Τεχνολογία Αισθητήρων & Μηχατρονική 03/4/2015 Π.Μ.Σ. «ΝΕΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΣΤΗ ΝΑΥΤΙΛΙΑ ΚΑΙ ΤΙΣ ΜΕΤΑΦΟΡΕΣ» ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ Κ2: Τεχνολογία και Αυτοματισμοί στη Ναυτιλία και τις Μεταφορές Τεχνολογία Αισθητήρων & Μηχατρονική Δρ. Θ. ΓΚΑΝΕΤΣΟΣ Καθηγητής Δρ. Μιχάλης Παπουτσιδάκης 4/3/2016

ΔΟΜΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ Η δομή ενός συστήματος μέτρησης πριλαμβάνει: Τον αισθητήρα ή μετατροπέα. Τη μονάδα προσαρμογής σήματος Τον αναλογικό σε ψηφιακό μετατροπέα Τη μονάδα επεξεργασίας σήματος και Τη μονάδα απεικόνισης, καταγραφής και απόθήκευση;ς δεδομένων.

Αισθητήρας Ο Αισθητήρας (sensor) αποτελεί το στοιχείο εκείνο το οποίο ανιχνεύει ένα φυσικό μέγεθος και παράγει από αυτό μία μετρήσιμη έξοδο σε μορφή ηλεκτρικού μεγέθους. Για παράδειγμα αναφέρουμε το στοιχείο του θερμοζεύγους. Δεν πρέπει να συγχέουμε την έννοια του αισθητήρα με την έννοια του ανιχνευτή (detector). Ο ανιχνευτής ορίζεται μία δομή η οποία έχει ως σκοπό την ανίχνευση διακριτού επιπέδου της τιμής ενός φυσικού μεγέθους. Ένας ανιχνευτής χρησιμοποιεί κατάλληλους αισθητήρες και ηλεκτρονικές διατάξεις για την ανίχνευση του φυσικού φαινομένου παράγοντας στην έξοδό του μία διακριτή τιμή τάσης ανάλογα με τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά των κυκλωμάτων. 4/3/2016

Παθητικοί και ενεργοί αισθητήρες Διακρίνουμε 2 μεγάλες κατηγορίες αισθητήρων: τους παθητικούς (passive) και τους ενεργούς (active). Καλούμε ενεργό αισθητήρα εκείνο το στοιχείο το οποίο δεν απαιτεί κάποια ηλεκτρική διέγερση για την παραγωγή του ηλεκτρικού σήματος σε απόκριση του ερεθίσματος το οποίο ανιχνεύει. (θερμοζεύγος, το κινούμενο πηνίο ως στοιχείο γεννήτριας, το πιεζοηλεκτρικό στοιχεό, το φωτοβολταικό στοιχείο. Παθητικό αισθητήρα καλούμε το στοιχείο που απαιτεί ηλεκτρική διέγερση για την παραγωγή του ηλεκτρικού σήματος. Πχ αισθητήρας θερμοκρασίας.(απαιτεί τάση τροφοδοσίας), μηκυνσιόμετρο, το θερμαινόμενο νήμα, τον γραμμικό μετασχηματιστή και το στοιχείο Hall. 4/3/2016

Χαρακτηριστικά αισθητήρων Συνάρτηση μεταφοράς: εκφράζει το μαθηματικό μοντέλο με το οποίο ο αισθητήρας μετατρέπει το ερέθισμα σε ηλεκτρικό σήμα. Κλίμακα εισόδου: ως κλίμακα εισόδου (range) αναφερόμαστε στο πεδίο τιμών της φυσικής ποσότητας που μπορεί ο αισθητήρας να δεχτεί ως διέγερση. Για παράδειγμα ο αισθητήρας πίεσης φέρει κλίμακα εισόδου 50 έως 200psi Εύρος πλήρους κλίμακας εισόδου: ως εύρος πλήρους κλίμακας εισόδου (Input full scale) αναφερόμαστε στην αλγεβρική διαφορά της ελάχιστης από τη μέγιστη τιμή Span=Xmax-Xmin Εύρος πλήρους κλίμακας εξόδου: ως εύρος πλήρους κλίμακας εισόδου (Output full scale) αναφερόμαστε στην αλγεβρική διαφορά της ελάχιστης από τη μέγιστη τιμή Span=Xmax-Xmin 4/3/2016

Χαρακτηριστικά αισθητήρων Υστέρηση: καλούμε το φαινόμενο κατά το οποίο ο αισθητήρας δεν επιστρέφει την ίδια τιμή σήματος εξόδου με τη φυσική ποσότητα Σφάλμα μη γραμμικότητας: καλούμε τη παραγόμενη τιμή εξόδου του αισθητήρα που φέρει απόκλιση από τη γραμμικότητά του Βαθμονόμηση: συντήρηση και βαθμονόμηση απαιτείται σε αισθητήρες πχ με ελατήρια, για να διορθωθούν οι φθορές με το χρόνο Ακρίβεια : ορίζεται η διαφορά του σήματος εξόδου σε συνάρτηση με τη πραγματική τιμή της φυσικής ποσότητας. Το σχετικό σφάλμα της ακρίβειας ορίζεται σε συνάρτηση με τη πραγματική τιμή του μεγέθους e % =(μετρούμενη τιμή-πραγματική τιμή)/πραγματική τιμή*100 % Διέγερση: καλούμε τη τάση τροφοδοσίας για τη λειτουργία ενός αιθητήρα Διακριτική ικανότητα (resolution) : η μικρότερη ανιχνεύσιμη μεταβολή του μεγέθους της φυσικής ποσότητας. Αισθητήρας θερμοκρασάι ανιχνεύει μεταβολή της τάξης 0,02o C

Κατηγορίες μετρήσεων Κίνησης Μετατόπισης Στάθμης Θερμοκρασίας Πίεσης Ροής Ταχύτητας Επιτάχυνσης Δύναμης Ροπής Μαγνητικών πεδίων Ασθενών & υψηλών ρευμάτων Αφής Οπτικών μεγεθών Ακουστικών μεγεθών Ιονίζουσα ακτινοβολία Χημικών μεγεθών Βιοιατρικών μεγεθών Ηλεκτροφυσιολογίας φυτών Περιβαλλοντικών μεγεθών

Αρχή λειτουργίας αισθητήρων φαινομένου μεταβολής αντίστασης ΜΕΤΑΛΛΟ ρ (μΩ/cm) σε 20C α (C-1 ) Au 2,44 0,0040 Ag 1,59 0,0041 Cu 1,72 0,0043 Pt 10,00 0,00393 W 5,60 0,0048 Ni 7,80 0,0068 𝑅 𝑇 = 𝑅 𝑇0 1+𝑎 𝑇− 𝑇 0

Στοιχεία RTD Θερμόμετρα ηλεκτρικής αντίστασης του μετάλλου RTD – Resistance Temperature Detectors Με στοιχείο Cu στη περιοχή -190oC έως 150oC Με στοιχείο Ni στη περιοχή -60oC έως 180oC Με στοιχείο Pt στη περιοχή -250oC έως 1100oC

03/4/2015 Στοιχεία θερμίστορ 𝑅 𝑇𝐻 = 𝑅 𝑅𝐸𝐹 𝑒 𝛽 1 Τ − 1 Τ 𝑅𝐸𝐹

Στοιχείο πιεζοαντίστασης 𝑑𝑅 𝑅 = 𝑑𝜌 𝜌 + 𝑑𝑙 𝑙 − 𝑑𝐴 𝐴 𝑅=𝜌 L 𝐴 𝐺𝐹=1+2𝑣+ 𝑑𝜌 𝜌 𝜀