Naslov seminarskog rada
Senzori
PB-173
Rezime: Tema koja će biti obrađena u ovom seminasrkom radu su
senzori. U uvodu ovog rada biti će predstavljena neka od aktuelnih
istraživanja u području tematike rada. Objasnit ću šta su to
senzori, na koji način se dijele, koje vrste senzora postoje i gdje
se sve danas koriste.
Ključne riječi: senzor, signal, modul, smart, mikrokontroler
Uvod
Evolucija senzora koji vode ka pametnim objektima i sigurnosnim
pitanjima u IoT-u (2018)
U [1] su Ramani, S. K., i Iyengar, S. S., zaključili da su
senzori promijenili način na koji doživljavamo život. Primarni cilj
senzora je da se dobiju podaci iz fizičkog svijeta i da se upravlja
i prati sistem kontinuirano. Senzorski uređaji omogućavaju
automatizaciju procesa. Rast upotrebe senzora u poslednjih nekoliko
decenija je fenomenalan. Uspješni proizvodi su pametni senzori,
pametni objekti i cyber-fizički sistemi. Internet je također
porastao putem njega je moguće povezati uređaje i na internet i
razmijeniti informacije među ljudima, sistemima i uređajima.
Rastuća popularnost uređaja baziranih na internet stvari i potreba
za njima neće se smanjiti. S druge strane, korisnici moraju biti
svjesni sigurnosti potrebe takvih uređaja. Ljudi bi trebalo da
izaberu uređaje sa najmanje minimalnim nivoom bezbjednosti.
Također, korisnici moraju biti informisani da često mijenjaju
lozinke kako bi spriječiti bilo kakav napad brutalne sile i
botnetove koji pokušavaju da se prošire kroz neosigurane portove.
Vlada bi trebala donijeti zakone za provjeru minimalnog nivoa
sigurnosti u svakom od “pametnih” uređaja prije nego što budu
dostupni za potrošnju na tržištu i postavi mjerila za određivanje
njihove sigurnosti.
Upotreba savremenih senzora u autonomnim vozilima (2018)
U [2] su Taraba, M., su zaključili da je cilj njihovog rada bio
da se analizira stanje tehnike u oblasti senzora autonomnih vozila.
Prije svega, spomenut je jedan od koncepata konfiguracije senzora
na vozilima. Položaj senzora ovisi o smjeru senzora i vidnom polju.
Na autonomnim vozilima senzorski sistem se sastoji od kombinacije
senzora, laserskog skenera, radara, kamere i ultrazvučnog senzora.
Ukupan broj senzora varira, u zavisnosti od svakog proizvođača
autonomnog sistema. U narednom dijelu rada spomenute su prednosti i
nedostaci senzora u različitim vremenskim utjecajima. Zbog toga je
neophodno koristiti više tipova senzora kako bi se poboljšao
autonomni sistem. Nakon toga opisan je princip rada pojedinih
senzora, iz čega se može zaključiti da nijedan senzor ne pruža
dovoljno informacija o okolini. Prednost kombinacije senzora je u
tome što se nedostatak jednog senzora može poboljšati prednostima
drugog senzora. Barometar, magnetometar, termometar i senzor za
kišu mogu se koristiti kao dodatni senzori.
Pojam senzora
Senzor, kao pojam, izveden je iz latinske riječi „sensus“, koja
znači „osjet“ ili „osjećanje“je uređaj koji detektira i reagira na
neki tip ulaza iz fizičkog okruženja. Specifični ulaz može biti
svjetlost, toplota, kretanje, vlaga, pritisak ili bilo koji od
velikog broja drugih pojava u okruženju. Izlaz je obično signal
koji se pretvara u ljudski čitljiv za prikaz na lokaciji senzora
ili se prenosi elektronski preko mreže za čitanje ili daljnju
obradu. Zadatak senzora je mjerenu veličinu iz procesa izraziti
pomoću signala, elektronički, mehanički i optički. Navest ću jedan
od nekoliko različitih tipova senzora. U staklenom termometru na
bazi žive, ulazna veličina je temperatura, kao odgovor sadržana
tečnost se širi ili skuplja, što uzrokuje višu ili nižu razinu na
označenom mjerilu, što je ljudski čitljivo. [3]
Slika 1. Termometar na bazi žive [4]
Generalno se može reći da se svaki senzor sastoji iz više
osnovnih elemenata ili modula:
1. Modul za detektovanje: prima signal iz mjerene sredine (kao
što su pritisak, temperatura, zračenje, magnetno polje itd.) i na
osnovu njih generiše izlazni signal koji zavisi od izmjerene
vrijednosti.
2. Modul za konverziju: konvertuje signal koji dobijamo na
izlazu modula za detekciju u odgovarajući signal drugog oblika.
Ovaj modul se često naziva i pretvarački modul. Često se
pretvaranje ulaznog signala odvija u više etapa.
3. Modul za obradu: vrši uobličavanje signala. Uglavnom su
signali koji se dobijaju suviše mali pa ih je potrebno uobličiti i
pojačati. Ovaj modul prima mali ulazni signal i generiše mnogo veći
izlazni signal.
4. Modul za prijenos podataka: prenosi signal od mjesta na kome
se vrši mjerenje do mjesta gdje će rezultati mjerenja biti
prikazani.
5. Modul za prikaz podataka: daje informaciju o mjerenim
veličinama u formi koja će biti prepoznata od strane korisnika.
Ovaj modul može biti jednostavna kazaljka koja skreće u zavisnosti
od izmjerene veličine ili neki komplikovaniji uređaj koji će
obuhvatiti odgovarajući displej ili PC računar. [5]
Klasifikacija senzora
Sama podjela odnosno klasifikacija senzora je dosta složena i
vrši se u odnosu na: izvor napajanja, vrstu izlaznog signala,
prirodu mjerne veličine, princip rada, gabarite, prirodu izlazne
veličine, uslove rada, način upotrebe, unutrašnju strukturu,
pouzdanost u eksploataciji... [6]
Slika 2. Različiti tipovi senzora [7]
Klasifikacija prema izvoru napajanja:
· Aktivni senzori za svoj rad ne zahtijevaju dovođenje dodatne
energije
· tj. izlazni signal senzora je nastao na osnovu energije
mjerene veličine.
· Pasivni senzori: kod pasivnih senzora izlazni signal se
generiše zahvaljujući ulaznim parametrima, odnosno ovaj
samo-generišući senzor proizvodi električni signal na račun
spoljašnjeg uticaja na senzor. Primjeri pasivnih senzora su
piezoelktrični i radioaktivni senzori.
Klasifikacija prema vrsti izlaznog signala:
· Analogni senzori imaju normiran dinamički opseg izlaznog
signala i osjetljivost na šumove.
· Digitalni senzori imaju veliku mogućnost interakcije sa
mikroprocesorskim upravljačkim sredstvima.
Klasifikacija prema prirodi mjerene veličine:
· Toplotni se koriste za mjerenje temperature, toplotnog
kapaciteta, entalpije, toplote izgarnja
· Mehanički se koriste za mjerenje sile i momenta, pritiska,
vakuuma, mehaničkog naprezanja.
· Kinematički se koriste za mjerenje linearnog i ugaonog
ubrzanja i brzine, protoka.
· Geometrijski se koriste za mjerenje položaja (koordinata)
tijela razmjere, nivoa.
· Radijacijski se koriste za mierenje intenziteta toplotnog,
nuklearnog, akustičnog i elektromagnetnog zračenja, boje,
parametara talasnog procesa.
· Vremenski se koriste za mjerenje vremenskog perioda i
frekvencije.
· Električni se koriste za mjerenje elektromotorne sile, struje,
otpora, induktivnosti, kapaciteta, provodnosti
· Hemijski senzori se koriste za mjernje hemijskog sastava.
· Fizikalni senzori se koriste za mjernje mase, gustine,
vlažnosti, tvrdoće, plastičnosti, hrapavosti
Klasifikacija senzora prema principu rada:
Pretvaranje neelektričnih mjernih veličina u električne vrši se
pomoću odgovarajućih pretvarača na dva načina. Prvi način
podrazumijeva da se odgovarajuća neelaktrična veličina pretvara u
pretvaraču u elekričnu veličinu. Pretvarači koji rade na ovaj način
zovu se aktivni pretvarači. Aktivni pretvarači za svoj rad ne
trebaju dodatnu energiju.
Aktivni senzori mogu biti:
· Indukcioni
· Elektromagnetni
· Elektrodinamički
· Piezoelektrični
· Piroelektrični
· Termoelektrični
· Fotoelektrični
Drugu grupu pretvarača čine pasivni pretvarači ili parametarski
pretvarači. U pasivnim pretvaračima neelektrične veličine utiču na
promjenu neke električne karakteristike; kapaciteta, otpora ili
induktiviteta.
Pasivni senzori se dijele na:
· Induktivne
· Otporničke
· Kapacitivne.
Hemijski senzori rade na principu: polarizacija jona,
kombinovanja hemijskih i električnih metoda, promjena impedance u
zavisnosti od hemijskog sastava.
Hemijski senzori mogu biti:
· Polarizacioni
· Hemijsko-električni
· Impedantni.
Optoelektronski dovode do pojave struja u poluprovodnicima koja
djeluje na spontanu ili stimulisanu emisiju svjetlosti (svjetleća
ili laserska dioda). Kvanti svijetlosti mijenjaju gustinu nosilaca
naboja u poluprovodniku (fotootpor), otpor p-n prelaza (fotodioda)
ili otpor zapornog sloja metal – poluprovodnik (fotoelement)
Optoelektronski senzori su:
· Predajnici
· Prijemnici sa vanjskim fotoefektom
Klasifikacija senzora prema gabaritima:
· Normalni i oni su standrdne izvedbe.
· Malogabaritni za primjenu u ograničenom prostoru
· Minijaturne koji se koriste za specijalne namjene
Klasifikacija prema prirodi izlazne veličine
· Mehanički čiji je izlazni signal sila ili pomak
· Vremenski čiji je izlazni signal vremenski ili frekventni
kod
· Električni čiji se izlazni signali mjerene veličine odražavaju
kroz promjenu R, L, C parametara izlaza, pa se zovu i parametarski.
Ukoliko se na izlazu se generira električni signal to su
generatorski ili aktivni senzori.
Klasifikacija senzora prema uslovima rada
· Stacionarni koji su fiksirani na jednom mjestu i
· Prenosivi koji se mogu pomjerati na razna mjesta
Klasifikacija prema načinu upotrebe
· Operativni koji služe za neposredno davanje informacija
· Pomoćni za dobivnje pomoćnih informacija.
Klasifikacija prema unutrašnjoj strukturi
· Direktni kojima se vrši od ulaza do izlaza direktan prijenos
(konverzioni lanac)
· Kompenzacioni sa negativnom povratnom spregom po izlaznoj
veličini.
Klasifikacija prema pouzdanosti u eksploataciji
· Pouzdani koji imaju mali intenzitet otkaza i malo vrijeme
obnavljanja malo.
· Nepouzdani [8]
Vrste senzora
Magnetnoelektrični senzori
Za pretvaranje neelektrične mjerne veličine u električnu koristi
se princip elektromagnetne indukcije. Ovi senzori rade na
samouzbudnom principu. Elekromotorna sila koja se na tajj način
inducira proporcionalna je brzini promjene magnetnog toka u
pojedinim namotajima i i broju namotaja.
Magnetno električni senzori se dijele na:
· elektrodinamičke ili senzore sa relativnim pomjeranjem
provodnika
· elektromagnetne ili senzore sa promjenljivim magnetnim otporom
[9]
Induktivni senzori
Ova grupa elektromagnetnih senzora radi na principu promjene
magnetnog otpora. Promjena magnetnog otpora može se ostvariti
promjenom:
· ukupne dužine zavojnice,
· zračnog zazora,
· permeabilnosti materijala jezgra,
· međusobnim djelovanjem dva ili više elemenata,
· promjenom međusobnog položaja kalema i jezgra,
· promjenom položaja dvije zavojnice.
Najčešće se koriste senzori kod kojih se promjena magnetnog
otpora ostvaruje promjenom veličine zračnog zazora ili promjenom
magnetne permeabilnosti tj. propustljivosti željeznog jezgra μ.
Služe za detekciju metala. Neosjetljivi su na vibraciju, habanje,
visoke frekfencije, preciznosti, vlagu i prašinu. [10]
Slika 3. Induktivni senzor [11]
Kapacitivni senzori
Dvije metalne ploče između kojih se nalazi dielektrični
(izolacioni) mateijal grade kondenzator kapaciteta:
gdje su:
S-površina ploče
d-rastojanje između ploča
εr-relativna dielektrična konstanta
ε0-dielektrčna konstanta vakuuma
Ukoliko se na S, d ili ε utiče nekom neelektričnom veličinom,
tada kapacitet C zavisi od te veličine pa se na taj način dobija
kapacitivni senzor., tj, rad kapacitivnih senzora se temelji na
promjeni kapaciteta kondenzatora koji se mijenja pod uticajem
mjerene neelektrične veličine.
Postoje razne konstrukcije senzora zavisno da li se utiče sa S,
d ili ε. Vrste kapacitivnih senzora su:
1. Senzori sa promjenljivim rastojanjem kondenzatorskih
ploča
2. Diferencijalni pretvarač
3. Pretvarači sa obrtnom elektrodom
4. Pretvarač sa ugaonim preklapanjem
5. Pretvarač sa promjenom dielektrikuma [12]
Dobre osobine kapacitivnih senzora su: jednostavnost,
preglednost, visoka osetljivost, stvarna upotrebljivost (kako za
praćenje stacionarnih tako i za praćenje brzo promenljivih
veličina), primena i kod viših temperatura. Loša osobina
kapacitivnih senzora je njihov veliki unutrašnji otpor, koji
zahteva još veći ulazni otpor mernog elektronskog bloka.
Ovi senzori imaju veoma širok spektar upotrebe. Uopšteno oni se
mogu upotrebljavati za sve vrste rasutih materijala čija vlažnost
prelazi >2,5%. Njihov opseg primjene u zavisnosti od
temeperature je u standardnoj verziji od -40 do +90oC a u
specijalnim izvedbama do 150oC. Kapacitivni senzori su danas
najpouzdaniji tip senzora kako u pogledu cijene tako i u pogledu
efikasnosti primjene. [13]
Slika 4. Prikaz kapacitivnog senzora u tipičnom položaju
[14]
Optički senzori
Optički senzori – princip rada se zasniva na promjeni parametara
optičkog signala sa promjenom fizičke veličine. Samim tim ovi
senzori nemaju galvanske ili magnetne veze, već samo optičke. Zato
se često nazivaju i optički senzori. Kod optičkih senzora je
postignuto: galvansko odvajanje, zaštita od šumova, mogućnost
mjerenja fizičkih veličina, kako u oblasti malih tako i u oblasti
velikih vrijednosti, standardizacija izlaznog signala, visok
kvalitet statičkih i dinamičkih karakteristika, itd. Ovi senzori se
mogu upotrijebiti u svim uslovima djelovanja jakog magnetnog polja,
visoke temperature, električnih šumova i hemijske korozije, pa su
mnogo fleksibilniji i pouzdaniji od klasičnih senzora. Loše osobine
su: složenost izrade, obrade signala, zahtjevaju optičku vidljivost
između prijemnika i predajnika, osjetljivost na mehaničke
vibracije. [15]
Slika 5. Optički senzor [16]
Smart senzori
Napredni „smart“ senzori su senzori kojima se dodaje
komunikacijsko sučelje, jedinica za obradu podataka i koji se
povezuje s mikrokontrolerom kako bi mogao obavljati dodatne
funkcije. Smart senzor je uređaj koji koristi ulaz iz fizičkog
okruženja i pretvara ga u električni signal kombiniran je s
jedinicom za obradu podataka i komunikacijskim sučeljem. Sastoji se
od pretvorničkog elementa, komponente za obradu signala i
kontrolera/procesora koji može obavljati dodatne funkcije. Glavni
cilj integriranja senzora i elektronike je napraviti „inteligentne“
senzore koji imaju mogućnost donošenja nekih odluka. Smart senzori
predstavljaju senzore koji u sebi imaju ugrađene komunikacijske
jedinice i jedinice za obradu signala, ili ukratko smart senzori
predstavljaju senzore koji su spojeni s mikrokontrolerom. Razlika
između tradicionalnog i smart senzora je prikazana na slici
[17]
Slika 6. Arhitektura tradicionalnog i smart senzora [18]
Slika 7. Primjer korištenja više različitih vrsta senzora u
automobilu [19]
Zaključak
Kroz ovaj seminarski rad upoznala sam se sa pojmom senzora,
njegovom klasifikacijom i značajem. Zadatak senzora je mjerenu
veličinu iz procesa izraziti pomoću signala, elektronički,
mehanički i optički. Uvidjela sam da imaju jako široku primjenu u
industriji ali i općenito u životu. Sa napretkom tehnologije
napredovala je izrada i primjena senzora tako da ih danas koristimo
i pomažu nam u obavljanju svakodnevnih poslova.
Literatura
[1] Sanjeev Kaushik Ramani and S. S. Iyengar (2018) Evolucija
senzora koji vode ka pametnim objektima i sigurnosnim pitanjima u
IoT-u. Zbornik međunarodnih simpozija o senzorskim mrežama, sistemi
i sigurnost. Str. 125-136. Preuzeto s
https://sci-hub.tw/10.1007/978-3-319-75683-7_9#
[2] Michal Taraba, Juraj Adamec, Matus Danko, Peter Drgona
(2018) Upotreba savremenih senzora u autonomnim vozilima. Preuzeto
s https://sci-hub.tw/10.1109/ELEKTRO.2018.8398279
[3] Preuzeto s
https://whatis.techtarget.com/definition/sensor
[4] Preuzeto s
https://www.google.com/search?rlz=1C1GCEA_enBA837BA837&biw=1366&bih=657&tbm=isch&sa=1&ei=9fLGXJ3uJsTBkwXnj4joDQ&q=stakleni+termometar+na+bazi+%C5%BEive&oq=stakleni+termometar+na+bazi+%C5%BEive&gs_l=img.3...13781.24740..25074...4.0..0.108.1620.12j5......1....1..gws-wiz-img.-zSOgrjyQaI#imgdii=8SaLkW3RyHbeEM:&imgrc=2vr0ZPt9saZlRM:
[5] Preuzeto s
https://gavrilo95.wordpress.com/2014/05/14/senzori-uvod-i-podela/
[6], [8], [9], [10], [12] Preuzeto s
https://unze.ba/download/SkriptaMetrologija.pdf
[7] Preuzeto s
https://www.electronicshub.org/different-types-sensors/
[11] Preuzeto s
https://www.google.com/search?rlz=1C1GCEA_enBA837BA837&biw=1366&bih=608&tbm=isch&sa=1&ei=ewzHXJmvF4mdkwXj7oWoDA&q=induktivni+senzor&oq=induktivni+senzor&gs_l=img.3..0i19j0i30i19l3.169953.175222..175496...2.0..1.118.622.5j2......1....1..gws-wiz-img.lzTEmmkN5DY#imgrc=10kV-uPl6KnI_M:
[13] Preuzeto s
https://www.automatika.rs/baza-znanja/senzori/kapacitivni-senzor.html
[14] Preuzeto s
https://repozitorij.etfos.hr/islandora/object/etfos:1496/preview
[15] Preuzeto s
https://mehatronik.com/2014/03/opticki-senzori/
[16] Preuzeto s
https://www.google.com/search?q=opti%C4%8Dki+senzori&rlz=1C1GCEA_enBA837BA837&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwi_n7LXy_XhAhVuwosKHcInA1cQ_AUIDigB&biw=1366&bih=608#imgdii=MBj5wYmWCUhIBM:&imgrc=Jx_xwOg_8qHNQM
[17], [18] Preuzeto s
file:///C:/Users/XY/Downloads/antunovic_dario_etfos_2018_zavrs_struc.pdf
[19] Preuzeto s
https://www.behance.net/gallery/51718817/Connected-car
𝐶�=𝜀�
0
∙𝜀�
𝑟�
∙
𝑠�
𝑑�
