Sensors

Inleiding Meten
en Modellen – 8C120
Prof.dr.ir. Bart ter Haar Romeny
Faculteit Biomedische Technologie
Biomedische Beeld Analyse
www.bmia.bmt.tue.nl
8C120
8C120
Sensors en Transducers
on
c
E
om
Transductie tussen fysische domeinen
h
isc
ele
flo ktro
m
w
m ag
luidspreker / microfoon, eter neti
/ p sch
lineaire motor /generator,
om e
p
piezo-element,
hefboom,
katrol-reductie
e
spi
r
zuiger,
trommelvlies
Hydraulisch,
Pneumatisch,
Acoustisch
trilhaarcel
translatie
Mechanisch
sm
ko oork
elk le
as p,
t
transformator
Elektrisch
rotatie
pomp,
propellor,
turbine
rem,
wrijving
schroefspindel,
lier
kruk-as,
wiel
motor / generator,
draaispoelmeter
Stirlingmotor
transmissie
(versnellingsbak)
Uitzetting,
geheugen metaal
ve
rbr
ex andi
pa ng
nd s-m
e
ex gas, ren oto
r:
plo
d
sie
Ohmse
weerstand
Thermisch
P
,
tie er
rp tral
o
s
s
ab arte
zw
exotherme reaktie:
verbranding
endotherme
reaktie
Chemisch,
nucleair
ie
elt
l em
r-e
en
t
Accu, Batterij,
brandstofcel,
zenuw
photo-diode:
(zonnecel)
staafjes,
kegeltjes
LED,
Laser,
vlamboog
Straling,
Licht
Fotosynthese
A. Veltman, 11-98
8C120
Sensors en Transducers
Twee typen transducers: actief en passief
1. Actief (sensor)
•
Externe energiebron nodig
•
Verandering in fysische grootheid leidt tot een verandering in
eigenschappen van de sensor
•
Voorbeeld rekstrookje: verandering in lengte leidt tot een
verandering in weerstand. Deze verandering in weerstand kan alleen
worden waargenomen in een extern elektrisch circuit (externe
energiebron nodig)
8C120
Sensors en Transducers
Twee typen transducers: actief en passief
2. Passief of self-generating (transducer)
•
Geen externe energiebron nodig
•
Converteert fysische grootheid rechtstreeks naar elektrisch signaal
•
Voorbeeld: thermokoppel  temperatuurverschil tussen twee
draden leidt tot elektrische stroom
8C120
Sensors en Transducers
Klassificatie
Op basis van operationeel principe:
1.
Resistive sensors en bridge circuits
2.
Capacitive sensors
3.
Inductive sensors
4.
Self-generating transducers
5.
Selectie criteria voor transducers
8C120
Sensors en transducers
Transducer ontvangt energie van het te meten object.
Transducer zet deze energie om in een vorm die bruikbaar is
voor het meetsysteem.
Voorbeeld: een kwikthermometer zet temperatuur om in
hoogte van de kwikkolom.
In dit college: transducers die energie omzetten naar het
elektrische domein.
Transducers kunnen zowel aan de ingang (sensor) als aan de
uitgang (actuator) van een meetsysteem voorkomen.
Meestal een wiskundig verband tussen ingang en uitgang van
een transducer.
8C120
Resistive sensors
1.
2.
3.
4.
5.
Rekstrookje (dit college)
RTD (resistive temperature device): weerstand platina neemt
toe bij toename temperatuur
Thermistor (NTC, Reader 1): weerstand halfgeleider neemt
toe bij toename temperatuur
Photoconductive cells (Reader 2): lichtabsorbtie leidt tot
verandering in elektronenconfiguratie wat leidt tot afname
weerstand
Potentiometer: positie van de knop bepaalt de weerstand
(dit college)
8C120
Resistive sensors - Potentiometer
Potentiometer
Vi +-
▓
V0
xi
+
Vi -
R1
R2
V0
xi
Positie Xi bepaalt de verhouding tussen R1 en R2
Kleine Xi betekent grote R1 en kleine R2
De verhouding R1:R2 bepaalt de uitgang V0
Op deze manier kan de potentiometer positie Xi bepalen
8C120
Figure 2.1 Three types of potentiometric devices for measuring displacements
(a) Translational. (b) Single-turn, (c) Multiturn.
(From Measurement Systems: Application and Design, by E. O. Doebelin. Copyright © 1990 by McGraw-Hill, Inc.
Used with permission of McGraw-Hill Book Co.)
8C120
Rekstrookje – strain gauge
4 mm
8C120
Resistive sensors – Wheatstone bridge
Resistive sensors produceren vaak kleine veranderingen in weerstand
Om deze kleine veranderingen te detecteren gebruikt men vaak de zgn. brug
van Wheatstone (zie BZ2 opg 7)
Ubat
A
B
R1 is de sensor. Verschil in weerstand
wordt gemeten door spanningsverschil
te meten tussen A en B
8C120
Capacitive sensors
Capacitive sensors:
Het object dat gemeten wordt kan de capaciteit van een plaatcondensator
veranderen
Verandering in capaciteit wordt o.a gemeten m.b.v brugcircuit
(n  1) A
C   r 0
d
0 = permittivity vrije ruimte = 8.85 10-11 F/m
r = relatieve permittivity
n = aantal platen
A = oppervlak plaat [m2]
d = afstand tussen platen [m]
8C120
Capacitive sensors
Voorbeelden
1.
Capacitance microphone: ruimte tussen twee
parallelle platen wordt beïnvloed door akoustische
motion
level
druk
2.
Capacitive level indicator: het niveau van een vloeistof
tussen twee parallelle platen bepaalt de capaciteit
3.
Capacitive displacement indicator: verplaatsing van
een van de platen leidt tot verandering in capaciteit
motion
8C120
8C120
8C120
Capacitieve sensors
C
X0
Vi=E
R
Vu

Als platen niet bewegen:
Spanning over condensator VC = E
Spanning over weerstand VR = 0, dus Vu = 0
Als platen bewegen:
Capaciteit C verandert, dus ook lading Q in condensator
Er gaat een stroom lopen en spanning over weerstand wordt VC – E,
dus ook VU = VC – E
8C120
Capacitive sensors
C
X0
Vi=E
R
Vu

Het teken van VU wordt bepaald door bewegingsrichting X0
Snelle beweging  grote stromen  hoge spanning VU
Langzame beweging  kleine stromen  lage spanning VU
Exacte eigenschappen meetsysteem afhankelijk van R en weerstand
spanningmeter
8C120
Sensitivity:
Figure 2.9 Capacitance sensor for
measuring dynamic displacement changes.
8C120
Figure 2.12 (a) High-frequency circuit model for piezoelectric sensor. Rs is the sensor leakage
resistance and Cs the capacitance. Lm, Cm, and Rm represent the mechanical system, (b)
Piezoelectric sensor frequency response. (From Transducers for Biomedical Measurements: Principles
and Applications, by R. S. C. Cobbold. Copyright (c) 1974, John Wiley and Sons, Inc. Reprinted by
permission of John Wiley and Sons, Inc.)
8C120