UNIVERZITET U TUZLI – MAŠINSKI FAKULTET

S E M I N A R S K I R A D

Tema: Senzori bazirani na promjeni otporaPredmet: INTELIGENTNI SENZORI

Ime i prezime: Almin RadovovićBroj indeksa: III-120/07Odsjek: MehatronikaDatum: 06.09.2010

1

SADRŽAJ

1. Uvod...........................................................................................................................................42. Vrste otporničkih senzora..........................................................................................................52.1. Otpornički senzori od čvrstih materijala...................................................................................52.2. Tekućinski otpornički senzori.....................................................................................................62.3.Gasni otpornički senzori.............................................................................................................63. Obilježavanje otporničkih senzora.............................................................................................74. Mjerne šeme sa otporničkim senzorima...................................................................................84.1. Šeme sa pasivnim mjernim mostom.........................................................................................84.2. Mjerna šema za distanciono mjerenje otpora (I-metod).........................................................94.3. Potenciometarska šema (U-metod).........................................................................................104.4. Metod kompenzacije................................................................................................................114.5. Mjerne šeme sa logometrom...................................................................................................124.6. Metod mosnih pojačivača........................................................................................................134.7. Šeme sa frekventnom modulacijom.........................................................................................165. Otpornički senzori sa nizovima elektroda.................................................................................175.1. Priključivanje taktela................................................................................................................186. Otpornički senzori sa VLSI kolima.............................................................................................197. Zaključak...................................................................................................................................218. Literatura..................................................................................................................................22

2

POPIS SLIKA

Slika 3.1. Oznake otporničkih senzora: a) opšta oznaka, b) potenciometarski senzor pomaka, c) senzor mehaničkog naprezanja, d) termootpornik sa pozitivnim temperaturnim koeficijentom, e) termootpornik sa negativnim temperaturnim koeficijentom, f) fotootpornik, g) fotodioda, h) kontaktni senzor

Slika 4.1. Vitstonov most s otporničkim senzorom

Slika 4.2. Distanciono mjerenje otpora I-metodom

Slika 4.3. Detekcija promjene otpora potenciometarskog senzora: a) mjerna šema, b) statička karakteristika, c) realizacije potenciometarskih senzora

Slika 4.4. Mjerenje otpora senzora metodom automatskog uravnoteživanja mjernog mosta

Slika 4.5. Šema otporničkog senzora sa logometrom

Slika 4.6.a) principijelna šema

Slika 4.6.b) napajanje

Slika 4.6.1. Mosni pojačavač: a) za senzore sa velikom promjenom otpora, b) za senzore sa malom promjenom otpora (šema sa podešavanjem opterećenja pojačavača)

Slika 4.6.2 Kolo za linearizaciju izlaza Vitstonovog mosta

Slika 4.6.3. Priključivanje Vitstonovog mosta na instrumentacioni pojačavač

Slika 4.7. Pretvaranje promjene otpora u frekvenciju

Slika 5. Otpornički senzor: a) konstrukcija sa otporničkim slojem, b) konstrukcija sa optporničkim trakama od polimera

Slika 5.1. Odzivi senzora pri preključivanju od strukture 16×1 do strukture 16×16

Slika 6.1. Otpornički senzor sa ugrađenim VLSI kolima: a) struktura, b) komparator, c) neopterećen taktel, d) opterećen taktel

3

1. UVOD

Promjena električnog otpora u zavisnosti od djelovanja mehaničke sile, temperature ili zračenja odavno se primjenjuje u tehnici senzora. Kod poluprovodnika je uočeno da na površini dolazi do razmjene elektrona sa atomima i molekulima iz okoline – tako su nastali hemirezistori, otpornici osetljivi na koncentraciju kiseonika, vodonika, metana i drugih gasova. Kada se takav otpornik prekrije slojem biološkog materijala koji omogučava pretvaranje koncentracije tečnog sadržaja u koncentraciju gasa, dobija se biosenzor. Agregatno stanje senzorskog otpornika može biti čvrsto, tečno ili gasovito.

Za gradnju otporničkih taktilnih senzora upotrebljavaju se otpornici čija otpornost zavisi od pritiska. Njihove osobine su:

• velika osjetljivost na promjenu pritiska (osetljivost ΔR/Δp nije konstanta jer je statička karakteristika nelinearna:R= (k/p) +Ru, pri čemu su k/p kontaktna (prelazna) otpornost i Ru unutrašnja otpornost);

• otpornost u neopterećenom stanju je 1−30 kΩ;• minimalna otpornost pri maksimalnom opterečenju je 5−100 Ω, tako da se mogu izbeći

velike struje i preopterečenja analognih kola, a da se istovremeno omogući primena radnog napona do 10 V i olakša eliminacija šuma;

• dugovječnost (izdržljivost), tj. više od 106 ciklusa neopterećen ⇔ opterećen, pri čemu se

karakteristike senzora ne menjaju više od 5%.

Provodni elastomer je prirodna ili vještačka guma koja se pod djelovanjem sile sabija ili isteže i pri tome menja električnu otpornost. Spužvasta guma sa dodatkom ugljenika najstariji je elastični otpornik. Zbog nestabilne statičke karakteristike, velikog histerezisa, pojave zamora izazvanog dodatnim naprezanjem u tačkama sa česticama ugljenika, kao i zbog neuniformnih i slučajnih varijacija otpornosti, provodna guma nije pogodna za gradnju kontinualnih već samo binarnih taktilnih senzora. Navedeni nedostaci mnogo su manje izraženi kod sintetičkih elastomera, koji se prave od organskih polimera na bazi silicijuma − poznatih kao silikonske gume. Veliku perspektivu imaju tzv. provodne matrice od finih elastičnih vlakana impregniranih provodnim materijalom. U nenapregnutom stanju postoji određena vrijednost otpornosti poprečno na matricu. Otpornost se mijenja kada djeluje pritisak jer se vlakna približavaju i dodiruju, stvaraju se novi i kraći provodni putevi, uz istovremeno smanjivanje kontaktne otpornosti na mjestu dodira vlakana.

4

2. VRSTE OTPORNIČKIH SENZORA

- Otpornički senzori od čvrstih materijala- Tekućinski otpornički senzori- Gasni otpornički senzori

2.1 Otpornički senzori od čvrstih materijala

Otpornički senzori od čvrstih materijala primenjuju se za mjerenje veličina koje su u vezi sa djelovanjem mehaničke sile ili temperature. Prave se od metala ili poluprovodnika. Otpor metalnih senzora računa se na osnovu poznate formule:

(2.1)gdje su: R- otpor na nominalnoj temperaturi ambijenta t = 20°C [Ω] , ρ specifični otpor,koji zavisi od osobina materijala od kojeg je otpornik napravljen [Ωm], l dužina otpornika [m] i S poprečni presjek otpornika [m2 ].

Djelovanje mehaničke sile odražava se na otpornički senzor od metala kao promjena njegovih geometrijskih parametara – dužine l i preseka S. Osetljivost napromenu dužine l je konstantna:

(2.2)a osjetljivost na linearnu promjenu poprečnog presjeka je nelinearna:

(2.3)Osnovno svojstvo svih čvrstih otpornika je da im otpor u manjoj ili većoj mjeri zavisi od

temperature. Na toj osnovi grade se temperaturni senzori, koji su vrlo rasprostranjeni i cjenjeni u tehničkoj praksi. Zavisnost otpora od temperature je nepoželjan efekat kada je u pitanju mjerenje mehaničkih veličina. U opštem slučaju promjena otpora u zavisnosti od temperature je eksponencijalna:

(2.4)gdje su: A- konstanta [Ω], a temperaturni koeficijent [1/ °C] i T temperatura [oC].Obično se promena otpora posmatra u odnosu na neku referentnu temperaturu T0 , najčešće u odnosu na T0 = 0 0C ili T0 = 20 0C. Tako se dobija modifikovana jednaćina (2.4), pomoču koje se izračunava otpor na aktuelnoj temperaturi T:

(2.5)Razvojem u Tajlorov red, eksponencijalna jednačina (2.5) transformiše se u polinom n-tog stepena:

(2.6)gdje su: R0 otpor na referentnoj temperaturi T0 , Rt otpor na aktuelnoj temperaturi T, a α, β itd. odgovarajući temperaturni koeficijenti otpora. Analiza polinoma (2.6) pokazuje da je temperaturna osjetljivost ΔR/ΔT otpornićkih senzora nelinearna. Za metale je ova osjetljivost pozitivna, a za poluprovodnike negativna ili pozitivna. Za tehničku praksu posebno su interesantni metali i poluprovodnici koji u određenim temperaturnim dijapazonima imaju konstantnu osjetljivost. To su

5

termootpori koji služe kao osnov za gradnju senzora temperature. Kod poluprovodničkih otpornika intenzitet osvjetljenosti ima uticaj na promjenu otpora. Naime, unutrašnji otpor Ru većine poluprovodnika linearno se smanjuje sa povećanjem intenziteta osvjetljenosti. Ovo je unutrašnji fotoefekat. Od poluprovodnika s jako izraženim unutrašnjim fotoefektom prave se fotootpornici, kojisluže za gradnju fotosenzora. Promjena unutrašnjeg otpora ΔRu fotosenzora u zavisnosti od promjene intenziteta osvetljenosti ΔEs je osetljivost:

(2.7)

2.2 Tekućinski otpornički senzori

Tekućinski otpornički senzori su rastvori elektrolita, pa se često nazivaju elektrolitičkim senzorima. Promjena otpora u zavisnosti od promjene geometrije elektroda i promjene geometrije rastvora između elektroda u tehnici senzora nema praktični značaj. Osjetljivost na temperaturu i osjetljivost na hemijski sastav elektrolita su više izražene.

Promjena otpora u zavisnosti od količine i vrste rastvorenog materijala predstavlja osnov za elektrohemijsko mjerenje koncentracije tog materijala u rastvoru. Naime, s rastvaranjem materijala u vodi dolazi do elektrolitske disocijacije. Molekuli materijala raspadaju se na elektropozitivne (katjone) i elektronegativne (anjone) dijelove. Većem stepenu disocijacije odgovara manji otpor. Ovaj efekat primjenjuje se u mjerenju koncentracije elektrolitičkih rastvora. Statička karakteristika: koncentracijarastvora – električna vodljivost rastvora, ima konstantnu osetljivost, ali je velika smetnja njena zavisnost od temperature.

2.3 Gasni otpornički senzori

Gasni otpornički senzori prave se kao stakleni baloni (cijevi) ispunjeni razrjeđenim gasom. Rade na osnovu osobine vodljivih gasova da im otpor zavisi od pritiska i jačine svjetlosti, dok zavisnost od temperature i razmaka između elektroda nema praktični značaj.

Zagrijavanjem negativne elektrode (katode) dolazi do termoelektronske emisije elektrona. Oslobođeni elektroni sudaraju se sa molekulima gasa i joniziraju ih. Količina jona proporcionalna je gustini gasa, odnosno pritisku gasa. Princip rada gasnih otporničkih senzora primenjuje se u gradnji senzora niskog apsolutnog pritiska, tj. visokog vakuuma.

Katode napravljene od nekih materijala, na primer, od kalijuma ili cezijuma na srebrenoj podlozi, podložne su vanjskom fotoefektu. Kada se takva katoda osvjetli, nastaje proces fotoelektronske emisije elektrona. Radi ubrzanja procesa izme|u katode i anode priklju~uje se jednosmerni napon reda 100 V. Struja koja se javlja kao rezultat fotoefekta zavisi od intenziteta svetlosti, pri čemu su fotoćelije na bazi jednog materijala izrazito osjetljive na određenu talasnu dužinu svjetlosti.

6

3. OBILJEŽAVANJE OTPORNIČKIH SENZORA

Na slici 3.1. prikazane su oznake otporničkih senzora. Vrijednost otpora je od nekoliko oma do nekoliko megaoma, što zavisi od načina rada senzora. To su sve analogni senzori, osim posljednjeg (slika 3.1h), koji predstavlja kontaktni senzor sa dva stanja. U otvorenom stanju njegov je električni otpor beskonačan, a u zatvorenom stanju otpor mu je nula.

Slika 3.1. Oznake otporničkih senzora: a) opšta oznaka, b) potenciometarski senzor pomaka, c) senzor mehaničkog naprezanja, d) termootpornik sa pozitivnim temperaturnim koeficijentom, e) termootpornik sa negativnim temperaturnim koeficijentom, f) fotootpornik, g) fotodioda, h) kontaktni senzor

7

4. MJERNE ŠEME SA OTPORNIČKIM SENZORIMA

4.1 Šeme sa pasivnim mjernim mostom.

Principi rada pasivnih mjernih mostova dobro su izučeni u teoriji mjerenja. Zbog svojih kvaliteta imaju značajno mesto u tehnici senzora, odnosno kod mjerenja otpora, kapaciteta ili induktiviteta senzora. Mostovi se u načelu dijele prema izvoru napajanja na istosmjerne i naizmjenične.

Najpoznatiji je Vitstonov most, koji se sastoji od: četiri grane u kojima su otpori, izvora napajanja, koji se dovodi na jednu dijagonalu mosta, te indikacionog instrumenta, tzv. nul-indikatora, koji se priključuje na drugu dijagonalu mosta (slika 4.2). Napon izvora U0 za napajanje mosta određuje se prema snazi otpornika, odnosno prema maksimalnoj dozvoljenoj struji Imax kroz otpornike u granama BCA i BDA: U0 = Imax(R1 + R2) ili U0 = Imax(R3 + R4). Podatak o vrijednosti Imax može se lako izračunati iz poznate snage otpornika: Pnom = I2

max Rnom. Obično su svi otpornici u mostu iste snage.

Slika 4.1. Vitstonov most s otporničkim senzorom

Ako je unutrašnji otpor naponskog izvora R0 ≈0, struja u izlaznoj dijagonali mosta CD može se odrediti primenom Tevenenove teoreme:

(4.1)Za merenje napona upotrebljavaju se kvalitetni instrumenti, sa velikimunutra{njim otporom Ru =∞, tako da je:

(4.2)

Poželjno je da osjetljivost na R1 bude što veća i da je konstantna na području promene otporničkog senzora R1. Maksimalna osetljivost SU=1/4U0 postiže se kada je R1=R2 i R3=R4. Međutim, pri takvom odnosu osjetljivost se mijenja zbog promjene otpora senzora, opterećenja i napona napajanja, a izlaz je linearan samo za male vrijednosti ΔR1. Kompromis između konstantne

8

osjetljivosti, dobre linearnosti neosjetljivosti na varijacije opterećenja i napajanja na željenom opsegu ΔR1/R1 postiže se izborom odnosa otpornika mosta R2=bR1, R3=eR1 i R4=ebR1, gdje su e i b konstante mosta, određene u fazi projektovanja. Preporučuje se 1 < b < 10 i 1 > e > 0, 1 .Nelinearnost mosta izračunava se kao odstupanje od realne statičke karakteristike U = f (ΔR/R) od idealnog pravca. Pravac se definiše ili kao tangenta na statičku karakteristiku u koordinatnom početku ili kao terminalni pravac koji prolazi kroz početnu tačku (0,0) i krajnju tačku [Umax, (ΔR/R)max]. Proračun nelinearnosti znatno je složeniji kada je otpornički senzor i sam izrazito nelinearan, kao što je to u slučaju otpornika sa negativnim temperaturnim koeficijentom. Tada se na nelinearnost mosta superponira nelinearnost senzora.

Standardni industrijski mjerni mostovi koji se primjenjuju za detekciju promjene električnog otpora imaju tačnost: do 0,5% za 1 < R1 < 100 000 , do 1,5% za 0, 01 < R1 < 0, 1, do 5% za 0, 005 < R1 < 0, 01 i 100 000 < R1 < 1 000 000Ω . Prema tome, mjerenje relativno malih otpora prati značajna greška zato što su takvi otpori istog reda veličine kao i otpori priključenih vodova i prelaznih kontakata. Da bi se smanjili ovi efekti i povečala tačnost do 0,05%, za 0, 001 < R1 < 1 000 , primenjuje se složeniji Tomsonov most – tzv. dvostruki Vitstonov most. Kao što je istaknuto, električni otpor svih otpornika u manjoj ili većoj mjeri zavisi od temperature. Radi smanjivanja uticaja temperature primjenjuju se specifične konstrukcije Vitstonovog mosta: most sa dva identična senzora u susjednim granama, most sa identičnim senzorima u suprotnim granama, te most koji u sve četiri grane ima senzorski otpornik.

4.2 Mjerna šema za distanciono mjerenje otpora (I-metod)

Često je potrebno otpornički senzor postaviti na veću udaljenost od centralne mjerne aparature. Ako se most postavi bliže aparaturi, tada otpor priključnih vodova od senzora do mosta smanjuje tačnost mjernog mosta. Zbog toga je dobro most postaviti bliže senzoru, ali se tada troši više kablova na povezivanje mosta sa centralnom aparaturom. Zato se za distanciono mjerenje otporničkog senzora primjenjuje metod mjerenja struje (slika 4.2):

(4.3)gdje su: R otpor senzora, RA unutrašnji otpor ampermetra, 2RL otpor priključnih vodova, U napon napajanja, I struja u mjernom kolu. Nadomesni otpor RJ podešava se tako da ukupna suma bude RJ + RA + 2RL = 50 Ω .

Slika 4.2. Distanciono mjerenje otpora I-metodom

Struja I je obrnuto proporcionalna sa otporom senzora R. Zbog toga osjetljivost izlazne struje nije konstantna:

9

(4.4)Na tačnost distancione metode utiče promena otpora vodova ΔRL /R. Uticaj je veći ako su

male promjene ΔR/R, a gotovo je zanemariv ako su velike promjene ΔR/R. Osim toga, ako su male ΔR/R, promjena izlazne struje je veoma mala i samjerljiva je sa djelovanjem smetnji.

4.3 Potenciometarska šema (U-metod)

Primenjuje se za mjerenje otpora senzora na bliskim rastojanjima (slika 9.4a). Senzor u ovom slučaju ima oblik potenciometra, tj. otpornika sa klizačem i pogodan je za mjerenje mehaničkih veličina.Na izlaz potenciometarskog pretvarača priključuje se merni blok čiji je ulazni otpor Ri . Izlazni napon je:

(4.5)gdje su: U - istosmerni ili naizmenični napon napajanja potenciometra, r- dio otpora potenciometra proporcionalan delovanju neke mehaničke veličine.

a) b)

c)Slika 4.3. Detekcija promjene otpora potenciometarskog senzora: a) mjerna šema, b) statička karakteristika, c) realizacije potenciometarskih senzora

10

Prema pravilu serijskog povezivanja blokova sa naponskim signalima, mjerni blok sa beskonačno velikim ulaznim otporom Ri neče opterećivati potenciometarski pretvarač. U tom slučaju statička karakteristika potenciometarskog senzora je pravac:

(4.6)a osjetljivost izlaznog napona je:

(4.7)Realni mjerni blok nema beskonačan ulazni otpor, zbog čega je senzor opterećen. Promjena

napona zbog priključenog opterećenja je greška mjerenja, tj. razlika idealnog izlaznog napona (4.5) i stvarnog izlaznog napona (4.4):

(4.8)Razlika između neopterećenog i opterećenog potenciometarskog senzora je manja što je

otpor opterećenja, odnosno unutrašnji otpor mjernog bloka Ri veći. Ako je Ri >> R, tada je, na osnovu jednačine (4.8):

(4.9)Maksimalna vrijednost odstupanja izlaznog napona računa se iz uslova da je prvi izvod nula:

dΔU/dr = 0 , što će biti kada je klizač u položaju r = 2R/3 , pa je:

(4.10)Na slici 4.3b prikazana je familija krivih u relativnom obliku, koje predstavljaju zavisnost

izlaznog napona Ui u funkciji otpora r za različite vrijednosti otpora opterećenja Ri. Moguće je da se napon sa potenciometarskog senzora mjeri pomoću kvalitetnog instrumenta, a da statička karakteristika ipak nije linearna. Razlog je obično u prevelikoj dužini priključnih kablova.

4.4 Metod kompenzacije

Metod kompenzacije ili uravnoteživanja podrazumijeva da se most, nakon što se otpor senzora promjenio, dovede ponovo u ravnotežno stanje. U tehnici senzora ima smisla samo automatska kompenzacija. Kada most nije u ravnoteži, na dijagonali CD formira se napon, koji se pojačava. Pojačani napon pokreće jednosmerni servomotor. Osovina motora je spregnuta s klizačem potenciometra za kompenzaciju. Zakretanje osovine motora ima takav smjer da most teži ravnotežnom stanju. Kada je veličina napona koji se dovodi na motor manja od njegovog praga osjetljivosti, motor miruje i proces kompenzacije smatra se završenim. Kazaljka indikacionog instrumenta takođe je povezana sa osovinom motora i na skali pokazuje vrijednost mjerene fizikalne veličine.

11

Slika 4.4. Mjerenje otpora senzora metodom automatskog uravnoteživanja mjernog mosta

Prednost ove metode je da pokazivanje uravnoteženog mosta ne zavisi od napona napajanja. Ravnotežno stanje u početnom momentu (ΔR1 = 0 ) je (R1 + Rk)R4 = R2R3 jer je klizač potenciometra tada u krajnjem desnom (nultom) položaju. Nakon promjene otpora R1 za ΔR1 je (R1 + ΔR1 + Rk −rk)R4 = (R2 + rk)R3 . Odatle proizilazi:

(4.11)Vidi se da je otpor rk direktno proporcionalan promjeni otpora senzora R1, zbog čega je

linearnost uravnoteženih mostova znatno veća nego neuravnoteženih. Proces kompenzacije odvija se u okolini ravnotežnog stanja, što znači da je izlazni napon mali, pa je za ovu klasu mostova karakteristična mala osjetljivost izlaznog napona i struje. Tipična tačnost automatskih mostova je od 0,25% do 1%, a vremenska konstanta procesa kompenzacije je 1 − 10 s .

4.5. Mjerne šeme sa logometrom

Mjerne šeme sa logometrom primenjuju se za distanciono mjerenje otpora senzora temperature (slika 4.5). Logometar je instrument sa dva namotaja, ukrštena pod uglom α na pokretnom sistemu, koji se nalazi u vazdušnom zazoru stalnog magneta. S obzirom na poseban profil zazora, u njemu je nehomogeno magnetno polje. Električni moment jednog namotaja M1 = k1 I1 f1(α) uravnotežava se električnim momentom drugog M2 = k2 I2 f2(α). Pokazivanje logometra je funkcija odnosa struja u namotajima:

(4.12)

12

Slika 4.5. Šema otporničkog senzora sa logometrom

Statička karakteristika, zavisnost između pokazivanja α i mjerenog otpora je približno linearna kada je mjereni otpor R2 , a nelinearna kada je mjereni otpor R1 . Osjetljivost mjerenja u prvom slučaju je konstantna, a u drugom zavisna od trenutne vrijednosti R1 :

i (4.13)Osnovne prednosti mjernih šema sa logometrom pokazuju se u mostovima i mjernim kolima

s nestabilnim napajanjem. Naime, struje u oba namotaja logometra proporcionalne su naponu napajanja, pa pokazivanje kao funkcija njihovog odnosa ne zavisi od napona. Ova osobina logometra očuvana je u dijapazonu promene napona napajanja od 30% od nominalne vrijednosti. Justirni otpor RJ ± određuje se tako da ukupni otpor linije RL + RJ bude jednak dogovorenoj vrijednosti, na primjer 50 Ω.

4.6 Metod mosnih pojačivača

U klasičnoj tehnici senzora promjena otpora koja nastaje zbog djelovanja neke fizikalne veličine najčešće se mjeri pomoću Vitstonovog mosta. Kao što je istaknuto, najveće ograničenje ove metode je osjetljivost izlaznog napona na nestabilnost napona napajanja i nelinearnost statičke karakteristike.

Radi poboljšanja mjerenja često se upotrebljavaju mosni pojačivači. Operacioni pojačivač, tri otpornika jednake otpornosti i otpornički senzor, aranžirani kao na slici 4.6a, obrazuju osnovnu šemu mosnog pojačivača. Radi jednostavnije analize sklopa, otpornički senzor je predstavljen pomoću nominalnog otpora R plus promjene otpora ΔR.

Napon napajanja E treba da je stabilan i pogodno odabran kako bi se dobio što povoljniji izlazni signal. Na slici 4.6b. prikazana je praktična šema, koja iza otporničkog djelitelja ima prosto naponsko sledilo. Napon E je tako manje osjetljiv na uticaj opterećenja. U konkretnom slučaju E se može regulisati u opsegu od −10, 7 V do +10, 7 V.

Slika 4.6.a) principijelna šema Slika 4.6.b) napajanje

13

Principijelna šema mosnog pojačivača (slika 4.6a) nije pogodna za praktičnu primjenu, jer je teško ostvariti da sva tri otpornika R imaju otpor jednak otporu senzora za početne uslove. Zato se posebno realizuju šeme za velike, a posebno za male promjene otpora senzora. Šema za velike promjene otpora senzora (slika 4.6.a) ima samo dva jednaka otpornika R1. Otpornički senzor postavljen je u povratnoj grani pojačivača.

Nakon ove procedure most je kalibrisan i izlazni napon je proporcionalan promjeni otpora senzora ΔR. Vrijednost Uizl računa se pomoću jednačine:

(4.14)gdje minus znači da izlazni signal ima suprotan polaritet u odnosu na mjereni prirast otpora ΔR. Ovaj nedostatak otklanja se dodavanjem jednog invertora.

a) b)Slika 4.6.1. Mosni pojačavač: a) za senzore sa velikom promjenom otpora, b) za senzore sa malom promjenom otpora (šema sa podešavanjem opterećenja pojačavača)

Za male promjene otpora primjenjuje se mosna šema sa senzorom na neinvertirajućem ulazu pojačivača (slika 4.6.1b). Ostale modifikacije u odnosu na prethodnu šemu vezane su za koeficijent k. Promjenom koeficijenta k podešava se izlazna struja, čime se uzimaju u obzir mogućnosti pojačivača u pogledu opterećenja.

Vitstonov most se i danas mnogo primjenjuje u tehnici senzora. Međutim, kada se u jednu granu mosta priključi otpornički senzor, napon na izlaznoj dijagonali mosta je nelinearan sa promjenom otpora senzora. Samo za male promjene može se smatrati da je izlaz linearan. Linearizacija se lako postiže sa dva operaciona pojačivača. Tačka A je na potencijalu nula (virtuelna masa), pa se na osnovu balansa struja u toj tački (I1 + I2 = −Ip ) dobija:

(4.15)Izlazni napon je direktno proporcionalan promjeni otpora senzora:

(4.16)Pomoću potenciometra podešava se izlazni opseg signala. Dvostrano napajanje izlaznog pojačivača omogućava detekciju negativnih vrijednosti ΔR, tj. smanjivanje RS u odnosu na nominalnu vrijednost.

14

Slika 4.6.2 Kolo za linearizaciju izlaza Vitstonovog mosta

Slika 4.6.3. Priključivanje Vitstonovog mosta na instrumentacioni pojačavač

Veću osjetljivost izlaznog napona i bolju linearnost daje konfiguracija sa mosnim kolom i tzv. instrumentacionim mjernim pojačivačem (slika 4.6.3). Otpornici R upareni su sa tačnošću do 1%. Senzor je i ovdje predstavljen sa R+ΔR. Potenciometar R podešava se tako da njegov otpor bude jednak početnoj vrijednosti otpora senzora R. Nakon uključenja mjernog mosta, pomoću potenciometra αR2 podesi se da izlazni napon bude nula, tj. Uizl = 0. Prema tome za ΔR<<R izlazni napon proporcionalan je ΔR, a izlazni opseg može se podešavati prema potrebi zahvaljujući podešljivosti pojačanja. Osim linearnog izlaza i velikog pojačanja, primjena instrumentacionog pojačivača omogućava i veliko potiskivanje zajedničke jednosmjerne komponente na ulazu. Njena vrijednost u konkretnom primjeru je E1 = E2 = 0, 5E pri Uizl = 0.

15

4.7. Šeme sa frekventnom modulacijom

Šeme sa frekventnom modulacijom imaj veliku stabilnost i rezoluciju. Promjene otpora u harmonijski ili impulsni signal čija frekvencija zavisi od mjerenog otpora primjenjuje se za senzore koji su locirani daleko od mikroprocesora, pri čemu se ujedno postiže i veća zaštita od šumova. Najčešće je otpornički senzor priključen u kolo Vinovog RC-oscilatora. Njegova rezonantna frekvencija mjenja se prema Tomsonovom obrascu fr = 1/2πRC u kome je R mjereni otpor i C kapacitet fiksnog kondenzatora. Za očitanje frekvencije izlaznog signala potreban je konvertor frekvencije u napon, frekvencmetar ili osciloskop (slika 4.7).

Slika 4.7. Pretvaranje promjene otpora u frekvenciju

Konvertor f /U sadrži Šmitov triger koji služi za formiranje pravilnih pravougaonih impulsa perioda T = 1/f , zatim diferencijator pozitivne promjene napona koji služi za detekciju usponske ivice, monostabilnog multivibratora koji daje impuls U0 konstantne širine T0 < T, te niskopropusni filter na čijem je izlazu jednosmjerni napon propocionalan frekvenciji f :

(4.17)

16

5. OTPORNIČKI SENZORI SA NIZOVIMA ELEKTRODA

Struktura ovog senzora sastoji se od dva niza paralelnih elektroda između kojih je sloj provodnog elastomera. Nizovi elektroda su postavljeni normalno jedan na drugi (slika 5.a). Kontaktna sila proizvodi lokalnu deformaciju elastičnog sloja, odnosno lokalnu promjenu otpornosti koja se detektuje između dvije odgovarajuće elektrode. Kada se senzor ugradi na prst robota, preko njega se stavlja jedna tanka membrana od polimera radi mehaničke zaštite. Membrana je upeta po obodu da se spreči njeno tangencijalno naprezanje. Ako se senzor ugradi i na ostale prste, posebnim programom uspostavlja se koordinacija dobijenih slika i formira potpuna taktilna vizija predmeta. Senzor sa nizovima elektroda i otporničkim slojem od elastomera po jednostavnosti je bez premca među taktilnim senzorima. Dobre osobine su: razmještaj elektroda napravljen prema potrebnom rasporedu taktela, multipleksiranje dato rasporedom elektroda i uniformnost parametara otporničkog sloja (svi takteli skoro jednaki). Glavni nedostatak je veliki broj žica za povezivanje senzora i elektronskog bloka − za n senzorskih elemenata potrebno je 2n žica.

a) b) Slika 5. Otpornički senzor: a) konstrukcija sa otporničkim slojem, b) konstrukcija sa optporničkim trakama od polimera

Savremenija konstrukcija u tehnološkom pogledu sastoji se od elastične polimerske osnove na kojoj su nanete tankoslojne trake metalnog provodnika, a preko njih je tankoslojni otpornički polimer debljine 0,05 mm. Dve ovakve strukture spajaju se jedna naspram druge pod uglom od 90° (slika 5.b). Ukupna debljina opisanog taktilnog senzora može da bude svega 0,125 mm, što omogućava apliciranje na prst različitog oblika i veličine. U presecištu vrsta i kolona dobijaju se takteli sa prostornom rezolucijom od 0,5 mm.Selektovanje. Otpornici (takteli) kod senzora sa otporničkim slojem i kod senzora sa otporničkim trakama formiraju mrežu. Zato se aktivni takteli ne mogu direktno mjeriti − mjerena struja grana sekroz susjedne kolone i vrste ako su neselektovane vrste otvorene. Neka je taktilna matrica 3 ×3 priključena na jednostavnu šemu za očitanje. Kada se očitava taktel sa otpornošću R11,strujno kolo bi trebalo da bude: +Uref − kolona 1 − R11 − vrsta 1.Međutim, kolo može da se zatvori i na drugi način, na primer: +Uref − kolona 1 − R21 − R22 − R12 − vrsta 1.

17

5.1. Priključivanje taktela

Obadva tipa otporničkih senzora (sa otporničkim slojem i otporničkim trakama) mogu da djeluju na sličan način kao taktilni senzori kod čovjeka. Prostorna rezolucija i zona detekcije taktilnih senzora kod čovjeka, naime, zavise od dubine na kojoj se senzori nalaze. Senzori koji su dalje od površine kože imaju nisku rezoluciju i reaguju na kontaktni pritisak na širokoj regiji, a senzori bliži površini imaju visoku rezoluciju i reaguju na manjoj regiji. Ovakav način rada može da se sintetizuje vještački: uključivanjem malog broja senzora na određenoj površini detektuju se dodir i intenzitet sile, a uključivanjem večeg broja senzora na toj istoj površini detektuju se distribucija sile, tj. oblik predmeta.

Kratkim spajanjem, na primer, dve susedne vrste one se ponašaju kao jedna. Na sličan način spajaju se i susjedne kolone, odnosno proizvoljan broj susjednih vrsta ili kolona. Prespajanje se kontroliše dinamički preko prekidača postavljenih između vrsta i između kolona.

Slika 5.1. Odzivi senzora pri preključivanju od strukture 16×1 do strukture 16×16

Na primjer, matrica 16×16 sa dinamičkim preključivanjem obično se prvo konfiguriše u matricu 1×1. Tada svi takteli rade kao jedan što omogućava samo detektovanje kontakta sa radnim objektom. Radi lokalizacije kontakta redom se uključuju strukture 2×2, 4×4, 8×8 i, na kraju, ako je potrebno, 16×16. Najveća frekvencija skeniranja postiže se kod 1×1, a najmanja kod 16×16 matrice. Za očitanje jednog taktela (adresiranje, prenos, A/D konverzija) treba 50 μs, pa je maksimalna frekvencija skeniranja matrice 1×1 tačno 20 kHz, a matrice 16×16 oko 80 Hz. Na slici 4.11 prikazan je postupak detekcije ivice tankog predmeta metodom rekonfiguracije struktura 16×1, 16×2, 16×4, 16×8 i 16×16. Prednostove metode je u brzini dobijanja taktilne informacije uz primjenu minimalnog broja komponenti.

18

6. OTPORNIČKI SENZOR SA VLSI KOLIMA

Ako se elektronska kola za obradu signala kod senzora sa otporničkim elastomerom postave podalje od taktilne površine, tada je broj od n+1 ili 2n žica za povezivanje suviše veliki, posebno kadažice idu preko pokretnih prstiju šake robota. Osim toga, kroz žice tada idu paralelne i neobražene informacije. Ugradnju elektronskih kola neposredno uz senzore, međutim, teško je ostvariti zbog skučenog prostora u prstima robota. Ovi problemi izvanredno su rješeni inplantacijom elektronskih kola vrlo visokog stepena integracije VLSI (Very Large Scale Integration) direktno u strukturu taktilnog senzora.

Senzor ima višeslojnu strukturu: ispod sloja otporničke gume je silicijumska osnova (wafer) sa VLSI kolima u kojima su svi analogni i digitalni elementi potrebni za obradu signala (slika 6.1.a). Na površini integrisanih kola nalaze se aluminijumske elektrode debljine 0,1−0,2 mm. Prostor između elektroda zaliven je izolatorskim slojem od kvarca radi zaštite VLSI kola i bolje selektivnosti kontakata između gume i kola. Promjena otpornosti elastične gume između dva kontakta jednog taktela detektuje se pomoću jednostavnog komparatora (slika 6.1.b). U nenapregnutom stanju između kontakata otpornost gume je R=1000 Ω, a u opterećenom stanju pri defleksiji otpornost je R=100 Ω (slika 6.1.c,d).

Na komparator se nastavljaju digitalna kola za obradu, pri čemu svaki taktel ima svoja nezavisna kola i time je u potpunosti ostvareno paralelno procesiranje. Upotreba analognog komparatora omogućava detekciju sile sa većom rezolucijom od jednog bita po taktelu − umjesto jednog praga kompenzacije Uref tada postoji nekoliko pragova: Uref 1, Uref 2, ... , Uref n.

Slika 6.1. Otpornički senzor sa ugrađenim VLSI kolima: a) struktura, b) komparator, c) neopterećen taktel, d) opterećen taktel

Prostorna rezolucija od 1 mm po taktelu, koja je inače tipična za industrijske robote, postiže se sa ovim tipom senzora bez teškoća − na prostoru od 1 mm lako se smešta sva potrebna

19

elektronika. Zbog ograničenja vezanih za konverziju pritiska u otpornost, zbog složenosti obrade u VLSI kolima i disipacije toplote u kolima, smatra se da je krajnji domet prostorna rezolucija 25×25 taktela na 1 mm2. Svaki taktel spojen je preko centralne komunikacione sabirnice RS−232C sa glavnim računarom, a preko lokalnih sabirnica sa susednim taktelima. Sekvencijalni kontroler zbog veličine nije smješten u samom senzoru već je eksterno spojen na sabirnicu preko interfejsa. Pomoću njega kontroliše se rad sabirnice i omogućava svakom taktelu napajanje, takt impulse, referentni napon Uref

i istovetnu sekvencu instrukcija. Zahvaljujući takvoj organizaciji takteli istovremeno i na isti način konvertuju pritisak u otpornost (napon), obrađuju mjerne signale i rezultate šalju preko sabirnice docentralnog računara.

20

7. ZAKLJUČAK

Senzori bazirani na promjeni otpora su danas vrlo značajni. Najveća primjena ovih senzora se nalazi u Robotici. Posebna prednost ovih senzora, jeste njihova veoma mala struktura, koja se krece i ispod 1mm, te se kao takvi koriste pretezno kao senzori dodira u šakama robota, koji mjere pod kojom jačinom šaka robota steže željeni predmet. Veoma značajnu ulogu ovom senzoru daje provodni elastomer. Provodni elastomer je prirodna ili vještačka guma koja se pod djelovanjem sile sabija ili isteže i pri tome menja električnu otpornost. Spužvasta guma sa dodatkom ugljenika najstariji je elastični otpornik. Zbog nestabilne statičke karakteristike, velikog histerezisa, pojave zamora izazvanog dodatnim naprezanjem u tačkama sa česticama ugljenika, kao i zbog neuniformnih i slučajnih varijacija otpornosti, provodna guma nije pogodna za gradnju kontinualnih već samo binarnih taktilnih senzora. Navedeni nedostaci mnogo su manje izraženi kod sintetičkih elastomera, koji se prave od organskih polimera na bazi silicijuma − poznatih kao silikonske gume. Veliku perspektivu imaju tzv. provodne matrice od finih elastičnih vlakana impregniranih provodnim materijalom. U nenapregnutom stanju postoji određena vrijednost otpornosti poprečno na matricu. Otpornost se mijenja kada djeluje pritisak jer se vlakna približavaju i dodiruju, stvaraju se novi i kraći provodni putevi, uz istovremeno smanjivanje kontaktne otpornosti na mjestu dodira vlakana.

21

8. LITERATURA

[1] Dr. Mladen Popović, Senzori i Mjerenja, zavod za udžbenike i nastavna sredstva, Srpsko Sarajevo, 2004.

[2] Dr. Mladen Popović, Senzori u Robotici, Viša Elektrotehnička škola, Beograd 1996.

[3] http://www.wikipedia.com/ , (05/09/2010)

22