Traductoare

Traductorul este o componenta mecano-electrica, termo-electrica sau opto-electrica care transforma (traduce), pe baza unei legi fizice, o marime fizica (temperatura, presiune, debit, vibratii, umiditate, concentratii de gaze, intensitate luminoasa) intr-o alta marime fizica care difera calitativ sau cantitativ. Transformarea unei marimi intr-o alta marime necesita intotdeauna prezenta uneia sau a mai multor forme de energie [3]. Printr-un traductor informatia poate circula in ambele sensuri (de exemplu difuzorul "traduce" semnale electrice in unde sonore dar acelasi dispozitiv converteste si undele sonore in semnale electrice).

Semnalele furnizate de traductoare sunt de regula reprezentari ale unor functii neliniare, sunt de valori relativ mici si nu pot fi prelucrate direct de sistemele la care sunt cuplate. In asemenea cazuri se folosesc sisteme specifice de prelucrare si/sau amplificare.

Dupa cum traductoarele utilizeaza energia la transformarea marimilor se impart in doua mari categorii:

traductoare care utilizeaza marimi active purtatoare de energie (curentul electric, sarcina electrica, forta) deci fac o conversie directa de energie;

traductoare care realizeaza modularea unei energii in functie de un parametru (densitatea, inductivitatea, rezistenta electrica, capacitatea electrica).

Dupa felul semnalului pe care-l furnizeaza traductoarele se impart in doua tipuri:

- traductoare analogice (cu variatie continua a semnalului furnizat daca marimea fizica de intrare variaza continuu) care pot fi folosite direct de sistemul electronic;

- traductoare numerice care au variatia semnalului de iesire discontinua sau o succesiune de impulsuri ce pot reprezenta valoarea numerica a marimii masurate).

In lantul de transmitere a unei informatii traductoarele pot ocupa diferite pozitii: la intrare (sesizarea marimii de intrare), la mijloc (prelucrare, amplificare semnale) sau la iesire (adaptarea la linia de iesire)

Traductorul de intrare este dispozitivul care primeste marimea ce trebuie convertita intr-o alta marime.

Traductoarele intermediare au rolul de a realiza transformari ale energiei purtatoare de informatie in marimi ce pot fi prelucrate mai usor, in conditii de precizie, viteza si imunitate [3].

Traductoarele de iesire sunt dispozitive care realizeaza adaptarea sistemelor de furnizare a informatiei la canalele de transmisie sau la sistemele de prelucrare. Este un dispozitiv unidirectional.

Actuatorul este cunoscut (in general) ca un element de executie care converteste semnalele electrice in marimi mecanice.

Senzorul este un dispozitiv care sesizeaza un anumit fenomen fizic sau chimic si (in majoritatea cazurilor) le converteste in semnale electrice. Printr-un senzor informatia circula unidirectional [31].

Senzorul integrat este un dispozitiv electronic cu un anumit nivel de integrare (monolitic sau hibrid) care contine senzorul elementar si cateva circuite simple de prelucrare a semnalului electric.

Senzorul inteligent este un dispozitiv electronic cu un inalt nivel de integrare care contine senzorul fenomenului elementar, elemente de prelucrare si procesare a semnalului astfel incat sa fie folosit direct de tehnica de calcul. In unele cazuri poate prelucra informatii primite de la un calculator si sa-si modifice anumite caracteristici sau proprietati.

Parametrii esentiali care caracterizeaza orice traductor sau senzor sunt marimile de intrare si/sau semnalele de iesire. Semnalele de iesire trebuie transmise in majoritatea cazurilor la distanta fara fi alterate (eronate) peste anumite limite. Electronica moderna utilizeaza doua moduri de transmitere a semnalului la distanta, unul analogic care utilizeaza transmiterea unui curent de linie sau unul numeric care utilizeaza o secventa de impulsuri de tensiune sau curent.

Semnalul unificat reprezinta un curent continuu cu urmatoarele valori tipice:

0,5 mA . 5 mA;

2 mA . 10 mA;

10 mA . 50 mA.

Din punct de vedere al celor de mai sus, exista foarte multe clasificari ale senzorilor si traductoarelor:

cu sau fara contact;

simpli sau cu reactie;

absoluti sau incrementali (in functie de marimea de intrare);

simpli sau inteligenti;

analogice sau numerice;

analogici sau digitali (in functie de marimea de iesire) etc.

Caracteristicile traductoarelor

Se presupune ca marimea fizica a_x este convertita intru-un semnal electric y dupa o anumita lege f. Traducerea marimilor fizice in semnale electrice se poate reprezenta ca o caracteristica stabilita de o lege matematica de forma:

( . )

unde b este o constanta care are dimensiunea lui y

Se spune ca relatia (2.1) este ecuatia fundamentala a conversiei (traducerii).

Pentru fiecare dintre traductoare poate fi stabilita o dependenta functionala intre marimile de intrare si marimile de iesire care intervin in functionarea lui. Daca ecuatia de mai sus este liniara atunci si traductoarele au o caracteristica liniara si sunt cunoscute ca traductoare liniare. Daca ecuatia (2.2) este neliniara atunci si traductoarele sunt neliniare. Aceste traductoare neliniare pot avea si un prag de sensibilitate e (vezi ) peste care trebuie sa varieze marimea de intrare pentru ca marimea de iesire sa varieze

In este reprezentata o caracteristica statica neliniara cu o variatie continua a marimii de intrare continua intre a_min si a_max careia ii corespunde o variatie continua a marimii de iesire y_min si y_max.

Limitele domeniului sau gama de lucru este reprezentata de valorile a_min si a_max respectiv y_min si y_max.

Coeficientul de transfer static (k_s) reprezinta raportul dintre gama marimii de iesire Y si gama marimii de intrare A.

Coeficientul de transfer diferential (k_d) reprezinta raportul dintre variatia marimii de iesire DY a traductorului si variatia marimii de intrare DA.

Valorile coeficientilor de transfer k_s si k_d depind de caracterul functiei si in cazul general variaza in mod diferit la variatiile lui a si y. Numai in cazul unei caracteristici statice liniare care trece prin origine coeficientii de transfer k_s si k_d sunt constanti si egali intre ei la toate valorile marimilor a si y.

Sensibilitatea statica (S_s) reprezinta aplicarea definitiei coeficientului de transfer static la traductoare.

Sensibilitatea diferentiala (S_d) reprezinta aplicarea definitiei coeficientului de transfer diferential la traductoare.

Sensibilitatea relativa (S_r) este definita in cazul traductoarelor de raportul variatiei relative a marimii de iesire si raportul variatiei relative a marimii de intrare.

( . )

Timpul de raspuns (T_r)al unui traductor este definit ca fiind durata totala a fenomenului tranzitoriu in element, de la momentul aplicarii marimii ax pana la momentul in care abaterea dinamica a lui y fata de f(a) a scazut sub un procent determinat (exemplu 2%) [23].

Clasificarea traductoarelor

O clasificarea traductoarelor si senzorilor se face dupa marimea fizica sau chimica de intrare. De exemplu pentru a masura distante, deplasari, dimensiuni de corpuri se utilizeaza traductoare de marimi geometrice.

Senzori de deplasare

Masurarea marimilor geometrice este legata de existenta unui sistem de referinta fata de care orice punct ocupa la un moment dat o anumita pozitie [3].

Deplasarea reprezinta o schimbarea pozitiei punctului, iar spatiul dintre doua puncte o distanta. Deplasarile pot fi liniare pentru miscarile de translatie sau unghiulare pentru miscarile de rotatie.

Proximitatea reprezinta situarea unui punct in apropierea unui reper fix.

Masurarea marimilor geometrice se poate face prin metode absolute (determinarea lungimii cu instrument etalonat) sau prin metode relative prin care se stabileste o abatere fata de o valoare de referinta (masurarea cu comparatorul).

Masurarea marimilor geometrice se poate clasifica in:

- masurarea deplasarilor liniare mari;

- masurarea deplasarilor liniare mici;

- masurarea deplasarilor unghiulare;

- determinarea proximitatii.

Principiile senzorilor parametrici de deplasare

Senzorii rezistivi se bazeaza pe variatia rezistentei R a unui element ohmic de circuit, variatie ce poate fi obtinuta prin variatia unuia din parametrii care intervin in relatia (2.1):

in care: r este rezistivitatea materialului [W/m];

l - lungimea [m];

S - sectiunea [m²].

Senzorii rezistivi pot masura marimi neelectrice care produc variatia:

- rezistivitatii unui material (fotorezistente, termorezistente, piezorezistente);

- lungimii (traductoare reostatice, tensometrice);

- sectiunii unui conductor sau semiconductor si intervin in realizarea senzorilor complexi pentru masurarea multor marimi.

Rezistoarele bobinate (vezi Figura . ) sau cu pista conductoare sunt cei mai simpli traductori ale unor deplasari liniare de ordinul centimetrilor sau unghiulare in domeniul 0 . 270⁰ sau in cazul traductoarelor multitura (n reprezinta numarul de ture mecanice al potentiometrului) [3,17 ]

Senzorii inductivi sunt realizati dintr-o infasurare de N spire pe un pe un miez magnetic obtinand-se astfel un inductor a carui inductanta este:

Inductanta poate fi facuta sa varieze daca se modifica unul dintre parametrii reluctantei circuitului magnetic:

( . )

in care: l este lungimea circuitului magnetic [m];

m - permeabilitatea materialului folosit

A - sectiunea miezului magnetic [m²].

Daca circuitul magnetic contine si un intrefier (), expresia reluctantei devine:

( . )

in care: l_f este lungimea circuitului magnetic in fier [m];

A_f - sectiunea fierului [m²];

m_f - permeabilitatea fierului [H/m];

d - lungimea intrefierului [m]

m_a - permeabilitatea aerului [H/m];

A_a - sectiunea activa a intrefierului [m²].

Senzorii capacitivi sunt dispozitive electronice pasive compuse din conductoare (armaturi) despartite printr-un dielectric.

Capacitatea electrica notata cu C si exprimata in picoFarazi [pF] pentru un condensator plan este stabilita de relatia:

Senzorul de deplasare liniara face parte din categoria traductoarelor de deplasare si viteza, au un rol foarte important in cadrul sistemelor automate sau de masurare cu bucla de reactie (feedback). Un senzor din aceasta categorie este
traductorul de deplasare LVDT d.c. - Solartron. Acest dispozitiv este construit din trei bobine (una pentru alimentare cu energie si doua pentru detectie) si un miez mobil de fero-nichel. Ele trebuie actionate de un semnal sinusoidal pentru a produce un semnal de iesire de amplitudine si faza direct proportionala cu pozitia miezului in raport cu bobinele de detectie. Pentru demodularea semnalului de iesire este necesar un circuit detector de faza. Avantajele cele mai importante ale LVDT sunt:

Nu apar probleme de uzura ca in cazul potentiometrelor;

Rezolutie infinita, precizie si liniaritate foarte bune;

Nu apar frecari in sistemul monitorizat.

Acest senzor este disponibil in patru variante diferentiate de domeniile de masurare, de la 1 mm la 50 mm. Tipul prezentat dispune de circuit de modulare si demodulare incorporat, astfel incat semnalul de iesire este direct un semnal de curent continuu proportional cu pozitia miezului. Cablul furnizat este din PVC ecranat si are o lungime de 3m. Seria DFg: are ansamblul electronic si bobina separate, cu miezul liber fixat cu un lagar de poliacetal homopolimer pentru cerinte de ghidare speciale. Seria DG 2.5: are o armatura tensionata cu arc, nerotativa, ce se deplaseaza pe lagar de precizie cu bile. Caracteristici tehnice

Module hibride pentru conditionare de semnal LVDT. In cazul in care se opteaza pentru un traductor LVDT fara circuit de modulare/demodulare incorporat, semnalul acestuia trebuie prelucrat extern. Se poate utiliza un modul hibrid, de dimensiuni reduse, pentru utilizare pe circuitul imprimat. Acesta contine toate circuitele necesare obtinerii celor mai bune performante de la un traductor a.c. tip LVDT Tipul prezentat dispune de circuit de modulare si demodulare incorporat, astfel incat semnalul de iesire este direct un semnal de curent continuu proportional cu pozitia miezului. Cablul furnizat este din PVC ecranat si are o lungime de 3m. Seria DFg: are ansamblul electronic si bobina separate, cu miezul liber fixat cu un lagar de poliacetal homopolimer pentru cerinte de ghidare speciale. Seria DG 2.5: are o armatura tensionata cu arc, nerotativa, ce se deplaseaza pe lagar de precizie cu bile.

Senzor de proximitate

Un magnetorezistor este un rezistor a carui rezistenta se modifica in prezenta campului magnetic.

Efectul magnetorezistiv consta in modificarea rezistentei materialului in prezenta campului magnetic, datorita curbarii traiectoriilor electronilor de conductie.

Magnetorezistivitatea, definita prin variatia relativa a rezistivitatii este in general pozitiva. Variatia concreta a rezistivitatii depinde de material, de unghiul dintre campul magnetic aplicat si campul electric .

Pentru campuri magnetice slabe, magnetorezistivitatea transversala depinde patratic de H:

In majoritatea cazurilor exista o valoare de saturatie a magnetorezistivitatii.

Exista magnetorezistoare realizate pe baza de materiale semiconductoare (InSb), dar cel mai des sunt utilizate magnetorezisoarele bazate pe metale feromagnetice anizotrope, componentele fiind cunoscute sub numele MR.

Desi efectul magnetorezistiv este cunoscut de foarte multi ani, abia in ultimii 30 ani au aparut aplicatii practice permise de dezvoltarea tehnologiilor microelectronice. Cu toate ca efectul magnetorezistiv este prezent in aproape toate metalele, aplicatii au gasit structurile bazate pe permalloy (aliaj Ni-Fe) sau pe alte materiale feromagnetice. La aceste materiale exista si o puternica anizotropie structurala care influenteaza dependenta concreta a rezistivitatii de campul magnetic.

In ultimii ani au aparut magnetorezistoare bazate pe efectul magnetorezistiv gigant (GMR) efect observat in structuri feromagnetice multistrat de tip special. Efectul GMR poate provoca o variatie de 50% a rezistentei sub actiunea campului magnetic.

Rezistenta magnetorezistoarelor clasice cat si a celor GMR depinde patratic de campul aplicat, in consecinta nu pot detecta polaritatea campului magnetic. Pe langa dezavantajul neliniaritatii, magnetorezistoarele au un coeficient de temperatura apreciabil.

Din acest motiv, magnetorezistoarele nu se produc sub forma de componente discrete comercializate individual, ci sunt inglobate mai multe rezistoare in structuri de tip senzor. Astfel, se minimizeaza variatia cu temperatura a marimii de iesire si se imbunatateste liniaritatea semnalului.

O imbunatatire a liniaritatii se asigura si prin aplicarea unui camp magnetic de polarizare, camp generat de obicei de un magnet permanent.

Efectul magnetorezistiv in metale feromagnetice a fost observat prima data de Wiliam Thomson, Lord Kelvin in anul 1856. Aplicatiile au aparut insa 100 ani mai tarziu atunci cand tehnologiile microelectronice au permis utilizarea in practica a structurilor magnetorezistive.

Consideram un rezistor pelicular din permalloy (aliaj NiFe). Efectul magnetorezistiv de anizotropie AMR consta in existenta unei diferente DR_max intre valorile rezistentei masurate pentru o directie a magnetizatiei in strat paralela, respectiv perpendiculara pe directia de curgere a curentului:

(9.1)

La aplicarea unui camp magnetic extern , in planul rezistorului vectorul magnetizatie se va orienta dupa directia campului aplicat, formand unghiul q cu directia de curgere a curentului .

Se poate arata ca rezistenta magnetorezistorului este o functie de cos²q, unghiul q fiind dependent de marimea campului aplicat. Astfel, la acest tip de magnetorezistor, cunoscut sub numele generic de MR, rotirea vectorului magnetizatie spre vectorul densitate de curent duce la cresterea rezistentei, rotirea in sens contrar ducand la scaderea rezistentei. Pe aceasta observatie se bazeaza utilizarea magnetorezistoarelor la masurarea valorii campului magnetic. De obicei, se utilizeaza un aranjament spatial al rezistoarelor de tip punte ca in Figura Cele patru magnetorezistoare au aceeasi rezistenta R dar magnetizatia lor este aleasa astfel incat pentru doua rezistoare aflate in brate opuse ale puntii sa produca marirea, respectiv micsorarea rezistentei. Tensiunea de iesire a puntii este proportionala cu variatia relativa a rezistentei DR/R, care in domeniul de liniaritate acceptat este DR/R=S H, cu S sensibilitatea senzorului magnetorezistiv. Pentru magnetorezistoarele firmei Honeywell, [40], S=3, iar domeniul de liniaritate este de circa .

Daca campul magnetic aplicat magnetorezistorului depaseste valoarea de saturatie, atunci vectorul are practic aceeasi directie cu campul aplicat . In acest fel, q devine unghiul dintre directia de curgere a curentului si campul aplicat. Astfel, magnetorezistorul poate fi utilizat ca senzor al directiei campului aplicat, rezistenta sa depinzand de cos²q. De obicei magnetorezistoarele ce lucreaza in regim de saturatie se utilizeaza tot in configuratii tip punte, ca in Figura .

Magnetorezistoarele bazate pe efectul GMR, pe scurt magnetorezistoare GMR, pe langa avantajul unei variatii mai mari a rezistentei cu campul magnetic (de 3-5 ori mai mare ca la MR), pot lucra la valori ale campului magnetice mai mari decat magnetorezistoarele clasice (MR). Magnetorezistoarele GMR opereaza de regula in regiunea de saturatie si sunt utilizate deci la masurarea directiei campului si nu a intensitatii sale. Variatia rezistentei poate fi exprimata prin relatia:

(9.2)

unde: R_o reprezinta valoarea minima a rezistentei;

DR_max este valoarea maxima a cresterii de rezistenta (5-6%);

DR=R-R_o este variatia rezistentei;

q reprezinta unghiul dintre campul aplicat si magnetizatia interna .

Modul de variatie a rezistentei poate fi urmarit in Figura 2.6

Asa cum se observa din grafic, magnetorezistoarele prezinta un mic histerezis.

Parametrii magnetorezistoarelor sunt de regula exprimati ca parametrii ai structurii complexe de senzor in care sunt inglobate.

Principalii parametrii ai unui magnetorezistor GMR de tip GMR S6 produs de Infineon Technologies (Siemens) pot fi urmariti in Tabelul .

Magnetorezistoarele MR si GMR sunt realizate prin procedee complexe specifice tehnologiei straturilor subtiri. Structurile, care pot merge de la magnetorezistoare individuale la structuri punte, chiar la doua sau trei configuratii punte corespunzatoare celor trei axe, sunt incapsulate in capsule specifice circuitelor integrate SMD (SOIC, SOM) sau 'through hole' (SIP, DIP). Capsula poate include si anumite parti ale circuitului electronic de prelucrare a semnalului.

Tabelul . . Parametrii magnetorezistoarelor GMR S6, [39].

In Figura 2.7 sunt prezentate doua tipuri de magnetorezistoare ale firmei Honeywell.

Circuitul HMC 1501 contine o punte de magnetorezistoare, iar HMC 1512 contine doua punti de magnetorezistoare identice, dar cu directiile magnetizatiei interne rotite la 45

Printre aplicatiile care utilizeaza magnetorezistoare amintim senzori de curent, senzori de camp magnetic, capete magnetice. Senzorii de camp magnetic pot fi utilizati si ca dispozitive de navigatie, avand o sensibilitate care poate detecta campul magnetic terestru. Capetele de citire magnetorezistive au fata de capetele de citire clasice, inductive, avantajul ca ofera ca semnal de iesire direct campul magnetic si nu derivata sa. Acest lucru poate usura cerintele privind asigurarea unei anumite viteze relative cap de citire - mediu magnetic. Desigur, exista dezavantajul utilizarii capetelor magnetorezistive numai la citirea informatiei. Au fost realizate unitati de disc rigide (hard-disk) cu capete combinate magnetorezistive - inductive.

In Figura .a se prezinta un exemplu de utilizare a magnetorezistoarelor la realizarea unui senzor de proximitate, iar in Figura .b un exemplu de utilizare la realizarea unui senzor de deplasare liniara.

In Figura 2.9 este prezentat circuitul electronic complet al senzorului de proximitate, circuit care comanda aprinderea diodei emitatoare de lumina - LED.

In Figura 2.10 Figura 2.12 sunt prezentate trei aplicatii ale senzorului magnetorezistiv de deplasare liniara.

Senzori de presiune

capacitiv

piezoelectric

Senzori de tensiune si de curent

Traductoare de curent montabile pe PCB. Aceste traductoare LEM reprezinta o alternativa flexibila a sunturilor de curent sau a transformatoarelor in scopul masurarii curentilor alternativi sau continui. Sunt prezentate doua tipuri de traductoare pentru masurarea pe cale electronica a curentilor alternativi sau continui, avand izolare galvanica. Tensiunea de alimentare este de 15V 5%. Aceste doua tipuri sunt:

Multi-domeniu: capabil de a determina curenti nominali de 5, 6, 8, 12 si 25A utilizand un set dat de pini de conectare si o iesire de 24mA in fiecare dintre cazuri. Iesirea poate fi inseriata cu o rezistenta de masurare in scopul obtinerii unei iesiri de tensiune. Dispozitivul este furnizat intr-o carcasa de plastic, izolanta, cu auto-stingere.

Compact: cu doua tipuri rapide de raspuns, utilizand tehnica de feedback pentru a oferi o iesire analogica de mare precizie. Unul dintre tipurile de raspuns ofera o iesire instantanee de curent sau tensiune, in timp ce cealalta ofera o iesire true rms. Carcasa este realizata din Noryl VO-150, material ce nu genereaza flacara.
Caracteristici tehnice Traductoare de curent seria LTS. Aceste dispozitive sunt traductoare unipolare in bucla inchisa, ce se bazeaza pe efectul Hall. Printre avantajele utilizarii acestor tipuri de traductoare se pot enumera: iesirea este o tensiune, se pot efectua 3 masurari diferite prin utilizarea diferitilor pini, formatul este compact, astfel incat se poate monta pe circuit imprimat, ofera o buna precizie si liniaritate, variatie foarte mica cu temperatura.

Aceste tipuri de traductoare pot fi achizitionate si sub forma unui kit ce contine 3 traductoare, 3 circuite imprimate si instructiuni pentru o utilizare rapida.

Caracteristici tehnice

Traductor de tensiune LEM. Este vorba despre un traductor de tensiune cu montare pe PCB. Dispozitivul, a carei functionare se bazeaza pe efectul Hall, este protejat intr-o carcasa de plastic anti flacara, ce ofera si izolare galvanica intre circuitul primar si cel secundar. Traductorul este ideal pentru masurarea tensiunilor din circuitele de c.a. si c.c. cu impulsuri. Utilizatorul trebuie sa selecteze o rezistenta pe care sa o inserieze in circuitul primar cu scopul de a permite masurarea tensiunii.

Raspusul oferit este practic instantaneu. Acest tip de traductor poate fi utilizat in numeroase circuite, cum ar fi pentru surse de alimentare de c.c., UPS-uri, sisteme de masurare, sisteme cu relee etc. Caracteristici tehnice
Senzori de deplasare liniara

Debitmetre

Debitul de aer poate fi masurat si prin anemometrie electrica. In acest caz, la intrarea in colectorul de admisie se prevede o rezistenta de platina incalzita electric, incorporata intr-o punte Wheatstone. Rezistenta este plasata intr-o zona de circulatie a aerului de sectiune constanta. Temperatura rezistentei scade o data cu cresterea vitezei aerului (deci a debitului), dezechilibrand puntea. Tensiunea de dezechilibru este folosita pentru controlul temperaturii rezistentei de platina. Reechilibrarea puntii presupune cresterea valorii curentului de incalzire care strabate rezistenta. Pe baza valorii curentului de incalzire se obtin informatii cantitative asupra debitului (masic) de aer. Timpul de raspuns al dispozitivului este extrem de redus, de ordinul milisecundelor. Masurand debitul masic de aer, procedeul nu reclama corectii suplimentare, deoarece in semnalul emis intra si efectul densitatii aerului, adica influenta marimilor de stare locale ale aerului, inclusiv a altitudinii. Rezistenta, avand sectiune proprie foarte redusa, nu creeaza rezistente suplimentare la umplere. Avantajul esential al acestei metode de reglaj provine din aceea ca de fapt in motor se arde o anumita masa de benzina, pentru care este necesara o masa de aer bine precizata; deci, debitul masic de aer reprezinta informatia cea mai corecta ce poate fi folosita.

In expresia debitului de combustibil (1.2) intra si coeficientul de dozare, λ. El poate fi luat in considerare, folosind anumite criterii, cum ar fi conditia functionarii economice (consum redus) sau respectarea normelor de protectie a mediului (noxe poluante minime). In cel de-al doilea caz se impune ca la toate regimurile functionale valoarea coeficientului de dozaj sa fie adusa la niveluri care sa reprezinte compromisul cel mai convenabil intre consum si poluare. In acest caz in structura sistemului de control apare un bloc electronic in care se memoreaza caracteristica de dozare, elaborata tinandu-se seama de criteriul ales si care comanda in mod corespunzator dispozitivul de dozare.

Un caz special este cel al motoarelor prevazute cu sisteme de depoluare a gazelor de esapament folosind posttratare catalitica. Depoluarea este asigurata de un filtru catalitic cu trei cai, a carui functionare optimala se realizeaza numai daca coeficientul de dozare al amestecului realizat este mentinut riguros constant la valoarea stoichiometrica, λ = 1. Determinarea coeficientului de dozare a amestecului se face pe baza analizei gazelor arse cu ajutorul unui sensor λ (de fapt, traductor de oxigen), plasat in circuitul de evacuare, inaintea filtrului catalitic. Sensorul λ emite un semnal a carui tensiune este dependenta de densitatea oxigenului in amestec. Semnalul este folosit pentru inchiderea unei bucle de reactie negativa, cu efect stabilizator pentru valoarea coeficientului de dozaj, permitand regulatorului sa controleze in mod corespunzator debitul de combustibil.

La motoarele cu aprindere prin scanteie care au raportul cursa/diametrul pistonului si lungimea relativa a bielei de valori apropiate, fazele distributiei au o imprastiere relativ redusa. Se estimeaza avansul la deschiderea supapei de admisie la cca 25⁰ RAC inaintea punctului mort interior, iar inchiderea se face la cca 60⁰ RAC dupa punctul mort exterior. Aceste valori unghiulare au rezultat ca un compromis optim din punctul de vedere al performantelor de putere, consum si poluare. Ca urmare, variatia vitezei de curgere a aerului pe langa supapa de admisie este asemanatoare la toate motoarele cu aprindere prin scanteie, indeplinind conditiile mentionate. Se obtine astfel o caracteristica universala a randamentului volumetric de umplere. Memorand aceeasi functie f(η_ν), la nivelul unui bloc electronic se poate realiza un sistem de control al dozajului aplicabil intr-o gama larga de cilindrei.

Procedeul realizeaza un dozaj care se abate intr-o oarecare masura de la cerintele motorului exprimate prin caracteristica de dozare. Datorita marelui avantaj al simplitatii si al pretului de cost redus procedeul este recomandabil pentru automobilele de foarte larga raspandire.

Senzori de temperatura

Temperatura este un indicator al conditiei termice a unui material sau a unui corp omogen. Transmiterea temperaturii intre mediile procesate si senzori implica un contact direct, intim intre ambele corpuri pentru a se obtine un echilibru termic.

Exista doua mari categorii de instrumente pentru controlul temperaturii bazate pe :

masurarea mecanica a temperaturii

masurarea electrica a temperaturii.

Masurarea mecanica a temperaturii se bazeaza pe proprietatile anumitor materiale de a-si modifica forma fizica sau volumul direct proportional cu temperatura aplicata. In aceasta categorie intra termometrele cu mercur, cu bimetal si cele cu dilatare de gaze. In domeniul auto se utilizeaza atat traductorul de temperatura cu bimetal (modificare de forma) cat si cel cu modificarea volumului (dilatarea materialului)

Senzori mecanici de temperatura

Sistemul de masurare consta dintr-un senzor termometric de tip bulb, un capilar de transmitere si un element elastic de tip tub Bourdon. In acest sistem se introduce sub presiune gaz inert sau lichide cu presiune de vapori controlata. Presiunea din sistem creste sau se micsoreaza functie de variatia de temperatura a mediului controlat.

Variatia de presiune masurata este indicata pe un cadran gradat in unitati de masurare a temperaturii.

Termometrele cu dilatare de gaze permit masurarea temperaturii cuprinse intre - 40C si + 200C si au dimensiuni diferite de imersie si lungime a capilarului de transmitere de maxim 12 m.

Senzori electrici de temperatura

Masurarea electrica a temperaturii se bazeaza pe:

- efectul termoelectric (efectul Seebeck), care consta in aparitia unei tensiuni intr-un circuit format din doua metale diferite ale caror jonctiuni au aceeasi temperatura. Tensiunea electromotoare din circuit se numeste tensiune termo-electro-motoare si este diferita ca valoare, la aceeasi temperatura, functie de natura celor doua metale in contact

- modificarea rezistentei electrice a unor materiale metalice conductoare, in functie de temperatura.

Senzori cu termistoare NTC in regim de incalzire indirecta

a. Senzorul de temperatura

Avantajul termistoarelor fata de alti senzori (termocuple, rezistenta de platina) il constituie sensibilitatea ridicata a primelor componente. Un dezavantaj important il reprezinta neliniaritatea caracteristicii termice, fapt ce impune o etalonare atenta a scalei sau utilizarea altor metode de corectie.

O varianta de conectare a termistoarelor ca senzori de temperatura il constituie conectarea in punte, ca in Figura . La o anumita temperatura, de exemplu 25 C, puntea este in echilibru: R₁R₃=R₂R_T25. La o temperatura diferita de 25 C tensiunea U₂ da o informatie despre temperatura ambianta.

Se poate scrie relatia care exprima valoarea tensiunii U₂ in functie de temperatura:

Daca R₁ = R₂ = R₃ = R, U₂ devine:

Relatia U₂(T) se reprezinta grafic pentru a observa abaterile de la liniaritate. Aceste abateri sunt corectate printr-o etalonare a scalei.

In prezent, intr-o schema moderna de masura a temperaturii, compensarea neliniaritatii termistorului este realizata prin programul unui microprocesor (microcontroller) care comanda totodata si afisarea temperaturii.

Curentul I se alege suficient de mic pentru a nu produce o incalzire sesizabila, datorita disipatiei proprii. De obicei I=10 mA sau 100 mA, in functie de gama de masura.

Utilizand legea cunoscuta de variatie a rezistentei cu temperatura, microcontrollerul calculeaza temperatura care corespunde rezistentei masurate. Pentru masuratori de precizie, modelarea caracteristicii termistorului se face pe baza relatiei Steinhart-Hart (6.10).

Tot pe baza masuratorilor de temperatura se realizeaza debitmetrele de fluid, aplicatie importanta a termistoarelor NTC. De asemenea, se pot concepe senzori pentru marimi electrice sau neelectrice in care intervin efecte calorice.

Senzori cu dispozitive semiconductoare

Senzori de nivel

a. Senzori de nivel cu termistoare

Functionarea ca traductor de nivel a termistorului NTC se bazeaza pe modificarea caracteristicii U(I) a termistorului atunci cand se modifica conditiile de disipatie.

Coeficientul de disipatie termica al unui termistor imersat intr-un lichid are o valoare mai mare decat in aer, fapt care se explica prin imbunatatirea conditiilor de transfer termic.

Termistorul este alimentat astfel ca, atunci cand el se afla in lichid curentul in circuit I are o valoare mai mica decat curentul de anclansare a releului I_a, . Mentinerea curentului in circuit la o valoare redusa este asigurata prin valoarea mare a rezistentei termistorului. Rezistenta mare a termistorului se mentine datorita temperaturii scazute a acestuia. Temperatura termistorului se mentine la o valoare redusa ca urmare a transferului termic bun efectuat spre lichid. In acest caz, puterea generata in termistor cauzeaza o supratemperatura avand o valoare suficient de mica.

Atunci cand nivelul lichidului scade sub nivelul de sesizare al termistorului R_T, disipatia are loc in aer iar supratemperatura DT devine apreciabila, ceea ce conduce la scaderea puternica a rezistentei termistorului. In acest fel se atinge curentul de anclansare al releului si se comanda un semnal de avertizare, de exemplu aprinderea unui bec, vezi Figura 2.15

Daca se utilizeaza mai multe termistoare plasate la diferite niveluri, este posibil sa se realizeze masurarea nivelului lichidului cu o rezolutie dictata de numarul de termistoare utilizate.

Senzori de forta

Rezistoarele a caror rezistenta depinde de tensiunea mecanica sunt utilizate in general la masurarea respectivelor tensiuni (eforturi), fiind numite, dupa functia pe care o realizeaza traductoare tensometrice rezistive, sau pe scurt tensometre. De fapt, tensometrele masoara deformatiile mecanice, in general proportionale cu eforturile mecanice.

Consideram un rezistor dreptunghiular de lungime l, si sectiune A, ca in Figura .

Senzori optici

Fotorezistoarele (LDR - Light Dependent Resistors ) sunt rezistoare a caror rezistenta depinde de fluxul luminos incident pe suprafata elementului rezistiv. Variatia rezistentei este cauzata de eliberarea de electroni prin efectul fotoelectric intern. In general, la realizarea fotorezistoarelor se utilizeaza materiale semiconductoare cunoscute sub numele generic de materiale fotoconductoare. Structura de fotorezistor este astfel realizata incat la intuneric total sa contina foarte putini electroni liberi, prezentand astfel o rezistenta ridicata. Odata cu absorbtia fluxului luminos tot mai multi electroni sunt eliberati, rezistenta materialului scazand corespunzator.

Pentru structura din Figura 2.16 se poate considera ca numarul de electroni eliberati pe secunda in material este:

N hLld   

unde: h este o constanta ce depinde de lungimea de unda a radiatiei;

L-intensitatea radiatiei luminoase;

ld - suprafata incidenta.

La aplicarea unei diferente de potential U intre electrozi, electronii vor avea viteza v:

(10.2)

in care: m este mobilitatea electronilor;

E este intensitatea campului electric.

La conductia curentului vor contribui numai electronii aflati la distanta vt de electrodul pozitiv, t fiind durata medie de viata a electronilor liberi. Deci, la curentul total va contribui numai fractiunea vt/d din totalul electronilor, curentul electric fiind:

in care e reprezinta sarcina electronului. De aici rezulta rezistenta materialului R:

(10.4)

Durata de viata a electronilor liberi t depinde de lungimea de unda (l) si de intensitatea luminoasa dupa o relatie de tipul , cu b o constanta, iar t are semnificatia unui timp de viata de referinta.

Astfel relatia (10.4) se poate pune sub forma:

(10.5)

cu (10.6)

Se observa ca, pentru a avea o variatie cat mai mare a rezistentei intre starea de intuneric si starea de iluminare este necesar ca valoarea constantei A sa fie cat mai mica. Acest lucru se realizeaza prin alegerea de materiale cu valori cat mai mari pentru h m si t si prin asigurarea unui raport l/d cat mai mare, utilizand electrozi de forma interdigitala.

Principalii parametrii ai fotorezistoarelor sunt prezentati in continuare:

Rezistenta la intuneric R_D, reprezinta valoarea rezistentei la iluminare nula.

Rezistenta la iluminare, reprezinta valoarea rezistentei la o iluminare specificata, de exemplu 1000 lux.

Atunci cand se vorbeste de iluminare trebuie definite caracteristicile sursei de lumina. O caracteristica a surselor este iluminarea, exprimata in lux. Alta unitate utilizata pentru iluminare este fc, de la foot - candle (1 fc = 10,76 lux). De asemenea este foarte importanta caracteristica spectrala a sursei de lumina. Se utilizeaza ca standard o sursa ce radiaza asemanator unui un corp negru cu temperatura de culoare de 2850 K.

Sensibilitatea la fluxul luminos , este apreciata prin mai multi parametri:

Sensibilitatea integrala S este raportul dintre fotocurent (diferenta dintre curentul prin fotorezistor la iluminarea F, I_F si curentul la intuneric, I_D) si fluxul luminos incident

Sensibilitatea spectrala este raportul dintre fotocurent si fluxul monocromatic (f_l) incident: .

Sensibilitatea fotorezistorului .

Caracteristica spectrala a sensibilitatii - reprezinta variatia sensibilitatii spectrale S_l cu lungimea de unda l

Caracteristica rezistenta - iluminare.

Puterea nominala, P_N, se defineste similar ca la rezistoare fixe, existand si la fotorezistoare diagrama de scadere a disipatiei.

Constanta de timp, t este definita similar ca la termistoare, cu diferenta aplicarii unui flux luminos in locul celui termic. Intervalul de timp egal cu constanta de timp se obisnuieste sa mai fie numit timp de raspuns, care poate fi timp de crestere ('rise time') sau timp de cadere ('fall time'). Cu precizarea ca denumirea poate duce la unele confuzii, din motive ce tin de firescul exprimarii, vom utiliza aceste denumiri.

Timpul de crestere este definit ca timpul necesar conductantei fotorezistorului pentru a creste la 1-1/e =63,2% din valoarea finala, ceea ce corespunde unei tranzitii de la intuneric la lumina.

Timpul de cadere este definit ca timpul in care conductanta fotorezistorului scade la 1/e=36,8% din valoarea avuta la o anumita iluminare.

Timpul de raspuns depinde de nivelul de iluminare, de 'memoria' sau 'istoria' materialului si de temperatura ambianta. In general viteza de raspuns este mai mare cand se lucreaza la nivele mai mari de iluminare. Fenomenul de histerezis ('memorie') prezentat de fotorezistoare este asemanator cu remanenta pe retina ochiului la trecerea brusca intre nivele de iluminare diferite. O stocare a dispozitivelor in intuneric va duce la o viteza mai mica decat in cazul depozitarii la lumina. Cu cat stocarea e mai indelungata, cu atat efectul e mai pronuntat. La temperaturi coborate viteza de raspuns este mai mica.

In general, timpul de crestere este diferit de timpul de cadere, in functie de materialul si tehnologia fotorezistoarelor, de nivelul de iluminare si de alti parametri amintiti anterior.

Domeniul temperaturilor de lucru, (T_m, T_M) Temperatura maxima nu are valori foarte mari la LDR, datorita in special generarii de electroni pe cale termica.

La realizarea fotorezistoarelor au fost utilizate materialele: Seleniu cristalin- Se, sulfura de plumb -PbS, sulfura de cadmiu- CdS, seleniura de cadmiu- CdSe. Seleniul cristalin are un domeniu spectral larg de utilizare, dar are sensibilitate relativ mica. Sulfura de plumb are maximul sensibilitatii spectrale in domeniul infrarosu si prezinta o inertie mica. Pentru domeniul vizibil, fotorezistoarele pe baza de CdS sunt cele mai utilizate datorita sensibilitatii integrale mari, a caracteristicii R(f exponentiale, (liniara la scara logaritmica) si a caracteristicii spectrale asemanatoare ochiului omenesc.

Caracteristica spectrala a fotorezistoarelor produse de EG&G Vactec este prezentata in Figura , iar in Figura este prezentat graficul rezistentei in functie de iluminare pentru aceleasi componente.

Din punct de vedere constructiv, fotorezistoarele sunt realizate prin depunerea unui strat subtire fotoconductiv pe un material ceramic. Contactele metalice sunt depuse prin evaporare in vid pe suprafata materialului fotoconductor iar terminalele sunt conectate la aceste suprafete metalice, ca in Figura 2.20.a. Materialele fotoconductoare depuse sub forma de straturi subtiri au o rezistenta specifica mare. Pentru asigurarea unei rezistente reduse la nivele de iluminare moderate, spatiul dintre contacte este realizat ingust, iar electrozii au forma interdigitala.

Se observa din Figura 2.20 ca rezistenta fotorezistorului la nivelul de iluminare L este , cu r_SL rezistenta specifica la iluminarea L, iar d/l este raportul de aspect. Asa cum a fost prezentat anterior, acest raport este de dorit sa fie cat mai mic. Uzual se pot obtine pentru d/l valori intre 0,5 si 0,002.

Exista si variante de fotorezistoare pe baza de CdS, realizate sub forma de discuri prin tehnologia ceramica. Electrozii se depun la aceste variante de fotorezistoare tot prin evaporare in vid.

Cativa dintre parametrii unor fotorezistoare sunt sintetizati in Tabelul .

Tabelul . . Parametrii unor fotorezistoare pe baza de CdS.

* - parametru echivalent - rata de revenire

In Figura 2.21 sunt prezentate doua tipuri de fotorezistoare cu detalii de realizare a structurilor.

Fata de alte dispozitive optoelectronice semiconductoare cu functii similare, cum ar fi fotodiodele sau fototranzistoarele, fotorezistoarele au cateva avantaje:

au cel mai redus cost;

acopera un domeniu larg al intensitatilor luminoase pornind de la nivele foarte reduse de iluminare (lumina lunii) pana la nivele foarte ridicate (expunere directa la soare);

au o dinamica de variatie de cateva ordine de marime intre starea de intuneric si de iluminare; exista multe valori disponibile ale rezistentei;

pot lucra si in curent alternativ;

pot fi utilizate cu aproape toate sursele de lumina in domeniul vizibil si infrarosu apropiat LED, lampi cu incandescenta, neon si fluorescente, laser, flacara, lumina solara.

Aplicatiile fotorezistoarelor se impart in doua categorii. Exista aplicatii numite "digitale" la care este importanta numai variatia rezistentei intre doua stari de iluminare. Aplicatiile de tip "analogic" utilizeaza variatia continua a rezistentei cu iluminarea.

Din prima categorie de aplicatii amintim controlul iluminatului nocturn, detectoare de fum, cititoare de cartele, senzori de prezenta si de pozitie, instalatii de alarma si securitate, etc.

In a doua categorie de aplicatii intalnim: controlul expunerii la camere de filmare si video, circuite de reglare "auto-focus", controlul iluminarii, controlul tonerului la masini de fotocopiat, controlul surselor de lumina modulate, etc.

In Figura 2.22.a este prezentata o aplicatie tipica de tip "digital" cu fotorezistorul NORP 12 si anume o comanda optica de actionare a unui releu la depasirea unui prag de iluminare prestabilit. Pragul de comutare se poate regla cu rezistorul semireglabil de 5 kW

In Figura 2.22.b este prezentata o aplicatie de tip "analogic", un exponometru fotografic. Functionarea este foarte simpla, curentul prin circuit oferind informatia despre starea de iluminare. Exponometrul are doua scale de sensibilitate comutabile, care se pot etalona din rezistoarele semireglabile R₁ si R₂.

Rezistenta acestui rezistor R este

(8.1)

Prin diferentierea relatiei anterioare se obtine:

(8.2)

sau (8.3)

Primii doi termeni din (8.3) exprima variatia rezistentei datorita modificarii dimensiunilor fizice, fiind deci un efect geometric, iar cel de al treilea termen exprima modificarea rezistivitatii materialului sub efectul deformarii mecanice, efectul fiind cunoscut sub numele de efect piezorezistiv.

Relatia (8.3) se pune sub forma (8.4), trecand la variatii finite.

(

cu e Dl/l alungirea relativa, iar n coeficientul de contractie transversala sau coeficientul lui Poisson, n 0,3 pentru materiale izotrope.

Se defineste coeficientul piezorezistiv longitudinal p ca:

(8.5)

cu N forta longitudinala aplicata rezistorului, E modulul lui Young.

Sensibilitatea tensometrului S de defineste ca:

(8.6)

Utilizand (8.4) si (8.5) factorul S devine:

In prezent se utilizeaza doua tipuri principale de traductoare tensometrice:

traductoare metalice realizate din aliaje metalice cu rezistivitate mare si coeficient de temperatura redus, sub forma de fire, folii sau straturi subtiri;

traductoare pe baza de materiale semiconductoare realizate din semiconductoare mono sau policristaline sub forma de filamente, chipuri sau straturi subtiri.

In cazul traductoarelor rezistive metalice efectul piezorezistiv este foarte mic p 0 si predomina efectul geometric:

S=1+2n (8.8)

Consideram ca n=0,3, S=1,6. De fapt, S ia valori intre 1,5 si 2,2, fapt explicabil prin diferentele in valoarea coeficientului Poisson si prin faptul ca poate sa apara si o usoara variatie de rezistivitate datorata deformarilor (p

Oricum S>0, iar un coeficient S>0 inseamna o crestere de rezistenta in cazul alungirii si o scadere a rezistentei in cazul comprimarii.

In cazul traductoarelor tensometrice realizate din materiale semiconductoare efectul piezorezistiv este predominant.

S p E    (8.9)

sensibilitatea S are valori 30 . 45 pentru traductoare din materiale policristaline si 100 . 200 pentru materiale monocristaline.

Este de remarcat ca sensibilitatea S, de fapt p poate avea si valori negative, in functie de tipul doparii si de orientarea axelor cristaline.

Varianta de traductor tensometric rezistiv metalic care s-a impus este cea realizata din folii metalice, de obicei din constantan.

Pentru marirea sensibilitatii se utilizeaza o structura cu meandre. Folia metalica de 2 . 5 mm obtinuta prin laminare este fixata cu un adeziv pe un suport izolator polimeric. Structura tipica a acestui traductor poate fi urmarita in Figura .

Aceasta constructie, cunoscuta sub numele de marca tensometrica, este apoi lipita (aplicata) pe corpul a carui deformatie se doreste a fi masurata.

Alte variante constructive pot fi urmarite in Figura 2.25.

Traductoarele rezistive tensometrice semiconductoare se realizeaza de obicei din germaniu sau siliciu. Ele prezinta o sensibilitate superioara celor metalice, dar au coeficienti de variatie cu temperatura mai mari si un domeniu de masura al deformatiilor ceva mai mic.

De obicei traductoarele tensometrice se conecteaza in montaje tip punte pentru marirea sensibilitatii si compensarea variatiilor cu temperatura. In functie de precizia dorita se utilizeaza punti cu unul, doua sau patru traductoare. Conectarea electrica a tensorezistoarelor la puntea cu patru traductoare este identica cu cea prezentata in Figura 9.2 prezentata la capitolul Magnetorezistoare.

In Tabelul 2.3 sunt prezentati principalii parametrii ai unor tensorezistoare produse de BLH Electronics, Inc. si Hottinger Baldwin Measurements, Inc.

Tabelul . . Parametrii unor tensorezistoare.

Traductoare de densitate si viscozitate

Senzori de concentratie

Masurand numai 1 milimetru patrat, senzorii sunt aproape invizibili pentru ochiul liber. Acesti senzori denumiti FET (field-effect transistor), in ciuda dimensiunilor microscopice, ofera o masurare extrem de precisa si consuma foarte putina energie electrica, aceste doua calitati transformandu-i in candidatii ideali pentru telefoanele mobile. Aceste chip-uri bazate pe nano-tehnologie pot detecta chiar si cantitati infime de gaze masurand prezenta voltajului electric care este produs atunci cand moleculele unui gaz se depun pe receptorii senzorului, alertand astfel utilizatorul.

Senzorii magnetici furnizeaza solutii unice pentru multe probleme tehnice si aplicatii incluzand detectia de curent, detectia de proximitate, viteza de deplasare lineara sau unghiulara, echipamente de orientare, detectie de perturbatii in campul magnetic terestru, masuratori de deplasare si de pozitionare. Intelegerea conceptelor fizice ce stau la baza tehnologiei si aplicatiile senzorului magnetic il conduc pe proiectantul de echipamente la alegerea justa a senzorului potrivit

Senzori sonici

Traductoare ultrasonice integrate

Caracteristicile traductoarelor