3.2.3.2Odporové senzory kontaktové
Pracujú na princípe skokovej zmeny odporu v závislosti na zmene polohy alebo posunutí neelektrickej veličiny. Na konštrukcii kontaktov závisí spoľahlivá činnosť. Kontakt má mať zodpovedajúci tvar, byť uložený v puzdre a má byť použitý vhodný materiál (napr. Au, Pt, W). Tým zaistíme malý prechodový odpor, dlhodobú stálosť a nezávislosť na prostredí. Ako kontakt sa tiež používa ortuť. Kontakty sa ovládajú mechanicky alebo magnetickým poľom. Na princípe zmeny magnetického poľa spínajú Hallové sondy, Wiegandové s senzory a jazýčkové relé. Ako kryt sa u jazýčkových relé používa sklenená banka, v ktorej sú zatavené kontakty. Pôsobením vonkajšieho magnetického poľa sa jazýčky zmagnetizujú, na ich voľných koncoch sa objavia opačné magnetické póly. Tie sa potom vzájomne pritiahnu. Tento princíp sa používa u senzorov detekujúcich polohu piestu pneumatických motorov. Súčasťou piestu týchto motorov je permanentný kruhový magnet. cez hliníková plášť valca potom sníma senzor polohy piestov. Hallové sondy sa používajú všade tam, kde potrebujeme senzor s bezkontaktným spínaním.

3.2.4Dotykové maticové senzory
Sú mimoriadne vhodné predovšetkým na použitie v automatizovaných montážnych systémoch. Jedná sa napríklad o montáž, kedy je na manipuláciu s objektom potrebné vedieť veľkosť a tvar objektu, silu potrebnú na uchopenie objektu a vlastnosti povrchu materiálu. Pre realizáciu dotykových maticových senzorov DMS existujú rôzne fyzikálne princípy a konštrukčné riešenia, ktoré sa líšia rozmermi, vlastnosťami a použitím. Medzi najznámejšie a najčastejšie používané patrí využitie matice hrotov, princíp optický, piezorezistívny, piezoelektrický, tenzometrický a ultrazvukový.

3.2.4.1Hrotové maticové senzory
Matica hrotov predstavuje pravdepodobne najstarší typ taktilného senzoru. Skladá sa z matice čidiel posunutia s pomerne veľkým meracím rozsahom. Podľa typu použitých senzorov posunutia môžeme rozlíšiť 2 základné typy: analógový a binárny. Analógový senzor sa používa tak, že pevným pritlačením senzora ku skúmanému objektu sa štruktúra povrchu objektu prenesie na maticu hrotov snímača. Posunutie hrotov sa meria vhodnými analógovými snímačmi polohy každého hrotu. Najčastejšie sa používajú snímače indukčné a kapacitné, ale možno sa stretnúť aj s optickými. V prípade binárneho maticového senzora sa k hrotom pripájajú dvojhodnotové snímače polohy. Možno tak získať dvojrozmerný obraz meraného objektu. 3D obraz sa získava len pri použití analógového snímača, ak sa meria súčasne aj veľkosť posunutia jednotlivých hrotov.

3.2.4.2Piezorezistívne a piezoelektrické maticové senzory
Ako piezorezistívny je označovaný materiál, ktorý v závislosti na pôsobiacom zaťažení mení svoj elektrický odpor. Základom tohto materiálu je spravidla silikónová guma alebo kaučuk s výdatnou prímesou vodivých častíc. Ich priemerný podiel sa pohybuje v rozsahu 15 až 20%. Závislosť vodivosti takto vzniknutého materiálu na jeho napnutí je obvykle nelineárna, ale v obmedzenej oblasti použitia sa dá dostatočne linearizovať. Pri nulovom zaťažení je elektrický odpor takmer nekonečný. Pri zaťažení sa vodivé častice k sebe približujú až k vzájomnému dotyku a tým odpor klesá. Zmena elektrického odporu tak dosahuje rádovo niekoľko dekád. Obvykle sa ale nemeria odpor priamo, ale prostredníctvom zmien napätia alebo prúdu. Ako čidlo sa môže použiť na silu citlivý rezistor FSR . Zmena sily pôsobí na zmenu odporu. Meria zložku sily kolmú na povrch senzoru a s rastúcou silou sa zmenšuje odpor. Obvykle je dymenzovaný tak, aby zmena pôsobiacej sily z 0,1 N na 10N zmenila odpor z 1megaohm na 2 kiloohmy. Tento režim sa často využíva pre snímače na dotyk prsta. Základom odporového čidla sily je teda rezistívny element vyrobený technológiou hrubých vodivých polymerových vrstiev PTF. Pôsobením sily na povrchu sily sa vodivé častice vzájomne dotýkajú, vytvárajú paralelne pôsobiace vodivé dráhy (mostíky), takže odpor vrstvy s rastúcou silou klesá. Kontaktné vodiče a plôšky vytvárajú prepojenie vodičov s rezistívnou vrstvou. Môžu byť najrôznejšieho tvaru, ale často sa využíva tzv. meander. Veľmi dobrým riešením sú tiež piezoelektrické polyméry- materiál je poddajný, húževnatý a má malú mernú hmotnosť.

3.2.4.3Optoelektronické maticové senzory
Princíp optických dotykových senzorov sily spočíva v sledovaní zmeny intenzity lúča odrazeného do dotykového povrchu senzoru. Pretože intenzita lúča závisí od vzdialenosti fotocitlivého prvku a na taktilnom povrchu senzoru, dá sa určiť rozloženie pôsobiaceho zaťaženia.

3.2.5Indukčnostné senzory
Sú pasívne a pracujú na princípe, kde je meraná veličina privádzaná na zmenu indukčnosti L, alebo vzájomnej indukčnosti M. indukčnosť je pripojená do meracieho obvodu so striedavým napájaním najčastejšie mostíkového alebo rezonančného. Senzory pracujúce na indukčnostnom princípe sa používajú i pre meranie ďalších neelektrických veličín.

3.2.5.1Indukčnostné senzory binárne
Sú to pasívne, binárne alebo analógové senzory reagujúce len na kov. Základom senzoru je trvale pracujúci oscilátor, najčastejšie LC, ktorého kmitočet je bežne 0,1 až 1 MHz. V aktívnej zóne senzoru sa uzatvára elektromagnetické pole cievky. Pokiaľ sa do tohto priestoru priblíži elektricky vodivý predmet, vzniknú v ňom vírivé prúdy, ktoré vytvoria magnetické pole pôsobiace proti poľu , ktoré ich vyvolalo (potlačené pole). Jedná sa o využitie Lenzovho pravidla. Tým sa zmenšuje oscilačná amplitúda. Pokiaľ sa ďalej približuje vodivý predmet, zníži sa amplitúda natoľko, že jej zníženie vyhodnotí klopný obvod a zmení svoj stav. Tým zmení svoj stav aj výstupný obvod, ktorý podľa zapojenia zopne alebo rozopne spínač. V prípade analógového senzoru je schéma zapojenia upravená. Je vynechaný klopný obvod a oscilátor je realizovaný tak, aby nemohlo prísť k vysadeniu osciláciou. Amplitúda oscilácie musí klesať lineárne v závislosti na vzdialenosti. Výhodou indukčnostných senzorov je malá spotreba energie len v mW, vf magnetické pole nepodlieha rušeniu, neinterferuje s ostatnými a magnetický jav na povrchu predmetu je nevýznamný. Senzor je odolný voči prachu, vibráciám a vlhkosti, má vysokú spínaciu rýchlosť s jednoznačným zopnutím či rozopnutím vďaka použitiu bezkontaktného polovodičového snímača.

Pre triedenie drobných súčiastok je možné využiť indukčný kruhový senzor s výstupom 0 až 10 V. senzor je možné využiť i pre meranie polohy. V tom prípade sa používa merací kužeľ, ktorý sa zasúva do senzoru.

3.2.5.2Lineárny senzor polohy FLDT
Jedná sa o indukčnostný senzor pracujúci na princípe vírivých prúdov. Funkcia senzoru vychádza zo zmeny vlastnej indukčnosti cievky v závislosti na polohe feromagnetického jadra spojeného s meraným objektom. Jedná sa o rýchly lineárny senzor polohy. Skladá sa z valcovej cievky s feritovým plášťom. Do cievky zabieha jadro, hliníková trubička. Cievka je budená striedavým prúdom o kmitočete okolo 100 kHz. Vytvorené vysokofrekvenčné magnetické pole vyvoláva vo vnútornej vrstve vírivé prúdy. Výsledná indukčnosť závisí len na tej časti cievky, kde nie je zasunutá hliníková trubička, kde vystupuje magnetické pole.

3.2.5.3Lineárny senzor polohy LVDT
Lineárny rozdielový transformátor LVDT je tvorený transformátorom s primárnym vinutím N1, dvoma symetrickými sekundárnymi vinutiami N2, N3 zapojenými v protifáze. Zmenou polohy feromagnetického jadra sa mení vzájomná indukčnosť primárnych a sekundárnych cievok.

3.2.6Magnetostrikčné senzory
Pre meranie vzdialeností a nastavovanie polohy sú určené senzory lineárneho posunutia. Dá sa s nimi stretnúť v širokom spektre aplikácií v obrábacích, vstrekovacích, liacich, rovnacích, drevoobrábacích, rezacích a baliacich strojoch, lisoch a zdvíhacích, tvarovacích, valcovacích a zlievarenských zariadeniach, dopravných systémoch, portálových robotoch, letových trenažéroch, výťahoch atď. tieto senzory pracujú na magnetostrikčnom princípe. Vlnovod vo vnútri senzoru je torzne rozkmitaný vysokofrekvenčným pulzným signálom. Magnetické pole permanentného magnetu umiestnené v snímanom prvku spôsobí vo vlnovode prúdový impulz. Časová prestávka medzi počiatkami torzného a prúdového impulzu je priamo úmerná vzdialenosti snímacieho prvku. Elektronický prevodník potom mení nameraný čas na odpovedajúci analógový signál. Pretože pracovný princíp je bezdotykový, senzory sa neopotrebúvajú a vyžadujú skutočne len minimálnu údržbu. Senzory sú k dispozícii s meracími rozsahmi nastaviteľnými požadovaným krokom. Rôzne výstupy umožňujú pripojiť senzory k tradičným vyhodnocovacím i riadiacim jednotkám. Výborná linearita, reprodukovateľnosť a rozlišovacia schopnosť zaručujú presné meranie, poprípade nastavenie polohy. Meranie je absolútne, bez nutnosti vracať sa po výpadku napätia do referenčného bodu.

3.2.7Magnetické senzory
Rotačné magnetické senzory
a- senzor s Hallovými sondami
Rotačný senzor sa skladá z malého dvojpólového magnetu a čipu s maticou Hallových sond. Sondy v čipe snímajú zmeny magnetického toku pri rotácii inicializačného magnetu a vytvárajú Hallove napätie úmerné tejto zmene. Snímače reagujú len na zložku kolmú na povrch čipu. Dômyselným návrhom matice snímacích Hallových sond sa podarilo veľmi obmedziť vplyv externých magnetických polí a snímač je schopný pracovať i v prostredí s vysokou úrovňou magnetického rušenia a tiež sa vyrovnať s nedokonalosťami magnetického poľa inicializačného magnetu. Hallovo napätie z jednotlivých sond snímacej matice je spracované ďalšími obvodmi čipu do požadovaného formátu výstupu. Spôsob výroby čipu umožňuje v jednom čipe integrovať analógový, inkrementálny i absolútny formát.

b- senzor s magnetorezistormi
Tieto senzory využívajú k svojej činnosti magnetorezistory, nad ktorými sa pohybuje permanentný magnet. magnetorezistor je prvok, ktorého odpor závisí na hodnote indukcie magnetického poľa. Sú vyrábané buď ako feromagnetické AMR alebo polovodičové.

Pokiaľ požadujeme výstup v diskrétnej forme, môžeme použiť napr. inkrementálny senzor, ktorý je použitý v motoroch firmy Maxon. Využíva zmenu odporu v slabej vrstve magnetorezistívneho čidla zo zliatiny NiFe, ktorá je vyvolaná zmenou smeru magnetického poľa, v ktorom sa čidlo nachádza. Jedná sa o anizotropnú vrstvu v tvare pásiku s prierezom 50 nm .5 µm. Veľmi malý prierez zaisťuje dostatočne veľký elektrický odpor pre ďalšiu elektroniku. Senzor má malú citlivosť na nepresnosť montáže a na otrasy. Potrebuje podstatne menší priestor pre zástavbu než optické senzory, alebo senzory s Hallovými sondami. Pre jeho činnosť postačuje slabé magnetické pole. Behom otáčania permanentného magnetu v tvare kotúča so zmagnetizovanými 16 až 64 pólmi sa mení odpor magnetorezistívneho čidla presne podľa druhej mocniny sínusu uhla medzi smerom magnetického poľa a smerom prúdu v pásiku NiFe. Presnou interpoláciou je možné vytvoriť na výstupe až 1024 impulzov na jednu otáčku. Pásy pre 2 fázovo posunuté kanály a pre referenčný signál jedenkrát za otáčku sú súčasťou čipu senzoru. Závislosť senzoru od teploty bola vyriešená zapojením 4 páskov do Wheastsnovho mostíka, takže je eliminovaný vplyv teploty na odpor meracieho pásiku.

Magnetické senzory lineárne
Na meranie vysunutia piestnice pneumotoru využijeme tyče ako odmerné pravítko tak, že na tyči vytvoríme raster s magnetických značiek.

3.2.8Fluidné senzory
Základom sú pneumatické mostíky, využívajúce k svojej činnosti aerodynamické javy. Väčšinou neobsahujú pohyblivé mechanické časti a sú vhodné aj pre veľmi ťažké pracovné podmienky. Sú používané v upínacích mechanizmoch nástrojov pre obrábacie stroje, v tvarovacích strojoch , v lisovniach a v automatizovaných montážnych systémoch výrobných liniek.

3.2.9Ultrazvukové senzory
Pracujú na princípe odrazu ultrazvukových pulzov od detekovaného objektu. Senzor vyšle krátku sekvenciu zvukových pulzov, 10 až 20 periód s kmitočetom daným rezonanciou ultrazvukového meniča (rádovo desiatky kHz). Potom sa prepne do prijímacieho režimu a očakáva odraz od nejakého objektu. Ak snímač zachytí ultrazvukový signál, porovnaním vyslanej a prijatej sekvencie zistí, či naozaj ide o odraz vyslaného signálu. Ak áno, je na základe dĺžky časového intervalu medzi vyslaným impulzom a prijatým odrazom a rýchlosťou šírenia zvuku v danom prostredí vypočítaná vzdialenosť od sledovaného objektu. V prípade binárneho výstupu, ak došlo v sledovanej vzdialenosti k odrazu vyslaného signálu. Senzor môže byť realizovaný i s oddeleným vysielačom (reproduktorom) a prijímačom (mikrofónom).

Základné delenie ultrazvukových senzorov:
-pre priamu detekciu s kombinovaným vysielačom a prijímačom- jednohlavé systémy, merací rozsah 0- 6000mm, nastaviteľný
-pre priamu detekciu s oddeleným prijímačom a vysielačom – dvojhlavé signály
-jednocestná ultrazvuková závora- dvojhlavé systémy pre veľké vzdialenosti medzi vysielačom a prijímačom.

3.3Senzory teploty
K stanoveniu teploty sa využíva závislosť určitých fyzikálnych veličín na teplote, alebo teplotu meriame len nepriamo. Meranie teploty potom spočíva v tom, že porovnávame teplotu daného telesa s definovanou stupnicou. Medzinárodná teplotná stupnica ITS90 stanovuje 17 presne definovaných bodov. Základnou jednotkou termodynamickej teploty je stupeň Kelvina (K). Je definovaný zvolením termodynamickej teploty trojného bodu vody na pevne stanovenú hodnotu T=273,16 K. súčasne definuje i teplotu (t) v stupňoch Celzia ako t=T-T nula = T-273,15.

Senzory teploty môžeme podľa fyzikálneho princípu rozdeliť na odporové, termoelektrické, polovodičové monokryštalické a termistory dilatačné, optické, radiačné, chemické, magnetické atď.

Podľa styku s meraným prostredím sa delia na dotykové a bezdotykové. Ďalej ich rozdeľujeme na aktívne (generátorového typu), termoelektrické články a na pasívne, kde teplotu meriame nepriamo transformáciou na inú fyzikálnu veličinu.

3.3.1 Dotykové senzory teploty
3.3.1.1 Odporové senzory
Využívajú závislosť odporu materiálu od teploty. Najčastejšie sa k ich výrobe používajú čisté kovové materiály. U týchto materiálov je teplotný súčiniteľ odporu a kladný. Odpor pri teplote vypočítame: Rv= Rnula * (1+a Δ V).

Odporové čidlá teploty rozdeľujeme podľa druhu odporového materiálu čidla na kovové (platina, nikel a meď) a polovodičové monokryštalické (kremíkové a termistory). Elektrickým signálom týchto čidiel je úbytok napätia, ktoré vzniká na teplotne závislom odporu čidla priechodom meracieho prúdu.

V konštrukcii čidiel v minulosti prevažovali čidlá teploty v drôtikovom prevedení, ale v súčasnosti sa už dáva prednosť vrstvovým čidlám. Na povrch nosnej keramickej doštičky je nanesená vrstva odporového materiálu (Pt, Ni, Cu). Vlastné nanesenie sa prevádza rôznymi metódami, napr. metódou sítotisku, naparovaním alebo naprašovaním cez masku vo vákuu. Nastavenie základného odporu sa obvykle prevádza vypaľovaním odporovej dráhy laserom.

Polovodičové odporové čidlá bez PN prechodov majú monokryštalické alebo polykryštalické štruktúry. Medzi čidlá s monokryštalickou štruktúrou radíme napr. kremíkové čidlá. Ich teplotný rozsah použitia je v rozmedzí -50 až +150ºC, stredný súčiniteľ odporu kremíku je rádovo 10 na mínus druhú K na mínus prvú. Monokryštalické čidlo teploty pracuje na princípe kužeľovitého rozptylu prúdu medzi dvomi elektródami, pričom odpor štruktúry závisí od pohyblivosti voľných nosičov náboja a je preto funkciou teploty.

Veľmi rozšírenými polovodičovými čidlami sú termistory. Tie sa delia na skupinu s negatívnym súčiniteľom odporu- NTC(negastory), a na skupinu s pozitívnym súčiniteľom odporu - PTC(pozistory). Negastory sa vyrábajú práškovou technológiou z kysličníkov kovov. Vylisované čidlá sa spevňujú zlinovávaním za vysokých teplôt. Sú vyrábané v širokom rozsahu odporových hodnôt R nula (10º / 10 na šiestu Ω) pre teploty v rozmedzí ä-80/+200ºC). základnou nevýhodou je nelineárny priebeh charakteristiky a jej individuálnosť. Pozistory sa vyrábajú z polykryštalickej feroelektrickej keramiky, napr. titaničitanu bárnatého. Používajú sa pre presné merania v definovaných úzkych rozsahoch, tepelnej ochrany atď.

Odporové čidlá sa do meracieho obvodu pripájajú pomocou dvoch, troch alebo štyroch vodičov. Pre presné merania sa zásadne požaduje štvorvodičové zapojenie. Meria sa úbytok napätia na meraciom odpore napájanom konštantným prúdom zo zdroja I.

3.3.1.2 Termoelektrické senzory
Funkcia termočlánku teploty je založená na vzniku termoelektrického napätia v styku dvoch rôznych kovov, resp. polovodičov, ktorých konce sú umiestnené v prostrediach s rôznymi teplotami. Prevedenie čidiel závisí od typu merania a sú väčšinou vložené do puzdra. Neizolovaný, otvorený spoj sa doporučuje pre meranie teploty statického alebo prúdiaceho plynu, kde sa vyžaduje rýchla odozva. Izolovaný spoj sa doporučuje pre meranie v koróznom prostredí, kde je žiaduce, aby termočlánok bol elektricky izolovaný a odtienený od puzdra. Zemnený spoj sa doporučuje pre meranie teploty statického alebo prúdiaceho plynu či kvapaliny a pre aplikácie pri vysokom tlaku. Kontakt je zvarený s ochranným puzdrom. Meracie obvody termoelektrických článkov musia potlačiť rušivé signály, tj. predovšetkým kolísanie zrovnávacej teploty a ďalej vplyv odporov predlžovacieho a spojovacieho vedenia. Vplyv kolísania zrovnávacej teploty zrovnávacieho spoja sa eliminuje vložením kompenzačnej krabice pre jeden obvod, alebo dodržaním konštantnej teploty zrovnávacieho spoja termostatom regulujúcim teplotu na vyššej hodnote.

3.3.1.3 Polovodičové senzory PN
Čidlá využívajúce teplotnú závislosť PN prechodu sú termodynamické diódy a tranzistory. Meranou veličinou je úbytok napätia na prechode PN polovodičovej diódy (emitorová dióda tranzistoru) pre konštantnom prúde. Výstupné napätie obvodu je lineárnou funkciou zmeny napätia prechodu diódy báze-emitor ΔU BE, ktoré je dané teplotou prechodu. Napr. pre vťažnú teplotu T nula= 298 K a kremík je pomer prírastku napätia na dióde a zmeny teploty vyjadrený δU D /δT = -(2,0 až 205)mV*K na mínus prvú. Tieto čidlá sú využívané v integrovaných obvodoch, kde čidlo a elektronický obvod tvoria monolit. Čidlo je tvorené dvojicou bipolárnych tranzistorov napájaných zo zdroja prúdu. Toto usporiadanie sa nazýva PTAT obvod a je využívané v monolitickom senzore teploty s integrovaným sigma- delta modulátorom. Výstupný signál ma impulzne širokú moduláciu.

3.3.2 Bezdotykové senzory (pyrometre)
Merajú povrchovú teplotu telesa na základe vysielaného elektromagnetického žiarenia telesom. Prijímací detektor prijíma žiarenie vo vlnovej dĺžke od 0,4 µm do 25µm. jedná sa o rozsah teplôt od – 40 ºC do + 10000ºC. Senzory delíme podľa použitého princípu interakcie fotónov na:
-tepelné (termoelektrické, bolometrické a pyroelektrické)
-kvantové (PIN diódy, QWIP detektory atď.)

Plošné detektory sa používajú v maticovom usporiadaní FPA.

Pre bezdotykové senzory teploty sa používa názov pyrometre. Rozdeľujú sa na:
-úhrnné pyrometre (merajú celý rozsah tepelného žiarenia)
-monochromatické pyrometre (spektrálne selektívny pyrometer)
-pomerové pyrometre (pomer dvoch žiarení pri dvoch vlnových dĺžkach)
-pyrometre s optickými vláknami v infračervenej oblasti

Ďalším typom bezdotykového senzoru teploty je termovízny systém, ktorý môžeme rozdeliť na:
-termovízne systémy s opticko- mechanickým rozkladom
-termovízne systémy s maticovým detektorom

3.3.2.1 Termovízne systémy s maticovým detektorom
Informácia o zobrazovanom objekte a prostredí tvoriacom základné parametrické pole je systémom zobrazujúcim infračervené žiarenie rozložená na jednotlivé elementárne plôšky a v určitom časovom intervale zobrazená ako tepelný obraz- termogram. Podľa spôsobu rozkladu základného parametrického poľa v priestore a čase sa termografické systémy využívajúce rozklad delia na systémy s úplným rozkladom či s čiastočným rozkladom (skenovanie v riadku alebo v stĺpci). Inou možnosťou ako získať termogram je použiť systém bez rozkladu vstupnej informácie. Rýchlosť, akou systém dokáže transformovať základné parametrické pole na jeho obraz rozdeľuje termografické systémy na rýchle, pracujúce v reálnom čase a pomalé. Rýchlosť vzorkovania obrazového toku je u infračervených systémoch daná časovou konštantou detektoru a konštrukciou kamery a u systémoch používajúcich optomechanický rozklad tiež mechanickými vlastnosťami rozkladacieho mechanizmu. Základným prvkom termografického systému je detekčné čidlo, infradetektor. Detektory používané v súčasnej dobe sa dajú rozdeliť na:
-fonové, ktoré radiačný tok objektu menia priamo na elektrický signál
-tepelné, v ktorých radiačný tok vyvoláva zmenu teploty a zmena teploty zmenu odporu
-feroelektrické a pyroelektrické, u ktorých zmeny radiačného toku spôsobujú zmeny kapacity detektoru
-chladené fotokonduktívne detektory QWIP, v súčasnosti už s maticou až 640*480 pixelov.