-
7/21/2019 merenja_2012_07
1/24
1
Elektrina merenja
2012/2013
Pretvarai neelektrinih u
elektrine veliine
Merni pretvarai(transducers) su ureaji koji pretvarajuenergiju
(mehaniku, termalnu, elektromagnetsku, hemijsku...) udrugi oblik
energije. U skaldu sa primenom ih moemo podeliti nasenzore i
aktuatore.
Senzori (sensors) su pretvarai koji fiziku veliinu od
interesa
konvertuju u oblik koji je pogodan za prikaz i memorisanje i
koji jestandardizovan (npr. ermometar). U ve!ini sluajeva
senzorigeneri"u na svom izlazu elektrini signal (napon, struju,
otpor...)koji se dovodi na ulaz instrumenta koji meri elektrine
veliine.
Aktuatori (actuators) su pretvarai koji generi"u ak#iju
(npr.pomeranje) na raun energije koja im je dovedena na ulaz.
-
7/21/2019 merenja_2012_07
2/24
2
OtpornikiKapacitivniInduktivniPiezoelektriniTemperaturniOptiki
HemijskiBiohemijski
Sila, pritisak,temperatura,vlanost,zraenje,pomeranje,brzina,
protok,kiselost, itd.
NAPON, STRUJA,.
Senzori
Linearni (translacija) i obrtni (rotacija)potenciometri
Pomeraj je korelisan sa promenom otpornosti
Senzori na bazi promene otpora
-
7/21/2019 merenja_2012_07
3/24
3
Merne trake su homogeni provodni materijali kojiomoguuju da
procenom promene otpornosti odredimodeformaciju tela na koje je
privrena merna traka.
MERNE TRAKE - senzori na bazi promene otpora
U sluaju homogenog materijala moemo napisati da je
Lako se dobija:
geometrija Promena
otpornostiG faktor merne trake (GF)
MERNE TRAKE - faktor trake G
-
7/21/2019 merenja_2012_07
4/24
4
00
2
6Cvv
xvS
EbhP
sg
==
2
6
Ebh
M
PxM
=
=
MERNE TRAKE - postavlane i povezivane
Precizno merenje uglova u vie osanezavisno od radijusa
savijanja.Osetljivi na habanje i istezanje, skupi.
Penny & Giles http://www.biometricsltd.com/gonio.htm
MERNE TRAKE - merene u!lova saviana i uviana
-
7/21/2019 merenja_2012_07
5/24
5
"inamometarje merni instrument za merenje intenziteta sile.
http://www.biometricsltd.com/myogrippinch.htm#dynamometer
MERNE TRAKE - merene sile pri #vatanu
$enzori kod kojih se menjaotpornost pod dejstvom
sile.%isterezis, nelinearnost
$iezorezistivni senzori (%SR &force resisting sensor)
-
7/21/2019 merenja_2012_07
6/24
6
$iezorezistivni senzori (flex sensors)
Promena otpornosti pri promeni
geometrije.Otpornost zavisi of radijusa savijanjaVremenski i
temperaturno promenljivekarakteristike, brzo se
deformiu.Jeftini.
http://www.sparkfun.com/products/8606
$iezorezistivni senzori & MEMS
-
7/21/2019 merenja_2012_07
7/24
7
KAPACITIVNI SENZOR JE MERNI PRETVARAU KOME SEENERGIJA PRETVARA U
ELEKTROSTATIKU ENERGIJU.KAPACITVNI PRETVARASE MOE OPISATI
KAOKONDENZATOR SA PROMENLJIVOM KAPACITIVNOU.
d
S
d
Sc r= 0
Kapa'itivni senzori
= /maxC
C
])(2
11[
2
max d
dx
C
C +=
l
)/ln(
2
1
0DD
xC r
=
Kapa'itivni senzor na bazi promene !eometrie
-
7/21/2019 merenja_2012_07
8/24
8
2211
0
21
21
// +=
+=
dd
S
CC
CCC
d
bx
d
xbCCC 201021)(
+=+= l
Kapa'itivni senzor na bazi promene ielektrika
Pretvarai sile, pritiska, iblizine bazirani na
promenikapacitivnosti
Kapacitivni pretvarakoji jepredvien za rad na
visokimtemepraturama
Kapacitivni pretvara zamerenje dodira (kontakta) imalih sila i
pritisaka
Kapa'itivni senzori
-
7/21/2019 merenja_2012_07
9/24
9
OSNOVNI ELEMENT INDUKTIVNOG SENZORA JEKALEM
l
NiB
r0
=
N je broj namotaja kalema oko jezgra,0 permeabilnost vakuuma,
rrelativna permeabilnost jezgra, duina namotaja
Faraday-ovzakon:
]H[2
0l
ANL
r=
nuktivni (aktivni) i inuk'ioni (pasivni) senzori
%& i %' su jaine magnetskog polja u magnetskomjezgru i
pro#epu, i i duine magnetskog jezgrai pro#epa*apon koji merimo je
funk#ija veliine vazdu"nogpro#epa
nuktivni senzori
-
7/21/2019 merenja_2012_07
10/24
10
+inearnost je - ako je relativna promena zazora manja od &'.
/anapajanje se primenjuje promenljivi napon (f 0 1 2 1' k%z). 3vo
jebeskontaktni ssntor otporan na habanje
nuktivni senzor sa promenlivim zazorom
*AST+R , $RSTEN S +" A,MN.MA , MESNGA/
nuktivni senzori sa promenlivim permeabilitetom
-
7/21/2019 merenja_2012_07
11/24
11
$4*/356 7356$4 89: *:;3:
-
7/21/2019 merenja_2012_07
12/24
12
),,( =l
l
l
eHH
bf
d
IBRU
7orek#ije zboggeometrije (bC),male duineelektroda u odnosuna
duinu ploi#e
(eC), i %olov ugao.
Senzori na bazi 1all-ovo! efekta
>ezkontaktni senzor koji povezuje vektor magnetskeinduk#ije,
veliinu struje kroz poluprovodnik, i napon u ravnikoja je upravna
na ravan koju formiraju vektor magnetskeinduk#ije i vektor gustine
struje.
== HHH R,d
IB
RU pn
pn
H pn
pn
eR +
=
221
Senzori na bazi 1all-ovo! efekta
-
7/21/2019 merenja_2012_07
13/24
13
Senzor magnetske indukcije na bazi MOSFET-a sa 2 drain-a.
Desni panel pokazuje strujne i ekvipotencijalne linije
umagnetskom polju.
Ma!netotranzistor
Piezoelektrini efekat je pro#es pri kome deforma#ija kristalne
re"etke(zbog dejstva sile) generi"e napon, ili primenjeni napon
rezultujepomeranjem povr"ina.
PiezoelektrinisenzorCaktuator
$iezoelektrini senzor-aktuator
-
7/21/2019 merenja_2012_07
14/24
14
Ultrazvuk je zvuni signal na uestanostima koje su ve!e od D'
k%z(iznad ujnog praga). /vuk pri prostiranju kroz sredinu slabi
(apsorp#ija), apri nailasku na sredinu sa drugaijom gustinom se
delimino reflektuje, adelimino prodire u nju. 8eo reflektovane
energije (eho) se moeregistrovati, a poloaj eha na vremenskoj skali
je korelisan sa rastojanjemdo grani#e dve sredine.
Ultrazvuni pretvara moe da se koristikao senzor i aktuator.
Ultrazvuk se generi"e vibra#ijama povr"onama piezoelektrinog
aktuatorapod dejstvom elektrinih impulsa, a eho se detektuje
pretvaranjem vibra#ijau elektrini signal.
$iezoelektrini senzor - raar
$onografija je neinvazivna metoda za posmatranje organa i tkiva.
3rgani itkiva bliski povr"ini tela (npr., mi"i!i, tetive, grudi,
kortikalne strukture kodnovoroenadi, itd.) se posmatraju na
uestanostima od E do &F ;%z, aoni koji su dublje u telu na niim
uestanostima (& do G ;%z).
5astojanje pikova ukazuje na rastojanje izmeupovr"ine sonde i
objekta od koga se reflektuje talas.:mplituda reflektovanog talasa
zavisi od razlike gustinasredine kroz koju se prostire ultrazvuk.
Pomeranjemsonde se dobija dvodimenziona slika.
$iezoelektrini senzor - Sono!rafia
-
7/21/2019 merenja_2012_07
15/24
15
8oplerov efekat je promena uestanostireflektovanogtalasa u
odnosu na in#identni talas prirelativnom pomeranju izvora u odnosu
nareflektor.
Hf 0 DvrCI, I0vCf
f je frekven#ija , I talasna duina ultrazvuka, v je
brzina prostiranja talasa, vrrelativna brzinaobjekta u odnosu na
izvor, a Hf promenauestanosti.:ko se objekat pribliava izvoru vrje
pozitivno, padolazi do pove!anja uestanosti koja sedetektuje, i
obrnuto.
Dopler karotidne arterije
$iezoelektrini senzor & primena "oplerovo! efekta
3tpornik (poluprovodnik) iji seotpor menja
promenomtemperature.
*A 2 negativni temperaturni
koefi#ijent2otpornost pada saporastom temperature.PA 2 otpornost
raste sa porastomtemperature
8obre osobineJ velika osetljivostna promene
temperature(KD''LCMA), brzo reaguju, mali,
jeftini Praenje disanja!!!
Termistor (termometar)
-
7/21/2019 merenja_2012_07
16/24
16
2olometri (infra'rveni etektori) & merene toplotno!
zraena
%laeni detektori su u vakumskim kontejnerima i hlade se na
temperaturutenog azota. 3vo pove!ava osetljivost jer je njihova
temperaturaznaajno manje od objekta koji se snima.
*edostatak hlaenih kamera je kompleksnost primene i #ena, a
prednostje kvalitet slike (u odnosu na nehlaene detektore)
;aterijali koji se koriste zadetektore suJN 6ndijum antimonid
(6n$b)N 6ndijum arsenid (6n:s)N 7admijum2iva2telurid (Ad%ge)N 3lovo
sulfid (Pb$)N 3lovo $elenid (Pb$e)
1la0eni infra'rveni etektori
-
7/21/2019 merenja_2012_07
17/24
17
3ptiko vlakno se sastoji od jezgra, optikog omotaa i
spolja"njegza"titnog sloja.
slov za prostirane u3e vlakana sa minimalnim !ubi'ima e a eineks
prelamana omotaa mani o ineksa prelamana ez!ratako a e obezbe0eno a
postoi totalna refleksia svetla koe imatenen'iu 4izlaska5 iz
vlakna6
%iberoptiki senzor & optiko vlakno
%iberoptiki senzor koi meri saviane
$enzorski sistemi na bazi optikih vlakana zapravo pro#enjuju
gubitke. Prisavijanju optikog vlakna deo svetlosti se gubi jer je
ugao nekih zrakamanji od graninog ugla tako da nema totalne
refleksije u pravom vlaknu.*a kraju vlakna pretvara svetla u
elektrini signalB
-
7/21/2019 merenja_2012_07
18/24
18
$enzor se sastoji od dvavlakna i ogledala.
*a donjoj sli#i je prikazanatipina
karakteristikafotodetektora.
U poloaju d0', ogledalo nereflektuje svetlost naprijemno vlakno,
a pripove!anju rastojanja d dovrednosti dm intenzitetzraenja raste,
da bi zatimopadao na vrednost nula.
%iberoptiki senzor koi meri !ubitke posle refleksie
$enzor pritiska ukrvnim sudovima
8ata glove O merenjepokreta
%iberoptiki senzori - primene
-
7/21/2019 merenja_2012_07
19/24
19
3ptokapler6 kod kojih su izvor svetla i prijemnik
svetlarazdvojeni pa stepen osvetljenosti prijemnika zavisi
odpoloaja u odnosu na izvor.
+ptokapleri
3ptokapleri kod kojih se izmeu predajnika svetla i prijemnika
nalaziperforirana povr"ina. ;ere relativno ili apsolutno obrtanje,
naje"!e ukombina#iji sa motorom.
5elativni (levo) i apsolutni (desno) optiki enkoder.
Linearni Rotacioni
+ptiki enkoeri
-
7/21/2019 merenja_2012_07
20/24
20
"e'im'&D-1GEFQ&'
&&&D&-&&1
2inar7'''''''&''&'''&&'&'''&'&'&&''&&&&'''&''&&'&'
&'&&&&''&&'&&&&'&&&&
Gra7'''''''&''&&''&''&&''&&&'&'&'&''&&''&&'&&&&&
&&&'&'&'&'&&&''&&'''
7od =raR2evog koda je manja mogu!nost gre"keprilikom oitavanja O
susedne vrednosti se razlikujuu samo jednom bitu tako da ukoliko
senzor ne oitapromenu nekog bita na vreme gre"ka !e bitimaksimalno
jednaka gre"#i +$> (+east $ignifi#ant>it) a ne ;$>.
+ptiki enkoeri
;ere linearno ubrzanje
Ak'elerometri - MEMS
-
7/21/2019 merenja_2012_07
21/24
21
=
=
= extMdt
dJ
dt
Jd
dt
Ld rrrr
)(
+ je kinetiki moment, < je moment iner#ije, a S jugaona
brzina
/:73* o 76*4?73;;3;4*UJ 7inetiki momentfizikog sistema
ostajekonstantan dok ga ne promenimoment spolja"njih sila
kojedeluju na sistem.
U54T:< /: 385:9:*
-
7/21/2019 merenja_2012_07
22/24
22
;4;$ (;i#ro24le#tro2;e#hani#al $Rstems) je tehnologija u kojoj
nepostoje VvelikeW mase, a veoma je te"ko realoziovati rota#ije,
posebnovelikim brzinamaJ momenti iner'ie obrtni# elova su mali9 a
niemo!u:e obezbeiti pre'esiu (;" kretane)
8iroskop & MEMS senzor u!aone brzine
Koriolis-ov efekat< Prirelativnom kretanju jednog telapo
drugom telu koje se kre!epostoji komponenta sile koju jematematiki
definisao 7oriolisJ
; je masa tela, X ugaona brzinarotiraju!eg tela koje nosi drugo
telo,a 9 relativna brzina tela mase m uodnosu na obrtno
delopodlogu
)(2 =rrr
rC
VmF
http://www.youtube.com/watch?v=Pb69HENUZs8&feature=related
8iroskop & MEMS senzor u!aone brzine
-
7/21/2019 merenja_2012_07
23/24
23
Koriolisov efekat3vaj efekat se uoava stalno u prirodi.
*aprimer, /emlja se obr!e, a vetar pokre!eesti#e u nekom prav#uJ
javlja se7oriolisova sila koja rezultuje #irkularnimkretanjem
vazdu"nih masa (oluja)
3vu pojavu je koristio@ou#ault kad je izmeriougaonu brzinu
zemlje(@ukoovo klatno).
http://www.youtube.com/watch?v=pKGgICawAKc
8iroskop & MEMS senzor u!aone brzine
;4;$ iroskopi u najve!em broju sluajeva mere 7oriolisov efekat
tako"to mere sile ili pomeranja (obino kapa#itivnim senzorima) koje
se
javljaju pri ogranienom kretanju pokretnog tela u odnosu na
obrtno telo.
;asa se pomera radijalno (sinusoidalno) pomo!u nekog
aktuatora.7oriolisova sila unosi dodatni pomeraj tangen#ijalno koji
se pro#enjuje.
8iroskop & MEMS senzor u!aone brzine
-
7/21/2019 merenja_2012_07
24/24
U praktinoj primeni je merenje limitirano naodstupanje od jedne
ose rotacije (roll, pitch, ili yaw).
8iroskop & MEMS senzor u!aone brzine
