Το υποσύστηµα "αίσθησης" απαιτήσεις και επιδόσεις φυσικά µεγέθη γενική δοµή και συγκρότηση

Transcript

1 Το υποσύστηµα "αίσθησης" απαιτήσεις και επιδόσεις φυσικά µεγέθη γενική δοµή και συγκρότηση

2 Το υποσύστηµα "αίσθησης" είσοδοι της διάταξης αντίληψη του "περιβάλλοντος" τροφοδοσία του µε καθορίζει τις επιδόσεις συµβάλλει στο κόστος

3 Γενική δοµή µετατροπή του "φυσικού" σήµατος ενίσχυση προσαρµογή σε κατάλληλο πρότυπο για χρήση από τον µε αναλογικό ηλ. σήµα (τάση ή ρεύµα) φυσικό σήµα Μετατροπή ενέργειας, ανίχνευση Ενίσχυση προσαρµογή (conditioning) Κατάλληλο σήµα (µε)

4 Μηχανικά αισθητήρια θέση µετατόπιση ταχύτητα επιτάχυνση κραδασµός κλίση προσέγγιση απόσταση δύναµη (πίεση, ροπή) γραµµικά + περιστροφικά

5 Αισθητήρια ρευστών πυκνότητα παροχή - ταχύτητα ιξώδες µάζα

6 Ηλεκτρικά αισθητήρια ηλεκτρική τάση ηλ. ρεύµα αντίσταση χωρητικότητα ηλεκτρικό πεδίο µαγνητική ροή πολικότητα

7 Θερµικά αισθητήρια θερµοκρασία ένταση ακτινοβολία (φάσµα)

8 Οπτικά αισθητήρια ένταση ανάκλαση µετάδοση διάχυση συµβολή πόλωση φάσµα

9 Ακουστικά αισθητήρια ένταση συχνότητα µετατόπιση συχνότητας συµβολή

10 Χηµικά αισθητήρια συγκέντρωση οξύτητα οξειδοαναγωγή ιόντα αέρια ένζυµα

11 Επισκόπηση των οπτο-ηλεκτρονικών Η φωτεινή ακτινοβολία Φωτεινές πηγές Αισθητήρια φωτός

12 Το φώς είναι η/µ ακτινοβολία ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία υψηλής συχνότητας ταχύτητα στο κενό: c=3x10 8 m/s µήκος κύµατος λ=c/f ακτίνες Χ Υπεριώδες Ορατό nm Υπέρυθρο nm 770 nm-10 µm µικροκύµατα

13 Το φως ως ροή ενέργειας φωτεινότητα: ισχύς ανά µονάδα επιφανείας διαστάσεις επιφανειακής πυκνότητας watt/m 2 απορρόφηση απώλεια ισχύος επιλογή συχνότητας διάθλαση διέλευση σε µέσο µε διαφορετική ταχύτητα αλλαγή διεύθυνσης ανάκλαση απώλεια ισχύος πόλωση

14 Πηγές (φωτοβολούν, εκπέµπουν) λαµπτήρες πυρακτώσεως δίοδοι εκποµπής φωτός (L.E.D.) δίοδοι laser σωλήνες φθορισµού συσκευές πλάσµατος laser αερίου

15 Αισθητήρες (ανιχνεύουν, εντοπίζουν) φωτοαντιστάσεις φωτοκύτταρα φωτο-δίοδοι φωτο-τρανζίστορ τρανζίστορ ολοκληρωµένα κυκλώµατα (chip) ανίχνευσης

16 Σύνδεση µε τα ψηφιακά στοιχεία (µε) Ψηφιακό σήµα (µε) Ενίσχυση Μετατροπή ενέργειας, εκποµπή φως φως Μετατροπή ενέργειας, ανίχνευση Ενίσχυση προσαρµογή (conditioning) Ψηφιακό σήµα (µε)

17 Πηγές φωτός Λαµπτήρες πυρακτώσεως Φωτοεκποµποί δίοδοι (LED) Ακτινοβολία σε φάση (Laser)

18 Λαµπτήρας πυρακτώσεως λεπτό µεταλλικό σύρµα, συνήθως Τανγκστένιο (Tu) ή Βολφράµιο (Vo) ευσταθής λειτουργία αύξηση του ρεύµατος αύξηση της θερµοκρασίας αύξηση της αντίστασης περιορισµός του ρεύµατος αυτόµατη ρύθµιση ισχύος ή εύρους

19 Φωτοεκποµπός δίοδος (LED) Light Emitting Diode

20 Φωτοεκποµπός δίοδος: χαρακτηριστικά στερεά κατάσταση, χαµηλό κόστος µεγάλη ενεργειακή απόδοση, αµελητέα παραγωγή θερµότητας µεγάλη µηχανική αντοχή (π.χ. σε επιτάχυνση, κραδασµό) Χρωµατισµοί: ερυθρό, πράσινο, κίτρινο, µπλέ, λευκό.

21 Χρήσεις των LED ευρύτατη χρήση σε επικοινωνία ανθρώπου-µηχανής (MM interface): ενδείξεις οθόνες σηµατοδότες

22 Συνήθης µορφή πολύ χαµηλό κόστος τυποποιηµένες διαστάσεις 3/5/8 mm

23 Ηλεκτρική σύνδεση περιορισµός ρεύµατος µε µια αντίσταση σε σειρά µε τη δίοδο I max όρια ρεύµατος (τυπικά 20 ma συνεχώς) V f πτώση τάσης δια µέσω της διόδου (τυπικά 1,7-2,1 Volt) R LED = V s -V f I max +5 V 220 R GND RD 1,8V

24 Χαρακτηριστικά χρήσης έλεγχος µέσω πηγών ρεύµατος ή διακοπτόµενων πηγών τάσης δυνατότητα διαµόρφωσης σε πολύ υψηλές συχνότητες (MHz) - χρήση στη µεταφορά δεδοµένων πολλές χρήσεις στην υπέρυθρη περιοχή (near infrared) nm (1µm) παρεµβολές κυρίως από λαµπτήρες φθορισµού και ηλιακό φως

25 ίοδοι LASER σύνθετες συσκευές (ιονισµός αερίου) σε χαµηλή ισχύ, απλά στοιχεία στερεάς κατάστασης (δίοδοι) σε συνδυασµό µε ολοκληρωµένα για τροφοδοσία υψηλής τάσης και συχνότητας

26 Αισθητήρια φωτός Φωτοαντιστάσεις Φωτοδίοδοι-φωτοτρανζίστορ πυρόµετρο

27 Φωτοαντιστάσεις τα προσπίπτοντα φωτόνια απελευθερώνουν φορείς ηλ. ρεύµατος στο υλικό του φωτο- αγώγιµου υλικού περισσότερο φώς, περισσότεροι φορείς, µικρότερη αντίσταση αργή απόκριση!

28 Στοιχεία CdS συνηθέστερος τύπος: στοιχείο Καδµίου-Σελινίου (CdS cell) τυπική µεταβολή της αντίστασης κατά 1-5 kohm, ανάλογα µε τη φωτεινότητα αναλογικά! φωτοκύτταρα?

29 Φωτοδίοδοι-φωτοτρανζίστορ βάση ελεγχόµενη (και) από το φώς δίοδοι-τρανζίστορ τρανζίστορ: παρόµοια λειτουργία ταχύτατη απόκριση (έως GHz) χαµηλό κόστος, υψηλή αξιοπιστία ορατό και υπέρυθρο φως

30 Σύνθετα αισθητήρια αναγνώριση διαµορφωµένου φωτός ολοκληρωµένο σύστηµα khz

31 Εφαρµογές των φωτοηλεκτρονικών ανίχνευση θέσης σειριακή επικοινωνία ηλεκτρική αποµόνωση

32 Ανίχνευση θέσης (κίνησης) χρήση της ανακλώµενης ακτινοβολίας ολοκληρωµένα αισθητήρια 0,1-5 mm

33 Ανίχνευση εµποδίων Εκποµπή παλµών συχνότητας khz IR µήκος κύµατος nm σύνθετο αισθητήριο (φίλτρο) εντοπισµού της συχνότητας διαµόρφωσης

34 Ηλεκτρική αποµόνωση οπτοαποζεύκτης (optocoupler) οπτοαποµονωτής (optoisolator) αναλογική ή ψηφιακή µετάδοση χωρίς «ηλεκτρική επαφή» αποµόνωση του ηλ. δυναµικού (π.χ. διαφορά δυναµικού, στιγµιαία υπέρταση, βραχυκύκλωµα κλπ.) συµπαγές, ανθεκτικό, µικρή κατανάλωση

35 Ολοκληρωµένος οπτοαποµονωτής διαφορά ηλεκτρικού δυναµικού V Sharp Toshiba NEC Infineon Phillips National Texas Instruments Hewlett-Packard

36 Υπέρυθρη σειριακή επικοινωνία επέκταση της βασικής τεχνικής για ανίχνευση εµποδίου (το ίδιο κύκλωµα) ανάλογα µε την ισχύ του LED, µέγιστη ακτίνα περίπου 10 m µετάδοση σε χαµηλές ταχύτητες