Érzékelők, beavatkozók és megjelenítők - Témakidolgozás

Csak az alapfogalmakat jegyzetelgettem ki, főleg saját okulásra, a képletek, grafikonok megtalálhatók a SensEdun és a könyvben (Harsányi Gábor - Hahn Emil - Lepsényi Imre - Mizsei János : Érzékelők és beavatkozók) is.

Érzékelők

Alapfogalmak

Érzékelő (szenzor): olyan eszközök, amelyek egy mérendő mennyiséget ill. paramétert információhordozó jellé alakítanak. Régebben feltételezhetőek voltak az elektromos jelek, manapság általánosabban kell meghatározni (pl. optikai érzékelők miatt). Az érzékelők nem szolgáltatnak közvetlen információt, annak kijelzésére további eszközökre van szükség.

Az ideális érzékelők fontos jellemzője, hogy folyamatos átalakításra képesek, a mintavételezés igénye nélkül úgy, hogy a mérendő paramétert ill. közeget nem módosítják.

Érzékelőket alkalmazhatunk egyszerű mérőeszközökben, valamint visszacsatolást tartalmazó szabályozórendszerekben. A különbség, hogy szabályozórendszerben nem kell feltétlenül kijelezni az értékeket, viszont a megfigyelt közegbe mindig történik beavatkozás a mért paraméter módosítása érdekében (beavatkozó, aktuátor).

Érzékelők csoportosítása mérendő mennyiség szerint:

• mechanikai
• termikus
• elektrosztatikus
• sugárzásérzékelők
• kémiai mennyiségek
• orvosbiológiai érzékelők

Érzékelők csoportosítása a jelátalakításban szerepet játszó kölcsönhatások típusa szerint:

• fizikai
• kémiai
• bioérzékelő (alkohol érzékelő pl. bioszenzor egy fémtartályban is, de a véroxigén-érzékelő nem bioszenzor (hanem kémiai) az emberi testben sem)

Generátor típusú érzékelők: nem igényelnek külső energiaforrást, a megfigyelt közegből nyerik (pl. hőelem) Modulátor típusú érzékelők: olyan paramétereket figyelnek meg, amiknek méréshez külső energiaforrásra van szükség (pl. termisztor)

Karakterisztika: Lásd SensEdu, ill. könyv ábrái

Integrált és intelligens érzékelők: Az érzékelő mátrixok azonos elemek integrációjával épülnek fel, és valamilyen mérendő paraméter térbeli függésének meghatározását is lehetővé teszik.

A multiszenzorok többféle mennyiség meghatározására alkalmas érzékelők integrálásával állíthatók elő. A keresztérzékenység ismeretében javítható a szelektivitás.

A többfunkciós érzékelő képes egyszerre több különböző mennyiség megfigyelésére különböző üzemeltetési feltételek mellett.

Az integrált érzékelők a klasszikus értelemben vett érzékelő elemeken kívül a jelfeldolgozás valamilyen szintjét is magukban foglalják.

Az intelligens érzékelőkbe a mikroprocesszort is integrálják. Intelligens funkciók:

• digitális jelfeldolgozás, jeltárolás
• hibakompenzáció
• multiszenzor jelfeldolgozás
• önkalibráció és tesztelés ....

Érzékelők hagyományos felhasználása régen ipari folyamatszabályzás -> ma az olcsó tömeggyártás miatt szinte mindenhol.

Érzékelőktől elvárt jellemzők:

• lineáris karakterisztika kis linearitási hibával
• kis hiszterézis hiba
• kis hőmérsékleti eltolódás
• jó szelektivitás
• csereszabatosság
• hosszú idejű stabilitás és megbízhatóság

Technológiák

• Monolit félvezető technológiák
• kerámia
• rétegtechnológiák
• polimer technológiák
• száloptikai technológiák

Na ehhez ajánlom a SensEdu-t mert a szöveg és a képletek magukban elég nyers lenne, viszont ott nagyon jól le van írva és rajzolva.

Érzékelők alaptípusai

• impedancia típusú
• félvezető eszköz alapú
• tömbi, vagy felületi akusztikus hullámok terjedésén alapuló
• kalorimetrikus
• elektrokémiai cellák
• optikai szálas

Impedancia típusú: A legegyszerűbb szerkezetű, és működési elvű érzékelők (síkkondenzátor, rétegellenállás, interdigitális szerkezet). A környezettel való kölcsönhatás során megváltozik a dielektrikum permittivitása, illeve az ellenállásanyag fajlagos ellenállása, ami az érzékelő elem kapacitásának, illetve ellenállásának megváltozását eredményezi.

Félvezető alapú: Gyakori érzékelőtípus, félvezető diódákon alapul. A karakterisztika környezeti hatásokra (hőmérséklet, töltéshordozó generáció...) való eltolódásai képezik az érzékelés alapjait -> hőmérséklet, fény, egyéb sugárzásérzékelők készíthetők.

Fontos képviselői még a térvezérlésű eszközök (FET tranzisztor alapúak) - képletek, ábrák lásd könyv.

Akusztikus hullámok terjedésén alapuló érzékelők: Piezoelektromos eszközök, amelynek belsejében vagy felületén akusztikus hullámok alakulnak ki, ezek jellemzői változnak az érzékelés során. Működésük alapja, hogy bennük elektromos váltakozó feszültség rákapcsolásával akusztikus mechanikus hullámok kelthetők,a mechanikai hullámok pedig elektromos polarizáció változást, és így váltakozó feszültséget generálnak. Ha a generált villamos feszültséget visszacsatoljuk a mechanikai hullámok keltését szolgáló rendszerre, a rendszer rezonanciába kerül. Érzékelőkben a rezonanciafrekvencia a mérendő paraméter függvényében eltolódik, a kimenőjel tehát egy kvázidigitális elektromos frekvenciajel.

A tömbi akusztikus hullámú eszközök síkkondenzátor jellegű szerkezetében ez a visszacsatolás a struktúrán belül megtörténik. A felületi akusztikus hullámú érzékelőkben piezoelektromos hordozókon kialakított interdigitális elektródák keltik és veszik a felületi hullámokat, az oszcillációt és az állóhullám-keltést az erősítőn keresztül történő visszacsatolás biztosítja. A felületi érzékelők előnye hogy a relatív frekvencia változás független az eszköz saját tömegétől, valamit arányos a rezonanciafrekvenciával, így nagyobb frekvenciákon nagyobb érzékenység érhető el (tömbi: 6-20 MHz között 0.1 ng/mm2, felületi: GHz tartomány, 0.05 pg/mm2)

+sok szép képlet és kép a szokásos helyeken

Elektrokémiai cellák: Elterjedtek kémiai mennyiségek meghatározására, enzimatikus és immunérzékelőkben. Legegyszerűbb esetben egy elektrokémiai cella minimum két elektródból és a köztük lévő ionvezető anyagból, az elektrolitból áll. Működési elvek:

• Az érzékelő a teljes elektrokémiai cella, melyet valamilyen módon (pl membrán) választunk el a környezettől
• Az érzékelő elem csak az elektródot tartalmazza, az elektrolit a mérendő közeg
• Az érzékelő elem csupán egyetlen elektród. Ilyenkor szükség van külső ellenelektródra.

Potenciometrikus érzékelők: Ezekben a referencia elektród és az érzékelő (munkaelektród) közötti potenciálkülönbséget mérjük az elektrokémiai cella polarizálása nélkül, ami nagyon kis átfolyó áramokat feltételez. (Nerst egyenlet a könyvben!) A hagyományos elektródok fém-fémsó, vagy fém-elektrolit-üveg szerkezeteket alkalmaznak, újabban a membránelektródok is elterjedtek.

Amperometrikus érzékelők: Az elektrokémiai cella áramát mérjük. Az elektródok felületén folyamatosan elektronkicserélődéssel járó elektrokémiai reakciók játszódnak le. Az átfolyó áram abban az esetben lesz lineáris függvénye a mérendő komponens koncentrációjának, ha annak utánpótlása a folyamat leglassabb lépése - diffúzió-kontrollált folyamat.

• Diffúzió az elektrolitból az elektród felületére
• Gázmolekulák diffúziója a környező gáz atmoszférából vagy folyékony közegből, a cellát körülvevő membránon keresztül az elektrolitba, vagy elektród/elektrolit határfelületre
• Szintén diffúzió-kontrollált folyamatról van szó, ha a részecskeáramot kapillárisok vagy porózus rétegek segítségével korlátozzuk.

Optikai hullámvezetőn alapuló érzékelők: Alapja, hogy a megfigyelt jelenség illetve közeg paraméterváltozásai megváltoztatják a hullámvezetőben terjedő fény tulajdonságait. Generátor típusú működés is elképzelhető, amikor a mérendő közeg maga a fényforrás is. Aszerint hogy a terjedő vagy gerjesztett fény mely jellemzőjét változtatja meg a detektálni kívánt jelenség, a következő eltérő méréstechnikát igénylő eseteket különböztetjük meg:

• Intenzitásmérés: az áthaladó vagy reflektált fény intenzitásának változásait mérjük
• Spektrumanalízis: -"- spektrumának változásait mérjük (közvetlenül nem használható-->adott hullámhosszokon történő intenzitásméréssel helyettesítik
• Fázisváltozások követése: a fázis eltolódásait mérjük, a gerjesztés szükségképp monokromatikus és koherens kell hogy legyen
• Polarizáció változásának követése: poláros gerjesztő fény polárszögének változását mérjük

Optód: Hasonlít az elektródra, de optikai elven működik. Általában két optikai szálból áll (be-kimenet). Működése az optódvégen elhelyezett anyagok által előidézett spektrális változásokon, vagy az emittált fény jellemzőinek változásán alapul.

• Az optódvégen elhelyezett indikátor színváltozása miatt a reflektált fény spektruma megváltozik a gerjesztéshez képest - abszorpció változáson alapuló optód
• Fluoreszcencián alapuló: az optródok anyaga szekunder fényt emittál, mely a gerjesztő fénysugártól eltérő tulajdonságokat mutat. Ennek környezeti hatásokra történő spektrális változásait lehet az érzékelőkben felhasználni
• Kemilumineszcencián vagy biolumineszcencián alapuló érzékelőkben nincs szükség gerjesztő fényforrásokra, a katalizált fényemissziót lehet érzékelésre használni.

Lehetséges a fényvezető magban végbemenő folyamatok, vagy az azt körülvevő köpenyben végbemenő változásokat vizsgálni. (képek a könyvben és SensEdu-n)

-- dög - 2008.10.18.