3 Senzory v mechatronických sústavách
3.1 Úvod
Senzory môžeme deliť podľa:
-merané veličiny na senzory teploty, tlaku, prietokov, radiačných veličín vo viditeľnom, infračervenom a inom spektre, mechanických veličín (posunutie, poloha, rýchlosť, zrýchlenie, sila, mechanické napätie a pod.), senzory elektrických a magnetických veličín a pod.
-fyzikálneho princípu na senzory odporové, indukčnostné, indukčné, kapacitné, magnetické, piezoelektrické, fluidikové, pyroelektrické, optoelektronické, optické vláknové, chemické, biologické a i.
-styku senzoru s meraným prostredím na bezdotykové, dotykové
-transformácie signálu na aktívne a pasívne
-tvaru dráhy pohyblivej časti, ktorej pohyb sledujeme, na lineárne a uhlové
-tvaru výstupnej veličiny na spojité a nespojité

Vlastnosti senzorov môžeme porovnávať na základe rôznych kritérií (presnosť, rozsah, výstupný signál, parazitné vplyvy a pod.). Zhrnutím týchto porovnávaní dostaneme skupiny senzorov, ktoré sa od seba kvalitatívne líšia. Vytvárame tak jednotlivé generácie.
1.generácia- pre konštrukciu senzorov sa využívajú základné fyzikálne javy. Sú to predovšetkým senzory odporové, indukčnostné, kapacitné, ionizačné, termoelektrické, piezoelektrické a pod. ich vývoj je v podstate ukončený. Výnimočne sa u tejto generácie stretávame s novými technológiami, použitím nového materiálu a konštrukcií. Celkom výnimočne sa stretávame s použitím nových fyzikálnych javov. O túto generáciu sa opiera súčasná automatizačná technika.
2.generácia- typické pre túto skupinu senzorov je využitie polovodičov a fyzikálnych javov spojených s polovodičmi. Ich nástup úzko súvisí s rozvojom polovodičovej techniky. Tieto senzory sa vyznačujú výrazne lepšími parametrami, predovšetkým pokiaľ ide o citlivosť, miniatúrne rozmery, dynamické vlastnosti, presnosť a ďalšie. Hľadajú sa nové fyzikálne javy, nové materiály. Dochádza k čiastočnému alebo úplnému zlúčeniu elektronickej časti informačného reťazca s čidlom. Vytvárajú sa hybridné alebo integrované senzory. Vývoj tejto generácie nie je ukončený. Preto je ďalej venovaná pozornosť predovšetkým tejto generácii.
3.generácia- u predchádzajúcich dvoch generácií senzorov je na výstupe vždy elektrický výstupný signál. Rýchly vývoj v optických systémoch(väčší rozsah použiteľných frekvencií, tetrabitová rýchlosť prenosu dát na jednom vlákne ) si žiada dokonalejšie senzory. Tieto senzory s možnosťou napojenia optických vlákien na iné vlnovody alebo na laserové lúče súhrnne nazývame mikro- elektro- mechanické systémy (MEMS). Názov MEMS sa využíva aj mimo optoelektroniku, čisto optoelektronické systémy nazývame MOEMS (mikro- opto- elektro-mechanické systémy). Tretia generácia je reprezentovaná senzormi optoelektrickými alebo svetlovodnými. Na ich výstupe je svetelný tok. Táto generácia nadväzuje na prenos signálu pomocou svetlovodov a využíva z toho vyplývajúce výhody. Ide predovšetkým o problém rušenia senzorov elektrickými alebo magnetickými poľami, možnosť prenosu signálu na väčšie vzdialenosti, veľká šírka pásma a niektoré ďalšie výhody. Tieto senzory sú v štádiu výskumu a vývoja. Niektoré typy sa však už sériovo vyrábajú. Veľmi zaujímavú skupinu tejto generácie predstavujú svetlovodné senzory. U nich pôsobí meraná neelektrická veličina na parametre svetlovodu tak, že je priamo ovplyvňovaný svetelný tok. Senzory tohto typu môžu mať výrazne väčšiu citlivosť a podstatne menšie rozmery než senzory pracujúce s prevodom na elektrický signál.

3.1.1Definícia senzoru
Senzor je funkčný prvok tvoriaci výstupný blok meracieho reťazca, ktorý je v priamom styku s meraným prostredím. Senzor je ekvivalentným pojmom k pojmom snímač, prevodník alebo detektor. Citlivá časť senzoru sa označuje čidlo.

Senzor sníma sledovanú fyzikálnu, chemickú alebo biologickú veličinu a tú podľa určitého princípu transformuje na meranú veličinu (vo väčšine prípadov je touto veličinou elektrická veličina). Existujú také senzory, ktoré neelektrickú veličinu transformujú priamo na číslicový signál. Meracia veličina je potom ďalej spracovaná ďalšími funkčnými blokmi meracieho reťazca. Na konci tohto reťazca je indikačné zariadenie, ktoré nás informuje o stave sledovanej veličiny, alebo nadväzujúci regulačný systém, ktorý podľa vopred daných pravidiel ovplyvňuje sledovanú veličinu.

Vo väčšine prípadov číslicového spracovania nameraného signálu je výstup tvorený buď číslicovým meracím prístrojom, ktorý je vybavený rozhraním pre diaľkové spracovanie dát, alebo na výstupe je priamo rozhranie umožňujúce prenos nameraných dát. Rozhranie je spoločná hranica, ktorá má presne definované charakteristiky pripojenia jak fyzického, tak signálového, funkčného i procedurálneho. U senzorov sa najčastejšie používa sériové rozhranie podľa európskeho doporučenia CCITT a amerického doporučenia ELA, a to RS-232-C a RS-485. Zatiaľ čo u rozhrania RS-232-C je dosah prenosu dát pri rýchlosti 20kb/s 15m, u RS-485 je to do vzdialenosti 1200 metrov s maximálnou rýchlosťou 20 Mb/s.
Ďalším sériovým rozhraním je Ethernet. Rozhranie môže bez problémov prenášať informáciu veľmi vysokými rýchlosťami od 10Mb/s do 1000Mb/s po krútenej dvojlinke i po optickom vlákne. Poslednou skupinou sú rozhrania pre bezdrôtový prenos dát, kam patria Bluetooth, WiFi a IrDA.

Pre náročné merania sa dá použiť paralelné rozhranie ako je IEEE 488.

3.1.2Inteligentné senzory
Vzhľadom k rýchlemu vývoju elektroniky, ktorý uľahčil vývoj nových prvkov a systémov, došlo k rozvoju elektronických obvodov pre spracovanie signálov získaných z čidiel neelektrických veličín.
Vďaka nutnosti zlučiteľnosti senzorov a nadväzujúcich analógových obvodov došlo k vývoju inteligentných senzorov, ktoré vychádzajú z technológie spojenia čidla s nadväzujúcimi integrovanými analógovými obvodmi na tom istom kremíkovom čipe.

3.1.3Štruktúra inteligentných senzorov
Dá sa rozdeliť na 3 časti:
1.vstupná časť- zaisťuje vstup meraných veličín, prevádza ich na elektrickú veličinu a tú prevádza na vhodný, prípadne i normovaný elektrický signál a zaisťuje ochranu senzoru proti pôsobeniu nežiadúcich vstupných veličín, či vplyvu okolia. Môžu ju vytvoriť prevodníky, membrány, zosilovače, stabilizátory, atď. jeden inteligentný senzor môže obsahovať viac čidiel rôznych veličín- hlavná veličina tak môže byť korigovaná vzhľadom k rušivým veličinám, napr. teplote. Môže tak zaisťovať prepínanie viac vstupných veličín, adresovanie v rade, v slučke či poli meraných bodov.
2.vnútorná časť- spracováva vstupný signál, zaisťuje nastavenie nulovej hodnoty, kompenzáciu vplyvu okolia, linearizáciu v celom rozsahu vstupných veličín, autokalibráciu meracej funkcie. Je tvorená A/D a D/A prevodníkmi, pamäťami, komparátormi, generátormi, mikroprocesormi. U najvyšších stupňov inteligentných senzorov sa využívajú prostriedky umelej inteligencie.
3.výstupná časť- zaisťuje komunikáciu senzoru s následnými zariadeniami, signalizáciu vlastnej funkcie a stavu, prípadne prevod číslicového signálu na normalizovaný analógový výstupný signál, signalizáciu meranej veličiny. Môže umožňovať miestne i diaľkové ovládanie. Dôležitou úlohou je ochrana pred pôsobením nežiadúcich javov na výstupe. Je tvorená obvodmi elektrických signálov.

Požiadavky na inteligenciu v jednotlivých častiach senzoru:
1.vo vstupnej časti- prevod fyzikálnej, chemickej alebo biologickej veličiny na elektrickú, zosilenie a filtrácia signálu, linearizácia prevodnej charakteristiky, normovanie signálu, ochrana proti pôsobeniu parazitov a pod.
2.vo vnútornej časti- analógovo- číslicový prevod, autokalibrácia elektrickej alebo neelektrickej časti meracieho reťazca, aritmetické operácie, číslicová linearizácia, štatistické vyhodnocovanie nameraných dát, hľadanie medzí, možnosť pridania umelej inteligencie, kde je senzor schopný na základe modelu a učiacich sa princípov rozoznať, či sú namerané dáta vierohodné, alebo nie.
3.vo výstupnej časti- unifikácia analógových výstupných, komunikácia prostredníctvom integrovaného rozhrania so zbernicovým systémom, číslicovo-analógový prevod a pod.

3.2Senzory polohy
Na presnom rotačnom alebo lineárnom posune závisia parametre celej rady automatizovaných systémov. Viacosové obrábacie stroje, jednoúčelové stroje, stroje pre technológiu povrchovej montáže a ďalšie podobné zariadenia používajú pre zistenie polohy lineárny, rotačný alebo uhlový senzor. Pri voľbe senzorov vychádzame z presnosti a rozlíšenia. Posudzujeme rýchlosť prenosu dát, rozmery senzoru, jeho zložitosť a cenu.

Typ senzoru volíme podľa materiálu sledovaného objektu, podmienok prostredia (tlak, vlhkosť, teplota, prašnosť, magnetické a elektrické pole ) a podľa typu detekcie. Musíme zohľadniť bezpečnú funkciu a technické požiadavky na senzor, ako je napájanie, typ výstupu, vzdialenosť detekcie medzi objektom a senzorom, citlivosť, presnosť, teplotná stabilita, hysterézia, maximálny spínací prúd a kmitočet.

3.2.1 Optoelektronické senzory
Pre detekciu objektov v priemyslovej automatizácii sa popri ostatných typoch senzorov vo veľkej miere uplatňujú optoelektronické a laserové senzory. Je to spôsobené ich rastúcimi výkonmi, ale zmenšujúcimi sa rozmermi. Používajú sa hlavne tam, kde je potrebná väčšia vzdialenosť medzi senzorom a snímaným objektom. (až niekoľko desiatok metrov)

Optoelektronické zdroje
Zdrojom sú luminiscenčné diódy a laserové diódy. Je pre nich typická malá energetická náročnosť, malé rozmery a váha.

a/ Lumiscenčné diódy LED
-sú polovičné prvky, ktoré majú jeden PN priechod. Princíp činnosti je založený na rekombinácii voľných nosičov náboja v oblasti prechodu pri prietoku prúdu diódou v priepustnom smere. Tento proces spôsobuje v aktívnej oblasti uvoľnenie energie v svetelnej forme.



b/ Polovodičový laser
Jeho základom je vysoko dotovaný PN prechod GaAs, ktorý tvorí aktívne prostredie. Je zdrojom koherentného optického žiarenia. Koherencia znamená, že všetky vlny majú rovnakú frekvenciu, polarizáciu a fázu. Princíp funkcie polovodičového laseru je založený na vynútenej emisii fotónov. Znamená to, že žiarenie je vynútené existenciou fotónu rovnakej frekvencie, polarizácie a fázy ako má emitovaný fotón.

Pokiaľ má k vynútenej emisii dochádzať, musí existovať aktívne prostredie s dostatočne veľkým zosilnením fotónov. Lasery, u ktorých je aktívne prostredie z pevnej látky, sú nielen polovodičové, ale môžu byť napr. rubínové alebo neodynové. Ďalej sú lasery plynové. Aby generovanie fotónov po určitej dobe neustalo, musí časť emitovaného žiarenia zostávať v aktívnom prostredí a vyvolávať vynútenú emisiu u ďalších fotónov. Existenciu tejto kladnej spätnej väzby zaisťujú dve planparalelné zrkadlá (tvoriace rezonátor), od ktorých sa časť fotónov odráža späť do aktívneho prostredia. Po niekoľkých odrazoch i tieto fotóny vyletia polopriepustným zrkadlom a prispievajú k celkovému žiarivému toku laseru. Podmienkou je tiež, aby v aktívnom prostredí prevládala vynútená emisia nad ostatnými protipôsobiacími javmi, napr. absorbcii a pod.

Prvé fotóny vznikajú vždy na princípe spontánnej emisie. Takto vzniknutý fotón stimuluje prechody Ďalších elektrónov, pričom pri dostatočnom budení tento proces narastá a dochádza ku generácii koherentného optického žiarenia.