12 – 1 12. Merni pretvarači i senzori 12.1. Tipovi mernih pretvarača Merni pretvarači su uređaji koji pretvaraju energiju iz jednog oblika u drugi. Tipovi nekih oblika energije definisanih u fizici dati su u tabeli 12.1. Tabela 12.1. Oblici energije Oblik energije Opis Kinetička Poseduje je telo u kretanju Potencijalna Energija koju ima telo u nekom fizičkom polju Mehanička Suma makroskopske kinetičke i potencijalne energije Energija mehaničkog talasa Energija koja se prenosi prostiranjem mehaničkih talasa u materijalu, npr. akustička energija Hemijska Sposobnost hemijskih supstanci da oslobađaju toploti ili menjaju druge hemijske supstance Električna Energija koja potiče od električnog polja Magnetska Energija koja potiče od magnetskog polja Energija zračenja Energija elektromagnetskog zračenja Nuklearna Energija koja vezuje proton i neutrone u jezgru atoma Energija jonizacije Energija koja vezuje elektron za jezgro atoma Elastična Energija plastične deformacije materijala Gravitaciona Koja potiče od gravitacionog polja Energija tela u mirovanju Energija koju poseduje masa u mirovanju E = m 0 c 2 Termalna Makroskopska mera srednje kinetičke energije molekula u materijalu (mera entropije) Toplotna Količina termalne energije koja se prenosi u smeru opadajućeg gradijenta temperature (sa toplijeg mesta ka hladnijem) Mehanički rad Količina energije koja se prenosi u nekom procesu usled promene položaja u smeru delovanja neke mehaničke sile Iako se termin pretvarač obično upotrebljava da označi senzor ili detektor, zapravo bilo koji uređaj koji konvertuje energiju može se smatrati pretvaračem. Pretvarači se npr. obilno koriste u mernim instrumentima i nazive dobijaju prema oblicima energije između kojih se obavlja transformacija. Tako npr. postoje termo-električni, hemijsko-akustički, tenzo-magnetski itd. Svi električni pretvarači mogu se podeliti u tri velike grupe: Aktuatori – ovo su elektromehaniči pretvarači koji električnu energiju pretvaraju u mehanički rad ili obrnuto. Primeri uključuju sve tipove pokaznih analognih električnih instrumenata (ampermetri, voltmetri, vatmetri), iako su mnogi od njih to samo indirektno jer prvo pretvaraju električnu energiju u magnetsku, pa tek onda u mehaničku. Tu su još motori, razni taktilni senzori, elektroaktivni polimeri poput piezo-elemenata itd. Senzori – elektopretvarači koji pretvaraju neki oblik energije (izuzev mehaničkog) u električnu i omogućavaju njenu kvantifikaciju (određivanje brojne vrednosti fizičke veličine koja nosi energiju = merenje). Indikatori – elektropretvarači koji samo ukazuju na prisustvo nekog oblika energije, ali ne omogućavaju njenu kvantifikaciju ili je greška te kvantifikacije nprihvatljivo velika (npr. > 5 %).
12
Embed
12. Merni pretvarači i senzori - KELMkelm.ftn.uns.ac.rs/literatura/eiem/12_Merni_pretvaraci_i_senzori.pdf · 12 – 1 12. Merni pretvarači i senzori 12.1. Tipovi mernih pretvarača
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
12 – 1
12. Merni pretvarači i senzori
12.1. Tipovi mernih pretvarača
Merni pretvarači su uređaji koji pretvaraju energiju iz jednog oblika u drugi. Tipovi nekih oblika energije
definisanih u fizici dati su u tabeli 12.1.
Tabela 12.1. Oblici energije
Oblik energije Opis
Kinetička Poseduje je telo u kretanju
Potencijalna Energija koju ima telo u nekom fizičkom polju
Mehanička Suma makroskopske kinetičke i potencijalne energije
Energija
mehaničkog talasa
Energija koja se prenosi prostiranjem mehaničkih talasa u materijalu, npr.
akustička energija
Hemijska Sposobnost hemijskih supstanci da oslobađaju toploti ili menjaju druge
hemijske supstance
Električna Energija koja potiče od električnog polja
Magnetska Energija koja potiče od magnetskog polja
Energija zračenja Energija elektromagnetskog zračenja
Nuklearna Energija koja vezuje proton i neutrone u jezgru atoma
Energija jonizacije Energija koja vezuje elektron za jezgro atoma
Elastična Energija plastične deformacije materijala
Gravitaciona Koja potiče od gravitacionog polja
Energija tela u
mirovanju
Energija koju poseduje masa u mirovanju E = m0c2
Termalna Makroskopska mera srednje kinetičke energije molekula u materijalu (mera
entropije)
Toplotna Količina termalne energije koja se prenosi u smeru opadajućeg gradijenta
temperature (sa toplijeg mesta ka hladnijem)
Mehanički rad Količina energije koja se prenosi u nekom procesu usled promene položaja u
smeru delovanja neke mehaničke sile
Iako se termin pretvarač obično upotrebljava da označi senzor ili detektor, zapravo bilo koji uređaj koji
konvertuje energiju može se smatrati pretvaračem. Pretvarači se npr. obilno koriste u mernim
instrumentima i nazive dobijaju prema oblicima energije između kojih se obavlja transformacija. Tako
npr. postoje termo-električni, hemijsko-akustički, tenzo-magnetski itd.
Svi električni pretvarači mogu se podeliti u tri velike grupe:
Aktuatori – ovo su elektromehaniči pretvarači koji električnu energiju pretvaraju u mehanički rad ili
obrnuto. Primeri uključuju sve tipove pokaznih analognih električnih instrumenata (ampermetri,
voltmetri, vatmetri), iako su mnogi od njih to samo indirektno jer prvo pretvaraju električnu energiju u
magnetsku, pa tek onda u mehaničku. Tu su još motori, razni taktilni senzori, elektroaktivni polimeri
poput piezo-elemenata itd.
Senzori – elektopretvarači koji pretvaraju neki oblik energije (izuzev mehaničkog) u električnu i
omogućavaju njenu kvantifikaciju (određivanje brojne vrednosti fizičke veličine koja nosi energiju =
merenje).
Indikatori – elektropretvarači koji samo ukazuju na prisustvo nekog oblika energije, ali ne
omogućavaju njenu kvantifikaciju ili je greška te kvantifikacije nprihvatljivo velika (npr. > 5 %).
12 – 2
12.2. Senzori
Senzori su uređaji koji menjanju neko svoje svojstvo (najčešće električno ili hemijsko) pod uticajem
neke fizičke pojave, tj. njene brojne vrednosti ili promene te brojne vrednosti. Zato se kaže da senzori
„detektuju“ neku pojavu i proizvode odgovarajući izlaz. Npr. staklena kapilara sa živom u živinom
termometru predstavlja senzor jer detektuje promene temperature i pretvara ih u širenje i skupljanje
živine tečnosti što se može očitati na kalibrisanoj staklenoj cevčici.
Ako je izlaz senzora električna veličina (napon, struja, otpornost, kapacitivnost itd.) onda se takav senzor
zove električni senzor.
Senzor karakteriše niz parametara, kao što su osetljivost, selektivnost, opseg, rezolucija, ofset,
linearnost, šum i reverzibilnost.
Osetljivost – Prvi izvod izlaznog signala po merenoj veličini. Izražava se kao količnih odgovarajućih
jedinica bez skraćivanja. Ako je npr. reč o otpornom senzoru temperature, jedinica za osetljivost će biti
Ω/K.
Selektivnost – količnik osetljivosti senzora na neku uticajnu veličinu ili parazitni parametar i osetljivosti
senzora na veličinu koja se želi meriti. Često se izražava u procentima, promilima ili ppm-ovima.
Opseg – Kako je izlaz senzora uvek ograničen, izlazna električna veličina će dostići svoj maksimum ili
minimum izvan kojih se dalje promene merene veličine neće moći detektovati. Često će, u tim
situacijama, senzor prestati da menja odziv odnosno ući će u zasićenje (saturaciju). Ređe, a posebno ako
se pretera sa povećanjem naprezanja na ulazu, senzor može pretrpeti oštećenje. Raspon između najmanje
i najveće brojne vrednosti merene veličine koje senzor može detektovati a da ne uđe u zasićenje i ne
bude oštećen, naziva se merni opseg.
Rezolucija – broj različitih vrednosti veličine koja se dobija na izlazu senzora. Preslikano na ulaznu
stranu senzora može definisati kao najmanja promena merene veličine koja se može detektovati kao
različita vrednost na izlazu.
Ofset – vrednost izlazne veličine koja se dobija kada je merena veličina jednaka nuli. Prilikom
konstrukcije senzora obično se teži da je u odsustvu merene veličine, tj. kada je njena brojna vrednost
jednaka nuli, izlaz takođe jednak nuli. Ako u takvoj situaciji senzor ima odziv različit od nule, kaže se
da ima ofset.
Nelinearnost – Ako osetljivost senzora nije konstantna u celom mernom opsegu, karakteristika će
odstupiti od linearne. Nelinearnost je definisana kao najveće odstupanje od linearne karakteristike
podeljeno sa opsegom senzora, izraženo u procentima.
Šum – električni signali na izlazu senzora često imaju statički ili termički šum koji su posledica
združenog delovanja različitih parazitnih efekata. Šum senzora se može izraziti na dva načina:
preko gustine spektralne snage šuma kada odziv može imati različite učestanosti (dB/Hz)
preko logaritamskog odnosa ukupne snage šuma i ukupne snage signala na izlazu senzora (dB)
Reverzibilnost – predstavlja sposobnost senzora da prilikom uzastopnog izlaganja istoj brojnoj
vrednosti merene veličine na izlazu da istu vrednost električne veličine. Ako ponovljivost odziva zavisi
samo do gradijenta promene merene veličine, onda se reverzibilnost iskazuje preko hiterezisa.
12 – 3
12.2.1. Tipovi električnih senzora
Jedna od osnovnih podela senzora je na pasivne i aktivne.
Pasivni senzori su oni pretvarači koji zahtevaju spoljašnji izvor napajanja (energije). To su senzori
koji, pod uticajem merene veličine, menjaju svoju otpornost, kapacitivnost ili induktivnost.
Aktivni senzori konvertuju mereni oblik energije u električnu energiju, pri čemu je ili struja ili napon