Συλλογή Μεταφορά και Έλεγχος Δεδομένων Θεωρία κεφ. 3

ΣΥΛΟΓΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΚΑΙ
ΕΛΕΓΧΟΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ
ΑΡΧΕΣ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΥ
ΚΕΦ 3
ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΑΙΣΘΗΤΗΡΙΩΝ

n 3.1 Εισαγωγή.
n 3.2 Μονάδες του κυκλώματος ελέγχου.
• 3.2.1 Κύκλωμα προσαρμογής αισθητηρίου.
• 3.2.2 Κύκλωμα ενίσχυσης του σήματος εισόδου.
• 3.2.3 Κύκλωμα σύγκρισης.
• 3.2.4 Υλικά αυτοματισμών.
n 3.3 Μέτρηση πίεσης και στάθμης υγρού.
• 3.3.1 Αισθητήρια πίεσης.
• 3.3.2 Μέτρηση πίεσης.
• 3.3.3 Μέτρηση στάθμης.
n 3.4 Έλεγχος φωτισμού.
• 3.4.1 Αισθητήρια φωτός.
• 3.4.2 Κυκλώματα ελέγχου φωτεινής στάθμης.
n 3.5 Μέτρηση κάμψης.
• 3.5.1 Αισθητήρια δύναμης.
• 3.5.2 Μέτρηση κάμψης.
n 3.6 Θόρυβος – γειώσεις.
• 3.6.1 Θόρυβος.
• 3.6.2 Γειώσεις, βρόχος γείωσης.

3.1 Εισαγωγή
n Σε ένα σύστημα αυτοματισμού σημαντικό ρόλο
παίζουν τα αισθητήρια που χρησιμοποιούνται και ο
τρόπος σύνδεσης τους στο υπόλοιπο κύκλωμα.
n Θα πρέπει να γίνει η κατάλληλη επιλογή του
αισθητηρίου ανάλογα με :
n Το φυσικό μέγεθος το οποίο θέλουμε να
μετρήσουμε (υπάρχουν πάρα πολλά είδη και
τύποι).
n Τις απαιτήσεις της εφαρμογής.
n Να γνωρίσουμε τα αισθητήρια που υπάρχουν για τον
σκοπό αυτό και μετά να προχωρήσουμε στον
σχεδιασμό του κυκλώματος.
12/16/2012 ΛΕΥΘΕΡΟΥΔΗΣ ΘΕΟΔΩΡΟΣ ΠΕ 1708 3

3.2 Μονάδες του κυκλώματος ελέγχου
n Το πρώτο πρόβλημα που θα συναντήσου με
όταν σχεδιάζουμε έναν αυτοματισμό είναι :
n Ο τρόπος σύνδεσης του αισθητηρίου στο
υπόλοιπο κύκλωμα.
n Και το δεύτερο :
n Ότι θα πρέπει να ενισχυθεί και τελικά να
συγκριθεί με κάποιο άλλο σήμα
αναφοράς (επιθυμητή τιμή).


3.2.1 Κύκλωμα προσαρμογής αισθητηρίου
n Όταν το αισθητήριο είναι ενεργό, ένας συνηθισμένος
τρόπος σύνδεσης είναι σε γέφυρα.
n Το αισθητήριο μπορεί να είναι μια ή περισσότερες
από τις αντιστάσεις.
n Με ένα αισθητήριο [R(1+δ)] R1=R2=R3 ,
VAB=(VCC*δ)/4.
n Με δύο αισθητήρια [R(1+δ)] R1=R3 ,
VAB=(VCC*δ)/2.
n Με τέσσερα αισθητήρια δύο [R(1+δ)] στις θέσης
R2,R4 και δύο [R(1-δ)] στις θέσης R1,R3 ,
VAB=VCC*δ

με ένα αισθητήριο
R1=R2=R3 ,
VAB=(VCC*δ)/4

Crocodile
Wheatston
e bridge


με δύο αισθητήρια

R1=R3 ,
VAB=(VCC*δ)/2


με τέσσερα αισθητήρια
VAB=VCC*δ


3.2.2 Κύκλωμα ενίσχυσης
n Το σήμα από το προηγούμενα κυκλώματα θα
πρέπει να ενισχυθεί.
n Χρησιμοποιούμε ένα τελεστικό ενισχυτή σε
συνδεσμολογία διαφορικού ενισχυτή.
n Το κύκλωμα αυτό παρουσιάζει στην πράξη
αρκετά μειονεκτήματα (αντιστάθμισης,
γραμμικοποίησης) και γι’ αυτό, συνήθως
χρησιμοποιούνται πιο σύνθετα κυκλώματα.


3.2.2 Κύκλωμα ενίσχυσης

Vout=R2*(V1-V2)/R1


Συνδυασμός των δυο κυκλωμάτων


3.2.3 Κύκλωμα σύγκρισης
n Σχεδόν σε όλα τα ΣΑΕ γίνεται σύγκριση της τιμής
ενός φυσικού μεγέθους, το οποίο θέλουμε να
ελέγξουμε, με μία επιθυμητή τιμή του μεγέθους
αυτού.
n Η σύγκριση αυτή μπορεί να γίνει με αναλογικό, είτε
με ψηφιακό τρόπο.
n Ο αναλογικός συγκριτής είναι ένα αναλογικό
κύκλωμα με δύο εισόδους και μία έξοδο.
n Στην μία είσοδο έχουμε την προτοποθετημένη τιμή
(preset value).
n Στην δεύτερη οδηγείται η έξοδος του αισθητηρίου ή
του ενισχυτή.

n Ανάλογα με την σχεδίαση του συγκριτή, η έξοδος του
θα είναι ελάχιστη (min) ή μέγιστη (max), όταν η τιμή
του σήματος του αισθητηρίου είναι μεγαλύτερη από
την επιθυμητή τιμή.

Crocodile
LAB VIEW op amp
comparator

Συνδυασμός και των τριών κυκλωμάτων


n Ο ψηφιακός ή λογικός συγκριτής έχει και αυτός
δύο εισόδους και μία έξοδο, και εδώ έχουμε το σήμα
από το αισθητήριο και μια προτοποθετημένη τιμή.
n Τα σήματα οδηγούνται στο κύκλωμα του συγκριτή
αφού πρώτα μετατραπούν σε ψηφιακά με ADC.
Σ
Σήμα από
Υ 74LS85
αισθητήριο
ADC Γ
Κ
Προτοποθετημένη Ρ ΕΞΟΔΟΣ
τιμή Ι
ADC
Τ
Η
Σ

3.2.4 Υλικά αυτοματισμών
n Κάθε κύκλωμα ΣΑΕ αποτελείται από διάφορα
ηλεκτρικά, ηλεκτρονικά, μηχανικά και
υδραυλικά στοιχεία, κατάλληλα συνδεδεμένα
μεταξύ τους
n Ρελέ ή ηλεκτρονόμοι (Η/Ν). Πρόκειται για
έναν μηχανισμό που όταν διεγείρεται
αποκαθιστά ή διακόπτει μια συνδεσμολογία.
n Όργανα χειρισμών. Εξαρτήματα με τα οποία
δίνονται στο κύκλωμα χειροκίνητα κάποιες
εντολές (όπως εκκίνηση ή διακοπή).

Ρελέ Crocodile
tutorial relay 1,2


3.2.4 Υλικά αυτοματισμών
n Τα όργανα χειρισμών διακρίνονται σε :
1. Μπουτόν. Τα οποία διαθέτουν μια επαφή, που σε
κατάσταση ηρεμίας είναι είτε ανοικτή (normal open
– NO) και με πίεση κλείνει στιγμιαία, είτε είναι
κλειστή (normal close – NC) και με πίεση ανοίγει
στιγμιαία.
2. Διακόπτες. Οι οποίοι έχουν μία ή περισσότερες
επαφές.
n Και τέλος έχουμε τα Ενδεικτικά όργανα
μετρήσεων, τα οποία μας βοηθούν να γνωρίζουμε
τις τιμές των μεγεθών που ελέγχουμε (βολτόμετρο,
αμπερόμετρο, βατόμετρο, μανόμετρο κ.λ.π).

Crocodile
pressure
sensing
alarm

3.3 Μέτρηση πίεσης και στάθμης υγρού
n Η μέτρηση της πίεσης χρησιμοποιείται για να
μετρήσουμε την ταχύτητα ροής ενός ρευστού
ή για τον υπολογισμό της στάθμης του.
n Δεν μπορεί να μετρηθεί ΑΜΕΣΑ.
n Ένα μηχανικό κύκλωμα μπορεί να δώσει
πληροφορίες μόνο για τη διαφορά πίεσης
μεταξύ δύο σημείων.
n Έτσι για να έχουμε απόλυτη μέτρηση πρέπει
να υποθέσουμε ένα σημείο αναφοράς ως προς
το οποίο θα γίνεται η μέτρηση.


3.3 Μέτρηση πίεσης και στάθμης υγρού
n Τα αισθητήρια πίεσης συνήθως υπάρχουν σε τρεις
μορφές για μέτρηση της :
n Απόλυτης πίεσης (absolute).
n Διαφορικής πίεσης (differential).
n Σχετικής πίεσης (gauge).
n Τα αισθητήρια διαφορικής πίεσης μετρούν την
διαφορά πίεσης μεταξύ δύο σημείων όπου το ένα
είναι σημείο αναφοράς.
n Αν η αναφορά είναι του περιβάλλοντος
(ατμοσφαιρική πίεση) τότε η μέτρηση θεωρείτε
σχετική.
n Αν η αναφορά είναι το κενό (εξ ορισμού είναι μηδέν)
τότε η μέτρηση είναι απόλυτη.

3.3.1 Αισθητήρια πίεσης
n Υπάρχουν δύο κατηγορίες εξαρτημάτων για
την μέτρηση της πίεσης :
n Στην πρώτη η πίεση μετριέται άμεσα με την
μετατροπή της σε μηχανική κίνηση
(Μετατροπέας), μανόμετρα (manometers)
και εξισορροπητές πίεσης (pressure –
balances).
n Η λειτουργία τους βασίζεται στην εξίσωση :
n Πίεση = Δύναμη / Μονάδα Επιφανείας.

3.3.1 Αισθητήρια πίεσης
n Στην δεύτερη η πίεση μετράται έμμεσα με
την μετατροπή της σε ηλεκτρικό σήμα
(αισθητήριο).
n Το ρευστό που πρόκειται να μετρηθεί πιέζει
μια ελαστική επιφάνεια (διάφραγμα,
μεμβράνη) που προκαλεί την μεταβολή της
αντίστασης της χωρητικότητας ή της
επαγωγής ενός στοιχείου. Το οποίο με την
σειρά του προκαλεί μεταβολή στο ρεύμα ή
στην τάση.
n Who they work ?

3.3.2 Μέτρηση πίεσης


3.3.3 Μέτρηση στάθμης
n Παράγεται απ’ ευθείας
τάση, ανάλογης με την
στάθμη του υγρού.

n Μετριέται μια διαφορά
πίεσης που μπορεί να
internet μας δώσει το ύψος του
υγρού (στάθμη)

n Το δοχείο ζυγίζεται
ηλεκτρονικά και
σύμφωνα με το
βάρος του
υπολογίζεται η
στάθμη του υγρού

internet

n Το υγρό αποτελεί το
διηλεκτρικό του πυκνωτή, που
σχηματίζουν οι δύο κάθετες
επιφάνειες, οπότε η
χωρητικότητα αλλάζει ανάλογα
με το ύψος της στάθμης

n Έχουν τοποθετηθεί δύο πομποδέκτες υπερηχητικού
σήματος, τα σήματα που εκπέμπουν αντανακλώνται
στην επιφάνεια του υγρού. Μετριέται ο χρόνος και
υπολογίζεται η στάθμη του υγρού.

n Όλες οι μέθοδοι χρησιμοποιούνται για την μέτρηση
ομογενών ρευστών. Μπορούν επίσης να
χρησιμοποιηθούν για την μέτρηση της πυκνότητας
των υγρών, αν το ύψος της στάθμης διατηρείται
σταθερό.


internet


3.4 Έλεγχος φωτισμού
n Ο έλεγχος του φωτισμού ενός χώρου
είναι σχετικά ένα απλό πρόβλημα με
οικιακές κυρίως εφαρμογές.
n Το ζητούμενο είναι να ενεργοποιείται
ένας λαμπτήρας ή ένα δίκτυο
λαμπτήρων, όταν ο φωτισμός σε ένα
χώρο μειωθεί αρκετά.


3.4.1 Αισθητήρια φωτός
n Οι φωτοανιχνευτές (light detectors) διαιρούνται
σε δύο κατηγορίες :
n Τους κβαντικούς (quantum), ενεργοποιούνται με
την ποσότητα της φωτεινής ακτινοβολίας, στην
περιοχή του φάσματος από υπεριώδη έως το μέσον
της υπέρυθρης, φωτοδίοδοι, φωτοτρανζίστορ,
φωτοαντιστάσεις.
n Και τους θερμικούς (thermal), ενεργοποιούνται με
το θερμικό αποτέλεσμα της ακτινοβολίας, στην
περιοχή του φάσματος από το μέσων έως την
ανώτερη περιοχή της υπέρυθρης, θερμοστοιχεία,
πυροηλεκτρικά αισθητήρια και AFIR

n Οι παράμετροι που εξετάζονται κατά τη σύγκρισή
διαφόρων φωτοανιχνευτών είναι :
n Ισοδύναμη ισχύς θορύβου (noise equivalent
power – NER). Είναι η ποσότητα του φωτός, που
είναι ισοδύναμη με το θόρυβο που δημιουργεί ο
ανιχνευτής. Δηλαδή η ποσότητα της ακτινοβολίας
για την οποία SNR=1.
n Ικανότητα ανίχνευσης (detectivity – D). Είναι η
ικανότητα ανίχνευσης που έχει αισθητήριο περιοχής
1cm2 για θόρυβο 1Hz. Όσο μεγαλύτερη είναι τόσο
καλύτερο το αισθητήριο.

n Μήκος κύματος αποκοπής (cutoff wavelength
λc). Είναι το μήκος κύματος της ακτινοβολίας που
πέφτει στο αισθητήριο, για την οποία η ικανότητα
ανίχνευσης μειώνεται στο 10% της μέγιστης τιμής
της.
n Μέγιστο ρεύμα (maximum current). Είναι η
μεγαλύτερη τιμή του ρεύματος στην οποία μπορεί να
δουλέψει το αισθητήριο.
n Μέγιστη ανάστροφή τάση (maximum reverse
voltage). Είναι η μεγαλύτερη ανάστροφή τάση
πόλωσης, που μπορεί να εφαρμοστεί στο
αισθητήριο, χωρίς να καταστραφεί.

n Ευαισθησία ακτινοβολίας (radiant responsivity).
Είναι ο λόγος της εξόδου του αισθητηρίου προς την
ισχύ της ακτινοβολίας ενός τυχαίου μήκους κύματος.
n Πεδίο ακτινοβολίας (field of view – FOV). Είναι η
γωνία που καλύπτει το χώρο ακτινοβολίας, που
μπορεί να ενεργοποιήσει το αισθητήριο.
n Χωρητικότητα επαφής (junction capacitance –
Cj). Είναι η χωρητικότητα της επαφής των
ημιαγωγών του αισθητηρίου. Σχετίζεται με την
ταχύτητα απόκρισης του ανιχνευτή.


n Φωτοδίοδος (photodiode). Δημιουργούνται
ζευγάρια οπών και ηλεκτρονίων από φωτόνια που
προσπίπτουν σε μια επαφή PN.
n Όταν η δίοδος πολώνεται ορθά λειτουργεί ως LED
ενώ ανάστροφα η δίοδος διαρρέεται από ρεύμα, που
αυξάνει ανάλογα με την ποσότητα του φωτισμού
που δέχεται.
n Με μηδέν τάση πόλωσης και σε απόλυτο σκοτάδι,
περνάει ελάχιστο ρεύμα που ονομάζεται ρεύμα
σκότους και οφείλεται στην δημιουργία οπών και
ηλεκτρονίων λόγω θέρμανσης.

3.4.1 Αισθητήρια φωτός - φωτοδίοδος


Διαδίκτυο
n Encyclopedia of Laser Physics and
Technology.
n Photodiode Light Detector.
n Photodiodes all companies.
n Technical information's on photodiodes from
hamamatsu company
n Μετατροπή του φωτός σε ήχο…!

Κυνηγώντας την
Πως λειτουργεί η Το LED λειτουργεί
φλόγα εφαρμογή
φωτοδίοδος ως φωτοδίοδος
φωτοδιόδου

n Φωτοτρανζίστορ (phototransistor). Βασίζονται
στην ίδια αρχή λειτουργίας με την φωτοδίοδο και
επιπλέων κάνουν και ενίσχυση του ρεύματος που
εμφανίζεται, αυξάνοντας με τον τρόπο αυτό την
ευαισθησία.
n Η επαφή B – C είναι μια δίοδος ανάστροφα
πολωμένη όπως περιγράψαμε προηγουμένως. Με
κατάλληλη πόλωση η επαφή B – E πολώνεται ορθά
και ενισχύει το ρεύμα του συλλέκτη.

Εφαρμογές με
φωτοτρανζίστορ

3.4.1 Αισθητήρια φωτός - φωτοτρανζίστορ


n Φωτοαντίσταση (photoresistor). Η
λειτουργία της βασίζεται στην μεταβολή της
τιμής της, ανάλογα με την ένταση του φωτός
που πέφτει πάνω της. Σε απόλυτο σκοτάδι η
τιμή της είναι μέγιστη.
n Εφαρμόζοντας όμως τάση στα άκρα της,
εμφανίζεται ένα μικρό ρεύμα που οφείλεται
στην θερμική λειτουργία (ρεύμα σκότους).
n Με την αύξηση της έντασης του φωτός, η
αντίσταση μικραίνει και περνά μεγαλύτερο
ρεύμα.

3.4.1 Αισθητήρια φωτός - φωτοαντίσταση

Crocodile
light
sensor

n Φωτο – μετατροπέας (light to light
converter). Αποτελείται από ένα
φωτοτρανζίστορ και μια δίοδο laser (LD).
n Πραγματοποιεί μεγάλη ενίσχυση και μπορεί
να ανιχνεύσει ακτινοβολία με πολύ χαμηλή
ισχύ.


n Ψυχόμενοι ανιχνευτές (cooled detectors).
Ένας σημαντικός παράγοντας για καλή
λειτουργία ενός ανιχνευτή είναι ο λόγος
σήματος προς θόρυβο SNR.
n Όταν αυξάνεται η θερμοκρασία λειτουργίας η
ακρίβεια και η ευαισθησία του αισθητηρίου
ελαττώνεται κατά πολύ ιδιαίτερα για φωτεινή
ακτινοβολία μικρής συχνότητας και ενέργειας.
n Οι ανιχνευτές αυτοί έχουν μεγάλη ευαισθησία,
έχουν όμως πιο αργή απόκριση, αφού η
χωρητικότητα επαφής αυξάνει.

n Θερμοηλεκτρικά αισθητήρια (thermopile
sensors). Η λειτουργία του αισθητηρίου αυτού
βασίζεται στο θερμοηλεκτρικό φαινόμενο, όπως
ακριβός και το θερμοζεύγος.
n Το αισθητήριο έχει μια περιοχή με ψυχρή επαφή και
μία δεύτερη που αποτελεί την θερμή επαφή, αυτή
καλύπτεται από διαφανή μεμβράνη, που επιτρέπει
την ακτινοβολία να φτάσει σε αυτήν αυξάνοντας την
θερμοκρασία της.
n Η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των δύο επαφών
δημιουργεί μια ηλεκτρική τάση.

3.4.1 Αισθητήρια φωτός - θερμοηλεκτρικά

n Πυροηλεκτρικά αισθητήρια (pyroelectric
sensors). Η λειτουργία τους βασίζεται στην
ιδιότητα κάποιων υλικών να δημιουργούν
ηλεκτρική τάση, ανάλογα με την θερμική
ακτινοβολία που δέχονται.
n Έχουν σχετικά καλή συμπεριφορά στον
θόρυβο, αλλά παρουσιάζουν σχετικά μεγάλη
καθυστέρηση στην απόκρισή τους.
n ELECTRO OPTICAL COMPONENTS, Inc.


3.4.1 Αισθητήρια φωτός - πυροηλεκτρικά

3.4.2 Κυκλώματα ελέγχου φωτεινής στάθμης
n Ο έλεγχος της φωτεινής στάθμης μπορεί να γίνει με
δύο τρόπους :
n Στην πρώτη περίπτωση, η λειτουργία των
λαμπτήρων είναι συνεχής και ανάλογα με το
φωτισμό του χώρου μεταβάλλεται και η ένταση του
ρεύματος που τους διαρρέει, άρα και η ένταση της
ακτινοβολίας τους.
n Στην δεύτερη περίπτωση, η λειτουργία των
λαμπτήρων είναι διακοπτόμενη και το κύκλωμα
που τους ηλεκτροδοτεί ενεργοποιείται, όταν ο
φωτισμός του χώρου γίνει χαμηλότερος από κάποια
προκαθορισμένη τιμή.

n Θα ασχοληθούμε με την δεύτερη περίπτωση.
n Το σύστημα μας θα αποτελείτε από το υπό
έλεγχο σύστημα (λάμπες), και το κύκλωμα
ελέγχου, το οποίο θα περιλαμβάνει το
κατάλληλο αισθητήριο, και ενεργοποιητή που
θα είναι είτε ρελέ είτε θυρίστορ.


n Όταν το αισθητήριο μας είναι φωτοδίοδος
υπάρχουν δύο τρόποι σύνδεσης :
n Της φωτοαγωγιμότητας (PC). Όπου
χρειάζεται τάση πόλωσης.
n Η δίοδος πολώνεται ανάστροφα, άρα μικρή
χωρητικότητα επαφής, άρα βελτίωση του
χρόνου απόκρισης.

Τυπικά
κυκλώματα
PC, PV.

n Και της φωτοτάσης (PV). Όπου δεν
απαιτείται τάση πόλωσης και η δίοδος
λειτουργεί σαν γεννήτρια ρεύματος.
n Δεν υπάρχει ρεύμα σκότους. Απομένει μόνο
ο θερμικός θόρυβος.
n Αυξημένη ευαισθησία σε χαμηλούς
φωτισμούς.
n Βελτιωμένος SNR.
n Μειονέκτημα μεγάλος χρόνος απόκρισης και
μικρή απόκριση σε μεγάλα μήκη κύματος.

Το κύκλωμα
παρουσιάζει πολύ
καλή γραμμικότητα
(όσες φορές αυξάνει η
φωτεινή ακτινοβολία
τόσες φορές αυξάνει
η τάση εξόδου.

Μπορεί να
χρησιμοποιηθεί
και
φωτοτρανζίστορ

Ρύθμιση της
ευαισθησίας, όχι
μικρότερη από
100 kΩ

n Όταν το αισθητήριο μας είναι φωτοαντίσταση
έχουμε αρκετούς τρόπους, δύο οι ποιο συχνά
χρησιμοποιούμενοι τρόποι είναι :
n Με SCR, TRIAC, DIAC.
n Με τελεστικό και τρανζίστορ, ή μόνο
τρανζίστορ.


3.5 Μέτρηση κάμψης
n Σε πολλές εφαρμογές χρειάζεται να μετρηθεί η
δύναμη ή η πίεση που ασκείται πάνω σε ένα σώμα
ή επιφάνεια.
n Πίεση και δύναμη είναι σχετικά μεγέθη, αφού για να
μετρηθεί η πίεση, πρέπει να μετρηθεί η δύναμη.
n Δύναμη μετράμε σε περίπτωση στερεών, ενώ πίεση
σε περίπτωση ρευστών (υγρών και αερίων).
n Η εφαρμογή ροπής σε μια ράβδο, πιθανόν να την
παραμορφώσει, αν εφαρμοστεί κάθετα στον άξονά
της με φορά προς τα κάτω, ή ράβδος
παραμορφώνεται και η πάνω πλευρά της
επιμηκύνεται ενώ η κάτω επιβραχύνεται.
n Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται κάμψη.

3.5.1 Αισθητήρια δύναμης
n Τα κυριότερα αισθητήρια μέτρησης δύναμης
είναι :
n Οι πιεζοαντιστάσεις (strain gauges). Η
λειτουργία τους βασίζεται στην ιδιότητα
ορισμένων υλικών να μεταβάλλουν την
ηλεκτρική τους αντίσταση, όταν
παραμορφώνονται.
n WIKIPEDIA
n STRAIN GAUGES OMEGA.COM
n STRAIN GAUGES MANUFACTURER

n Τα αισθητήρια αφής (tactile sensors). Τα οποία
αποτελούνται από πολλούς στοιχειώδεις πυκνωτές,
που αλλάζει η χωρητικότητα τους καθώς αλλάζει η
απόσταση των οπλισμών τους όταν δέχονται
δύναμη. Είναι τα FSR που αποτελούνται από
αντιστάσεις. Έχουν μεγαλύτερη δυναμική περιοχή
σε σχέση με τις πιεζοαντιστάσεις αλλά μικρότερη
ακρίβεια και κόστος.
n Shadow the robot company.
n How to make a tactile sensor.
n Artificial skin based on flexible optical tactile
sensors.
n Tekscan company
n Tactile sensors.

n Και τα πιεζοηλεκτρικά. Η λειτουργία τους
βασίζεται στην ιδιότητα ορισμένων υλικών να
εμφανίζουν τάση στα άκρα τους όταν πάνω
τους ασκείται δύναμη.
n Piezoelectricity. Wikipedia.
n Senscopm.
n Piezoelectric Transducers Suppliers
n Piezoelectric sensor.


3.5.2 Μέτρηση κάμψης
n Για την μέτρηση κάμψης ενός βραχίονα
χρησιμοποιούμε αισθητήρια πιεζοαντίστασης.
Το αισθητήριο αυτό συνδέεται σε
συνδεσμολογία γέφυρας με ένα, δύο ή
τέσσερα στοιχεία.

n HOW THEY WORK


3.6.1 Θόρυβος
n Σαν θόρυβο ονομάζουμε παρασιτικά
σήματα (που οφείλονται σε τυχαίες
καταστάσεις ή γεγονότα), που
εμφανίζονται τόσο σε αισθητήρια, όσο
και σε κυκλώματα και παραμορφώνουν
το σήμα.
n Ο θόρυβος είναι αδύνατον να εξαλειφθεί,
παρά μόνο να μειωθεί.
n Σημαντικό δεν είναι η ποσότητα του θορύβου
όσο η σχέση του με το σήμα που αλλοιώνει,
δηλαδή ο λόγος σήματος προς θόρυβο SNR.

n Σε ένα κύκλωμα υπάρχουν δύο βασικές
κατηγορίες θορύβου :
n Ο έμφυτος θόρυβος (inherent), ό
θόρυβος που δημιουργείται από το
κύκλωμα.
n Και ο θόρυβος παρεμβολής
(interference), που εισέρχεται στο
κύκλωμα από εξωτερικούς παράγοντες.


n Έμφυτος θόρυβος. Για τα αισθητήρια είναι αυτός
που προκύπτει κυρίως από τα χαρακτηριστικά του.
n Στο κύκλωμα ενίσχυσης μπορεί να οφείλεται :
• Στην γραμμή ανατροφοδότησης.
• Στην πόλωση.
• Στον περιορισμό του εύρους συχνοτήτων.
• Στην θερμοκρασία.
n Περιορίζεται χρησιμοποιώντας :
• Μικρές τιμές αντιστάσεων.
• Φίλτρα.
• FET και CMOS ημιαγωγούς.

n Θόρυβος παρεμβολής. Εμφανίζεται τόσο στα
αισθητήρια όσο και στα κυκλώματα.
n Κυριότερες πηγές είναι :
• Η θερμοκρασία. Που αλλάζει τις παραμέτρους
των εξαρτημάτων.
• Μηχανικές καταπονήσεις (κτυπήματα).
• Ηλεκτρικά ή μαγνητικά πεδία.
• Χρήση διακοπτών.
• Πολύ υψηλές τάσης.
• Κ.λ.π.

n Για να περιορίσουμε την επίδραση του στα
αισθητήρια (ΠΡΙΝ την ενίσχυση) :
n Χρησιμοποιούμε αισθητήρια σε ζεύγη,
όπου το ένα επηρεάζεται ενώ το άλλο δέχεται
σταθερή διέγερση, οπότε αφαιρώντας τα
σήματα εξόδων τους, ο θόρυβος
ελαχιστοποιείται.
n Αν το αισθητήριο συνδέεται μέσω αγωγών, ο
θόρυβος του καλωδίου εξαλείφετε αν τα
σύρματα των αγωγών σύνδεσης
τυλιχθούν μεταξύ τους (συστραφούνε).

n Ανάλογα με την αιτία του θορύβου ταξινομούνται
στις εξής κατηγορίες :
n Θόρυβος Johnson ή θερμικός θόρυβος. (thermal
noise). Οφείλεται στην τυχαία κίνηση των
ηλεκτρονίων στους αγωγούς. Καθώς η θερμοκρασία
αυξάνει, αυξάνει και η κίνηση τους επομένως και το
πλάτος του θορύβου.
n Θόρυβος αιχμής (shot noise). Οφείλεται στην
τυχαία μετακίνηση φορτίων κατά μήκος μιας
επαφής. Και έχει την μορφή παλμών μικρής
διάρκειας.

n Υπερβολικός θόρυβος (excess noise).
Συνήθως εξαρτάτε από την συχνότητα.
n Οφείλεται σε επαγωγικά ρεύματα που
δημιουργούνται στους αγωγούς ενός
κυκλώματος λόγω της ύπαρξης άλλων
ρευματοφόρων αγωγών σε κοντινή τους
απόσταση ή στην κυμάτωση της τάσης
τροφοδοσίας.


n Η θωράκιση έχει διπλό σκοπό :
n Πρώτον προστατεύει ένα κύκλωμα από την
εμφάνιση θορύβου και
n Δεύτερον, αν ο θόρυβος έχει εμφανιστεί, τον
εμποδίζει να προχωρήσει σε ευαίσθητα
σημεία του μετατροπέα ή του κυκλώματος.
n Ο συνηθέστερος τρόπος θωράκισης είναι με
μεταλλικό κουτί γύρω από τις ευαίσθητες
περιοχές, ή με αγώγιμο φύλλο αλουμινίου
γύρω από τον αγωγό στα καλώδια.

n Πρακτικοί κανόνες θωράκισης :
n Η θωράκιση πρέπει να συνδέεται σε ένα δυναμικό
αναφοράς. Αν το σήμα είναι γειωμένο (σε πλαίσιο ή
στο έδαφος), η θωράκιση πρέπει να συνδέεται
στην ίδια γείωση.
n Αν χρησιμοποιείται θωρακισμένο καλώδιο, η
θωράκιση πρέπει να συνδέεται στον κόμβο
αναφοράς του σήματος (π.χ. γείωση).
n Αν η θωράκιση είναι τμηματική (π.χ καλώδια
συνδεδεμένα μεταξύ τους), τότε το κάθε κομμάτι
θωράκισης πρέπει να συνδέεται με το επόμενο και
το πρώτο να συνδέεται στο σημείο αναφοράς του
σήματος.

n Ο αριθμός των ανεξάρτητων θωρακίσεων σ’
ένα κύκλωμα ισούται με τον αριθμό των
ανεξάρτητων μετρήσιμων σημάτων. Κάθε
σήμα μπορεί να έχει τη δική του θωράκιση.
n Μια θωράκιση πρέπει να γειώνεται σ’ ένα
μόνο σημείο, κατά προτίμηση μετά το
αισθητήριο. Η θωράκιση ενός καλωδίου δεν
πρέπει ποτέ να γειώνεται και στα δύο άκρα
της.

n Αν ένα αισθητήριο είναι στο εσωτερικό
κλωβού θωράκισης και συνδέεται στο
κύκλωμα με θωρακισμένο καλώδιο, τότε η
θωράκιση του καλωδίου πρέπει να συνδέεται
στον κλωβό.
n Μια θωράκιση πρέπει να γειώνεται μέσω
λεπτών καλωδίων για να ελαττώνεται η
επαγωγή.


3.6.2 Γειώσεις, Βρόχος γείωσης
n Σε ένα κύκλωμα είναι απαραίτητο να υπάρχουν
σημεία γείωσης, ώστε να ελαχιστοποιείται το
φαινόμενο επαγωγής που παρουσιάζουν οι
γραμμές.
n Επίσης, το σημείο γείωσης είναι ένα σημείο με
μηδενική τάση, ως προς το οποίο μετρούνται
όλες οι τάσεις στο κύκλωμα.
n Ύπαρξη διαφορετικών γειώσεων έχει σαν
αποτέλεσμα να μην υπάρχει σταθερό δυναμικό
αναφοράς.
n Η γείωση σ’ ένα τυπωμένο κύκλωμα, συνήθως, είναι
μια μεταλλική επιφάνεια του.

n Μερικοί πρακτικοί κανόνες για την δημιουργία
μιας γείωσης είναι :
n Δημιουργήστε μεγάλη επιφάνεια γείωσης,
αν είναι δυνατόν στην πλευρά των
εξαρτημάτων. Όσο μεγαλύτερες είναι οι
συχνότητες των σημάτων, τόσο μεγαλύτερη
πρέπει να είναι η επιφάνεια.
n Η γείωση σε ένα κύκλωμα πρέπει να είναι
ενιαία.
n Το μήκος των άκρων των εξαρτημάτων να
είναι μικρό.

n Όταν το κύκλωμα χρησιμοποιείται για μικρά σήματα,
τότε τα προβλήματα της γείωσης ή θωράκισης
επηρεάζουν την ακρίβεια της λειτουργίας του.
n Κατά το σχεδιασμό ενός κυκλώματος, είναι
απαραίτητη η δημιουργία γραμμών τροφοδοσίας και
γραμμών γείωσης.
n Μια γραμμή τροφοδοσίας μεταφέρει το ρεύμα
τροφοδοσίας σε όλα τα σημεία του κυκλώματος,
ενώ μια γραμμή γείωσης μεταφέρει και ρεύμα αλλά
χρησιμοποιείται και για να καθορίσει το σημείο
αναφοράς για τα ηλεκτρικά σήματα.
n Η αλληλεπίδραση των δύο αυτών λειτουργιών
οδηγεί σε ένα πρόβλημα, που λέγεται βρόχος
γείωσης.

n Στην περίπτωση που έχουμε
απομακρυσμένες μετρήσεις, δεν μπορούμε
να αποφύγουμε διαφορετικές γειώσεις για τις
πηγές σήματος και το μετρητικό όργανο. Στην
περίπτωση αυτή απαιτείται η χρήση
κατάλληλων βαθμίδων εισόδου όπως ένας
ενισχυτής οργάνων (instrumentation
amplifier).


Συλλογή Μεταφορά και Έλεγχος Δεδομένων Θεωρία κεφ. 3

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (16)

Similar to Συλλογή Μεταφορά και Έλεγχος Δεδομένων Θεωρία κεφ. 3

Similar to Συλλογή Μεταφορά και Έλεγχος Δεδομένων Θεωρία κεφ. 3 (20)

More from Theodoros Leftheroudis

More from Theodoros Leftheroudis (20)

Συλλογή Μεταφορά και Έλεγχος Δεδομένων Θεωρία κεφ. 3