tipek , ISTE Ltd, London, 2007 • Handbook of modern sensors p hy s i c s, d e s i g n s, a n d a p p l i c at i o n s, Jacob Fraden, AIP Press SPRINGER New York 2003 • Introduction to Instrumentation, Sensors, and Process Control, William C. Dunn, ARTECH HOUSE, INC. London, 2006 • Principles of electrical measurement, Slawomir Tumanski ,CRC- Press new York 2004 • Smart sensors system design, Sergey Y. Yurish, International Frequency Sensor Association (IFSA). 2006 • Measurement, Instrumentation, and Sensors Handbook, John G. Webster, CRC- Press new York 1999 • Senzori si traductoare pentru roboti, C. Sarmasanu, M. Cretu, Al Salceanu, Editura CIA, Bucuresti, 1998

3. Introducere • In ultimul timp, senzorii inteligenti au capatat o larga raspandire in cele mai diverse domenii industriale, dar mai ales in componenta sistemelor complexe de automatizare, roboti, etc. • Cel mai cunoscut mod de obtinere a informatiei asupra fenomenelor fizice se bazeaza pe evaluarea amplitudinii tensiunii sau curentului obtinut la nivelul senzorului. • O abordare mai noua este cea ce foloseste fenomenul de rezonanta si oscilatoare variabile. Astfel informatia este transformata in parametrii de frecventa sau timp ai semnalului obtinut la nivelul senzorului. • Sistemele senzoriale moderne pot utiliza insa si multe alte tehnici noi de masurare.

4. Previziuni • Dupa INTECHNO CONSULTING: • Cererea de senzori creste foarte mult (cu o rata de aprox. 4.5% pe an). Astfel pentru 2010-2011 valoarea tranzactiilor cu senzori va depasi suma de 55-57 billioane de US $ • Senzorii de tip semiconductor vor avea o crestere a cererii pe piata de peste 47% in 2010-2011 • Cea mai mare crestere este estimata pentru senzorii bazati pe tehnologiile MEMS, senzorii inteligenti si senzorii cu compatibilitate directa cu sistemele de calcul.

5. MST si MEMS • Avantajele incontestabile ale microelectronicii au condus la implementarea a noi incercari in constructia fizica a senzorilor integrati, precum: • MEMS (Micro-Electrical-Mechanical Systems) • SoC (Systems-on-Chip) si MST - Microsystem technologii ce ofera noi cai de combinare a elementelor sensibile, cu circuitele de procesare si de comunicare pe acelasi cip.

6. Definitia MEMS si SoC • MEMS – este un cip integratIC care are functiuni de senzor si/sau de sistem de actionare cumulate cu o electronica necesara prelucrarii semnalelor vehiculate intre acestea. • SoC presupune integrarea tuturor componentelor unui sistem de calcul pe acelasi cip. El contine sisteme de procesare analogica, numerica sau mixta a semnalelor si posibilitati de preluare a unor functii de transmitere a acestora in radiofrecventa. Ca urmare poate include: P, C, DSP, memorii, periferice, diferite interfete de communicatie, ADC, DAC, etc. • Dupa un studiu din 2006 al IFSA 55% din senzori sunt de tip analogic, 25% de tip digital si 20% de tip quasi-digital.

7. SenzoriQuasi-Digitali • Sensorii quasi-digitali combina simplitatea si universalitatea caracteristica unui senzor analog si acuratetea si imunitatea la zgomote, proprii sensorilor cu iesire digitala • Sensorii quasi-digitalisunt senzori de tip frecventa-timp cu iesire in: • frecventa (70%); • perioada (1%); • factor de umplere (9%); • numar de impulsuri (3%); • impulsuri modulate (PWM), (16%); • modificare de faza (1%), etc.

8. Senzori Digitali • Numarul de fenomene fizice ce pot fi convertite direct in digital sunt putine. • Printre putinele exemple ar fi presiunea joasa, temperatura si bineinteles, cel mai cunoscut senzorul de pozitie unghiulara (encoder). • Desi in 1961 prof. Novitskiy nu estima o dezvoltare a senzorilor digitali sau quasi-digitali, actualmente exista practic senzori cu iesire in frecventa pentru orice marime fizica, chimica, marime electrica sau neelectrica.

9. x1 xn x2 xj x3 Sisteme de achizitii de date Sistemul de achizitii de date este dispozitivul ce colecteaza, masoara si adapteza semnalele primite de la senzori facandu-le compatibile cu calculatorul. Acesta proceseaza semnalele primite, urmand a le afisa sau transmite altor operatori sau sisteme de operare pe cale digitala si/sau analogica sau via Internet. s1 s2 Internet s3 sj sn

10. Circuit de conditionare Element sensbil Interfata Bus ADC MUX Sensorul Integrat rezistiv capacitativ tranzistor piezoelectric Fotoelectric Ef. Material Punte Etc. ADC FDC Amplificare liniarizare compensare Filtrare Etc. RS 232/422/485 IEEE 1451 Etc.

11. MUX Sensorul Inteligent Circuit de conditionare Element sensbil μC rezistiv capacitativ tranzistor piezoelectric Fotoelectric Ef. Material Punte Etc. Amplificare liniarizare compensare Filtrare Etc. DSP FDC Comunicare

12. Definitia sensorului inteligent • Sensorul inteligenteste un cipfara componente externece include elementele sensibile de adaptare a semnalului fizic, de procesare analogica si digitala a semnalului primit de la acestea dar si functii de inteligenta: autotestare, autoidentificare, autovalidare sau autoadaptare. Ca urmare: • Principalele proprietati ale unui asemenea senzor sunt: - Adaptabilitatea: modificarea preciziei in functie de viteza de raspuns si invers; modificarea consumului de putere prin ajustarea frecventei unui timer de tip oscilator cu cuart. - Precizie: erorile de masura pot fi programabile ( algoritmi statistici,valoare medie, abatere medie patratica, etc.) - Siguranta: pentru a controla performanta sistemului si conectarea acestuia la firele senzorului senzorului este utilizat autodiagnosticul

13. Aspecte Tehnologice • Pentru anumite tipuri de senzori de tip semiconductor, mai ales cei de tip read-out trebuie dezvoltata o tehnologie speciala pentru a putea fi integrate pe un singur cip. • Numai o productie de serie foarte mare ar putea asigura un cost acceptabil pentru astfel de senzori. • Tehnologiile propuse pentru acesti senzori integrati trebuie sa aibe o complexitate acceptabila si/sau o aplicabilitate pentru o larga gama de senzori. Combinatia dintre integrarea monolitica si hibrida la care se adauga tehnici avansate de procesare si conversie a semnalelor , asigura in cele mai multe cazuri rezultatele cele mai bune la un pret acceptabil.

14. Principalii parametrii ai senzorilor Frecventa- Domeniu Timp • Principalii parametrii ai senzorilor Frecventa- Domeniu Timpsunt: -frecventa (fx) - perioada (Tx) - raportul de frecvente sau diferenta lor (f1/f2) - abaterea de frecventa(Δf) - factorul de umplere (%) - intervalul de timp (t2-t1) - largimea impulsului (ti) - numarul de impulsuri (N) - gradul de modulare a impulsului (PWM) - modificarea de faza (φ).

15. Avantajele utilizarii frecventei • Imunitate mare la zgomot • Semnal de putere mare • Gama dinamica larga • Precizie mare a semnalului de referinta • Interfatare Simpla • Integrare si Codare Simpla

16. Imunitate mare la zgomot Proprietati si avantaje: • Posibilitatea de utilizare a modulatiei in frecventa • Frecventa unui semnal poate fi transmisa prin linii de comunicatie la foarte mare distanta • Pentru transmiterea unui anumit semnal nu sunt necesare decat doua fire • Transmiterea de date nu necesita o anumita sincronizare • Transmiterea semnalelor in frecventa este ideala pentru medii industriale cu zgomot ridicat

17. Semnal de putere mare • Puterea de iesire a unui senzor si deci cea de intrare in amplificator constitue o problema de baza in configurarea unui canal de transmitere a semnalului la o putere acceptabila • Pierderile de putere ce provin din aceasta parte nu pot fi sau sunt greu de compensat printr-o procesare de semnal. • Puterea de iesire a senzorilor cu iesire in frecventa este de regula considerabil de mare

18. Gama dinamica larga • Gama dinamica a senzorilor cu iesire in frecventa nu este limitata de sursa de alimentare si de nivelul zgomotelor • Gama dinamica a senzorilor cu iesire in frecventa poate ajunge cu usurinta la peste 100 dB

19. Precizie mare a semnalului de referinta • Oscilatoarele cu cristal de cuart pot fi realizate foarte stabile in comparatie cu tensiunile de referinta • Oscilatoarele cu cristal de cuart necompensate au de obicei erori de (150)·10-6 • Oscilatoarele cu cristal de cuart compensate cu temperatura pot ajunge la erori de 10-8 10-10 • Eroarea minima posibila pentru masurarea de frecventa prin utilizarea cuantizarii standard este de 10-14 iar pasul minim de cuantizare pentru intervale de timp este de 10-12 secunde

20. Interfatare Simpla • Tensiunile electromotoare parazite, rezistentele de transfer, de intrare directe, diferentiale si de mod comun ale canalelor de multiplexare analogice, atunci cand se utilizeaza senzori analogici sunt sursa unor importante erori. • Modularea in frecventa a semnalelor nu este sensibila la niciunul din factorii de mai sus • Multiplexoarele de frecventa de la iesirea senzorilor cu iesire in frecventa sunt suficient de simple si nu introduc erori suplimentare

21. Integrare si Codare Simpla • Drept integratoare se utilizeaza numaratoarele digitale de impulsuri care asigura o integrare cu un timp de masurare practic nelimitat • Frecventa semnalului de la iesirea senzorului poate fi procesata prin intermediul controlerelor fara a necesita alte circuite aditionale

22. Clasificarea senzorilor quasi-digitali • Senzorii quasi-digitali pot fi de trei tipuri; • Senzori cu conversie x(t)  F(t) • Senzori cu conversie x(t)V(t)F(t) • Senzori cu conversie x(t)P(t)F(t)

23. Senzori cu conversie x(t)  F(t) • Sunt senzorii ce pot genera direct o frecventa la iesire, in functie de valoarea marimii de masurat • Sunt insa necesare circuite electronice de putere pentru realizarea amplificarii si adaptarii de impedanta • La baza functionarii acestor senzori stau fie fenomene de rezonanta (piezoelectrice, cristale de cuart, unde acustice de suprafata, oscilatoare duale, etc.) sau un modificarea periodica a structurii geometrice a senzorului (senzori de deplasare unghiulara sau encodere) • Exemple: senzori inductivi, senzori cu impulsuri fotoelectrice, senzori de tip cuarda vibranta, senzori acustici si cu stralucire (scintilatie)

24. Senzori cu conversie x(t)V(t)F(t) • Este cea mai mare categorie de senzori • Avand iesirea in tensiune acestia necesita o simpla conversie tensiune-frecventa si/sau curent-frecventa • Exemple :senzoriHall, senzoride tip termocouplu, senzori de tip fotoelectric sau fotovoltaic (celule fotoelectrice)

25. Senzori cu conversie x(t)P(t)F(t) • Din aceasta categorie, foarte numeroasa de altfel, fac parte senzorii bazati pe oscilatoare electronice • Senzorul (elementul sensibil) este cel ce determina el insusi frecventa oscilatorului • Exemple:senzor inductiv, senzor capacitiv, senzor parametric rezistiv (cu modulare)

26. Senzori parametrici (cu modulare) • Senzori parametrici (cu modulare)sunt ecei senzori ce realizeaza o transformare primara (bineinteles cu o anumita eroare) a masurandului (marime fizica) intru-un parametru electric sau intr-un circuit electric (inductanta, capacitate, rezistenta, etc.). • Pentru efectuarea masurarii acestor parametri este necesara prezenta unei surse de putere (de alimentare) externa • Exemple: senzori de presiune, senzori piezoresistivi, senzori fotoelectrici, etc.

27. Senzoride tip Generator • suntsenzori ce pot autogenera la iesire un curent i(t) sau o tensiune u(t) in functie de valoarea marimii de masurat. • Pentru aceasta conversie directa a masurandului nu este necesara existenta unei surse suplimentafre de putere (de alimentare) • Exemple: Senzori bazati pe efectul Seebeck (thermocouple) si Senzori bazati pe efectul fotoelectric sau fotovoltaic (celule solare) • Senzoride tip Generatormai sunt denumiti in literatura de specialitate si “senzori activi” iar cei parametrici cu modulare mai sunt denumiti in literatura de specialitate “senzori pasivi”

28. Senzori cu iesire in frecventa sau analogici ? Senzorii analogici cu iesire in curent sau tensiune sunt utilizati destul de frecvent mai ales in sistemele cu semnale unificate standardizate Un rol important in aceasta directie il joaca simplitatea tehnologica si costurile relativ mici Acesti senzori necesita atentie la utilizarea in conditii concrete deoarece unele neconcordante de adaptare pot conduce la erori Datorita dezvoltarii microsistemelor tehnologice si chiar a costurilor ce tind sa scada, senzorii cu iesire in frecventa tind sa capete o cat mai larga arie de aplicatii