PROIECT

SENZORI SI TRADUCTORI

PENTRU STUDIUL MEDIULUI

SENZORI DE POZITIE IN TREI DIMENSIUNI - GIROSCOP

2011

1

Cuprins

Pagina

Capitolul 1.Senzori : 1.1.Introducere……………………………………3

1.2.Caracteristicile senzorilor………………………4

1.3.Clasificarea senzorilor………………………….7

Capitolul 2.Giroscopul : 2.1.Scurt istoric………………………………..8

2.2.Ce este un giroscop?.....................................9

2.3.Principii fizice de masurare………………..11

2.4.Tipuri de giroscoape……………………….12

2.5.Aplicatii ale giroscopului………………….13

2.6.Exemple……………………………………13

Bibliografie

2

Capitolul 1

Senzori

1.1. Introducere:

Senzorul este definit ca fiind “un dispozitiv care detectează sau măsoară unele

condiţii sau proprietăţi şi înregistrează, indică sau uneori răspunde la informaţia

primită”. Astfel, senzorii au funcţia de a converti un stimul într-un semnal măsurabil,

cuprinzând atât traductorul, care transformă mărimea de intrare în semnal electric util, cât

şi circuite pentru adaptarea şi conversia semnalelor, şi eventual pentru prelucrarea şi

evaluarea informaţiilor. Stimulii pot fi mecanici, termici, electromagnetici, acustici sau

chimici la origine, în timp ce semnalul măsurabil este tipic de natură electrică, deşi pot fi

folosite semnale pneumatice, hidraulice, optice sau bioelectrici.

În gestionarea proceselor industriale, deosebit de importante sunt sistemele

inteligente de conducere, sisteme ce sunt bazate pe sisteme de calcul integrat sau nu.

Senzorii şi traductoarele elemente esenţiale ale sistemelor de automatizare a

dispozitivelor civile şi industriale şi se bazează pe un domeniu larg de principii fizice de

operare. De asemenea sunt utilizaţi şi în cazul cercetării, analizelor de laborator - senzorii

şi traductoarele fiind incluse în lanţuri de măsurare complexe, care sunt conduse automat.

Exista foarte multe clasificari ale senzorilor si traductoarelor: cu sau fara contact,

absoluţi sau incrementali (in functie de marimea de intrare), analogici sau digitali (în

funcţie de mărimea de ieşire) etc.

Alegerea senzorilor si traductoarelor trebuie făcută ţinând cont de proprietatea de

monitorizat, de domeniul în care variază aceasta, de dimensiunile ce trebuie respectate

sau de geometria sistemului, de condiţii speciale de mediu sau de lucru, de tipul mărimii

de ieşire şi nu în ultimul rând de cost.

3

Astfel pot fi identificaţi senzori de proximitate, traductoare de tip Hall, traductoare

de deplasare si viteză, senzori şi traductoare de forţă, senzori de temperatură, senzori de

umiditate, senzori pentru gaze, senzori de curent, switch-uri optice, senzori de presiune,

cititoare de coduri de bare etc.

1.2. Caracteristicile senzorilor :

Caracteristicile principale ale senzorilor pot fi definite prin următorii parametrii:

- domeniul de utilizare,

- rezoluţia (sensibilitatea - cel mai mic increment măsurabil al stimulului),

- frecvenţa maximă a stimulului ce poate fi detectat (selectivitatea),

- acurateţea (eroarea de măsurare raportată, în procente, la întreaga scală),

- dimensiunile şi masa senzorului,

- temperatura de operare şi condiţiile de mediu, durata de viaţă (în ore sau număr

de cicluri de operare),

- stabilitatea pe termen lung,

- costul.

Majoritatea acestor caracteristici sunt precizate în fişele de fabricaţie ale senzorilor.

1.2.1. Sensibilitatea

Sensibilitatea unui senzor este definită ca panta curbei caracteristicii de ieşire sau,

intrarea minimă a parametrilor fizici care va creea o variaţie a ieşirii.

La unii senzori, sensibilitatea este definită ca parametrul de intrare cerut pentru a

produce o standardizare a schimbării ieşirii. La altele, ea este definită ca tensiunea de

ieşire dată pentru schimbarea parametrului de intrare.

1.2.2. Eroarea de sensibilitate

Eroarea de sensibilitate este punctul de plecare pentru panta ideală a caracteristicii

curbei.

4

1.2.3. Domeniul de acoperire

Domeniul de acoperire al senzorului este maximul si minimul valorilor aplicate

parametrilor care pot fi măsurate.

De exemplu, un senzor de presiune dat poate avea domeniul de variatie intre –400

si +400 mm Hg. Alternativ, extrema pozitivă şi negativă sunt de obicei inegale.

1.2.4. Domeniul dinamic

Domeniul dinamic reprezintă domeniul total al variaţiei senzorului de la minim la

maxim.

1.2.5. Precizia

Termenul de precizie se referă la gradul de reproducere al măsurătorii.

Cu alte cuvinte, dacă exact aceleaşi valori au fost măsurate de un anumit număr de ori,

atunci un senzor ideal va scoate la ieşire aceaşi valoare de fiecare dată.

Senzorii reali scot însă la ieşire valori apropiate de valoarea reală. Să presupunem

că o presiune de 150 mm Hg este aplicată unui senzor. Chiar dacă presiunea aplicată este

constantă, valorile de la ieşirea senzorului variază considerabil. Apar astfel câteva

probleme din punct de vedere al preciziei când valoarea adevărată si valoarea indicată de

senzor nu sunt la o anumita distanţă între ele.

1.2.6. Rezoluţia

Rezoluţia reprezintă detecţia celui mai mic parametru de intrare care poate fi

detectat din semnalul de ieşire. Rezoluţia poate fi exprimată proporţional cu semnalul

citit, fie in valori absolute.

1.2.7. Acurateţea

Acurateţea este dată de diferenţa dintre valoarea actuală si valoarea indicată la

ieşirea senzorului. Din nou, acurateţea poate fi exprimată ca un procent sau în valori

absolute.

1.2.8. Offset-ul

5

Eroarea de offset al unui traductor este definită ca valoarea ieşirii care exista

atunci când ar trebui să fie zero, sau diferenţa dintre valoarea reală de la ieşirea

traductorului şi valoarea de la ieşire specificată de o serie de condiţii particulare.

1.2.9. Liniaritatea

Liniaritatea este expresia cu care curba măsurată se diferenţiază de curba ideală.

Neliniaritatea statică este uneori subiectul unor factori de mediu, inclusiv

temperatura, vibraţiile, nivelul acustic de zgomot si umiditatea. Este important de ştiut în

ce condiţii această caracteristică este validă şi se îndepărtează de acele condiţii care nu

furnizează modificări ale liniarităţii.

1.2.10.Liniaritate dinamică

Liniaritatea dinamică a unui senzor este o măsură a abilităţii sale de a urmării

schimbăriile rapide ale parametrilor de intrare. Caracteristicile distorsiunii amplitudinii,

caracteristicile distorsiunii fazei, si timpul de răspuns sunt importante pentru a determina

liniaritatea dinamică.

1.2.11.Histerezis-ul

Un traductor trebuie să fie capabil să urmărească schimbările parametrilor de

intrare indiferent din ce direcţie este facută schimbarea, histerezis-ul fiind măsura a

acestei proprietăţi.

1.2.12.Timpul de răspuns

Senzorii nu-şi schimbă starea de ieşire imediat când apare o schimbare a

parametrului de intrare, de obicei, va trece în starea nouă abia după o anumită perioadă de

timp.

Timpul de răspuns poate fi definit ca fiind timpul necesar ieşirii valorilor unui

senzor de a trece din starea precedentă spre o valoare stabilită in limitele unui domeniu de

toleranţă a noii valori corecte. Acest concept este într-un fel diferit de termenul de timp

constant (T) a sistemului. Acest termen poate fi definit într-o manieră similară cu cea a

unui condesator care se încarcă printr-un rezistor si este de obicei mai mic decât timpul

de răspuns.

6

1.3. Clasificarea senzorilor :

Există mai multe criterii de clasificare a senzorilor utilizaţi în sistemele de

comandă ale proceselor industriale:

- dacă intră sau nu în contact cu obiectul a cărui proprietate fizică o măsoară,

distingem:

o senzori cu contact;

o senzori fără contact;

- după proprietăţile pe care le pun în evidenţă:

o senzori pentru determinarea formelor şi dimensiunilor (pentru evaluarea în

mediu de lucru);

o senzori pentru determinarea proprietăţilor fizice ale obiectelor (de forţă,

presiune, de cuplu, de densitate şi elastici);

o senzori pentru proprietăţi chimice (de compoziţie, de concentraţie,

analizatoare complexe);

o după mediul de culegere a informaţiei:

senzorii pentru mediul extern,

senzorii pentru funcţia internă,

o după distanţa la care sunt culese informaţiile:

senzori de contact

Senzorii pot fi : acustici, mecanici, magnetici, termici, pentru radiatii, chimici,

bioelectrici (preiau semnalele electrice generate de corpul uman, în general), inteligenţi,

virtuali. Senzorii sunt conectaţi la circuite de condiţionare si prelucrare a semnalelor

furnizate de aceştia.

7

Capitolul 2

Giroscopul

2.1. Scurt istoric :

Cel mai vechi giroscop despre care există referinţe scrise a fost construit în 1817

de către Johann Bohnenberger. Pe atunci nu exista termenul de giroscop, astfel că

inventatorul şi-a botezat creaţia foarte simplu. L-a numit "Maşinăria". Matematicianul

francez Pierre-Simon Laplace i-a recomandat dispozitivul în scop didactic lui Léon

Foucault, creatorul mult mai celebrului pendul. Acesta l-a folosit în 1852 în cadrul unui

experiment care studia rotaţia Pământului, ocazie cu care dispozitivul şi-a căpătat şi

actualul nume, pe baza termenilor greceşti skopeein - a vedea şi gyros - cerc sau rotaţie.

8

Giroscopul lui Foucault

În jurul anului 1860, motoarele electrice au transformat conceptul într-unul

fezabil, ceea ce a dus la apariţia primului prototip de girocompas; primul girocompas

funcţional folosit în navigaţia maritimă a fost dezvoltat între 1905 şi 1908 de către

inventatorul german Hermann Anschütz-Kaempfe. Americanul Elmer Sperry a venit cu

propriul design în 1910, iar alte naţiuni au conştietizat şi ele foarte repede importanţa

militară a acestei invenţii - într-o epocă în care supremaţia militară pe mări şi oceane era

de o importanţă deosebită - creând propriile industrii de giroscoape.

2.2. Ce este un giroscop?

Giroscopul este un instrument care măsoară o viteză unghiulară. Este folosit în

principal în aeronave, nave, submarine pentru a determina viteza şi poziţia.

Giroscopul este un senzor de mişcare. Acesta oferă informaţii de viteza unghiulară

faţă de un sistem inerţial (care este fixată în ceea ce priveşte stele).

În limba franceză, există giroscopului şi giroscopului este un senzor de poziţie

unghiulară. Distincţia este uneori subtile, deoarece un singur dispozitiv poate funcţiona în

giroscop giroscop sau .

Un giroscop este un dispozitiv care te ajuta sa te orientezi in orice directie pe cele

3 axe de orientare.

Iti permite sa detectezi miscarea pe cele trei axe .

Un giroscop este un obiect sferic sau în formă de disc care se poate roti liber în

orice direcţie, întâmpinând o rezistenţă redusă din partea forţelor de frecare. Giroscoapele

sunt folosite adesea pentru a ilustra legea de conservare a momentului cinetic sau legea

9

inerţiei de rotaţie care ne învaţă că un obiect aflat în mişcare de rotaţie în jurul unei axe

va continua să se rotească în jurul aceleiaşi axe până când din exterior se va interpune un

vector forţă care îi va schimba direcţia de rotaţie. Giroscopul convenţional care intră în

compunerea sistemelor mecanice este format dintr-un rotor în formă de disc montat pe un

ax de rotaţie, care, la rândul său, este prins de o articulaţie cardanică. Există două

articulaţii cardanice, cea internă - care susţine rotorul şi axul de rotaţie, şi una exterioară,

pe care este prinsă prima. Sistemul cardanic descris anterior este prins la rându-i de un

cadru de susţinere, întregul ansamblu minimizând orice acţiune exterioară asupra

rotorului, astfel că orientarea acestuia rămâne fixă, indiferent de mişcarea platformei pe

care giroscopul este montat.

10

2.3. Principii fizice de masurare :

Principiul de măsurare optică a vitezei unghiulare

Măsurare a vitezei unghiulare este o aplicaţie a efectului Sagnac .Luaţi în

considerare un optic traiectorie circulară (raza R) într-un vid condus de un ω viteza de

rotaţie. După un timp t Δ, punctul P se află la poziţia P ". Două fascicule laser de călătorie

traseu în ordine inversă. Este posibil să se demonstreze că diferenţa optice calea α R

pentru o anumită direcţie de rotaţie este aproape ,unde c este viteza luminii .

Această expresie este scris ca (S este zona delimitată de cerc descris) şi

generalizează la toate suprafeţele.

11

2.4. Tipuri de giroscoape :

Există două tipuri de giroscoape optic:

- laser inel ;

- fibră optică giroscop .

Gyrometers cu elemente rotative

Partea neagra a giroscopului se roteşte. Se creează o inerţie care se opune în orice

moment axa de rotaţie .

12

Efectul giroscopic poate fi înţeles cu un router : în loc de a cădea, router-ul rămâne

în echilibru ca se roteşte. În principiu, se poate sta pe aceeaşi axă, chiar dacă sprijinul este

înclinată şi unghiul dintre rotor şi măsurile de sprijin de rotaţie de sprijin.

Acest efect, ca urmare a conservării momentului cinetic permite construirea de

măsurare. . Ele pot funcţiona ca sau ca giroscop giroscoapelor .

Vibratoare giroscop - Aceste giroscoape se bazează pe corp vibrează într-un

anumit mod de vibraţie (sau de direcţie) şi a căror rotaţie va ajuta excita un alt mod (sau

direcţia) din cauza aspectului de un cuplaj conectat la forţa Coriolis.Măsurarea

amplitudinii vibraţiilor de modul false pot fi urmărite înapoi la viteza unghiulară. Acest

principiu este deosebit de util pentru microsisteme făcute de microfabricare .

2.5. Aplicatiile Giroscopului :

Giroscoapele sunt folosite:

• stabilizarea o direcţie sau o trimitere mecanic, cum ar fi stabilizarea un aparat de

fotografiat, o antenă sau o privelişte infraroşu al unei rachete homing,

• în sistemele de ghidare de rachete sau rachete,

• în asociere cu accelerometre pentru a determina pozitia, viteza si atitudine a unui

vehicul (avion, masina, barca, submarine, etc) . În acest caz, este un dispozitiv

numit inerţial . Aceste dispozitive pot fi complementare cu un GPS cu excepţia

cazului în aplicaţii unde nu este utilizabil (submarine, sateliţi) .

2.6. Exemple :

PĂMÂNTUL ŞI TITIREZUL- DOUĂ EXEMPLE DE GIROSCOP

13

Pământul este un minunat exemplu de giroscop. Planeta noastră se roteşte în jurul

propriei axe în timpul deplasării sale în jurul Soarelui şi va continua să o facă neîncetat

atâta timp cât nicio forţă exterioară perturbatoare nu va acţiona asupra sa. De asemenea, o

jucărie faimoasă din copilăria noastră, titirezul, este un alt exemplu celebru de mecanism

giroscopic. Antrenat într-o mişcare de rotaţie, titirezul va continua să se învârtă în jurul

unei axe verticale până când frecarea dintre vârf şi suprafaţa de contact va genera un

vector forţă suficient de puternic pentru a genera precesia titirezului. Precesia constă în

deplasarea progresivă a axei de rotaţie, care descrie un con cu vârful într-un punct fix,

con care are tendinţa de a se apropia de suprafaţa Pământului. Mişcarea de precesie a

unui titirez este foarte bine sugerată de imaginea de mai jos, preluată de pe

wikimedia.org:

În final, frecarea încetineşte atât de mult titirezul încât acesta se opreşte din

mişcarea de rotaţie, atingând solul.

EXEMPLE DE MIŞCARE GIROSCOPICĂ

Pământul în mişcarea sa de rotaţie, ca şi titirezul, sunt două exemple clasice de

giroscop. În viaţa cotidiană putem observa deseori mişcări de acest tip, în cazul cărora

14

legea inerţiei de rotaţie facilitează şi prelungeşte durata deplasării. De pildă, o minge de

rugbi este mult mai facil de aruncat dacă i se imprimă o mişcare de rotaţie pentru a se

comporta asemenea unui giroscop. Atunci când i se imprimă o asemenea traiectorie,

mingea îşi va păstra orientarea pe toată durata aruncării. Dacă vârful mingii de rugbi este

puţin înclinat faţă de direcţia de rotaţie, unghiul de înclinaţie se va păstra până la recepţia

balonului oval la destinaţie. De asemenea, un glonț care părăseşte ţeava puştii descrie şi

el o mişcare de rotaţie, astfel că dobândeşte caracteristicile de mişcare ale unui giroscop.

Glonţul „muşcă” din aer, menţinându-şi astfel traiectoria dorită şi fiind mult mai greu de

deviat din drumul său spre ţintă. Reculul, rezistenţa aerului, vântul sau gravitaţia

acţionează asupra glonţului pe timpul deplasării spre ţintă, astfel că inerţia giroscopică de

care beneficiază în momentul în care părăseşte ţeava puştii se poate dovedi de mare

ajutor.

CUM FOLOSESC GIROSCOAPELE SISTEMELE DE PILOT AUTOMAT?

Pilotul automat cu care sunt dotate sistemele de navigaţie ale avioanelor folosesc

nu unul, ci mai multe giroscoape pentru asistarea sistemelor de navigaţie la determinarea

direcţiei de mers şi a celei de urmat. Un set de giroscoape orientate vertical detectează

schimbările de înălţime (orientarea sus-jos a nasului aparatului de zbor) sau de înclinaţie

a aripilor avionului de la planul orizontal de deplasare, prin crearea a ceea ce se numeşte

un orizont artificial. Orizontul artificial este o linie verticală la care sistemele de navigaţie

se raportează. Un alt set de giroscoape determină direcţia de deplasare a avionului, capul-

compas în termeni aviatici. Giroscopul direcţional este similar girocompasului folosit pe

multe aparate. Computerul care controlează setările pilotului automat ştie să reacţioneze

la indicaţiile giroscoapelor, făcând corecţiile de curs necesare.

15

Bibliografie

• Jean-Claude Radix,Gyrometers optice,Editura tehnici de inginerie , 10

septembrie 1999.

• Jean-Claude Radix, Giroscoape mecanice şi giroscoape cu rotative, tehnici

de inginerie Editura , 10 martie 2000 .

• Pierre Leger, Giroscoape mecanică vibratoare, tehnici de inginerie

publicarii , 10 decembrie 1999 .

• Hervé Lefevre, La efectul Sagnac în fibra optica giroscop, Conferinţa Ciclul

"Fizica în primăvara anului 2008" la "rotaţie, spin," 19 martie 2008.

16