Szenzortechnika (BMEGEFOAMS1 )

Átírás

1 Szenzortechnika (BMEGEFOAMS1 ) 1. Bevezetés a szenzortechnikába BOJTOS AT TILA BME - MOGI TANSZÉK

2 A TANTÁRGY OKTATÓI Előadók: Dr. Bársony István, akadémikus, egyetemi tanár az MTA Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézet igazgatója Dr. Battistig Gábor, MTA Dr., tud. osztályvezető az MTA Elektronikus Eszközök és Technológiák Tud. Biz. Elnöke Az MTA-MFA további munkatársai: DR. Dücső Csaba, Dr. Fürjes Péter, Dr. Pongrácz Anita, Dr. Volk János Gyakorlatvezetők (MOGI): Raj Levente, Szakály Norbert, Bojtos Attila, Lőrinczi Ottó Botond, Fink Nándor, Nagy Balázs. (laborbeosztások szervezése)

3 A TANTÁRGY ADATAI Elérhetőség / letöltések: A tantárgy adatlapja: => Oktatás => Aktuális félév A tantárgy letöltései: => Letöltések => Finommechanikai & méréstechnikai tárgyak => Szenzortechnika Segédletek: Előadás diái, Mérési útmutatók, Jegyzőkönyv minták (kinyomtatandó) ZH eredmények: Szenzor_Eredmenyek.html Labor beosztások Ajánlott irodalom: E-tananyagok: => Oktatás => E-tananyagok Dr. Halmai Attila; Dr. Samu Krisztián: Mikromechanika, Elektronikus jegyzet, Bp Dr. Huba A., Dr. Aradi P., Czmerk A., Dr. Lakatos B., Dr. Chován T., Dr. Varga T.: Mechatronikai berendezések tervezése, Elektronikus jegyzet, Bp Dr. Huba Antal, Dr. Lipovszki György: Méréselmélet, Elektronikus jegyzet, Bp Nyomtatott források: Lambert Miklós: Szenzorok, Elmélet és gyakorlat. Budapest 2009.

4 FONTOS TUDNIVALÓK, KÖVETELMÉNYEK Előadás (hetente 2 óra): Hétfőnként 8:15-9:45, Helye: K ép. Mf. 34. Laborgyakorlatok (2 hetente 2óra): Helye: D-épület, 524/528 laborok. Az első héten nincs laborgyakorlat, a beosztások ekkor kerülnek fel a honlapunkra. Mindegyik labor (6 db. ), legalább elégséges szintű (40%) teljesítése szükséges, Felkészültség ellenőrzése a gyakorlaton, 1 pótlási lehetőség. A mérésnek megfelelő számú jegyzőkönyv mintát kinyomtatva hozni! A jegyzőkönyv elkészítése helyben történik, óra végén le kell adni. Eredmény számítása: Vizsga 75% + Labor 25%

5 FONTOS TUDNIVALÓK, KÖVETELMÉNYEK Követelmények: Előadások látogatásának mértéke TVSZ szerint. Elméleti vizsga legalább elégséges szintű (40%) teljesítése. Kiváltható a 7. és 12. héten írt fakultatív ZH-val, mindkettő elégséges szintű (40%) teljesítése esetén. Mindegyik labor (6 db. ), legalább elégséges szintű (40%) teljesítése szükséges, 1 pótlási lehetőség a póthéten. Felkészültség ellenőrzése a gyakorlaton. Tiltott eszközök használata tilos! (1/2013. (I. 30.) dékáni rendelet) Tiltott eszközök (pl. puskázás) vagy szabálytalan teljesítés (pl. jegyzőkönyv másolása) szigorú szankciókat von maga után.

6 FONTOS TUDNIVALÓK, KÖVETELMÉNYEK A tantárgy célkitűzése: A mechatronikában leggyakrabban használatos szenzorok megismerése. A tárgy teljesítése után a hallgatók képesek lesznek a mechatronikai rendszerekben előforduló szenzorok felismerésére és azonosítására, felügyeletére és karbantartására, illetve a különféle mechatronikai rendszerekhez a megfelelő szenzorok kiválasztására beüzemelésére. A tantárgy az alábbi témakörök ismeretére épít: Méréstechnikai ismeretek, Fizikai alapismeretek, Elektronikai alapismeretek Analóg elektronikus áramkörök, Finommechanikai építőelemek, Az optika egyes fejezetei.

7 A FÉLÉV TEMATIKÁJA Anyagismereti alapok Atomszerkezet Kötések, kristályszerkezet Sávszerkezet Fémek Félvezetők Érzékelési elvek, fizikai jelenségek Termikus elvek Ellenállás Kapacitás Mágneses indukció Piezo elvek Optikai elvek Érzékelési módszerek, alkalmazások Hossz, elmozdulás Sebesség, gyorsulás Nyomás, erő, nyomaték Kémiai érzékelés Integrált érzékelő rendszerek Technológiai alapok, MEMS, NEMS, OEMS Szenzorhálózatok, IoT

8 1. ELŐADÁS: BEVEZETÉS A SZENZORTECHNIKÁBA (TARTALOM) Szenzorok fogalma A mérőlánc (analóg mennyiségek feldolgozható jellé alakítása) A szenzorok szerepe a irányítástechnikában A szenzorok csoportosítása A szenzorok méréstechnikai tulajdonságai (karakterisztika, hibák) A szenzorok szerepe a mechatronikában.

9 FOGALMAK, DEFINÍCIÓK Jelátalakító (trasducer) a mérőkör első tagja, amely a mérendő/elérhető fizikai mennyiséget alakítja át feldolgozható fizikai mennyiséggé (többnyire villamos jellé). vagyis egyik energia típust (pl.: mechanikai, elektromos, kémiai, mágneses, optikai, hő) egy másikká. Érzékelő (sensor) A mért fizikai mennyiséget alakítja át feldolgozható fizikai mennyiséggé (többnyire villamos jellé). Megegyezhet a jelátalakítóval, de gyakran csak egy kis részegysége. Távadó Ha a kimenet szabványos (0 10V, V, 0 5V, -5 +5V, 0 20mA, 4 20mA, Digitális jel, stb.) Intelligens szenzor Döntéshozatal, autonóm szabályozási kör, Beavatkozó jel kiadása, Információ továbbítása nagyobb rendszereknek. [Forrás: Dr. Huba Antal., Dr. Lipovszki, György: Méréselmélet; Lambert Miklós: Szenzorok.]

10 A SZENZOR FOGALMA Szenzor: érzékelőelem, mérőelem, Alkalmazása: méréstechnika, irányítástechnika, fogyasztói elektronika, Mérés: összehasonlítás az etalonnal (közvetett), Mérőlánc: [Forrás: Dr. Huba Antal., Dr. Lipovszki, György: Méréselmélet]

11 MÉRŐLÁNC PÉLDA (TÖMEG MÉRÉSE) Fizikai mennyiség Tömeg: m [kg] - mérendő mennyiség, Súlyerő: F[N]=m g, elérhető fizikai mennyiség, Jelátalakító mérőtest deformációja (fajlagos nyúlás): ε[-]~ F[N] köztes fizikai mennyiség, nyúlásmérő bélyeg (Érzékelő) ellenállás változása: dr/r = g ε, Wheatstone-híd kimenő jele feszültség változás: U ki /U híd = dr/r Információ feldolgozó Erősítő, Szűrő, A/D átalakító, Stb. Digitális kijelző [Forrás: Dr. Huba Antal., Dr. Lipovszki, György: Méréselmélet; Lambert Miklós: Szenzorok.]

12 MÉRŐLÁNC PÉLDA F Szenzor MIKROTECHNIKA vivőfrekvenciás mérőerősítő (mérőhíd) 5 khz táp Bemenet: 0,1 20 mv/v Uki: 0 4 Multiméter Ube: 200 mv (1000 V) Szenzor / Jelátalakító (Trasducer) Érzékenység: 2 mv/v Méréshatár: 10 kg Műszer erősítő Szűrő ADC Mikrokontroller Kijelző, Tároló, Folyamat irányítás

13 MÉRŐLÁNC PÉLDA (MIVEL MÉRJÜK?) A szenzor kimenő jele maximális terhelés mellett (FSO): Uki = 10mV A mérőműszer legkisebb kijelezhető értéke (felbontás): 0,1mV A teljes mérőrendszer felbontása: 10kg * 0,1 mv / 10mV = 0,1kg 1% (nem elegendő!) A tápfeszültség növelésével tovább javítható, pl.: Ttáp=10V 10kg * 0,1 mv / 20 mv = 0,05kg 0,5% Szenzor 5V-os Tápfeszültség (Excitation) és 10kg-os terhelés (Full Scale) melett Uki = 10mV Multiméter Beállított legkisebb méréshatár Ube: 200 mv F Szenzor / Jelátalakító (Trasducer) Érzékenység: 2 mv/v Méréshatár: 10 kg Felbontás: 3 ½ Digit (Kijelezhető legnagyobb érték: 1999) Az adott méréshatáron 199,9 mv felbontás: 0,1 mv Műszer erősítő Szűrő ADC Mikrokontroller Kijelző, Tároló, Folyamat irányítás

14 MÉRŐLÁNC PÉLDA A mérőhíd maximális kimenő jele: Uki = 2V A mérésadatgyűjtő legkisebb kijelezhető értéke (felbontás): 4,8mV A teljes mérőrendszer felbontása: 10kg * 4,8mV / 2V = 0,024kg 0,24% (Elméleti!) Szenzor MIKROTECHNIKA vivőfrekvenciás mérőerősítő (mérőhíd) Táp: 5 khz ; 1, 2, 4V Bemenet: 0,1 20 mv/v Uki: 2V F Szenzor / Jelátalakító (Trasducer) Érzékenység: 2 mv/v Méréshatár: 10 kg NI USB 6008 mérésadatgyűjtő Ube: ±10 V 12Bit (2 12 =4096) Felbontás: 20V/4096=4,8mV Műszer erősítő Szűrő ADC Mikrokontroller Kijelző, Tároló, Folyamat irányítás [Forrás:

15 MÉRŐLÁNC PÉLDA F Szenzor HBM Socout 55 vivőfrekvenciás mérőerősítő (mérőhíd) Transducer type: Full bridge Híd táp (Excitation): 2.5 V Ubemenet (Input): 4 mv/v Kimenet: RS232 Szenzor / Jelátalakító (Trasducer) Érzékenység: 2 mv/v Méréshatár: 10 kg Műszer erősítő Szűrő ADC Mikrokontroller Kijelző, Tároló, Folyamat irányítás

16 MÉRŐLÁNC PÉLDA A távadó maximális kimenő jele: Uki = ±10V A mérésadatgyűjtő legkisebb kijelezhető értéke (felbontás): 4,8mV A teljes mérőrendszer felbontása: 10kg * 4,8mV / 20V = 0,0024kg 0,024% (Elméleti!) F Szenzor Távadó: Kimenő jel= V NI USB 6008 mérésadatgyűjtő Ube: ±10 V 12Bit (2 12 =4096) Felbontás: 20V/4096=4,8mV Műszer erősítő Szűrő ADC Mikrokontroller Kijelző, Tároló, Folyamat irányítás [Forrás:

17 MÉRŐLÁNC PÉLDA (INTELLIGENS (SMART) SZENZOROK) F Szenzor Intelligens szenzor Belső jelfeldolgozás, Erősítés, szűrés, AD konverzió, Matematikai funkciók (pl. alakfelismerés), Döntési funkciók (következtetés), szabályozás, beavatkozás, Kommunikáció (digitális kimenet) Jelenleg: Profibus, I 2 C, CAN, M-bus, Egyvezetékes (+föld) kommunikáció (parazita szenzor) Fejlesztési irányok: szabványosítás (IEEE 1451) ZigBee kis fogyasztású vezeték nélküli komm. Azonosítás: RFID, TEDS, Műszer erősítő Szűrő ADC Mikrokontroller Kijelző, Tároló, Folyamat irányítás

18 SZABÁLYOZÁSI KÖR PÉLDA Módosított jellemző (megfogó mechanika pozíciója) F Szabályozott jellemző (szorítóerő) Szenzor Szabályozott szakasz (pl. Robot megfogó) Zavaró jellemzők (rezgések, kotyogások, ) Zaj (EM zavaró hatások) Beavatkozó jel (PWM) Beavatkozó szerv (DC motor) Szenzor / Jelátalakító (Trasducer) Érzékenység: 2 mv/v Méréshatár: 10 kg Műszer erősítő Szűrő ADC Mikrokontroller Folyamat irányítás: Aktuátor

19 A SZENZOROK ANALÓGIÁJA A MINDENNAPI ÉLETBEN (A FOLYAMATSZABÁLYOZÁS ELVE)

20 A SZENZOROK SZEREPE AZ IRÁNYÍTÁSTECHNIKÁBAN (Szabályozás) Szabályozó Érzékelő Szabályozott jellemző Beavatkozó

21 A SZENZOROK SZEREPE AZ IRÁNYÍTÁSTECHNIKÁBAN (Vezérlés) Vezérlő Érzékelő Vezérelt jellemző Beavatkozó

22 A SZENZOROK FELOSZTÁSA (MÉRENDŐ PARAMÉTER SZERINT) Mechanikai Erő, nyomaték, nyomás, tömeg, áramlás, helyzet, sebesség, frekvencia, Sugárzás Látható fény, Infravörös, UV, Gamma, Röntgen, rádió, mikrohullámú sugárzás, Villamos Feszültség, áram, ellenállás, kapacitás, induktivitás, töltés, frekvencia, Mágneses Mágneses tér, indukció, fluxus, Hő Hőmérséklet, hőmennyiség, hőáram, Kémiai ph, nedvesség, koncentráció, [Forrás: Dr. Huba Antal., Dr. Lipovszki, György: Méréselmélet; Lambert Miklós: Szenzorok.]

23 [Forrás: Dr. Huba A., et al.: Mechatronikai berendezések tervezése, Elektronikus jegyzet, Bp ]

24 A SZENZOROK FELOSZTÁSA (MŰKÖDÉS SZERINT) Aktív segédenergiát nem igényel, maguk állítják elő a jelet a mérendő folyamat energiájából, Közvetlen fizikai elvre épül a működésük, Gyakran inverz működés is lehetséges, piezoelektromos, elektrdinamikus, seebeck, Passzív segédenergiát (tápellátást) igényel, rezisztív (NyMB, FSR), induktív, kapacitív, Gyakori a Wheatstone-híd alkalmazása a kis jelváltozás miatt. [Forrás: Bánlaki Pál, Lovas Antal, BME; Lambert Miklós: Szenzorok.]

25 A SZENZOROK FELOSZTÁSA (ENERGIA FELHASZNÁLÁS ÉS ÁTALAKÍTÁS SZERINT) Energia szemlélet (Miller-indexes jelölés) A bementi (Φ), kimeneti (E) és segéd (P) energiák lehetnek: Sugárzási (Rad), Mechanikai (Mech), Hő (Therm), Villamos (el), Mágneses (mag), Kémiai (chem) energia. Passzív szenzorok: A: Hall-érzékelő (mag, el, el) B: cos φ mérő (el, el, el) Potenciométer: (mech, el, el) Fotoellenállás (rad, el, el) Magnetorezisztor (mag, el, el) Aktív szenzorok: Hőelem (therm, el, 0) ph-mérő (chem, el, 0) C: Fényelem (rad, el, 0) Szenzor kocka [Forrás: Bánlaki Pál, Lovas Antal, BME; Lambert Miklós: Szenzorok.]

26 A SZENZOROK FELOSZTÁSA (A KIMENŐ JEL TÍPUSA SZERINT) Irányítástechnikai szempontok Analóg (a mért jellel arányos feszültség / áram a kimenő jel), Feszültség kimenő jel: 0-10V, ±10V, 0-5V, ±5V, (max 30m) Áram kimenet: 0-20mA, 4-20mA (több 10 km) Híd: 2 (1-3) mv/v (néhány méter) Digitális (a kimenő jel kvantálva jelenik meg), Vezetékes: RS232C, RS422, RS488, Profibus, I 2 C, ASI, CAN, Interbus, M-bus, LIN, FlexRay-Bus, ByteFlight-bus, Neurális hálózati meghajtó IC-k Vezeték nélküli: IRDA, FIR,SIR, BT, WiFi, ZigBee, Intelligens (a mért jel további átalakítása / kiegészítő információ hordozása) (x, el, el) (x, el, 0) [Forrás: Huba Antal., Dr. Lipovszki, György: Méréselmélet; Lambert Miklós: Szenzorok.]

27 A SZENZOROK FELOSZTÁSA (MÉRET / TECHNOLÓGIA SZERINT) Hagyományos (pl. nyúlásmérő bélyeges) Mikroelektromechanikai (MEMS) Nanotechnológiai [MTA-MFA, PPKE-ITK: 3 tengelyes MEMS erőmérő] [Vladimir V. Dobrokhotov: Nanoneedle grows into force sensor] [Forrás: Dr. Halmai, Attila; Dr. Samu, Krisztián: Mikromechanika. (2014).]

28 A SZENZOROK FELOSZTÁSA (MÉRET SZERINT) Kis méretek hatása (lásd finommechanika) Lineáris méretek változása: x = a x 0 Felület változása: F = a 2 F 0 Térfogat (tömeg) változása: V = a 3 V 0 [Halmai, Samu: Mikromechanika] A méretek csökkentésével (a<1): 1. Relatív lineáris méret / térfogat arány növekszik (x/v=x 0 /(V 0 a 2 )), tömeg (súlyerő) hatása elhanyagolható nem kell rá méretezni. 2. Relatív felület/térfogat arány növekszik (F/V=F 0 /(V 0 a)) jobb hűtés. 3. Nagyobb sajátfrekvencia (ω n0 =(k/m) 1/2 ; k~x; m~v; ω n ω n0 /a) gyorsabb működés nagyobb sávszélesség. 4. Kisebb elektromos kapacitás (C=ε A/d= ε F/x; C a C 0 ) gyorsabb működés nagyobb sávszélesség. 5. Új fizikai hatások előtérbe kerülése Kvantummechanikai, felületi, stb. hatások. [Forrás: Dr. Halmai, Attila; Dr. Samu, Krisztián: Mikromechanika. (2014).]

29 A SZENZOROK KARAKTERISZTIKÁI Időfüggése szerint Statikus karakterisztika időben állandósult (B) be és (K) kimenő jelek közötti összefüggés. Definiált környezeti feltételek (hőmérséklet, páratartalom, nyomás) kell felvenni, (kalibrálás). Dinamikus karakterisztika Megadási módja szerint Analitikus (érzékenységi együttható, egyszerűbb függvény) Grafikus (bonyolultabb, nemlineáris karakterisztikák esetén) Táblázatos (határértékek megadásánál, interpoláció) [Forrás: Huba Antal., Dr. Lipovszki, György: Méréselmélet; Lambert Miklós: Szenzorok.]

30 G(s) Dinamikus rész 3 példán bemutatva A SZENZOR MODELLJE Nyúlásmérő ellenállás Gyorsulásmérő [Lambert Miklós: Szenzorok. Bp. 2009] Réz-konstantán hőelem

31 A SZENZOROK KARAKTERISZTIKÁI (STATIKUS) 0-B max : Érzéketlenségi sáv A zaj elnyomja a jelet. B min : zajhatár/ megszólalási küszöb. B min -B max : Mérési tartomány a mérőműszer hibája a megadott határok között marad B max -B T : Túlterhelési tartomány Nem működik üzemszerűen, de nem megy tönkre. B T : Túlterhelési határ 20lg(B max /B min ) : Dinamikus tartomány A mérhető legkisebb és legnagyobb érték aránya db-ben megadva. [Forrás: Huba Antal., Dr. Lipovszki, György: Méréselmélet; Lambert Miklós: Szenzorok.]

32 A SZENZOROK KARAKTERISZTIKÁI (STATIKUS) Érzékenység (Statikus átviteli tényező) a karakterisztika meredeksége (a mérési tartományon). É= K/ B K/ B Műszerállandó a mérendő fizikai mennyiség és a kijelzett érték hányadosa. Ofszet 0 bemenet mellett mérhető kimenő jel (K 0 ). [Forrás: Huba Antal., Dr. Lipovszki, György: Méréselmélet; Lambert Miklós: Szenzorok.]

33 A SZENZOROK KARAKTERISZTIKÁI (STATIKUS) Példa: HBM SP4M Maximum Accuracy Single Point Load Cell [Forrás: Huba Antal., Dr. Lipovszki, György: Méréselmélet; Lambert Miklós: Szenzorok.]

34 A SZENZOR KARAKTERISZTIKA FELVÉTELE (KALIBRÁCIÓ) Kalibrálás a szenzor statikus karakterisztikájának felvétele. Definiált környezeti feltételek mellett hőmérséklet, páratartalom, nyomás, Etalonnal reprodukált mérendő érték Súlysorozat, Hitelesített mestercella, Regresszió Legkisebb négyzetek módszere, Wald módszer, Nyomaték mérő cella kalibrálása. [Forrás: [Forrás: Huba Antal., Dr. Lipovszki, György: Méréselmélet; Lambert Miklós: Szenzorok.]

35 A SZENZOROK KARAKTERISZTIKÁI (ERŐMÉRŐ CELLA KALIBRÁLÁSA) Időtartományban: U(t) Feszültség [V] 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Uki mért [V] Tömeg [kg] Statikus Karakterisztika Amplitúdó [db] 80 Frekvencia tartományban: U(ω) Frekvencia [Hz] A=1000 A=100 A=10 A=1 Szenzor elektronika frekvencia-átviteli karakterisztikája (mechanika nélkül!) [Forrás: Bodai Kristóf István: Oktatási célú erőmérő állomás tervezése, Szakdolgozat, 2015.]

36 HŐMÉRSÉKLET MÉRÉS PT1000 SZENZORRAL (PÉLDA) T 0 =0 C R 0 =1000 Ω T x =? C R x =1104 Ω T 100 =100 C R 100 =1383 Ω

37 HŐMÉRSÉKLET MÉRÉS PT1000 SZENZORRAL (PÉLDA) C tartományon linearizált egyenlet: Mért ellenállás értékek: R 0 =1000 Ω = R x =1104 Ω R 100 =1383 Ω A szenzor főbb paraméterei (adatlap szerint): α = Ω/(Ω C) Pt1000: 3,85 Ω/ C Hibahatár: ΔT = ± (0,30 + 0,010 T ) A kiszámított hőmérséklet értékek és a becsült hiba: ϑ 0 =(1000/1000-1) / = 0,00 C; ΔT= ± 0 C ; = (1 + ) ϑ 100 =(1104/1000-1) / = 27,01 C; (laborhőmérő: 27,2 C) ϑ 100 =(1383/1000-1) / = 99,48 C; ΔT= ± 0,52 C ; 1

38 HŐMÉRSÉKLET MÉRÉS PT1000 SZENZORRAL (PÉLDA) R [Ω] R lin R R mért Hiba határ Mérési hiba 1,5 1 0,5 Hiba [ C] ϑ [ C] Hogyan lehetne növelni a mérésem pontosságát?

39 HŐMÉRSÉKLET SZENZOROK KALIBRÁLÁSA R T összefüggés felvétele, Nemzetközi Hőmérsékleti Skála (International Temperature Scale of ITS-90) Kiadta: International Committee for Weights and Measures (CIPM) / Consultative Committee for Thermometry (CCT) Célja a nemzetközileg összehasonlítható termodinamikai abszolút hőmérsékleti skála megvalósítása. 14 fix pont: 0.65 K K ( C C) A teljes tartományt átfedéssel lefedő sztandard hőmérők: hélium gőznyomás hőmérők (0,65 5,0 K), hélium gáz hőmérők (3, K), Standard platina ellenállás-hőmérő (SPRTs, PRTs, Platinum RTDs) ( K), monokromatikus sugárzás hőmérők (pirométer) ( K), Szokásos eljárások: Fix pont (abszolút) kalibráció (Fixed point calibration), Összehasonlító (Comparison calibrations). [Forrás:

40 HŐMÉRSÉKLET SZENZOROK KALIBRÁLÁSA (FIX PONT (ABSZOLÚT) KALIBRÁCIÓ (FIXED POINT CALIBRATION)) Legnagyobb pontosságú eljárás: ±0,001 C Standard Platinum Resistance Thermometer (SPRT) (elsődleges szabvány), Anyagok jellemző állapotváltozási pontjainál történik: Olvadáspont, Forráspont, 3-as pont (nyomásmérés hibáját kiküszöböli), Víz 3-as pontja (TPW) Alkalmzott anyagok: H 2 O, FPs, Ar, Ga, Hg, Sn, Zn, Al, Ag, Leggyakoribb: jégfürdő (olcsó), ±0.005 C, [Forrás: hirmagazin.sulinet.hu/, ] Abszolút kalibráció: ±0.001 C (2 Sigma) WTP: 0,0099 C; Ga olv.: C; Hg TP: C. [Forrás:

41 HŐMÉRSÉKLET SZENZOROK KALIBRÁLÁSA (ÖSSZEHASONLÍTÓ KALIBRÁCIÓ (COMPARISON CALIBRATIONS).) Kalibrált hőmérséklet szenzorral való összehasonlítás stabil és egyenletes hőmérsékletű fürdőben: szilikon olaj, só-olvadék. Alkalmazás: Másodlagos SPRTs, és ipari RTDs esetén, Bármilyen hőmérsékleten 100 C 500 C tartományon, Olcsó eljárás, párhuzamosan több szenzoron végezhető, automatizálható. [Forrás: en-us.fluke.com] [Forrás: hirmagazin.sulinet.hu/, ]

42 A SZENZOROK KARAKTERISZTIKÁI (KALIBRÁCIÓ) [Forrás: Huba Antal., Dr. Lipovszki, György: Méréselmélet]

43 A PONTOSSÁG ÉS ISMÉTLŐKÉPESSÉG ÉRTELMEZÉSE (MÉRÉSTECHNIKA ISMÉTLÉS) Pontosság (accuracy) A mért és a valós érték közötti rendszeres hiba ( ) jellemzi, Rendszer hiba: a mérőrendszer tökéletlensége és a közelítés miatt. Kalibrálással kiküszöbölhető. Ismétlőképesség (Repeability/Precision), A mérési bizonytalanság (U) jellemzi, Véletlen hiba, nem kontrollált paraméterek statisztikus változása. Átlagolással, szűréssel csökkenthető. Alkalmazott eloszlások: Normál, Egyenletes, A mérési eredmény megadása: y = x H ± U [Forrás: Huba Antal., Dr. Lipovszki, György: Méréselmélet; Lambert Miklós: Szenzorok.]

44 METROLÓGIAI FOGALMAK (MÉRÉSTECHNIKA ISMÉTLÉS) Valódi érték egy mennyiség definíció szerinti értéke, a gyakorlatban nem érhető el (csak tökéletes mérés esetén). Helyes érték (x h ) - egy konkrét mennyiségnek tulajdonított, adott célnak megfelelő bizonytalanságú, megegyezés alapján elfogadott érték, pl. etalon. Mérési hiba: Abszolút hiba (H a ): a mért (x m ) és a helyes (x h ) érték különbsége. Relatív hiba(h r ): az abszolút hiba és a mért tényleges érték hányadosa, vagy annak %-osan megadott értéke (h r % ). Végkitérésére vonatkoztatott relatív hiba (h v ): Redukált hiba: a terjedelemre vonatkoztatott relatív hiba. Mérési bizonytalanság (U) Véletlen hibát okozó paraméterek súlyozott négyzet összege [Forrás: Huba Antal., Dr. Lipovszki, György: Méréselmélet] = h = ; h % = 100% h = 100%

45 A SZENZOR HIBÁINAK MEGADÁSA Megadható abszolút (pl. 10mV) vagy relatív (pl. 0,05%; 500 ppm) módon ppm (parts per million) az egész milliomod része (pl: 0,01 = 1% = ppm) Vonatkoztatható a mért aktuális értékre (Actual value, Reading value) vagy a végértékre (méréshatár, Full Scale (FS), Nominal Value, Rated output). [Forrás: Huba Antal., Dr. Lipovszki, György: Méréselmélet]

46 STATIKUS KARAKTERISZTIKA HIBÁK (A SZENZOR OSZTÁLYPONTOSSÁGA (OP)) A mérőeszköz hibájának, pontosságának jellemzésére szolgál. A végértékre vonatkoztatott relatív hiba határértéke, felkerekítve egy szabványos értékre. (pl.: x v = 100N H a = ± 0,5N h v = 0,5% OP: 0,5; ) Szabványos osztálypontosságok: 0.05; 0.1; 0.2; 0.5; 1; 1.5; 2.5; 5. Laboratóriumi műszer: 0.05; 0.1; 0.2 laboratóriumi, üzemi műszer: 0.5 Üzemi műszer 1.0; 1.5; 2.5; 5.0 [Forrás: Huba Antal., Dr. Lipovszki, György: Méréselmélet]

47 STATIKUS KARAKTERISZTIKA HIBÁK (IDEÁLISTÓL ELTÉRŐ KARAKTERISZTIKA) A szenzor mérési hibái visszavezethetők: A szenzor ideálistól eltérő tulajdonságaira, A mérés során előforduló zavaró hatásokra. [Forrás: Huba Antal., Dr. Lipovszki, György: Méréselmélet; Lambert Miklós: Szenzorok.]

48 ZAVARÓ HATÁSOK (ZAJ NOISE) A zaj a bemenő jel információveszteséggel járó torzulása. Csatolás jellege Konduktív (galvanikus kapcsolat) Csatlakozási potenciál, Termikus potenciál (termoelem) Átmeneti ellenállás Induktív (EM indukció), A környezettel való mágneses kapcsolat eredménye, Főként ellenfázisú zavar, Csavart érpár, Koaxiális kábel, mágneses (vas) árnyékolás, Kapacitív (Elektrosztatikus), Szórt kapacitások, Ellenfázisú és azonos fázisú is lehet, Távolság növelése, elektrosztatikus (pl. Réz) árnyékolás, [Forrás: Huba Antal., Dr. Lipovszki, György: Méréselmélet] [Forrás: Huba Antal., Dr. Lipovszki, György: Méréselmélet; Lambert Miklós: Szenzorok.]

49 ZAVARÓ HATÁSOK (ZAJ NOISE) Áramkör ki/bekapcsolása Konduktív, induktív és kapacitív zavart is okozhat, Elsősorban tranziens zavarokat okoz, Rádiófrekvenciás zavarok Kis (néhány méter) távolságra közvetlen elektromágneses, elektrosztatikus csatolás, Nagyobb távolságra, EM hullámok közvetítik, 500kHz 1GHz, ezek kis teljesítményűek, Tápellátásból származó zavarjel, Hálózati áram 50Hz (60Hz) búgása Kapcsolóüzemű táp 100kHz nagyságrendű zaj, Tápellátás szűrése, nagy táp zaj elnyomású disszipatív feszültség szabályzó alakalmazása. Kábelhajlításból származó zavarjel [Forrás: Huba Antal., Dr. Lipovszki, György: Méréselmélet; Lambert Miklós: Szenzorok.]

50 ZAVARÓ HATÁSOK (ZAJ NOISE) Időbeli tulajdonságuk alapján: Egyenfeszültségű Offszet hiba, (rendszeres hiba) Váltakozó feszültségű Zaj, (véletlen hiba) Tranziens Eloszlás / frekvencia spektrum szerint: Fehér zaj 1/f zaj A zaj típusai áramkörben való megjelenés szerint: Ellenfázisú (normal mode interference, differential), Azonos fázisú (common mode interference), [Forrás: Huba Antal., Dr. Lipovszki, György: Méréselmélet; Lambert Miklós: Szenzorok.]

51 ZAVARÓ HATÁSOK (A ZAJ MEGSZÜNTETÉSÉNEK LEHETŐSÉGEI) Zajforrás megszüntetése Csatolás megszüntetése Árnyékolás Csavart érpár Kiszűrés a hasznos jelből Átlagolás Passzív (RC, LRC) Ideális / Valós szűrő karakterisztika Aktív (Műveleti erősítő) Digitális szűrők [Forrás: Huba Antal., Dr. Lipovszki, György: Méréselmélet; Lambert Miklós: Szenzorok.]

52 ZAVARÓ HATÁSOK (ZAJ NOISE) A zaj mérőszáma: NEP (Noise Equivalent Power) Zaj-egyenértékű teljesítmény: NEP=W z /( f) 1/2 ; [W/(Hz) 1/2 ] Detektálási küszöb: D*= (A) 1/2 /NEP; [cm*(hz) 1/2 /W] W z - zajteljesítmény, f - sávszélesség, A - a detektor hasznos felülete. Oszcilloszkóppal mért Zajos és szűrt + erősített jel [Forrás: Huba Antal., Dr. Lipovszki, György: Méréselmélet; Lambert Miklós: Szenzorok.]

53 ZAVARÓ HATÁSOK (CMMR - AJÁNLÁS PASSZÍV ZAJSZŰRÉSRE) Műszererősítő adatlap ajánlása, A műszer erősítők szimmetrikus felépítése miatt jó a közös módosú elnyomásuk (CMMR) vagyis az azonos fázisú zavarelnyomása, Rossz minőségő passziv alaktrészek (Cc) alkalmazása csak ront a helyzeten.

54 ZAVARÓ HATÁSOK (1/F ZAJ) Alacsony frekvenciás zaj. A zajteljesítmény a frekvenciával fordítottan arányos. Az 1/f zaj szűréssel nem csökkenthető. Az eszközök összehasonlításához a Hz csúcstól-csúcsig zaj mérése használatos. [Forrás: Robert Kiely: Understanding and Eliminating 1/f Noise, Analog Device]

55 ZAVARÓ HATÁSOK (MŰSZER ERŐSÍTŐ ADATLAP PÉLDA) [Forrás: Analog Device: AD8237 Micropower, Zero Drift, True Rail-to-Rail Instrumentation Amplifier, Data sheet]

56 ZAVARÓ HATÁSOK (PL. MŰSZER MÉRT ZAJA) [Forrás: Analog Device: AD8237 Micropower, Zero Drift, True Rail-to-Rail Instrumentation Amplifier, Data sheet]

57 STATIKUS KARAKTERISZTIKA HIBÁK (ISMÉTLŐKÉPESSÉG (REPEABILITY/PRECISION)) Azonos bemenő jel többszöri mérésekor azonos irányú megközelítéssel, Azonos mérési eljárással, Azonos körülmények között. a kimeneten adódó eltérés. [Forrás: Huba Antal., Dr. Lipovszki, György: Méréselmélet; Lambert Miklós: Szenzorok.]

58 STATIKUS KARAKTERISZTIKA HIBÁK (HISZTERÉZISHIBA) Bemenő jel növekvő és csökkenő megközelítéssel eltérő. [Forrás: Huba Antal., Dr. Lipovszki, György: Méréselmélet; Lambert Miklós: Szenzorok.]

59 STATIKUS KARAKTERISZTIKA HIBÁK (FELBONTÁS / FELOLDÁS) Feloldás, érzékenységi küszöb (Resolution) Az a legnagyobb (lassú) bemenő jel változás, amely mellett a kimeneti jel még változatlan marad. A nullpont közelében ezt érzékenységi küszöbnek nevezzük. (Mutatós műszereknél az a bemenő jel változás aminél még nem mozdul meg a mutató.) Felbontás (Resolution) A mérés elérhető legkisebb növekménye. Az a legkisebb bemenő jel, amelynél a kimeneten használható (bizonytalanságtól mentes) jelet kapunk. Optimális esetben a feloldás 3-5-szöröse. (Mutatós műszereknél az osztás reprezentálja.) [Forrás: Huba Antal., Dr. Lipovszki, György: Méréselmélet; Lambert Miklós: Szenzorok.]

60 STATIKUS KARAKTERISZTIKA HIBÁK (ALAKHIBA / LINEARITÁSI HIBA) Alakhiba Általános eset, nemlineáris elméleti karakterisztikától való eltérés. Linearitási hiba Alakhiba speciális esete. Egyenes elméleti karakterisztikától való eltérése a kimenő jelnek. Példák F-cella Induktív útadó Fotoelasztikus szenzor [Forrás: Huba Antal., Dr. Lipovszki, György: Méréselmélet; Lambert Miklós: Szenzorok.]

61 STATIKUS KARAKTERISZTIKA HIBÁK (HOSSZÚ IDEJŰ STABILITÁSI HIBÁK) 0-pont eltolás időben megváltozó kimenő jel, 0 bemenő jel és állandó környezeti körülmények mellett. A karakterisztika párhuzamos eltolódása. Érzékenységváltozás A karakterisztika meredekségének megváltozása. Kúszás időben megváltozó kimenő jel állandó bemenő jel és környezeti körülmények mellett. [Forrás: Huba Antal., Dr. Lipovszki, György: Méréselmélet; Lambert Miklós: Szenzorok.]

62 STATIKUS KARAKTERISZTIKA HIBÁK (KÖRNYEZETI HATÁSOK) Hőmérséklet hatása 0-pont hőmérsékleti hibája: h 0T = K / K max ; [% /10 C] érzékenység hőmérsékleti hibája: h 0T = (É T -É ref )/ É ref ; [% /10 C] Tranziens hőmérsékleti hiba. Mechanikai rezgések hatása Környezeti nyomás hatása Nedvesség hatása, Korrózió hatása, Elektromágneses tér, Szerelési hatások, Élettartam, [Forrás: Huba Antal., Dr. Lipovszki, György: Méréselmélet; Lambert Miklós: Szenzorok.]

63 A SZENZOROK DINAMIKUS KARAKTERISZTIKÁI (IDŐTARTOMÁNYBAN) A szenzor be és kimenő jelei közötti pillanatnyi kapcsolatot az időfüggő differenciálegyenlete adja meg. Felvétele szabványos vizsgálójelekkel Egységugrás, Egység-impulzus (Dirac delta), Din. karakterisztika tulajdonságai Túllendülés szenzortól függ, Megengedett hibasáv az állandósult kimeneti érték körül, Beállási idő után a kimenő jel a hibasávban marad. Hibasáv növelése beállási idő csökkenése. Egységugrás bemenő jel [Forrás: Huba A.; Lambert M.]

64 A SZENZOROK DINAMIKUS KARAKTERISZTIKÁI (FREKVENCIA TARTOMÁNYBAN) Átviteli függvény (Transfer Function, Frequency F.): A szenzor be és kimenő jelei közötti frekvenciafüggő kapcsolatot adja meg. Felvétele szabványos vizsgálójelekkel Harmonikus (sin) gerjesztés a vizsgált frekvenciatartományt pásztázva. Din. karakterisztika tulajdonságai Sávszélesség (Bandwidth) a megengedett hibasávhoz tartozó (állandó erősítés és lineáris), (az alsó és felső vágási körfrekvencia közé eső) frekvenciatartomány, Rezonancia csúcs, vágási körfrekvencia, Csillapítás. [Forrás: Huba A.; Lambert M.;

65 A SZENZOROK DINAMIKUS KARAKTERISZTIKÁI (PL.: PIEZOELEKTROMOS GYORSULÁSÉRZÉKELŐ) [Forrás: Dr. Huba A., et al.: Mechatronikai berendezések tervezése, Elektronikus jegyzet, Bp. 2014;

66 A SZENZOROK DINAMIKUS KARAKTERISZTIKÁI (PL.: PIEZOELEKTROMOS GYORSULÁSÉRZÉKELŐ) [Forrás:

67 A SZENZOROK DINAMIKUS KARAKTERISZTIKÁI (PL.: KAPACITÍV TÁVOLSÁGÉRZÉKELŐ) Bandwidth of Sensors Lion Precision CPL190 and CPL290 capacitive sensors are "flat" to about 10 khz, meaning that measurements of targets moving at 10 khz are accurate. While they are flat to 10 khz, the "bandwidth" is 15 khz. It is critical to understand that the bandwidth specification of any sensor is the frequency at which the output voltage is reduced to 70.7% (-3dB) of lower frequency (or DC) output levels. This means that a target moving at 15 khz with a displacement of 10 µm will only be measured as 7 µm. A noncontact sensor measures error motions of a rotating spindle in one axis. The frequency of motion in that axis determines the sensors needed bandwidth. With a 15 khz bandwidth, sensor output is reduced to 70% at 15 khz. Frequency response is flat until about 10 khz. [Forrás:

68 A SZENZOROK DINAMIKUS KARAKTERISZTIKÁI (PL.: MECHANIKAI FINOMTAPINTÓ SÁVSZÉLESSÉGE ) [Forrás:

69 A SZENZOROK KARAKTERISZTIKÁI (ERŐMÉRŐ CELLA MÉRÉSTECHNIKAI PARAMÉTEREI) [Forrás: Paraméter Jel M.e. Érték Ref. Eloszl. Hatás Méréshatár kg 20 Érzékenység Cn mv/v 2,0±10% AV Nincs Ofszet hiba H mv 0±0,1 NV Nincs 0-pont hőmérsékleti hibája TK 0 %/10K ±0,0140 NV Nincs Érzékenység hőm. hibája TK C % /10K ±0,0175 AV Van Nemlinaritás d lin % of Cn ±0,0166 NV Van Hiszterézis d hy % of Cn ±0,0166 NV Van Kalibráló súly, kijelző, stb B-típusú becslés: = ± Nullázás: H 0 = = Erőmérő cella adatlap D = 0,58a D = σ Rövid idejű méréseknél: Nullázás. Kalibrálás Végérték - Nominal Value (NV) Aktuális érték - Actual Value (NV)

70 A SZENZOROK HELYE A MECHATRONIKÁBAN (ROBOTVERSENYEK HALLGATÓKNAK) micromouse.mogi.bme.hu

71 A SZENZOROK HELYE A MECHATRONIKÁBAN (WRO, A LEGO MINDSTORMS ÉRZÉKELŐI) Érintésérzékelő ultrahangos érzékelő fényérzékelő színérzékelő hangérzékelő gyorsulás és dőlés é. Szög érzékelő [Forrás: Hably Alexandra, Szériában gyártható half-size MicroMouse robot tervezése, TDK dolgozat, 2014.]

72 A SZENZOROK HELYE A MECHATRONIKÁBAN (RobonAUT) Giroszkóp [Forrás: Kurucsó Bence, Szántó Csaba, Peschka Alfréd, Az elmélet gyakorlatban, Esettanulmány, 2016.]

73 A SZENZOROK HELYE A MECHATRONIKÁBAN (RobonAUT) Az eredeti autó működése Az átalakított autó [Forrás: Kurucsó Bence, Szántó Csaba, Peschka Alfréd, Az elmélet gyakorlatban, Esettanulmány, 2016.]

74 A SZENZOROK HELYE A MECHATRONIKÁBAN (RobonAUT) Vonaldetektor Távolságmérő Enkóder Reflektív optikai szenzor Giroszkóp [Forrás: Kurucsó Bence, Szántó Csaba, Peschka Alfréd, Az elmélet gyakorlatban, Esettanulmány, 2016.]

75 A SZENZOROK HELYE A MECHATRONIKÁBAN (Micromouse) Mágneses enkóderek Infravörös LED Giroszkóp Fototranzisztor [Forrás: Hably Alexandra, Szériában gyártható half-size MicroMouse robot tervezése, TDK dolgozat, 2014.]

76 A SZENZOROK HELYE A MECHATRONIKÁBAN (Micromouse) [Forrás: Hably Alexandra, Szériában gyártható half-size MicroMouse robot tervezése, TDK dolgozat, 2014.]

77 A SZENZOROK HELYE A MECHATRONIKÁBAN (Quadrokopterek szenzorai) Giroszkóp, gyorsulásérzékelő, Magasságmérő (altimeter) légnyomás-mérés, Mágneses iránytű (magnetometer), Infravörös távolságmérő, Ultrahangos távolságmérő, Kamera, GPS, [Forrás: quadsforfun.wixsite.com, blog.rc-fever.com]

78 A SZENZOROK HELYE A MECHATRONIKÁBAN (Szenzorok a járműmechatronikában) Motordiagnosztikai szenzorok (hőmérséklet, kopogás, olajszint, nyomás, ) Utastér szenzorai (hőmérséklet, Tempomat (fordulatszám, sebesség szenzorok) Automata váltó (pozíció szenzorok) Szervókormány (szögjel adó) Légzsák (gyorsulásmérő) Menetstabilizálás szenzorai: ABS, EDS, ABR Sávkövető rendszer, Adaptív távolságtartó rendszer és a Parkolást segítő távolság szenzorok, [Forrás:

79 A SZENZOROK HELYE A MECHATRONIKÁBAN (Okostelefonokban lévő szenzorok) [Forrás: Intel]

80 KÖSZÖNÖM A FIGYELMET! BOJTOS Attila BME - MOGI Tanszék bojtos@mogi.bme.hu