Szenzorok, érzékelők, mérések

A szenzorok felépítését egy példán keresztül szeretném ismertetni. A lenti képen a Bosch LSU4-es füstgáz-értékelő szenzorának a felépítése látható. Ezen az ábrán jól elkülöníthetőek egy szenzor részegységei.

szenzor felépítése 

érzékelő

Az érzékelőt más források szenzorelemnek nevezik, ebben a dokumentumban maradok a talán jobban elkülöníthető érzékelő megnevezés mellett.

Az érzékelő végzi az fizikai jellemző érzékelését, és továbbalakítja valamilyen - jellemzően elektromos - jellé. Ez a jel legtöbb esetben az irányítástechnika számára még nem értelmezhető. Az érzékelő fontos tulajdonsága, hogy az elvégzett mérés reprodukálható, és azonos körülmények mellett azonos eredményre vezet.

érzékelő rendszer

Az érzékelő pontos működéséhez azonos körülményeket kell biztosítani (például hőmérséklet, nyomás, páratartalom,..) illetve más - kiegészítő - mérésekkel pontosítani kell a mérési eredményt. A fenti ábrán a levegő referencia mérés korrigálja a mérési eredményt, így az az érzékelőrendszer része. A többi eljárás (szivattyú, fűtés) a segédrendszer részét képezi.

segédrendszer

A mérés pontosságához szükséges körülményeket biztosító eljárások.

átalakító

Az érzékelő jeleit alakítja át egységesen - az irányítástechnika által is - kezelhető jelekké. A fenti példán ez egy 0-5 V lineáris mérés-karakterisztikát jelent.

Bináris / Analóg szenzorok

Az alkalmazott technológia elvárásai szerint minden észlelést át lehet alakítani mind bináris, mind analóg jelzéssé. Egy tartály folyadékszintje beérkezhet például analóg, folyamatos (%-os) formában, ilyenkor szintmérőt kell alkalmazni,  vagy csak egy adott szint elérésének a jelzésére van szükségünk, ilyenkor elegendő egy szintkapcsoló alkalmazása.

Technológiai oldalról ez ma már pusztán költség kérdése, hiszen az analóg jel alkalmazása jóval drágább, mint a bineárisé. A fontosabb tartály-szinteknél sok esetben mindkét mérés bevetésre kerül, így egymás redundancáját tudják adni, független mérésekkel.

A fejezet felosztása és tartalma

A fejezet további részében először az érzékelők és az azokhoz kapcsolódó segédrendszerek kerülnek tárgyalásra. A második részben a jelátalakításról van szó, és a fejezet 3. részében a komplett szenzorok kerülnek bemutatásra - alkalmazási területeik szerint csoportosítva.

measuring

1. rész: érzékelők működési elve

2. rész: jelátalakítás

3. rész: szenzorok - alkalmazási területek szerint csoportosítva

1. rész: érzékelők működési elve 

Érzékelők működési elve

Érzékelők áttekintése

érzékelőérzékelés jellegealkalmazási terület (szenzor)
Mechanikus helyzetkapcsolókontakt 
Reed-relémágneses mező érzékelése 
Wiegand-érzékelőmágneses mező érzékelése 
Hall-érzékelomágneses mező érzékelése 
Magnetoinduktív érzékelőmágneses mező érzékelése 
Induktív érzékelőfémtárgyak érzékelése 
Kapacitív érzékelőtárgyak, folyadék, por érzékelése 
Termisztorhőmérséklet mérése - érzékelése 
Fotoellenállásfény mérése - érzékelése 
Piezorezisztív deformáció érzékelődeformáció mérése - érzékelése 
Piezoelektromos deformáció érzékelődeformáció mérése - érzékelése 
Kapacitív deformáció érzékelődeformáció mérése - érzékelése 

Mechanikai mérések

A mechanikai mérések (súly, erő, szint, tömeg, elmozdulás, gyorsulás, nyomás, áramlási sebesség, út, sűrűség) közös jellemzője, hogy a méréseket szinte mindig azonos mérési plattformra kell konvertálni. Ennek menete jellemzően:

jelátalakítás menete

membrán / tartószerkezet

Olyan mechanikai szerkezet vagy megoldás, mely a mért közegben fellépő változásokat mechanikai deformációt kiváltó elmozdulássá alakítja.

deformáció

Mechanikai méretváltozás.

jelátalakítás

A deformáció villamos méréssé konvertálása. Módszerei (érzékelő-típusok):

1. rész: érzékelők működési elve 

Érzékelők

en: mechanical position switch, de: mechanischen Positionsschalter

Mechanikus helyzetkapcsoló A mechanikus helyzetkapcsolók illetve végálláskapcsolók működtetése külső erővel, mecha-nikus szerkezet közvetítésével történik. A kialakítástól függően viszonylag nagy feszültség és áramerősség továbbítására alkalmasak. Legfontosabb elemeik az érintkezők. Ezek leggyak-rabban alkalmazott anyagai: Arany-nikkel, ezüst, ezüst-kadmiumoxid, ezüst-palládium és ezüst–nikkel. Induktív terhelések kapcsolásakor jelentős feszültségcsúcsok jöhetnek létre a kikapcsolás pillanatában.

Megfelelő védőkapcsolás hiányában ez az érintkezők beégését, tönkremenetelét okozza. A védőkapcsolás kialakítható R-C tag vagy egy megfelelő dióda esetleg varisztor alkalmazásával, a paraméterek megválasztásakor figyelembe kell venni mind a kapcsoló, mind a terhelés jellemzőit. Relék illetve mágneskapcsolók esetében a tartóáramhoz képest 8 .. 10-szeres is lehet a meghúzási teljesítmény. }

de: Reed-Relais, en: reed switch

Reed-relé Zárt üvegcsőben elhelyezett, érintkezővel ellátott, ferromágneses anyagból (általában lágyvasból) készült két fém szál, amely külső mágneses térrel működtethető. A reed magyarul nádat jelent, ez jellegzetes kinézetére utal. Az érintkezőnyelveket inert gázzal töltött üvegcsőbe szerelik, így védik meg felületüket a szennyeződéstől, korróziótól és nedvességtől. A védőgáz 97% nitrogén és 3% hidrogén keveréke. Mágneses tér hatására az érintkezőnyelvek átmágneseződnek, köztük vonzóerő ébred és egymáshoz kapcsolódnak. A reed-relé elektromágnessel és állandó mágnessel egyaránt működtethető.

A reed-kapcsoló beépítése során ügyelni kell arra, hogy az érzékelő környezetében a zavaró mágneses mező indukciója a 0,5 mT (tesla) értéket ne haladja meg. Ha fennáll ennek a veszélye, akkor megfelelő árnyékolásról kell gondoskodni.

A reed-relé jelölése
Reed-relé jelölése }

en, de: Wiegand-sensor

Wiegand érzékelő A Wiegand-érzékelő lényegében egy olyan ferromágneses anyagból készült drót, amelynek mágneses polarizációja mindkét irányban csak a dróttal párhuzamos lehet. A mágnesesen lágy magot egy mágnesesen kemény külső héj veszi körül. Mágneses mező hatására a drót teljes hosszában átmágneseződik, a drótra feltekert nagy menetszámú tekercsben feszültség indukáaacute;lódik. Ez 15 … 30 mm hosszú szenzor esetében 2 … 8 V.

A Wiegand-érzékelő működéséhez nem szükséges külső feszültségforrás.

–196 °C-tól +175 °C-ig terjedő hőmérséklet-tartományban alkalmazható. }

en, de: Hall-sensor

Hall-sensor A Hall szenzor működése a felfedezőjéről (Edwin Herbert Hall 1855-1938) elnevezett fizikai elven alapul. Ha egy félvezető lapkán áram folyik keresztül és a lapkát rá merőleges mágneses térbe helyezik, az áram folyására merőleges irányban a lapkán feszültség keletkezik. Ez a feszültség a Hall feszültség és a fizikai hatást hívják Hall effektusnak.

A Hall effektust felhasználó Hall szenzorokban a félvezető és a kiértékelő áramkör egy szilícium lapkára van integrálva, a megvalósítás általában CMOS technológiával történik. A szenzorok fizikai kialakítása olyan, hogy a szenzor legnagyobb felületére merőleges mágneses fluxust érzékeljék. A Hall szenzorok két alapvető típusa a kapcsoló kimenetű és a lineáris kimenetű szenzor. A kapcsoló kimenetű szenzorok tartalmaznak egy komparátort, mely egy meghatározott szintet meghaladó mértékű mágneses tér érzékelésekor bekapcsol, a mágneses tér meghatározott érték alá csökkenésekor, vagy hiányakor kikapcsol. Ezeket a szenzorokat útmérési, forgásérzékelési célra leginkább a kis felbontású, forgójeladókban használják. A lineáris kimenetű szenzorok analóg kimenő feszültséget szolgáltatnak, mely feszültség arányos a Hall érzékelő felületére merőleges mágneses fluxus sűrűséggel. }

en: magneto-inductive (position) sensor, de: Magneto-induktiver (Abstands)Sensor

Magnetoinduktív közelítéskapcsoló Az induktív közelítéskapcsolókhoz hasonlóan egy LC-oszcillátor rezgésállapotát befolyásolja egy állandó mágnes. A rezgésállapottól függően ad bináris jelet. Az érzékelő szenzorelem egy tekercs. Míg a fémekre reagáló induktív érzékelőkben nyitott vasmagú tekercset használnak, addig itt a tekercs nagy permeabilitású anyagból készült zárt vasmaggal rendelkezik. Ha ehhez a tekercshez egy mágnest közelítünk, a vasmag mágnesesen telítődik és megváltozik az oszcillátoráram. Az oszcillátor után kapcsolt elektronikus áramkör kiértékeli a változást és egy jól definiált kimeneti jelet szolgáltat. Ez a szenzor csak mágneses tér hatására működik, fémekre nem reagál. A reed-kapcsolókhoz hasonlóan a magnetoinduktív érzékelők kapcsolási tartománya is függ a működtető mágnes tengelyének az érzékelőhöz viszonyított helyzetétől. }

en: inductive sensor, de: induktiver Sensor

induktiv szenzor Az induktív szenzor aktív része egy vasmagra tekert, változó mágneses terű tekercs. A mag szerepe nyitott mágneses kör esetén a tekercs mágneses mezejének felerősítése, és annak a mérési terület felé irányítása.

Az induktív közelítéskapcsolóban egy mágnesesen nyitott vasmagon helyezkedik el az LC rezgőkör tekercse. A rezgőkör frekvenciája általában 100 – 1000 kHz. Az LC rezgőkör egy nagy frekvenciával változó mágneses mezőt hoz létre, amely kilép az érzékelő aktív felületénél. A rezgésamplitúdó lecsökken, ha a mágneses mezőbe egy fémtárgyat helyezünk. Ennek oka a fémtárgyban indukált örvényáramok által okozott energia-elvétel.

A szenzor elektromos áramköre az amplitúdó csillapodása alapján határozza meg a tárgytól való távolságot, majd létrehozza a kimeneti jelet. A kimeneti jel általában digitális: a tárgy a szenzor munkaterületén belül vagy kívül helyezkedik el.

Előfordulhat azonban analóg jel is, mely fordítottan arányos a tárgy szenzortól mért távolságával.

Az induktív érzékelők nem érzékenyek (nem fémes) szennyeződésekre. A szenzor a munkaterületén kívül eső fémfelületekre se érzékeny, ezért fém-alkatrészekbe közvetlenül beépíthető.

Az induktív érzékelő működési sémája

Az induktív érzékelő működési sémája

1: Oszcillátor
2: Demodulátor
3: Trigger-fokozat
4: Kapcsolási állapot jelzése (LED)
5: Kimeneti fokozat védőkapcsolással
6: Tápfeszültség
7: Belső feszültségstabilizátor
8: Aktív zóna (tekercs)
9: Kapcsolási kimenet }

en: capacitive sensor, de: kapazitiver Sensor

kapacitív szenzor A kapacitív érzékelők aktív eleme egy kondenzátor, amely egy tárcsa alakú elektródából és egy, az aktív felületet határoló kehelyformájú félig nyitott fegyverzetből áll. Akár fém, akár elektromosan szigetelő anyag kerül az aktív zónába, az kapacitásváltozást okoz. Folyékony, szemcsés és porított anyagokat kimutatására is alkalmas.

A kondenzátor egy RC-oszcillátor része, amely úgy van méretezve, hogy akkor rezeg be, ha ez a kapacitásváltozás bekövetkezik. Míg az induktív érzékelőkre az amplitúdómoduláció jellemző, itt a frekvencia változik.

A kapacitív érzékelők igen érzékenyek a szennyeződésekre, vízre. Nedves környezetben zavart okozhat a lecsapódó pára.

A kapacitív érzékelő működési sémája

A kapacitív érzékelő működési sémája 1: Oszcillátor
2: Demodulátor
3: Trigger-fokozat
4: Kapcsolási állapot jelzése (LED)
5: Kimeneti fokozat védőkapcsolással
6: Tápfeszültség
7: Belső feszültségstabilizátor
8: Aktív zóna (kondenzátor)
9: Kapcsolási kimenet }

en: thermistor, de: Thermistor

termisztor elem A termisztor egy, a thermal és resistor szavakból összeheggesztett szó. Olyan ellenállás, mely hőmérsékletváltozás hatására - reprodukálható módon - változtatja az ellenállását. Anyaga általában félvezető tulajdonságú fémoxidokból és/vagy szilíciumból tevődik össze.

A termisztor jelölése:

termisztor jelölése

Típusai:

  • negatív TK, NTC termisztor vagy melegen vezető (termisztor)
  • pozitív TK, PTC termisztor, vagy hidegen vezető (termisztor)

melegen vezető (termisztor) (NTC) alkalmazási területei

de: Heißleiter (Thermistor), en: negative temperature coefficient (NTC) thermistor

  • Hőmérséklet mérés és -felügyelet
  • Hőmérséklet kompenzáció
  • Vákuum-mérés
  • bekapcsolási áram-határolás (szoft-starter)

hidegen vezető (termisztor) (PTC) alkalmazási területei

de: Kaltleiter (Thermistor), en: positive temperature coefficient (PTC) thermistor

  • Hőmérséklet mérés és -felügyelet
  • Hőmérséklet kompenzáció
  • Vákuum-mérés
  • Termikus védelem motorokhoz és transformátorokhoz
  • önszabályzó fűtőelemek

}

en: photoresistor / light dependent resistor (LDR) / cadmium sulfide (CdS) cell , de: Fotowiderstand

Fotoellenállás A fotoellenállás egy olyan félvezető, melynek ellenállás-értéke a felületét érő fényintenzitás függvényében változik.

Technikai kivitelüket tekintve a fotoellenállások vákuumpárologtatott vagy kémiai úton egy megfelelő hordozóra felvitt vékony félvezető rétegből állnak meander, vagy fésűs szerkezetben. Sötétellenállásuk igen nagy, tipikusan 1…100 MΩ.

A leggyakrabban alkalmazott kadmium-szulfid (CdS) érzékelők mellet léteznek még ólomszulfid (PbS), ólom-szelén (PbSe), indiumarzenid (InAs), germánium (Ge) vagy szilícium (Si) bázisú érzékelők is.

A fotoellenállás jelölése:

fotoellenállás jelölése vagy fotoellenállás jelölése

Fényérzékeny dióda. A fotodiódák mindig záróirányban működnek. Fény hatására a zárórétegben a belső fényelektromos hatás miatt töltéshordozók szabadulnak fel, a fotodióda vezetővé válik. A fotodióda külső feszültség nélkül fényelemként működik. A fotodiódákat elsősorban mérési és vezérlési feladatokban használják.

A fotodióda jelölése:

fotodióda jelölése }

en: piezoresistive sensor, de: Piezoresistiver Sensor

szenzor ellenállás-híd  Ha adalékolt félvezető kristályt külső erőhatással deformálnak, az ellenállása megváltozik. Belátható, hogy a kristály deformációja folytán a szabad töltéshordozók számára kisebb, vagy nagyobb tér áll rendelkezésre. Ez gátoltabb vagy szabadabb áramlást tesz lehetővé, ami fajlagos ellenállás-növekedést vagy csökkenést hoz létre.

A félvezetőkben, amelyek polikristályos szilícium vagy germánium anyagúak, a deformáció hatására a fajlagos ellenállásukat megvál-toztatják, oly mértékben, hogy a kimenő jel értékében 50–60 szoros növekedés érhető el a hasonló, fémből készült ellenállásokhoz képest. A piezorezisztivitás nem tévesztendő össze a piezoelektromossággal, ahol a deformáció hatására töltésszétválás következik be

A piezorezisztív ellenállások félvezető gyártástechnológiával gyárthatók, ezért integrált áramköri elemként alakíthatók ki. Mivel e technológiánál több kapcsolási elem nem jelent több alkatrészt, de még lényegesen nagyobb árat sem, szinte kizárólagos a hídkapcsolású piezorezisztív érzékelő kialakítás. Az ellenállások rétegét általában rádiffundálják a szilicium alapra.

A bal oldali ábrán a Wheatstone-híd elrendezés látható, ez esetben két ellenállás lungitudinálisan, kettő tranzverzálisan kerül elrendezésre az érzékelőben, így az minden irányú nyúlásra egyaránt reagál.

 
  membrán típusú szenzor,
piezorezisztív érzékelővel
befogott tartó típusú szenzor,
piezorezisztív érzékelővel

}

en: piezoelectric sensor, de:Piezoelektrischer Sensor

Piezoelektromos érzékelő

Piezoelektromosság (görög „piezo”: összenyom):

A piezoelektromosság olyan elektromos jelenség, melynek során bizonyos anyagokon (kristály, kerámia) összenyomás hatására elektromos feszültség keletkezik, illetve elektromos feszültség hatására alakváltozás jön létre.

Ilyen kristály például a kvarc (SiO2). Egy piezoelektromos kristály sajátrezgését nagyon pontosan tartja, ez adja a „kvarcórák” időalapját.

A piezoelektromosság és elektrostrikció felfedezése Pierre Curie és Jacques Curie nevéhez fűződik, akik 1880-ban felfedezték, hogy bizonyos kristályokon (kvarc, turmalin vagy a Rochelle-só (kálium-nátrium-tartarát KNaC4H4O6·4H2O)) meghatározott tengelyek mentén alkalmazott nyomás elektromos töltések megjelenését okozza a kristály felületén. A következő évben felfedezték ennek fordítottját, az elektrostrikciót: amikor elektromos áramot alkalmaztak a kristályon, az bizonyos tengelyek mentén megváltoztatta méretét.

Az egyik leggyakrabban alkalmazott kristály a kvarc, mely hatszöges rendszerben kristályosodik, ahol a rácspontokban pozitív és negatív ionok helyezkednek el felváltva. Egy ilyen kristályt két fémlap közé helyezve, majd összenyomva azt, a fémlemezek töltöttekké válnak, amivel elektromos szikrát lehet gerjeszteni (öngyújtó, gázgyújtó).

Ennek a jelenségnek a fordítottja az elektrostrikció. Lényege, hogy villamos térbe helyezve egy kvarckristályt annak felülete deformálódik, egyik irányba megnyúlik, a másikba összenyomódik. A rákapcsolt feszültségnek köszönhetően e megnyúlás és összenyomódás többször előfordul, mely hatására rezgőmozgást végez a kristály. Ezt a mozgást szabályozva eljuthatunk a kvarcóra működésének alapjaihoz.

forrás: Wikipedia }

 
  membrán típusú szenzor,
piezorezisztív érzékelővel
befogott tartó típusú szenzor,
piezorezisztív érzékelővel

Az érzékelő a deformációt - a szilikon-membrán vagy a súly elmozdulását a kapacitív érzékelő elven működő elektródával méri.

 

en: ultrasonic sensor, de: Ultraschallsensor

Az ultrahang érzékelő a nagyfrekvenciás hanghullámok visszaverődése alapján működik. Egy rövid, impulzusszerű jel kibocsátása után adó üzemmódból átkapcsol vevő üzemmódba (mikrofon) és érzékeli a reflektált jelet.

Az ultrahang érzékelőkben alkalmazott hang frekvenciája 30 – 300 kHz, az impulzusok ismétlési frekvenciája 1 – 100 Hz. Szűrőkapcsolás segítségével zárhatók ki a visszavert impulzusoktól eltérő, a környezetből származó zavaró jelek.

Jelátalakítás