Măsurarea este un subsistem important al unui sistem mecatronic. Funcția sa principală este de a colecta informațiile despre starea sistemului și de a le furniza microprocesoarelor pentru controlul întregului sistem. 

Sistemul de măsurare este format din senzori, traductoare și dispozitive de procesare a semnalului. Astăzi, o mare varietate de aceste elemente și dispozitive sunt disponibile pe piață. Pentru un proiectant de sisteme mecatronice este destul de dificil să aleagă senzori/traductoare adecvați pentru aplicațiile dorite. Prin urmare, este esențial de învățat principiul de funcționare a senzorilor/traductoarelor utilizați frecvent. O analiză detaliată a întregii game de tehnologii de măsurare este totuși în afara scopului acestui curs. Cititorilor li se recomandă să apeleze la „Sensors for mechatronics” de Paul PL Regtien, Elsevier, 2012 [2] pentru mai multe informații.  

Senzorii din fabricație sunt angajați pentru a efectua automat operațiile de producție, precum și activitățile de monitorizare a proceselor. Tehnologia senzorului are următoarele avantaje importante în transformarea unei unități de fabricație convențională într-una modernă. 

1. Senzorii alarmează operatorii de sistem cu privire la defecțiunea oricăreia dintre subunitățile sistemului de fabricație. Ajută operatorii să reducă timpul de oprire al unui sistem complet de fabricație prin efectuarea măsurilor preventive. 

2. Reduc necesitatea muncii calificate și cu experiență.

3. Se poate obține ultra-precizie în calitatea produsului. 

Senzor

Este definit ca element care produce semnal referitor la cantitatea măsurată [1]. Conform cu Instrument Society of America, senzorul poate fi definit ca „Un dispozitiv care oferă o ieșire utilizabilă ca răspuns la un măsurand specificat„. Aici, ieșirea este de obicei o „cantitate electrică” și măsurandul este o „cantitate fizică, proprietate sau condiție care trebuie măsurată”. Astfel, în cazul unui  element de deplasare cu inductanță variabilă, cantitatea măsurată este deplasarea, iar senzorul transformă o intrare de deplasare într-o schimbare a inductanței.

Traductor

Este definit ca un element care atunci când este supus unor modificări fizice produce o modificare aferentă [1] sau un element care convertește un măsurand specificat într-o ieșire utilizabilă, utilizând un principiu fizic de conversie. 

De asemenea, poate fi definit ca un dispozitiv care transformă un semnal dintr-o formă de energie într-o altă formă. 

Un fir din aliaj constantan (aliaj cupru-nichel 55-45%) poate fi numit ca senzor, deoarece variația deplasării mecanice (tensiune sau compresie) poate fi sesizată ca o schimbare a rezistenței electrice. Acest fir devine un traductor cu electrozi adecvați și mecanism de intrare-ieșire atașat la acesta. Astfel, putem spune că „senzorii sunt traductoare”.  

Specificații senzor/traductor 

Traductoarele sau sistemele de măsurare nu sunt sisteme perfecte. Proiectantul în mecatronică trebuie să cunoască capacitatea și deficiența unui traductor sau a unui sistem de măsurare pentru a evalua în mod corespunzător performanțele acestuia. Există o serie de parametri de performanță ai unui traductor sau ai unui sistem de măsurare. Acești parametri sunt numiți ca specificații de senzor. 

Specificațiile senzorului informează utilizatorul despre abaterile de la comportamentul ideal al senzorilor. Următoarele sunt specificații ale unui sistem senzor/traductor; 

1. Gama

Gama unui senzor indică limitele între care poate varia variabila de intrare. De exemplu, un termocuplu pentru măsurarea temperaturii poate avea o gamă de 25-225°C. 

2. Span 

Span-ul este diferența dintre valorile maximă și minimă ale intrării. Astfel, termocuplul menționat mai sus va avea un span de 200°C. 

3. Eroare 

Eroarea este diferența dintre rezultatul măsurării și valoarea adevărată a cantității măsurate. Un senzor poate oferi o citire a deplasării de 29,8 mm, când deplasarea efectivă a fost de 30 mm, deci eroarea este de -0,2 mm.

4. Acuratețe 

Acuratețea definește apropierea acordului dintre rezultatul măsurării efective și o valoare adevărată a măsurandului. Acesta este adesea exprimat ca procentaj din ieșirea de gamă maximă sau devierea la cap de scală. Un traductor piezoelectric utilizat pentru a evalua fenomene de presiune dinamică asociate cu explozii, pulsații sau condiții de presiune dinamică în motoare, motoare rachetă, compresoare și alte dispozitive presurizate este capabil să detecteze presiuni între 0,1 și 10 000 psig (0,7 KPa până la 70 MPa). Dacă este specificat cu o acuratețe de aproximativ ± 1% din scala completă, atunci citirea dată poate fi de ± 0,7 MPa.

5. Sensibilitate 

Sensibilitatea unui senzor este definită ca raportul dintre variația valorii de ieșire a unui senzor și variația pe unitate a valorii de intrare care determină variația de ieșire. De exemplu, un termocuplu de uz general poate avea o sensibilitate de 41 µV/°C. 

6. Neliniaritate  

Figura 2.1.1 Eroare de neliniaritate 

Neliniaritatea indică abaterea maximă a curbei măsurate efective a unui senzor de la curba ideală. Figura 2.1.1 prezintă o relație oarecum exagerată între linia ideală, aproximarea cu cele mai mici pătrate, linia măsurată sau linia de calibrare. Liniaritatea este adesea specificată în termeni de procent de neliniaritate, care este definit ca:

Neliniaritate (%) = Abaterea maximă la intrare ⁄ Intrare maximă pe scară completă                                                                                               (2.1.1) 

Neliniaritatea statică definită de Ecuația 2.1.1 depinde de factori de mediu, incluzând temperatura, vibrațiile, nivelul de zgomot acustic și umiditatea. Prin urmare, este important să știm în ce condiții specificația este valabilă. 

7. Histerezis 

Figura 2.1.2 Curba de eroare a histerezistului 

Histerezisul este o eroare a unui senzor, care este definită ca diferența maximă de ieșire la orice valoare de măsurare din gama specificată a senzorului atunci când se apropie de primul punct cu creșterea și apoi cu scăderea parametrului de intrare. Figura 2.1.2 arată eroarea de histerezis care s-a putut produce în timpul măsurării temperaturii folosind un termocuplu. Valoarea erorii de histerezis este specificată în mod normal ca procentaj pozitiv sau negativ al gamei de intrare specificată.

8. Rezoluție 

Rezoluția este cea mai mică variație incrementală detectabilă a parametrului de intrare care poate fi detectată în semnalul de ieșire.  Rezoluția poate fi exprimată fie ca o proporție din citirea la scală completă, fie în termeni absoluți. De exemplu, dacă un senzor LVDT măsoară o deplasare de până la 20 mm și oferă o ieșire ca număr între 1 și 100, rezoluția dispozitivului senzor este de 0,2 mm.  

9. Stabilitate 

Stabilitatea este capacitatea unui dispozitiv senzor de a da aceeași ieșire atunci când este utilizat pentru a măsura o intrare constantă pe o perioadă de timp. Termenul „derivă” este utilizat pentru a indica variația ieșirii care are loc într-o perioadă de timp. Este exprimat ca procent din ieșirea de gamă maximă.  

10. Bandă moartă/timp mort 

Banda moartă sau spațiul mort al unui traductor este intervalul valorilor de intrare pentru care nu există ieșire. Timpul mort al unui dispozitiv senzor este durata de la aplicarea unei intrări până când ieșirea începe să răspundă sau să se schimbe. 

11. Repetabilitate 

Acesta specifică capacitatea unui senzor de a da aceeași ieșire pentru aplicații repetate cu aceeași valoare de intrare. De obicei, este exprimată ca procent din ieșirea da gamă maximă: 

Repetabilitate = (valori maximă - minimă date) X 100 ⁄ gama completă               (2.1.2) 

12. Timp de răspuns 

Timpul de răspuns descrie viteza de variație a ieșirii la o modificare tip treaptă a măsurandului. Se specifică întotdeauna cu o indicație a treptei de intrare și a intervalului de ieșire pentru care este definit timpul de răspuns. 

Clasificarea senzorilor 

Senzorii pot fi clasificați în diferite grupe în funcție de factori cum ar fi măsurandul, câmpul de aplicare, principiul de conversie, domeniul de energie al măsurandului și considerațiile termodinamice. Aceste clasificări generale ale senzorilor sunt bine descrise în referințele [2, 3].  

Clasificarea detaliată a senzorilor având în vedere aplicațiile lor în fabricație este următoarea. 

A. Senzori de deplasare, poziție și proximitate 

• Potențiometru

• Element de măsurare a deformației

• Element capacitiv

• Transformatoare diferențiale

• Senzori de proximitate cu curent Eddy

• Comutator inductiv de proximitate 

• Codificatoare optice

• Senzori pneumatici

• Întrerupătoare de proximitate (magnetice)

• Senzori cu efect-Hall 

B. Viteza și mișcarea

• Encoder incremental 

• Tahogenerator  

• Senzori piroelectrici

C. Forța

• Celulă de sarcină cu mărci tensometrice 

D. Presiunea fluidului

• Manometru cu diafragmă

• Capsule, burdufuri, tuburi sub presiune

• Senzori piezoelectrici

• Senzor tactil

E. Debitul de lichide

• Diafragmă cu orificiu

• Contor cu turbină 

F. Nivelul lichidelor

• Plute

• Presiune diferențială 

G. Temperatura

• Benzi bimetalice

• Detectoare de temperatură cu rezistență

• Termistoare 

• Termo-diode și tranzistoare

• Termocuple

• Senzori de lumină

• Foto-Diode 

• Foto-Rezistoare   

• Foto-Tranzistor

Principiul de funcționare al acestor traductoare și aplicațiile lor în fabricație sunt prezentate în cursurile următoare.

Chestionar:

1. Definiți senzorii și enumerați diversele specificații care trebuie studiate cu atenție înainte de a utiliza un termocuplu pentru citirea temperaturii unui cuptor.

2. Diferențați între span și gama unui sistem de traductor.

3. Ce înseamnă eroare de neliniaritate? Cum este ea diferită de eroarea de histerezis?

4. Explicați semnificația informației date în specificația următorului traductor,

Termocuplu 

Sensibilitate: termocuplu nichel crom/nichel aluminiu: 0,039 mV/ºC când  joncțiunea la rece este la 0ºC.