Podstawy czujników pomiarowych

Celem wykładu jest zapoznanie studentów z najbardziej typowymi rodzajami czujników pomiarowych ( ich konstrukcjami, technologią wykonania i możliwymi do osiągnięcia parametrami pomiarowymi) oraz wskazanie studentom kierunków rozwoju poszczególnych typów czujników ze szczególnym zwróceniem uwagi na czujniki półprzewodnikowe, mikromechaniczne i inteligentne.
Koncepcja wykładu opiera się na dwóch nijako różnych podejściach do klasyfikacji czujników. W pierwszej części omawiane są czujniki, których wyróżnikiem jest jednakowy rodzaj sygnału wyjściowego. Ten fakt decyduje o zbliżonych konstrukcjach czujników przeznaczonych do pomiaru różnych wielkości nieelektrycznych.
W drugiej części omawiane są czujniki umożliwiające pomiar tej samej wielkości fizycznej czy chemicznej. Są to więc czujniki zupełnie różne, jeżeli chodzi o zasadę działania, ale stosowane np. na różne zakresy pomiarowe wybranej wielkości fizycznej. W wykładzie nie ma powtórzeń treści, a co najwyżej powołanie się na wcześniej omówione konstrukcje.
Ze względu na obszerność tematyczną dziedziny jakiej wykład dotyczy, omawiane są tylko czujniki o największej skali aplikacji. W trakcie wykładu zwraca się szczególną uwagę na własności metrologiczne poszczególnych typów czujników, a w szczególności na szkodliwy wpływ parametrów zakłócających i sposoby walki z nimi. W większości omawianych typów czujników przedstawiane są realizacje tych czujników w technologii półprzewodnikowej lub pokazywane są perspektywy zastosowania tej technologii w konkretnych przypadkach.



Treść wykładu
Wprowadzenie i zagadnienia podstawowe. Definicja czujnika i jednoparametrowej metody pomiaru. Dokładność i czułość czujnika, rodzaje nieliniowości czujników, źródła zakłóceń, praktyczne sposoby poprawy parametrów czujnika i walki z parametrami zakłócającymi (2h).
Podstawowe rodzaje i konstrukcje czujników.

Podstawowe parametry i cechy użytkowe czujników. Klasyfikacja czujników ze względu na zasadę działania, konstrukcję, rodzaj sygnału wyjściowego (czujniki parametryczne lub generacyjne) lub typ parametru pomiarowego (R; L;C lub inne) (1h).
Zasada pracy i konstrukcja czujników rezystancyjnych, w tym czujników tensometrycznych. Metody minimalizacji wpływu temperatury (mostki tensometryczne). Efekty piezorezystywne i naprężeniowe w półprzewodnikach. Konstrukcje piezorezystywnych czujników półprzewodnikowych: ciśnienia bezwzględnego, różnicy ciśnień, przyspieszenia, matryce czujników dotyku (tactille sensors) (3h).
Tensometry strunowe - zasada działania, konstrukcje, zastosowania. Półprzewodnikowe czujniki strunowe - do pomiaru ciśnienia, drgań i wibracji, wilgotności (1h).
Czujniki pojemnościowe: zasada pracy trzech podstawowych typów. Konstrukcje i zastosowania. Pojemnościowe czujniki poziomu cieczy i materiałów sypkich: dieletrycznych i przewodzących. Półprzewodnikowe czujniki pojemnościowe: ciśnienia bezwzględnego i różnicy ciśnień, przyspieszenia, składu chemicznego (3h).
Czujniki indukcyjne: zasada działania czujników reluktancyjnych i transformatorowych. Czujniki przesunięcia typu LVDT (2h).

Optyczne czujniki przesunięcia: inkramentalne i kodów binarnych. Czujniki zbliżeniowe: indukcyjne, optyczne, pojemnościowe, ultradzwiękowe (1h).
Czujniki magnetosprężyste: zjawisko magnetosprężystości i magnetostrykcji. Typowe konstrukcje, parametry, zastosowania, Pressductor (1h).
Czujniki piezoelektryczne: zasada działania, konstrukcje, materiały, parametry i zakres zastosowań (2h).
Czujniki światłowodowe; amplitudowe i interferencyjne. Przegląd wielkości fizycznych i chemicznych, w których znajdują zastosowania (1h).
Pomiar wybranych wielkości fizycznych i chemicznych
Pomiar temperatury: klasyfikacja czujników i metod pomiaru. Zasada pracy, konstrukcja, materiały do budowy i parametry termopar i termorezystorów (metalowych, półprzewodnikowych w tym termistorów). Zasada pracy, konstrukcja, parametry i zastosowanie pirometrów (3h).
Analiza składu chemicznego gazów, cieczy i ciał stałych, analizatory termokonduktometryczne, chromatografy gazowe i cieczowe, spektrometry masy, paramagnetyczne analizatory cieczowe, spektrometry masy, paramagnetyczne analizatory tlenu (3h).
Jono-selektywne czujniki półprzewodnikowe, zasada działania i budowa
IS-FET- ów. Bioczujniki (2h).
Czujniki wilgotności: gazów i ciał stałych. Klasyfikacja metod pomiaru, konstrukcje podstawowych czujników, parametry użytkowe, uwagi eksploatacyjne (1h).
Czujniki przepływu: cieczy i gazów. Podstawowe konstrukcje czujników masowych i objętościowych. Parametry użytkowe czujników (2h).
Czujniki inteligentne - organizacja systemowa czujnika inteligentnego, funkcje użytkowe w czujnikach inteligentnych, typy czujników inteligentnych. Podstawy wieloparametrowych metod pomiaru i metod z wieloparametrową korekcją (2h).




Zakres laboratorium

1. Pomiary temperatur


2. Pomiary wielkości mechanicznych


3. Termoanemometryczne pomiary przepływu gazów


4. Pomiary wilgotności gazów


5. Pomiary przepływu cieczy


6. Wieloparametrowe metody pomiaru wielkości nieelektrycznych


7. Badanie wybranych czujników optoelektronicznych