PRIMENJENA ELEKTROMETROLOGIJA

Značajno mesto u savremenoj elektronici imaju elektronska kola, uredjaji i sistemi čijim se posredovanjem ostvaruje prenos, obrada, adaptacija ili pretvaranje informacija. Većina fizičkih, hemijskih i drugih veličina, medjutim, nema električnu prirodu pa otuda prenos i obrada informacija vezanih za takve veličine počinje njihovim pretvaranjem u električne signale. Svaka informacija, predstavljena električnim signalom, može biti prevedena u drugi pogodniji oblik električnog signala u cilju sigurnog i tačnog prenosa odnosno obrade, kao i zbog zahtevanog oblika izlazne informacije.

Metodi pretvaranja informacija iz jednog oblika u drugi, kao i elektronska kola i uredjaji kojima se to ostvaruje, raznovrsni su i mnogobrojni o čemu svedoče savremeni izvori stručne i naučne literature.

Razvoj mikroelektronskih komponenata, a posebno mikroračunara, izazvao je pravu revoluciju u primeni i realizaciji sistema u kojima se koriste računari. Objektivno, danas ne postoji ni jedna oblast ljudske delatnosti ni proizvodnje u kojima se oni ne koriste.

Naravno, da bi se računari mogli da se koriste za kontrolu upravljanja, merenja i slično neophodno je da izmedju računara i onoga čime se upravlja, što se meri ili kontroliše, postoji elektronski sistem ili kola koja omogućavaju konverziju kontrolisanih veličina u digitalni domen podataka.

Najveći broj veličina koje treba prevesti u digitalni domen je neelektričnog karaktera, odnosno, pored pripadanja analognom domenu, to su veličine koje najpre treba prevesti u električni domen a potom konverzijom u digitalni domen koji je prihvatljiv za računar. Zbog toga se danas velika naučna i stručna pažnja posvećuje projektovanju i realizaciji sistema, odnosno, konvertora koji mogu neelektrične veličine prevesti u digitalni domen.

Imajući u vidu da je broj neelektričnih veličina koje treba konvertovati veliki, kao i da ne postoje senzori koji bi u širokom opsegu veličine stabilno i linearno pretvarali veličinu u električni domen, teško je nači zadovoljavajuće hardversko rešenje koje bi omogućilo optimalne prenosne karakteristike konverzije. Otuda se danas javljaju različita rešenja koja, pored hardvera, sadrže i odredjenu softversku podršku, ili čak i mikroračunar, kojim se poboljšavaju karakteristike konverzije. U literaturi se oni mogu sresti pod nazivom "inteligentni senzori", "programabilni senzori" i slično.Po svom karakteru informacije mogu biti analogne, vremenske i digitalne po čemu je i izvršena podela u grupe domena. U analognim domenima informacija je predstavljena intenzitetom neke od prirodnih veličina, amplitudom napona, struje itd. Veliki broj elektronskih pretvarača pretvara neelektrične veličine u neki od analognih električnih domena pri čemu se karakter informacija ne menja, imajući u vidu da su skoro sve neelektrične veličine analogne.

Slika. 1. Koncept domena informacija.

Elektronska kola koja obavljaju konverziju analognih veličina u neki od vremenskih ili digitalnih domena menjaju karakter informacija i najčešće se označavaju opštim nazivom konvertori. Od posebno velikog značaja je konverzija analognih domena u digitalne (A/D konverzija) imajući u vidu prednosti digitalnog oblika signala, kao što su visoka tačnost koja se ne smanjuje pri prenosu i obradi informacija i koja isključivo zavisi od raspoloživog broja bitova za kodiranje, velike brzine obrade, mali uticaj šumova i pogodan oblik izlazne informacije-broja za vizuelnu i drugu predstavu.Osim toga, digitalna elektronska kola su znatno pouzdanija od analognih, ali je ova njihova prednost plaćena uglavnom složenijom strukturom.

Kodiranje informacija veličinama vremenskog domena (frekvencija, vremenski interval, faza) predstavlja prirodni prelaz izmedju analognih i digitalnih domena informacija. Naime, oblik električnog signala vremenskog domena ima osobine i analognog (kontinualna promena) i digitalnog signala (dva naponska nivoa sa brzim prelazima izmedju njih što podudara sa rednom digitalnom informacijom).

KONTROLA PROCESA

Elektronska kontrola velikog broja procesa u industriji danas, predmet je interesovanja široke stručne i naučne javnosti. Prikupljanje informacija o procesu podrazumeva merenje parametara procesa kao što je temperatura, pritisak, vlažnost itd., od važnosti za kontrolu i upravljanje procesom.

Na slici 1.1 je prikazana šematska organizacija prikupljanja informacija i kontrole procesa primenom senzora i aktuatora. Evolucija mikroelektronskih kola poslednjih decenija omogućila je razvoj moćnog alata za obradu signala električnog domena. Ovo se posebno odnosi na kola i sisteme za digitalnu obradu signala. Imajući u vidu neelektrični karakter većine parametara kontrolisanog procesa neophodno je na prvom mestu izvršiti njihovu konverziju u električni domen podataka pomoću senzora neelektričnih veličina. Primenom takvih pretvarača, veličine mehaničkog, termičkog, hemijskog, magnetskog, optičkog i drugih neelektričnih domena mogu dalje biti tretirane elektronskim sofisticiranim kolima visokog stepena integracije (VLSI) za digitalnu obradu signala.

Kontrola procesa, promenom intenziteta nekog od parametara, ostvaruje se uz pomoć električnih, upravljanih aktuatora ili mikroaktuatora u kolu povratne sprege sistema sa slike 1.1 na bazi poredjenja zadatih i merenih vrednosti parametara procesa.

Ulazni senzori neelektričnih veličina zasnovani su na velikom broju raznovrsnih, fundamentalnih fizičkih principa. Svaki od senzora, s toga, poseduje jedinstvene karakteristike, ponovljive u dužem vremenskom roku, što zahteva projektovanje namenskih elektronskih interfejsa. Prema tome, sa stanovišta realizacije, sistem sa slike 1.1 može biti veoma složen u zavisnosti od broja i prirode kontrolisanih parametara i sa velikim brojem medjuveza što smanjuje pouzdanost sistema i otežava održavanje.

Slika 1.1. Prikupljanje informacija i kontrola procesa primenom senzora i aktuatora.

Slika1.2. Bus arhitektura sistema za prikupljanje podataka i kontrolu procesa.

Bus arhitektura prikazana na slici 1.2 predstavlja praktičnije i pouzdanije rešenje u odnosu na prethodnu tkzv. zvezda konfiguraciju imajući u vidu manji broj medjuveza, mogućnost multipleksa uredjaja, lako održavanje i eventualno proširenje sistema. Šta više, takva organizacija pojednostavljuje podelu kompleksnog sistema na visokom nivou komunikacije na podsisteme koji koriste niski nivo bus komunikacije. Komunikacija senzora i aktuatora sa digitalnim kontrolerom ostvaruje se standardiziranim signalima i protokolima na niskom komunikacionom nivou dok kontroler komunicira sa npr. korisničkim interfejsom na višem komunikacionom nivou. Slika 1.3 ilustruje sistem podeljen na dva podsistema, podsistem za prikupljanje i obradu podataka sa senzora i podsistem za kontrolu i upravljanje aktuatorima.

Slika 1.3. Sistem podeljen na dva podsistema.

Za realizaciju poslednja dva opisana sistema neophodno je integrisati mnoge elektronske funkcije sa senzorskim elementima i mikroaktuatorima. Uredjaji takve vrste su relativno novijeg datuma i u literaturi poznati pod nazivom inteligentni senzori i aktuatori (Smart Sensors & Smart Actuators). Uopšteno govoreći, senzori neelektričnih veličina su mikroelementi dok većina aktuatora, isključujući mikroaktuatore, za rad troši veću energiju i prostor zbog čega je neophodno obezbediti uglavnom snažne

upravljačke signale za njihovu pobudu. Povećana potrošnja i složenost takvih sistema cena je potpune kontrole nad tehničko-tehnološkim procesom. Realizacija inteligentnih senzora u tehnologiji standardnih integrisanih kola ili kompatibilnoj ne samo da smanjuje cenu senzora u masovnoj proizvodnji već olakšava integraciju potrebnih elektronskih funkcija s osetljivim elementom.

SENZORI NEELEKTRIČNIH VELIČINA

Kako su izlazni senzorski signali uglavnom analognog karaktera a po svojoj prirodi mogu biti veoma različiti to njihova standardizacija u električnom domenu zahteva posebno projektovana elektronska kola za obradu signala kao što su pojačavači, čoperi, multipleksori, modulatori, demodulatori i slično. S tim u vezi, senzori neelektričnih veličina se mogu uopšteno podeliti na dve grupe:

-pasivni (modulišući) senzori-aktivni (generišući) senzori

Senzori modulišućeg tipa zahtevaju dodatni izvor energije, strujni ili naponski, za dobijanje električnog signala na bazi modulacije nekog od električnih parametara, otpornosti, kapacitivnosti, induktivnosti. Izlazni električni signal otporničkog senzora je struja ili napon pa je za standardizaciju takvog signala dovoljan najčešće pojačavač ili atenuator. Kapacitivni i induktivni senzori se uglavnom ugradjuju u kolima oscilatora a njihov električni odziv je neki od signala vremenskog domena, frekvencija, faza, vremenski interval.

Slika 2-3

Slike 2-3a i b prikazuju načine napajanja pasivnih senzora nezavisnim izvorom energije ili energijom povratne sprege. Aktivni senzori pripadaju klasi strujnih ili naponskih generatora signala kao što su termoparovi i fotogeneratori čija izlazna električna veličina, struja ili napon, je u funkciji neelektrične ulazne veličine. Signali ove vrste senzora mogu biti direktno pojačavani i standardizirani, slika 2-3c.

Zbog sporopromenljivosti jednog broja najčešće kontrolisanih neelektričnih veličina, za konverziju senzorskih signala u digitalni domen zahteva se uglavnom umerena brzina konverzije, odnosno, odmeravanja. Pri tome, linearnost konverzije je od većeg značaja u odnosu na ofset grešku i grešku pojačanja. Takodje, veliki broj senzora zahteva rezoluciju konverzije izmedju 10 i 14 bitova za pokrivanje njihovog dinamičkog opsega i za zadovoljavajuću tačnost. Samo pojedine klase senzora iskazuju potrebu za ekstra rezolucijom. Izbor A/D konvertora za implementaciju u inteligentnim senzorima ograničen je na primer površinom integrisanog kola kao i eventualnom potrebom za post-procesiranjem signala. Tako na primer, konvertori tipa paralelnog-multipragovskog nisu podesni za implementaciju jer troše izuzetno veliki prostor na ograničenoj površini čipa dok konvertori sa sukcesivnim aproksimacijama i konvertori na bazi preraspodele naelektrisanja nisu uvek primenljivi u izgradnji senzora sa potrebom post-procesiranja signala.

Greške prenosne karakteristike senzora

Savremene tendencije u procesu proizvodnje senzora neelektričnih veličina jesu masovna proizvodnja velike serije senzora sa ujednačenim karakteristikama prenosa unutar zadate tačnosti. I pored dostignutog velikog stepena slaganja realizovanih karakteristika senzora s projektovanom, nesavršenost tehnološkog procesa proizvodnje je glavni razlog pojave sistematskih i slučajnih grešaka kao što su:

- ofset greška - odstupanje odziva senzora pri minimalnoj pobudi od projektovane vrednosti,- greška pune skale (greška pojačanja) - odstupanje odziva senzora pri maksimalnoj pobudi od

projektovane vrednosti,- greška nelinearnosti - odstupanje prenosne karakteristike senzora od idealno linearnog

transfera odredjenog raspoloživim interpolacionim postupkom,- greška usled jednovremene osetljivosti senzora na više fizičkih veličina (prenosna

karakteristika je promenljiva pri različitim uslovima ambijenta),- histerezisna greška - fenomen neslaganja statičke krive prenosa dobijene za rastuću sekvencu

ulazne veličine i krive dobijene pri opadajućoj sekvenci,- drift greška - nestabilnost (promena) prenosne karakteristike i uopšte metroloških parametara

senzora u toku dužeg vremenskog perioda (greška starenja).

Slika 2.1. Moguće greške prenosne krive senzora

Slika 2.1 ilustruje napred nabrojane tipove grešaka i njihov uticaj na prenosnu karakteristiku senzora. Posebna pažnja pri projektovanju sistema na bazi senzora neelektričnih veličina posvećuje se kalibraciji senzora sa ciljem otklanjanja nabrojanih grešaka kao i grešaka koje unosi merni sistem za obradu signala senzora. Prve četiri vrste grešaka su dominantne dok se histerezisna greška uglavnom odnosi samo na pojedine senzore, elektromehanički npr., i može biti zanemarena za ostale klase senzora. Drift prenosne karakteristike, medjutim, je za većinu senzora i u odgovarajućem periodu (nekoliko godina u proseku) ustanovljen. Za rekalibraciju, neophodne su procene grešaka i merenja u relativno dugom vremenskom periodu. Samokalibracijom, primenom dodatnog referentnog senzora sa znatno nižim driftom moguće je u nekim slučajevima kompenzovati grešku usled drifta karakteristike.

2.1.1. Sistematske i slučajne greške senzora

Pojedine vrste grešaka, karakteristične za neke tipove senzora, mogu biti modelirane i otklonjene kalibracijom senzora. Tipičan primer je odstupanje odziva senzora od idealno linearnog - greška

nelinearnosti, zbog tehnoloških ograničenja, što predstavlja tkzv. sistematsku grešku. Generatori sistematske greške su tehnološki proces proizvodnje senzora i interfejs elektronika za obradu signala. Ostale greške podležu statističkoj raspodeli slučajnih promenljivih u procesu proizvodnje senzora. Primer slučajne greške je recimo ofset napon piezootpornog senzora pritiska koji podleže Gauss-ovoj raspodeli zbog nekontrolisanih i nepredvidivih razlika u vrednostima otpora četiri otpornika u granama mosta. Obe vrste grešaka, sistematske i slučajne, mogu biti kalibrisane za svaki individualni senzor. Medjutim, neoptimalni pristup kalibraciji je primer kada su sistematske greške znatno veće od slučajnih. U takvim slučajevima potrebno je uvesti kompenzaciju sistematskih grešaka za ceo proizvodni paket senzora ili odrediti izvor sistematske greške i korigovati ga. Posle uklanjanja sistematske greške preostale slučajne greške mogu biti kalibrisane tako da raspodela greške bude unutar zadatih granica tačnosti. Slika 2.2a prikazuje primer statističke raspodele ofset napona paketa piezootpornih senzora pritiska prosečne vrednosti =45mV i standardne devijacije =5mV.

Slika 2.2. Grafička ilustracija kalibracije sistematske i slučajnih grešaka ofset napona piezootpornog senzora pritiska

Ofset napon gotovo celog paketa senzora (99.76%) je u granicama , prema zakonu 3. Ako se pretpostavi da je za zadatu tačnost dopušteni ofset napon unutar granica tada je neophodno izvršiti kalibraciju svakog pojedinačnog senzora pomenute serije. Korekcijom sistematske greške od -45mV u prvom koraku dobijena je pomerena raspodela slučajne promenljive - ofset napona kao na slici 2.2b. Sledeća korekcija opsega sa rezolucijom od 4mV je dovoljna za postizanje zadate tačnosti ofseta unutar , slika 2.2c. Tačnost kalibracije može nadalje biti povećana redukcijom ofset greške i širine raspodele verovatnoće.

Linearne i nelinearne greške

Ofset greška, greška pune skale kao i temperaturski koeficijenti prvog reda ovih grešaka pripadaju klasi tkzv. linearnih grešaka. Korekcija ovih grešaka podrazumeva primenu samo linearnih operacija koje se relativno lako mogu hardverski implementirati. Takodje se, u principu, na jednostavan način mogu realizovati programabilni ofset i pojačanje. Greška nelinearnosti kao i preostali nabrojani tipovi grešaka pripadaju klasi nelinearnih grešaka čija korekcija je značajno komplikovanija u poredjenju sa linearnim greškama. Jedan od poznatih principa linearizacije je realizacija inverzne prenosne karakteristike senzora koja unapred mora biti poznata i opisana što usložnjava kalibracionu proceduru. U literaturi je poznat veliki broj metoda kalibracije greške nelinearnosti ali su samo neke od raspoloživih i praktično popularne. Naime, greška nelinearnosti može biti sistematska ali takodje može imati i slučajni karakter. Sistematske greške nelinearnosti, koje mogu biti opisane korišćenjem fizičkog modela senzora ili dosledno reprodukovane većim brojem merenja, treba korigovati sistematski. Prema tome, kalibracija nelinearnosti se prvenstveno odnosi na korekciju slučajnih grešaka nelinearnosti koje variraju od uredjaja do uredjaja. S tim u vezi, za odgovarajuću redukciju greške nelinearnosti neophodno je izvršiti izvestan broj merenja koji strogo zavisi od usvojene metode linearizacije. Za smanjenje cene kalibracione procedure potrebno je minimizirati broj neophodnih merenja, odnosno, smanjiti ukupno potrebno vreme merenja. Ovo predstavlja jedan od važnih kriterijuma za izbor odgovarajuće kalibracione metode.

Normalizacija prenosne karakteristike senzora

Matematička interpretacija usvojene metode kalibracije senzora može u znatnoj meri biti pojednostavljena prethodnom normalizacijom prenosne karakteristike senzora. Ako je prenosna kriva senzora oblika tada se postupkom normalizacije opseg ulazne fizičke veličine od interesa

transformiše u opseg (-1, 1) za normalizovani ulazni signal x. Slično, željeni opseg izlaznog

signala senzora se normalizacijom transformiše u opseg (-1, 1) za normalizovani izlazni signal y. Normalizacija ulaznog i izlaznog signala senzora se matematički može opisati sledećim linearnim relacijama

Normalizovani izlazni signal y sada može biti opisan normalizovanom prenosnom krivom, slika 2.3, koja predstavlja jednodimenzionalnu funkciju normalizovanog ulaznog signala x, y=f(x). Čak i pod pretpostavkom da su sistematske greške kompenzovane, zbog preostalih slučajnih grešaka normalizovana funkcija f(x) ne može biti unapred poznata. Jedan od načina modeliranja normalizovane prenosne krive je interpolacija u nekoliko kalibracionih tačaka f(xn) (n=1...N) tako da se dobije kriva

najpribližnija realnoj. Na bazi usvojene interpolacione rutine, izvršenih merenja f(xn) (n=1...N) i zadate,

projektovane prenosne karakteristike, npr. y=g(x)=x, može se izvršiti linearizacija na način da se prenosna karakteristika što više približi idealno linearnoj tj. projektovanoj. Linearizovana karakteristika y=h(x) biće funkcija normalizovane karakteristike f(x), normalizovanog odziva u kalibracionim tačkama f(xn) i odgovarajućih odziva projektovanog prenosa g(xn)

Greška nelinearnosti može biti procenjena na bazi razlike i interpretirana kao relativna greška s obzirom na normalizaciju.

Slika 2.3. Normalizovana jednodimenzionalna kriva senzora i idealni, projektovani prenos

Slična razmatranja mogu biti primenjena na dvodimenzionalnu ili višedimenzionalnu funkciju u slučajevima kada je senzor osetljiv na dve ili više fizičkih veličina istovremeno, kao što je

piezootporni senzor pritiska. Procedura normalizacije takve funkcije je identična jednodimenzionalnoj.

KONCEPT INTEGRISANOG-INTELIGENTNOG SENZORA

Implementacija integrisanih inteligentnih senzora na jedinstvenom čipu, u skladu sa prethodnim razmatranjima, podrazumeva objedinjavanje sledećih gradivnih blokova:

- osetljivi element (senzor), prvenstveno silicijumski (poluprovodnički),- analogna interfejs elektronika za obradu senzorskog signala,- A/D konvertor za digitalizaciju analognog signala,- bus interfejs za jednostavnu komunikaciju sa mikroprocesorima, mikrokontrolerima i drugim

uredjajima,- kalibracija prenosne karakteristike senzora, prvenstveno digitalna programabilna kalibracija.

Analogni električni signal, dobijen konverzijom iz fizičkog u električni domen uz pomoć senzora, u većini slučajeva je nepodesan kao ulazni signal A/D konvertora. Za izabrani opseg promene ulazne neelektrične veličine električni senzorski signal gotovo redovno treba prilagodjavati analognim kolima tako da njegova promena bude u granicama ulaznog opsega A/D konvertora kako bi se garantovala rezolucija, odnosno, tačnost konverzije, ili u slučaju primene aktivnih senzora po pravilu slab signal treba naknadno pojačavati. Ne retko, postoji potreba za konverzijom npr. strujnog senzorskog signala u naponski i obrnuto.

Za komunikaciju senzora sa digitalnim okruženjem potrebno je izvršiti A/D konverziju dok je za prenos poželjno integrisati odgovarajući bus interfejs koji će omogućiti dalju obradu signala u digitalni multibit format primenom mikroprocesora ili mikrokontrolera. Slika 1.4 prikazuje lanac konverzije fizičkog signala iz jednog u drugi domen zasnovan na arhitekturi inteligentnog senzora.

Slika 1.4. Konverzija senzorskog signala u digitalni domen na bazi bus kompatibilnog inteligentnog senzora.

Konačno, kalibraciona elektronika će omogućiti realizaciju inteligentnog senzora sa standardiziranim izlaznim signalima garantujući tačnu vezu izlazne i ulazne veličine, jednovremeno obezbedjujući jednostavnu zamenu senzora i rekalibraciju. Neophodnost i valjanost kalibracije evidentna je na primeru proizvodnje senzora. Usled tehnoloških nesavršenosti prenosna karakteristika senzora, npr. piezootpornog senzora pritiska, može značajno varirati od senzora do senzora i do 30%. Sistematske i slučajne greške senzora i interfejs elektronike mogu uspešno biti korigovane u koje svrhe su raspoložive različite opcije za korekciju.

POLUPROVODNIČKI (SILICIJUMSKI) SENZORI

Poslednjih godina postoji snažan trend u pravcu razvoja integrisanih silicijumskih mikrosenzora i mikroaktuatora. Razlog za ovo leži u kompatibilnosti ove vrste senzora sa silicijumskim mikroelektronskim kolima i stim u vezi mogućnosti integracije senzora sa sofisticiranim kolima visokog stepena integracije. Integracija senzora sa elektronskim kolima na istom substratu vodi ka povećanoj kompaktnosti uredjaja osetljivog na neelektrične veličine. Jedan od ciljeva integracije na jedinstvenom čipu su eliminacija, kompenzacija i podešavanje komponenata signala kao što su ofset, drift, nelinearnost i osetljivost senzora na više ulaznih veličina u isto vreme. Važan razlog za integraciju je i veći stepen apstrakcije uredjaja u odnosu na korisnika koji ne mora biti upoznat s operativnim performansama uredjaja. Šta više, izlazni

signal uredjaja može biti digitalizovan i doveden na standardizirani format. Kao što je rečeno, ovakva organizacija uredjaja je danas u literaturi poznata kao koncept integrisanog inteligentnog senzora. Glavni problem integrisanih inteligentnih senzora je tkzv. problem proizvodne kompatibilnosti. Naime, postupak fabrikacije senzora, za optimalne radne karakteristike, je obično potpuno različit u odnosu na konvencionalni proces proizvodnje mikroelektronskih kola. Uprkos kompatibilnosti materijala za proizvodnju silicijumskih senzora i mikroelektronskih kola postupci fabrikacije ovih komponenata obično nisu isti. Pored toga, fizički uticaji na silicijum, koji mogu biti upotrebljeni za konverziju signala neelektričnog u električni domen, nisu optimalni u odnosu na druge materijale. Kompromis je pronadjen u integraciji sa podoptimalnim performansama i senzora i integrisanih kola. Takodje, adaptivnost fotolitografske tehnologije u odnosu na nove proizvode garantuje u perspektivi najmanje isti red veličine cene i performansi senzora i mikroelektronskih kola. Veoma niska cena i integrabilnost s elektronskim kolima za poboljšanje senzorskih karakteristika daju silicijumu prednost u izgradnji integrisanih inteligentnih senzora.

U tabeli 1 je dat zbirni pregled poznatih fizičkih efekata na silicijum i druge materijale, kao i primeri aplikacija. Akcenat je stavljen uglavnom na silicijum kao materijal za proizvodnju osetljivih elemenata a podela izvršena na aktivne i pasivne senzorske komponente.Tehnologija proizvodnje senzora nije medjutim ograničena samo na čisti silicijum. Kompozitni poluprovodnički materijali, primesni poluprovodnici, polimeri a ponekad i komplikovane višeslojne strukture takodje nalaze primenu u izgradnji integrisanih inteligentnih senzora. Šta više, pojedini tipovi senzora na bazi primesnog poluprovodnika pokazuju veći stepen osetljivosti, veću brzinu odziva i stabilnost u odnosu na dokazane nesilicijumske senzore ove vrste.

Budući tehnološki trendovi u proizvodnji inteligentnih poluprovodničkih senzora tiču se cene senzora, od razvoja do eksploatacije. Prosečno, potrebno vreme razvoja pojedinih senzora iznosi približno desetak godina. Na prvi pogled ovo izgleda neprihvatljivo sa stanovišta investicija, medjutim, razvoj pouzdanog senzora sa linearnim karakteristikama i zadovoljavajućom brzinom odziva je realno kompleksan zadatak. Proizvodnju senzora prati i jednovremeni razvoj odgovarajućeg kućišta za tipične aplikacije. Uzimajući u obzir navedene činjenice, razumljivo je da jedino velike serije senzora mogu opravdati ulaganja u razvoj, proizvodnju i eksploataciju senzora.

Aktivni Pasivni

Domeni energija

Opornički, kapacitivni, induktivni

Diodni Tranzistorski Aplikacije

Optički Volta efekat,solarna čelija

Fotoprovodnik Fotodioda Fototranzistor Foto IC, CCD

Mehanički Nepoznat Piezootpornik Piezospoj Piezotranzistor Akcelerom.,Piezo IC

Termički Seebeck-ov efekat,

termoparR=f(T)

Inverzno pol. PN spoj

Direktno pol. PN spoj

IC Termometri

Magnetski Maxwell-ovdifundovani

namotaj

Magnetski otpornik

Magnetska dioda Hall-ov efekat Hall IC

Hemijski Galvanski Koncentracija jona

Nepoznat ISFET Senzori koncentracije

Tabela 1. Pregled poznatih fizičkih efekata na silicijum i druge materijale i primeri aplikacija.

Primena silicijuma u proizvodnji senzora ograničena je dopuštenim radnim temperaturskim

opsegom, -500C do 1500C aproksimativno. Naime, ispod donje granične temperature materijali dopirani silicijumu su jedva aktivni dok iznad gornje dolazi do degradacije silicijuma. Poluprovodnički senzori na bazi GaAs mogu obezbediti nove mogućnosti u smislu povećanja gornje radne temperature. Realno je u skorijoj budućnosti očekivati integraciju senzora više različitih fizičkih veličina na jedinstvenom čipu kao i mogućnost proizvodnje trodimenzionalnih senzora zasnovanih na mikromašinstvu.

ANALOGNA INTERFEJS ELEKTRONIKA

Uprkos rastućem trendu digitalizacije elektronskih funkcija, primena analognih elektronskih kola u sistemima za merenje i kontrolu je i dalje neizbežna uglavnom zbog analogne prirode ljudskog okruženja. Temperatura, pritisak, sila, napon, hemijske reakcije itd. su veličine čisto analogne prirode. Primena senzora neelektričnih veličina, aktivnih ili pasivnih, zasnovanih na poznatim fizičkim principima, za konverziju u električni domen ne menja prirodu informacije. Nivo signala npr. aktivnih senzora poput termopara ili solarne ćelije je veoma nizak, reda mV, pa je u cilju digitalizacije neophodno pojačati signal i uskladiti opseg promene el. signala sa opsegom konverzije. Za pojačanje veoma niskih senzorskih signala posebnu pažnju treba posvetiti izboru i projektovanju pojačavača. Ekvivalentni izlazni ofset pojačavačkih kola kao i temperaturski drift ofseta može u znatnoj meri degradirati koristan signal senzora, posebno pri velikim pojačanjima. Kompenzacija ofset greške u kolima pojačavača je s toga neizbežna. Savremeni inteligentni senzori podrazumevaju implementaciju automatske kompenzacije ofseta i temperaturskog drifta ofset greške npr. na bazi balansiranih naponskih čopera što, medjutim, prvenstveno zavisi od izbora komponenata i konfiguracije analognog interfejsa. Osim ofseta, pri projektovanju pojačavača treba voditi računa o odnosu signal/šum i interferenciji.

Pored navedenih razloga za primenu analognih elektronskih kola u izgradnji elektronskih mernih sistema postoje i drugi, ne manje važni razlozi. Npr. u telemetriji i aplikacijama za rad na vrlo visokim frekvencijama reda GHz, ponekad analogna kola (računska) mogu biti brža, tačnija, jednostavnija i jeftinija od digitalnih.

Generalna podela pojačavačkih kola, kao primarnog analognog dela sistema sa slike 1.4, može biti izvršena na bazi prirode ulaznog senzorskog signala i signala na izlazu pojačavača. To su:

- naponski pojačavači

- strujni pojačavači

- transkonduktansni pojačavači

- transipmedansni pojačavači

Jedan od najpopularnijih analognih gradivnih blokova, operacioni pojačavač, i danas je nezamenljiv u velikom broju aplikacija imajući u vidu kolekciju važnih funkcija koje se relativno jednostavno mogu realizovati njime.

Gradivni blokovi analognog interfejsa integrisanog inteligentnog senzora

OP u spoju neinvertujućeg pojačavača OP u spoju jedinićnog pojačavača

OP u spoju invertujućeg pojačavača Invertujući pojačavač sa više ulaza (sumirajući)

OP u spoju diferencijalnog pojačavača Primena diferencijalnog pojačavača u kolu osetljivog elementa

Operacioni pojačavač u spoju instrumentacionog pojačavača Snažni pojačavač na bazi OP

Strujni pojačavači na bazi OP (Invertujući i neinvertujući)

Konvertori struje u napon na bazi OP

Konvertori napona u struju na bazi OP (sa neuzemljenim i uzemljenim potrošačem)

Integratorsko kolo na bazi OP Kolo za diferenciranje na bazi OP

Različite varijante generatora konstantne struje na bazi OP

Regenerativni naponski komparator na bazi OP

INTEGRISANA IMPULSNA KOLA POGODNA ZA DIREKTNU UGRADNJU SENZORA

Određeni broj primarnih osetljivih elemenata zadovoljava zahteve za direktnom ugradnjom u deo kola oscilatora kojim je određena frekvencija oscilovanja. Takvi senzori, kao što su kapacitivni, induktivni i otpornički, obično predstavljaju deo mreže kola relaksacionog oscilatora koji generiše periodične pravougaone impulse i čija frekvencija je funkcija otpornosti, kapacitivnosti ili induktivnosti senzora. Šta više, za pojedine vrste senzora, kakvi su npr. termistori, pogodnim projektovanjem kola relaksacionog oscilatora moguće je postići direktnu linearnu vezu između veličina vremenskog domena i odgovarajuće neelektrične veličine.

Zahvaljujući niskoj ceni i relativno maloj složenosti integrisanih kola oscilatora, kao i kompatibilnosti sa veličinama digitalnog domena informacija, rešenja zasnovana na ovakvom pristupu zadovoljavaju zahteve za većom tačnošću imajući u vidu manji broj konverzija neelektrične veličine u digitalni domen, odnosno, manju degradaciju ulazne veličine.

Integrisani generator funkcija ICL8038

Pin konfiguracija i principijelna blok šema integrisanog generatora funkcija ICL8038

- Integrisano kolo generatora tri karakteristična periodična talasna oblika napona – prostoperiodični, trougaoni i pravougaoni.- Zahteva ugradnju samo tri spoljašnje pasivne komponente za realizaciju funkcija.- Pogodan za generisanje vremenskog perioda u širokom opsegu promene, reda µs do s.- Pogodan za primene u kolima kao PWM generator.- Mogućnost generisanja unipolarnih i bipolarnih talasnih oblika napona na izlazima.- Mogućnost eksternog podešavanja koeficijenta ispune (duty cycle) periodičnog signala.

Detaljnija blok šema kola ICL8038

Zanemarujući bazne struje tranzistora u kolu funkcijskog generatora, struje I1 i I2 su struje kroz eksterne otpornike za koje važi

Prekidački tranzistor Q8, upravljan pravim izlazom Q flip-flopa, u režimu je zasićenja kada je izlaz Q na visokom potencijalu. Kada je tranzistor Q8 blokiran struja I1 je vrlo približno jednaka kolektorskoj struji tranzistora Q5. Budući da su naponi na emitorskim spojevima tranzistora Q5, Q6 i Q7 jednaki a tranzistori upareni to su i kolektorske struje tranzistora Q6 i Q7 jednake kolektorskoj struji tranzistora Q5 (strujno ogledalo). Otuda je emitorska, odnosno, kolektorska struja tranzistora Q4 dvostruko veća od kolektorske struje tranzistora Q5. Kada je prekidački tranzistor Q8 provodan tranzistor Q4 je blokiran zbog niskog potencijala na njegovoj bazi vB4=VCES8. Zbog toga su neprovodni i svi tranzistori koji čine strujno ogledalo, Q5, Q6 i Q7. Struja I1 jednaka je tada struji kolektora prekidačkog tranzistora Q8.

Pragovi prebacivanja diferencijalnih komparatora podešeni su otporničkom razdelničkom mrežom na vrednosti VCC/3 i 2VCC/3. Napon na eksternom integracionom kondenzatoru C menja se u toku oscilovanja kola u granicama pragova prebacivanja komparatora. Ako se pretpostavi da je na početku prvog kvazistabilnog stanja flip-flop setovan tada se u toku trajanja kvazistabilnog stanja kondenzator puni strujom konstantnog intenziteta I2 s obzirom na neprovođenje tranzistora Q4. Napon na kondenzatoru na početku kvazistabilnog stanja jednak je pragu prebacivanja donjeg komparatora VCC/3 pa je njegova vremenska zavisnost u toku punjenja oblika

Trajanje prvog kvazistabilnog stanja završava se u trenutku izjednačenja napona na kondenzatoru sa pragom prebacivanja gornjeg komparatora 2VCC/3 (trenutak uoči resetovanja flip-flopa) pa je iz gornje jednačine

Na sličan način, pražnjenje kondenzatora C posle resetovanja flip-flopa i blokiranja tranzistora Q8 vrši se razlikom struja konstantnog intenziteta Ipr=2I1-I2. U toku trajanja drugog kvazistabilnog stanja napon na kondenzatoru koji se prazni menja se sa vremenom prema zakonu

Kraj drugog kvazistabilnog stanja događa se u trenutku izjednačenja napona na kondenzatoru sa pragom prebacivanja donjeg komparatora VCC/3 pa je iz poslednje jednačine

Frekvencija oscilovanja kola, data u opštim brojevima, je

Za zadati koeficijent ispune pravougaonog izlaznog signala k=0.5 odnos impuls/pauza signala jednak je jedinici. Posmatrajući jednačine za trajanja kvazistabilnih stanja lako se zaključuje da je T1=T2 ako se eksterni otpornici odaberu tako da je RA=RB.U odsustvu eksternog kontrolnog napona vC pri kratkospojenim pinovima kola 7 i 8 napon na kontrolnom ulazu određen je otporničkim razdelnikom R1, R2 i iznosi

Za zadate vrednosti parametara kola, RA=RB, frekvencija oscilovanja nije funkcija napona napajanja i izračunava se iz preposlednje jednačine

Talasni oblici napona na jednom od izlaza ICL8038 generatora i integracionom kondenzatoruIntegrisani tajmer LM555

Pin konfiguracija i principijelna blok šema integrisanog tajmera LM555

- Pogodan za generisanje stabilnih vremenskih intervala u širokom opsegu promene, reda veličine (µs-s).- Projektovan za rad u spoju astabilnog, monostabilnog, bistabilnog kola, generatora PWM signala, kao i generatora linearne vremenske baze.- Mali broj spoljašnjih pasivnih komponenata kola, potrebnih za realizaciju neke od napred nabrojanih funkcija.- Frekvencija oscilovanja ili generisani vremenski interval nisu funkcija napona napajanja kola i s tim u vezi ne zavise od njegove stabilnosti/nestabilnosti.- Širok opseg napona napajanja kola (3V do 18V).- Fabrikacija kola u bipolarnoj (LM555) i unipolarnoj tehnici (LM7555).- Dual In Package varijanta kola (LM556)

Detaljna električna šema tajmera LM555 u bipolarnoj tehnici

Principijelna električna šema tajmera LM7555 u unipolarnoj tehnici

Stabilni impulsni generator na zasnovan na tajmeru LM555

Frekvencija oscilovanja impulsnog generatora je

i nije funkcija napona napajanja kola.

Talasni oblici napona na izlazu LM555 generatora impulsa i integracionom kondenzatoru

Integrisani tajmer LM555 u spoju monostabilnog multivibratora

Trajanje generisanog izlaznog impulsa posle okidanja kola je

i nije funkcija napona napajanja kola.

Talasni oblici napona na ulazu za okidanje (trigerovanje) kola, integracionom kondenzatoru i izlazu kola

Integrisani tajmer u spoju PWM impulsnog generatora

Primeri aplikacija

Analogna interfejs elektronika za kondicioniranje signala PH sonde

Analogna interfejs elektronika za merenje temperature sa Pt sondom kao senzorom

Primena impulsnog generatora LM555 za merenje elektrolitičke provodljivosti

A/D KONVERZIJA

Od posebno velikog značaja za realizaciju inteligentnih senzora su elektronska kola kojima se menja karakter ulazne neelektrične veličine, A/D konvertori. Promena karaktera je svrsishodna imajući u vidu prednosti digitalnog oblika signala kao što su: visoka tačnost koja se ne smanjuje pri prenosu i obradi informacije i koja isključivo zavisi od raspoloživog broja bitova za kodiranje, velike brzine obrade, mali uticaj šumova i pogodan oblik izlazne informacije-broja za vizuelnu i drugu predstavu. Takodje, digitalna elektronska kola su po pravilu pouzdanija od analognih. Digitalni oblik informacije sa izlaza A/D konvertora dalje može biti procesiran u smislu digitalne kalibracije, što je odlika modernih inteligentnih senzora.

fS>2fG

S/H (Sample & Hold) kolo za odmeravanje i držanje

Kvantovanje

1. A/D SA DIREKTNOM KONVERZIJOM• Podatak po podatak - simultani (flash)• Bit po bit - sa sukcesivnom aproksimacijom• Kvant po kvant - brojački

2. A/D SA POSREDNOM KONVERZIJOM•V/F konvertori•V/T konvertori

Veoma pogodni za primenu u kolima inteligentnih senzora su tkzv. posredni A/D konvertori. Ova klasa konvertorskih kola zasnovana je na posrednom pretvaranju analognog senzorskog signala u neku od veličina vremenskog (poludigitalnog) domena informacija, frekvenciju, vremenski interval. Veličine vremenskog domena, s druge strane, direktno su kompatibilne sa većinom savremenih mikroprocesora i mikrokontrolera i mogu biti korišćene kao ulaz bus interfejs bloka. Posebna pogodnost odnosi se na jednostavnost i ekonomičnost izvodjenja posrednih A/D konvertora i mogućnost direktne ugradnje jednog broja senzora u deo kola oscilatora kojim se odredjuje frekvencija oscilovanja ili trajanje izlaznog impulsa. Glavni nedostatak odnosi se na primenu vremenskih kola čija kratkoročna i dugoročna nestabilnost može biti glavni uzrok nestabilnosti konverzije.

Druga klasa konvencionalnih A/D konvertora zasnovana na otpornim ili kapacitivnim težinskim mrežama može takodje biti primenljiva za izgradnju kola inteligentnih senzora. Umerena brzina konverzije pojedinih vrsta ove klase konvertora (mS) zadovoljava zahteve većeg broja različitih senzorskih signala. Glavni nedostatak je potreba za uparavanjem komponenata težinske mreže konvertora što, medjutim, u savremenim tehnološkim uslovima proizvodnje i nije značajan problem čak i za visoke rezolucije 12-14 bita.

A/D konvertor sa paralelnim komparatorima (flash converter)

A/D konvertor sa registrom sukcesivnih aproksimacija Princip vage

Prateći A/D konvertor i vremenski dijagrami napona u karakterističnim tačkama kola

Serijski A/D konvertor sa referentnim D/A i vremenski dijagrami napona u karakterističnim tačkama kola

A/D konvertor sa dvojnim nagibom i vremenski oblici napona u karakterističnim tačkama kola

DIGITALNI BUS INTERFEJS

Jedan od savremenih trendova u cilju dodatnog poboljšanja performansi sistema za prikupljanje i obradu podataka je povećanje broja senzora i formiranje tkzv. multisenzorskog sistema. Takav pristup, medjutim, uvodi izvesne probleme kao što su povećanje broja medjuveza, cena koštanja i pouzdanost. Konvencionalna mrežna konfiguracija-zvezda kod koje postoje žičane veze izmedju svakog izvora podataka i centralne akvizicione jedinice je skupa, neekonomična i nepouzdana. Primenom standarnih integrisanih senzorskih magistrala svaki senzor ili akviziciona jedinica može biti povezana na istu žičanu vezu čime se osigurava pouzdan prenos i smanjuje cena sistema u isto vreme.Medju raspoloživim strukturama integrisanih magistrala najzanimljivije za ove vrste primena su serijske. Brzina prenosa postojećih serijskih magistrala je više nego dovoljna za senzorske primene a ovakva rešenja daju minimalni broj medjuveza, posebno u multisenzorskim sistemima.Kao što se može videti sa slike 1.5a broj senzora tkzv. zvezda arhitekture ograničen je brojem multipleksiranih kanala mikrokontrolera (8 do 16 uobičajeno) a poziciju senzora odredjuje multipleks adresa. Sa povećanjem broja senzora progresivno raste i broj žičanih veza što rezultuje povećanjem složenosti i cene sistema.

Slika 1.5. a) Zvezda arhitektura b) Bus arhitektura

Navedeni nedostaci zvezda arhitekture mogu biti otklonjeni primenom tkzv. bus arhitekture, prikazane na slici 1.5b. Senzori i mikrokontroler opremljeni su digitalnim bus interfejsom i medjusobno povezani sa svega dve linije, taktnom (clock) i linijom za adresiranje i prenos podataka (data), isključujući linije za napajanje. Jednostavna arhitektura senzorskog bus interfejsa uslov je lake integracije na jedinstvenom senzorskom čipu dok minimalni broj veza sa centralnom akvizicionom jedinicom obezbedjuje lako povezivanje i nisku cenu sistema u celini. Digitalni bus interfejs koji zadovoljava

pomenute zahteve razvijen je od strane Philips korporacije, I2C bus (Inter Integrated Circuit), kao interna magistrala za komercijalne proizvode sa mikroprocesorskom kontrolom. Magistrala poseduje dve linije za napajanje i dve za komunikaciju (open collector line) a zasnovana je na jednostavnom protokolu.

IS 2 magistrala

Razvijen za potrebe integrisanih inteligentnih senzora IS2 (Integrated Smart Senzor) bus interfejs

je vrlo slične, jednostavne arhitekture kao i I2C bus sa dve komunikacione i dve linije za napajanje ali sa

tkzv. "otvorenim" formatom prenosa podataka. Na slici 1.6 je prikazan IS2 linijski kod (Manchester-kod).Taktna (clock) linija nosi informaciju o vrsti podataka za prenos. Kontinualni taktni signal označava

digitalni prenos podataka. Kontinualno visoki logički nivo linije za taktovanje odgovara prenosu analognog signala putem linije podataka. Linija podataka je namenjena za prenos, adresiranje i kontrolu prenosa. Sa slike 1.6 se može videti da je logička nula kodirana na takav način da je u toku visoke faze taktnog signala linija podataka na niskom nivou a u toku niske na visokom logičkom nivou. Logička jedinica kodirana je na suprotan način. Visoki logički nivo na liniji podataka trajanja jedan taktni interval omogučava identifikaciju neaktivnog, "praznog" stanja dok je niski nivo signala u istom trajanju iskorišćen za kodiranje specijalnih uslova kao što su greške ili prekidi.

Slika 1.6. Linijski IS2 kod.

Prenos podataka inicira se od strane tkzv. nadredjene magistrale mikrokontrolera (master-bus) slanjem startnog bita ("0") posle koga sleduje 8-bitna serijska adresa "prozvanog" senzora. Adresirani senzor potvrdjuje inicijalizaciju slanjem bita potvrde (acknowledgement bit) iza koga sleduje serijski prenos podataka sinhronizovanih taktnim impulsima, slika 1.7.

Slika 1.7. IS2 protokol.

Najvažnija karakteristika IS2 bus interfejsa je dužina polja podataka koja može biti proizvoljna ("otvoreni format"). Prenos podataka može biti okončan nasilno generisanim prekidom od strane nadredjene magistrale posle čega senzor suspenduje prenos ili od strane podredjene magistrale senzora (slave-bus), posle završene komunikacione sekvence, postavljanjem linije podataka u "prazno" stanje (idle state).

Osim digitalnog prenosa podataka IS2 magistralom je moguće vršiti i prenos analognih signala protokolom sličnim kao pri prenosu digitalnih. Na kraju prenosa nadredjena magistrala restartuje taktni signal i postavlja liniju podataka u "prazno" stanje. Eventualni adresni konflikti zaustavljaju prenos i resetuju sve senzore priključene na magistralu.

Na strani nadredjene magistrale (master-bus) adrese moraju biti tako organizovane da nadredjeni bus interfejs može unapred znati format podataka od ili prema uredjaju. To se može postići formiranjem tabele sa informacijama o senzorima na magistrali, adresama, vrsti podataka, broju odmeraka itd. ili podelom adresnog opsega na podopsege za analogne senzore, senzore zasnovane na Σ/Δ A/D konvertoru itd. Na kraju, maksimalni broj adresa tj. senzora priključenih na magistralu za 8-bitnu dužinu adrese iznosi 256 što je neuporedivo više u odnosu na zvezda arhitekturu zasnovanu na multipleksu adresa.

IIC (Inter Integrated Circuit-Philips) magistrala

Primer povezivanja PIC μC (master) sa serijskom (slave) memorijom 24xxx (24LC256)putem IIC interfejsa

Generisanje START i STOP uslova na IIC magistrali

Svaki prijemni uređaj, kada je adresiran, obavezan je da generiše signal potvrde (acknowledge) posle prijema svakog bajta. Na taj način prijemnik (slave) obaveštava predajni uređaj (master) o ispravnom prijemu bajta podatka, što predajnik proverava.

Format kontrolnog bajta (između S (start) i ACK (acknowledge) bitova) koji master šalje slave uređaju

Master (μC) upisuje jedan bajt podatka u slave uredjaj (memorija)

Master (μC) upisuje 64 bajta podatka (npr. mem. stranica) u slave uredjaj (memorija)

Master čita jedan bajt podatka koji šalje slave (sa tekuće adrese)

Master adresira slave uređaj i potom čita bajt podatka koji emituje slave

Master adresira slave uređaj i potom čita niz bajtova podatka koji emituje slave

SPI (Serial Peripheral Interface) interfejs

Povezivanje u master/slave konfiguraciju preko SPI magistrale

SPI komunikaciona mreža

Vremenski dijagram sinhronizovanih podataka na prijemu I slanju

One-Wire serijski komunikacioni interfejs

Projektovan kao komunikacioni interfejs sa najmanjim brojem žičanih veza (Dallas), izuzetno je pogodan za ugradnju u integrisanim digitalnim senzorima, memorijskim modulima, A/D konvertorima i slično. Komunikacioni protokol zahteva striktni tajming, zbog čega se kola sa ugrađenim jednožičnim interfejsom najčešće povezuju sa mikroprocesorom kao masterom. Na slici je prikazan način povezivanja digitalnog senzora temperature DS1820 sa mikroprocesorom.

Upis nule i jedinice od strane mastera

Master čita nulu i jedinicu

Izvori grešaka pri konverziji senzorskog signala

Osim grešaka prenosne karakteristike senzorskog elementa koje nastaju kao posledica tolerancija tehničko-tehnološkog procesa proizvodnje mogu se očekivati i greške prenosnih karakteristika pojedinih gradivnih blokova inteligentnih senzora. Ovo se posebno odnosi na analognu interfejs elektroniku i moguće greške ofseta i pune skale a manje na eventualne greške nelinearnosti ovog bloka. U električnom domenu, medjutim, raspoložive su različite metode za korekciju ili redukciju ovih tipova grešaka (automatsko podešavanje na nulu, čopovanje, uparavanje dinamičkih elemenata itd.) do vrednosti značajno manjih u odnosu na specifikacije senzorskog elementa. Takve napredne metode automatske kalibracije nisu uvek neophodne budući da se senzor može kalibrisati u celini, na putu prenosa signala od osetljive komponente do digitalnog izlaza. Izuzeci mogu biti učinjeni u slučajevima kada se može očekivati značajan drift unutar primenjenih elektronskih kola za obradu signala. Problemi ove vrste mogu uspešno biti eliminisani dinamičkim čopovanjem ili uparavanjem komponenata.

Konvencionalna kalibracija senzora

Uprkos tendenciji integracije senzorskog elementa sa sofisticiranim elektronskim kolima visokog stepena integracije (VLSI) najveći broj senzora neelektričnih veličina se još uvek proizvodi i distribuira nezavisno od interfejs elektronike. Konvencionalna kalibraciona tehnika prvenstveno je usredsredjena na korekciju sopstvene prenosne karakteristike osetljivog elementa u toku ili posle fabrikacije. Primer je lasersko trimovanje otpornika u Wheatstone-ovom mostu piezootpornog senzora pritiska. Takav pristup, medjutim, čini proizvodnju senzora složenom i skupom jer uvodi dodatnu proceduru u postupku fabrikacije. Takodje, elektronski interfejs treba da bude prilagodjen specifikacijama kalibrisanog senzora što u nekim slučajevima može zahtevati jednu odvojenu kalibracionu proceduru.

Sa stanovišta sistema kalibracija senzora se obično vrši na nivou sistemskog računara. Aplikacioni programi za prikupljanje i obradu podataka, kao što je LabView, nude niz mogućnosti za efikasnu i fleksibilnu digitalnu kalibraciju senzora. Glavni nedostatak takvog pristupa je potreba za rekalibracijom ili novom kalibracijom prilikom zamene ili pri ugradnji novog senzora, respektivno, što može zahtevati angažovanje kako korisnika tako i skupe referentne opreme. Budući da se kalibracioni podaci senzora čuvaju u memoriji sistemskog računara to kalibracija podrazumeva odgovarajuću procesorsku snagu sistema. Evidentno, nabrojani nedostaci konvencionalnih kalibracionih postupaka imaju destimulativni efekat na široku komercijalnu primenu senzora.

Korekcija prenosne karakteristike inteligentnog senzora

Zasnovana na konceptu inteligentnog senzora, slika 1.4, kalibracija ukupnog prenosa senzora može biti izvršena u jednom od raspoloživih domena ili gradivnih blokova

-analognom domenu signala,-A/D konvertoru,-digitalnom domenu.

U bilo kom od navedenih domena/gradivnih blokova od izuzetnog je značaja omogućiti programabilnu digitalnu kalibraciju što je pretpostavka potpune automatizacije kalibracione procedure u procesu proizvodnje senzora. Takodje je važno da kalibracijom budu korigovane greške na celom putu prenosa signala što se čini podešavanjem digitalne reči na izlazu u toku kalibracione faze.

Kalibracija u analognom domenu signala podrazumeva primenu analognih kola sa programabilnim ofsetom, pojačanjem, temperaturskim koeficijentom ofseta itd. Za implementaciju programabilne kalibracione procedure neophodna je primena D/A konvertora.

Implementacija digitalne kalibracije unutar bloka A/D konvertora može biti veoma različita imajući u vidu mešovitu prirodu električnog signala. Tako npr. primena / A/D konvertora pruža niz mogućnosti programabilne korekcije ofseta, pojačanja i linearnosti. Konačno, kalibracija u digitalnom domenu signala, posle A/D konverzije, nije uvek izvodljiva s obzirom na otežanu integraciju mikrokontrolerskih kola na jedinstvenom senzorskom čipu. Alternativno je moguće hibridno objediniti mikrokontroler unutar kućišta

senzora. Povoljnije sa stanovišta integracije i u cilju jednostavne primene mikrokontrolera je ugradnja bus interfejsa čija jednostavna arhitektura ne usložnjava proces integracije. Primenjeni mikrokontroler, kao deo sistema, vrši preračunavanje digitalizovanog odziva senzora prema softverski implementiranoj kalibracionoj rutini što predstavlja savremenu tendenciju korekcije signala senzora. Relativno mala brzina odziva u odnosu na brzopromenljive veličine, povećana složenost i potrošnja cena su veće fleksibilnosti softverske u odnosu na hardverski implementiranu kalibracionu proceduru.