Сензорът: от величина към сигнал

Сензорът превръща физична или химична величина – маса, температура, налягане, газ – в електрически сигнал, който може да се мери. По IEC това е „първичната част от измервателната верига, която преобразува входната променлива в сигнал, подходящ за измерване“.

Всеки сензор има три черти:

1. Чувствителност – реагира силно на измерваната величина x и слабо на всичко останало (смущаващите величини y₁…yₙ). Изходът е функция S = f(x, y₁, …, yₙ), а добрият сензор прави yᵢ почти без значение.
2. Преобразувател на енергия – първичен, ако сигналът възниква направо от величината (термодвойката прави напрежение), или вторичен, ако е през междинен процес (теглото огъва греда → деформацията мени съпротивление).
3. Информатор – изходът му служи на следващото устройство: дисплей, регулатор, актуатор.

Нашият сензор е тензодатчикът на кухненската везна: метална греда с четири залепени тензорезистора. Когато гредата се огъне, два от тях се разтягат и съпротивлението им расте, а другите два се свиват и съпротивлението им намалява. Промяната е ΔR/R = k·ε, където ε е относителната деформация и k ≈ 2 за метал. При пълен товар 5 kg ε е едва 0,001, т.е. 350 Ω стават 350,7 Ω.

Сензор – величина x → електрически сигнал.

Първичен (направо) / вторичен (през междинен процес).

🧒 Като носът ти: подушва палачинките (вход), казва на мозъка (сигнал), а ти тичаш към кухнята (актуатор). Добрият нос не се влияе дали в стаята е студено.

Сензорната система: кантарът отвътре

Сигналът от сензора почти никога не става за директна употреба: малък е, шумен е и понякога е нелинеен. Затова сензорът е само първото звено във веригата:

1. сензор – мостът от тензорезистори дава няколко миливолта;
2. нормализиране – усилвател, филтър и линеаризация го правят от 0 до няколко волта;
3. АЦП – напрежението става число (тема 26 по АЦУ);
4. микроконтролер – по калибрирането превръща числото в грамове и го показва.

Тук на везната има ↔ дръпни1,25 kg. Всеки тензорезистор се е променил с 175 mΩ.

Кантарът – веригата

Звено	Какво излиза
Мост (A − B)	2,5 mV
Усилвател ×250	0,623 V
АЦП 12 бита, Uоп = 5 V	510
Микроконтролер	1249 g

маса

1,25 kg

Фигура 1.

Със ↑ са опънатите тензорезистори (R расте), със ↓ – свитите. Мостът превръща малката промяна на съпротивленията в напрежение: 2 mV на всеки волт захранване при пълен товар, т.е. 10 mV при 5 V. Диференциалният усилвател усилва само разликата между A и B 250 пъти. АЦП я прави число от 0 до 4095. Една стъпка на АЦП е около 2,4 g, затова дисплеят понякога показва грам-два различно от истинското.

Смущаващите величини

Тензорезисторите се променят и от топлината: съпротивлението на некомпенсиран константанов резистор расте с около 0,002 % на градус. Звучи малко, но сигналът от теглото също е малък. Затова мостът е пълен: и четирите тензорезистора са на една и съща греда и се затоплят еднакво. При еднакво затопляне мостът остава уравновесен и температурата отпада. При четвърт мост тензорезисторът е само един, а другите три рамена са обикновени резистори. Тогава затоплянето изглежда като тегло.

Тук температурата в кухнята е ↔ дръпни20 °C, а везната е калибрирана при 20 °C. Кантарът показва 1249 g, т.е. греши с -1 g.

Топлината като смущение

Грешката на кантара срещу температурата

пълен мост четвърт мост

температура

20 °C

Фигура 2.

С пълния мост грешката е практически нула при всяка температура: топлината мени и четирите рамена еднакво. С четвърт моста 20 °C разлика правят около килограм грешка, защото изходът е и 4 пъти по-малък. Затова истинските тензорезистори са и самокомпенсирани: сплавта им е подбрана така, че топлинното им разширение да съвпада с това на гредата.

Същото е навсякъде: термометърът не трябва да усеща влагата, газовият сензор – другите газове, а микрофонът – вибрациите на масата. Борбата със смущаващите величини е половината работа на всеки сензор.

Самопроверка

1. Кои са трите характерни черти на сензора?

Чувствителност (силно към x, слабо към смущаващите yᵢ), преобразувател на енергия (първичен или вторичен) и информатор (изходът му служи на следващото устройство).

2. Тензорезистор 350 Ω, k = 2, ε = 0,0005. Колко е ΔR?

ΔR = R·k·ε = 350 · 2 · 0,0005 = 0,35 Ω.

3. Пълен мост с k = 2 и ε = 0,001 при 5 V. Колко е изходът?

U·k·ε = 5 · 2 · 0,001 = 10 mV.

4. Кои са звената на сензорната система?

Сензор → нормализиране (усилвател, филтър, линеаризация) → АЦП → микроконтролер (→ дисплей или актуатор).

5. Защо пълният мост не се влияе от температурата, а четвърт мостът – да?

В пълния мост четирите тензорезистора се затоплят еднакво: и двете половини на моста се променят еднакво и разликата A − B остава нула. В четвърт моста се затопля само един – това разбалансира моста, точно както теглото.