21

Senzori druga parcijala

1. Objasniti direktni piezoefekat?

Izvjesni dielektrini materijali monokristalne strukture kada se mehaniki napreu razvijaju elektrini potencijal.

Najpoznatiji prirodni piezomaterijali su: kvarc (SiO2), Roelova so, Senjetova so, amonijum-dihidrogen-fosfat i turmalin.

Piezoefekt tumai se nastankom ili izmjenom dipolnog momenta P prilikom pomjeranja elektrinih naboja q pod djelovanjem mehanikog naprezanja - direktni piezoefekt.2. Objasniti inverzni piezoefekat?

Inverzni piezoefekt - promjena srednjeg rastojanja l izmeu centara dipola poduticajem elektrinog polja E.3. Koje veliine utiu na stanje piezoelektrinog dielektrika?

Stanje piezoelektrinog dielektrika, u optem sluaju, zavisi od odnosa elektrinih, mehanikih i toplotnih veliina.

Predstavlja se kao funkcionalna zavisnost slijedeih parametara:

elektrinog polja E, mehanikog naprezanja T, temperature , elektrine indukcije D (ili polarizacije P), mehanike deformacije S i entropije e.

4. Nacrtati ekvivalentnu emu piezoelektrinog senzora

5. Podjela piezoelektrinih senzora po nainu gradnje

Prosti piezoelektrini senzori Viestruki piezoelektrini senzori Jednomorfni i dvomorfni Transformatorski piezoelektrini senzori 6. Koji su nedostaci prostih piezoelektrinih senzora?

Prosti piezoelektrini senzori grade se u obliku: prizme, diska, cilindra ili dijela cilindra. Nedostaci prostih senzora su mali izlazni napon i slaba mehanika vrstina. 7. Viestruki piezoelektrini senzoriViestruki se grade paralelno-serijskim spajanjem vie prostih piezoelektrinih senzora. Senzori iz ove grupe najee se prave od vie slojeva prostih trakastih ili diskoidnih senzora. Smer polarizacije svakog narednog sloja istog je ili suprotnog smjera u odnosu na polarizaciju narednog, odnosno elementi su u elektrinom smislu spojeni serijski ili paralelno. Tipina debljina vieslojnog senzora je 5 10 mm , pojedinih slojeva 0, 1 0, 25 mm a osjetljivost je 2 10 V/mm .

Viestruki piezoelektrini senzori: a) lamelni, b) diskoidni, c) trosegmentni

8. Transformatorski piezoelektrini senzori.

Transformatorski piezoelektrini senzori sastoje se iz dvije piezoaktivne sekcije. Prva sekcija radi na principu obratnog piezoefekta, tako to ulazni naponski signal pobuuje mehanike oscilacije u oblasti rezonantnih frekvencija, gdje je amplituda unutranjih naprezanja najvea.

Druga sekcija radi na principu direktnog piezoefekta.

Upotrebljavaju se za mjerenje elektrinih veliina (struje, napona, frekvencije).

Dijele se u dvije velike skupine:

transformatori napona, sa izlaznim naponom koji je vei od ulaznog pri relativno maloj izlaznoj struji (do 1 mA) i koef. transformacije do 100 za optereeni, do 1000 za neoptereeni izlaz senzora

transformatori struje, sa izlaznim naponom koji je manji od ulaznog, pri emu je izlazna struja relativno velika (do 10 A).

Snaga im je 5 20 W. U zavisnosti od smjera polarizacije i kretanja pobuenih mehanikih oscilacija, razlikuju se popreno--popreni, uzduno-uzduni i popreno-uzduni. Najprostija je konstrukcija trakastog transformatorskog senzora popreno-uzdunog tipa.Za transformaciju veih snaga najoptimalniji je oblik cilindra, koji se odlikuje velikom vrstinom u dinamikim poljima.

Kod senzora u obliku prstena javljaju se radijalne oscilacije, a odnos izmeu smjera polarizacije i smera oscilacija je popreno-uzduni.Piezoelektrini senzori transformatorskog tipa: a) trakasti, b) cilindrini, c) prstenasti

9. Kontaktni akcelerometar

je najprostiji jer samo signalizira da je trenutna vrijednost ubrzanja vea od neke odreene vrijednosti, npr. maksimalno dozvoljene ad. Osnova rada ovog senzora je u merenju sile inercije, gdje je m poznata masa. Sve dok je a ad , metalna kuglica mase m nalee na kontakt i strujni krug se zatvara samo kroz otpornik R1, za a > ad kuglica je odvojena od kontakta i strujni krug zatvara se kroz R1 i R2 , te instrument indicira prekoraenje ubrzanja.

Uslov odvajanja kuglice od kontakta

10. Inercioni senzor linearnog ubrzanja

Inercioni senzor linearnog ubrzanja radi na principu merenja sile inercije (Fin = ma). Osnovni dijelovi inercijalnog akcelerometra su kruto tijelo mase m[kg], koje je pomou opruge krutosti c [N/m] i priguivaa sa koeficijentom viskoznog trenja B[ N/m/s] privreno za kuite.

Tijelo mase m ima ulogu primarnog osjetilnog elementa i njegovo kretanje proporcionalno je ubrzanju.

Kada je senzor na objektu koji se kree pravolinijski pod djelovanjem sile ma, na primarni element djeluju sile suprotnog smera: m x sila inercije, Bx sila otpora trenja i cx sila opruge.. Balans ovih sila daje poznatu jednainu kretanja prikazanog mehanikog sistema:

Frekvencija vlastitih oscilacija

Koef. priguenja

11. Inercioni senzor ugaonog ubrzanjaInercijalni senzor ugaonog ubrzanja ima primarni element u obliku krutog ijela momenta inercije I. Kada objekat rotira ugaonim ubrzanjem na rimarnom elementu stvara se moment inercije Min = I . Ovom momentu suprotstavlja se moment sile inercije I , moment sile priguenja B i moment sile opruge c. Balans navedenih momenata daje jednainu rotacionog kretanja senzora:

U stacionarnom stanju prve dvije komponente jednake su nuli,

tako da je ugao zakretanja osetljivog elementa proporcionalan ugaonom ubrzanju oko ose x.

12. Poluprovodniki akcelerometar

Poluprovodniki akcelerometar pravi se kao integrisana mikromehanika struktura. Seizmika masa je ovjeena na posebno profilisanu silicijumsku konzolu koja trpi deformaciju pod djelovanjem ubrzanja.

Poluprovodniki akcelerometar: a) seizmika masa na eleastinoj konzoli,

b) masa na pokretnoj elektrodi diferencijalnog kapacitivnog senzora

Deformacija se detektuje piezorezistorskim mostom. Vea ojetljivost dobijena je pomou diferencijalnog kapacitivnog senzora kod kojeg srednji sloj ima ulogu mase.13. Prednosti i nedostaci MEMS akcelerometra

MEMS akcelerometre karakteriziraju:

male dimenzije i teina (visoki stupanj prenosivosti),

niska potronja energije (mogucnost napajanja baterijama),

niska cijena (dostupnost za iroke primjene) i

jednostavno postavljanje na mjerni objekt.

Nedostaci se javljaju zbog njegove konstrukcije, i treba ih uzeti u obzir pri prakticnim primjenama.

Najznacajniji nedostatak je cinjenica da akcelerometar pored stvarne akceleracije mjeri i Zemljinu gravitaciju.

Stoga signal na izlazu akcelerometra sadri sumu stvarne akceleracije tijela na koje je pricvrcen i projekcije Zemljine gravitacije na mjernu osu.14. Objasniti MEMS iroskop

iroskop ADXRS150 pripada podskupini iroskopa koji svoj rad temelje na vibracijskoj masi, a karakteriziraju ih male dimenzije i teina, niska potronja energije, prenosivost i niska cijena. iroskop ADXRS150 je izraen u iMEMS tehnologiji koja omoguava izradu dodatnih elektronikih komponenti na istom ipu, poboljavajui na taj nain tanost mjerenja. Mjeri ugaonu brzinu indirektno, mjerenjem efekata Corilisove sile.

15. Koji su nedostaci iroskopa

Glavni nedostaci iroskopa: Mogucnost mjerenja samo relativne orijentacije (te je stoga potrebno kombiniranje s drugim senzorima), te drift signala tijekom vremena koji uzrokuje velike pogreke procijene orijentacije. Vremenski drift je posljedica uma i osjetljivosti na promjene temperature. Efekt drifta signala iroskopa tokom vremena je prikazan na slici:

16. Definisati biosenzor

Biosenzori su podgrupa hemijskih senzora gdje je element bioloki aktivan materijal: enzim, antitijelo, bioloka hemikalija, tkivo, stanica, organeli...

Biosenzor se moe definisati kao ureaj koji ima ugraenu bioloki aktivnu komponentu u bliskom kontaktu sa fiziko-hemijskim pretvaraem i procesorom elektronskog signala

Biosenzorima u irem smislu se smatraju ureaji za odreivanje parametara i koncentracije supstanci od biolokog interesa bez obzira da li se pri tom direktno slui biolokim sistemom. Biosenzori u uem smislu su analitiki ureaji koji pretvaraju bioloki odgovor u elektriki signal

17. Nabrojati svojstava koja moraju zadovoljiti biosenzori

Biosenzori moraju zadovoljiti, odnosno posjedovati nekoliko vanih svojstava:

(1) Biokatalizator mora biti visoko specifian u analizi, stabilan pri skladitenju i u primjeni (nekoliko tisua odreivanja uzoraka)

(2) Reakcija mora biti to je vie mogue neovisna o uvjetima (mjeanje, pH, temperatura).

(3) Odgovor mora biti jasan, precizan, reproducibilan i linearan u primjenjenom analitikom rasponu bez razrijeivanja ili koncentriranja

(4) Pri upotrebi u invazivnoj klinikoj analitici trebaju biti tanki, biokompatibilni i netoksini. Moraju se moi sterilizirati (to je dosta teko provesti s enzimima)

(5) Kompletni biosenzor treba biti jeftin i prenosiv i uptrebljiv za polustrune operatere.

18. Princip biosenzora (podjela)

19. Koje su prednosti i mane enzimaPrednosti enzima:

(1) lako se veu za odgovarajui supstrat

(2) visoko su selektivni

(3) imaju katalitiku aktivnost

(4) brzo se aktivirajuMane enzima

(1) skupi su

(2) esto gube aktivnost dok se imobilizuju na pretvarau

(3) gube aktivnost poslije relativno kratkog vremenskog perioda20. Kako se unapreuje selektivnost biosenzora

Selektivnost senzora ponajvie ovisi o to boljem odabiru senzirajueg materijala M koji e reagirati prvenstveno (idealno gledajui i jedino) s kemijskom veliinom X koju elimo izmjeriti. Koristi se kod biosenzora koji tako bivaju osjetljiviji na odreene molekularne strukture. Prepoznavanje se potpomae filtrom koji proputa samo odreene molekularne strukture, te olakava aktivnom senzirajuem materijalu interakciju sa eljenom mjerenom veliinom.

Upotreba takvog elementa za tzv. bioprepoznavanje je i jedna od temeljnih razlika u unutarnjoj strukturi funkcioniranja biosenzora i ostalih hemijskih senzora.

Naime, element koji vri prepoznavanje izuzetno dobro prepoznaje molekule koje elimo mjeriti i to na principu tzv. molekularne strukture.

Selektivnost se unapreuje i koritenjem odgovarajuih enzima koji pospjeuju odreene bioloke reakcije (biosenzor) ili katalizatora koji pospjeuju odreene kemijske reakcije (hemijski senzor).

Njihova je uloga u smanjenu tzv. aktivacijske energije (energije potrebne za induciranje kemijske reakcije) gotovo nezamjenjiva.21. Kako se dijele elektrohemijski senzori obzirom na elektrinu veliinu koju mjere?

Obzirom na elektrinu veliinu koju mjere dijele se :

Potenciometrijski

(napon)

Amperometrijski (struju)

Konduktometrijski (otpor)22. Potenciometrijski senzoriPotenciometrijski senzori koriste ion-selektivne elektrode za prevoenje bioloke reakcije u elektriki signal.

sastoje se od membrane koja sadri imobilizirani enzim koji okruuje elektrodu za pH-metar gdje se kataliziranom reakcijom nakupljaju ili apsorbiraju vodikovi ioni

reakcija koja se odvija uz tanku osjetljivu staklenu membranu uzrokuje promjenu pH koja se moe direktno oitati na skali pHmetra.

Tipino za ovu elektrodu je da se elektriki potencijal odreuje pri velikoj impedanci (vlastitom indukcijom) bez interferencije s reakcijom.

23. Amperometrijski senzori

Amperometrijski senzori funkcioniraju proizvodnjom struje kada se nametne napon izmeu dvije elektrode.

slini su potenciometrijskim biosenzorima po vremenu odgovora, dinamikom opsegu i osjetljivosti

Sastoji se iz platinske katode, na kojoj se kisik reducira i Ag / AgCl referentne elektrode.

primjenom potencijala -0.6 V (u odnosu na Ag /AgCl elektrodu) na platinsku katodu proizvede se struja proporcionalna koncentraciji kisika.

obje elektrode su uronjene u otopinu zasienu s KCl i razdvojene su od okolne otopine s plastinom membranom (npr. teflon, politetrafluoroetilen) propusnom za kisik.

24. Hemoresistori

Openito se smatra najjednostavnijim hemijskim senzorom u sklopu kojeg se mjeri elektrina vodljivost (otpor) senzirajueg sloja M osjetljivog na odgovarajui hemijski uzorak X. Osnovna struktura takvog senzora je relativno jednostavna, (elektrode slue za poboljanje vodljivosti kod niskoprovodljivih senzirajuih slojeva filmova). Najee nanaani slojevi (filmovi) su metalni oksidi, organski kristali i u novije vrijeme vodljivi polimeri.

25. Kemokondezatori

Na analogan nain kao kod utjecaja na vodljivost metal oksida uslijed reakcije na odreenu kemijsku supstancu mogue je mjeriti i kapacitet metal-oksidnog filma. Promjene kapaciteta kod kemokondenzatora su reda veliine pF i ovise o temperaturi i vlanosti okoline. Stoga i postoji nekoliko komercijalnih senzora vlage koji utjelovljuju tanak polimerski film kao kondenzator. Slika daje izgled komercijalnog polimerskog senzora vlage, te njegov odziv.

26. Temperaturni hemijski senzoriTemperaturni hemijski senzori detektiraju osloboenu ili absorbiranu toplinu E uslijed kemijske reakcije. To uzrokuje i promjenu temperature koje se dalje moe dovesti u vezu sa toplinom i mjeriti.

gdje je Cp konstanta toplinskog kapacitete uz konstantni tlak.

Hemijski selektivan sloj (npr. enzimski sloj biosenzor) se nanese na termistor koji je smjeten unutar kuita za spreavanje gubitaka izmjene topline s okolinom. Izlaganjem takvog senzora mjernom uzorku dolazi do kemijske reakcije uslijed ega osloboena (apsorbirana) toplina je proporcionalna promjeni temperature, detektirane s termistorom.

27. Hemijski senzori mase

- piezo elektriki kristali (npr. kvarc) vibriraju pri utjecaju elektrinog polja.

Frekvencija ovih oscilacija kristala ovisi o njihovoj debljini i rezanju.

Svaki kristal ima karakteristinu rezonantnu frekvenciju.

Ova rezonantna frekvencija se mijenja kako se molekule adsorbiraju ili desorbiraju s povrine kristala. Promjena rezonantne frekvencije je proporcionalna s promjenom adsorbirane mase reaktanta ili produkta (ovisi o specifinosti kristala) i lako se mjeri nesofisticiranim elektronikim aparatom.

Jedna od posljedica reakcije senzirajueg materijala sa mjerenom veliinom je i promjena mase. Ta, iako vrlo mala, promjena mase moe biti mjerena koristei piezoelektriki ili Surface Acoustic Wave (SAW) senzor.

Hemijski piezoelektriki senzori imaju relativno veliku osjetljivost u odnosu na neke druge kemijske senzore, dok im je nedostatak to im je radna temperatura relativno niska (