Senzori si sisteme senzoriale. Instrumentatie industriala

PREFATA

Progresul tehnologic al ultimelor decenii este strans legat de dezvoltarea si perfectionarea sistemelor de detectie si masurare. Intr-o lume in care informatia reprezinta resursa esentiala, capacitatea de a percepe, cuantifica si interpreta realitatea fizica a devenit o conditie fundamentala pentru orice sistem tehnic modern. In acest context, senzorii ocupa un loc central: ei constituie interfata indispensabila dintre mediul inconjurator si dispozitivele electronice sau informatice care proceseaza datele obtinute. Senzorii au devenit elemente fundamentale, fiind
capabili sa transforme marimi de proces reale - temperatura, deplasare, presiune, lumina, sunet, miscare sau compozitie chimica - in semnale electrice usor de prelucrat, stocat si analizat. Fara senzori, notiunile de masurare, control automat sau sisteme inteligente nu ar putea fi transpuse in practica.

De la primele dispozitive de detectie, simple si rudimentare, pana la actualele sisteme senzoriale integrate, capabile sa colecteze, sa proceseze si sa transmita informatii in timp real, drumul parcurs de aceasta tehnologie este impresionant. Astazi intalnim senzori in aproape orice domeniu al vietii: in industrie, unde sunt controlati parametri critici ai proceselor tehnologice; in domeniul medical, unde monitorizeaza starea pacientilor; in sectorul auto, unde asigura siguranta si confortul pasagerilor; in telefonia mobila si echipamentele de uz personal, unde fac
posibila interactiunea intuitiva dintre utilizator si dispozitiv. Astfel, senzorii nu mai sunt simpli traductoare, ci elemente active ale unei retele globale, contribuind la formarea unei lumi digitale in care realitatea fizica si cea virtuala se interconecteaza permanent. Relevanta lor nu consta doar in capacitatea de a masura, ci mai ales in rolul strategic de a furniza date esentiale pentru sistemele de automatizare avansata.

Lucrarea, intitulata „Senzori si sisteme senzoriale”, prezinta, intr-o maniera unitara si structurata, principiile de functionare, constructia, modelele matematice, caracteristicile si performantele, adaptoarele electronice pentru procesarea semnalelor, precum si aplicatiile senzorilor moderni. In acelasi timp, lucrarea nu se limiteaza doar la descrierea fiecarui senzor in parte, ci abordeaza si aspectul integrarii lor in sisteme senzoriale complexe, unde mai multe surse de informatie sunt corelate si procesate pentru a oferi o imagine cat mai fidela a realitatii.

Lucrarea se adreseaza, in primul rand, studentilor, doctoranzilor si cadrelor didactice din domeniile mecanicii, roboticii, electronicii, automaticii si informaticii aplicate. Totodata, ea poate fi un material de referinta pentru specialistii din industrie, cercetatori si practicieni, care se confrunta cu probleme concrete ce implica selectarea, utilizarea si integrarea senzorilor.

Prin abordarea sa, cartea isi propune sa asigure un echilibru intre aspectele teoretice fundamentale si exemplele aplicative, astfel incat cititorul sa poata dobandi atat o intelegere conceptuala, cat si competente practice in utilizarea senzorilor si a sistemelor senzoriale. Exemplele si studiile de caz prezentate arata ca senzorii nu mai sunt simpli „ochi” sau „urechi” ale sistemelor tehnice, ci adevarate organe de simt care, impreuna cu circuitele de prelucrare si algoritmii de analiza, dau nastere unor sisteme senzoriale inteligente.

Lucrarea este structurata in patrusprezece capitole, fiecare avand un rol bine definit in constructia parcursului didactic:

Capitolul 1 introduce notiunile de baza privind masurarea marimilor fizice, standarde, metode de masurare, definirea notiunilor de senzor si traductor.

Capitolul 2 prezinta tipurile de semnale folosite in sistemele senzoriale.

Capitolele 3 si 4 detaliaza caracteristicile si performantele (statice si dinamice) ale sistemelor de masurare cu senzori.

Capitolul 5 trateaza senzorii de temperatura cu si fara contact.

Capitolele 6 si 7 trateaza senzorii pentru masurarea marimilor cinematice: pozitie, deplasare si viteza.

Capitolul 8 trateaza senzorii pentru masurarea fortei si momentului.

Capitolele 9 si 10 trateaza senzorii pentru masurarea marimilor hidraulice si pneumatice: presiune si debit.

Capitolul 11 trateaza senzorii de nivel punctual si continuu.

Capitolul 12 trateaza senzorii pentru analiza fluidelor: conductivitate, densitate si pH.

Capitolul 13 trateaza senzorii tactili si vizuali.

Capitolul 14 prezinta tendintele actuale si directiile de dezvoltare viitoare: senzori inteligenti, interfete si retele de comunicatii.

In final, autorul adreseaza multumiri tuturor celor care au sprijinit realizarea acestei lucrari: colegilor si profesorilor care au contribuit prin idei si sugestii, institutiei care a sustinut activitatea de documentare, precum si studentilor, ale caror intrebari si curiozitati au constituit o sursa de inspiratie continua.

Se exprima speranta ca aceasta carte va constitui un instrument util atat in procesul de instruire universitara, cat si in activitatea profesionala, contribuind la aprofundarea cunostintelor si la dezvoltarea competentelor in domeniul vast si dinamic al senzorilor si sistemelor senzoriale.

Lucrarea este rezultatul experientei acumulate de autor de-a lungul a 30 de ani de activitate didactica, cercetare si proiectare, precum si in calitate de inginer integrator de sisteme automatizate in mediul industrial.

Cluj-Napoca, 2025
Dan Hurgoiu

CUPRINS

CAPITOLUL 1. NOTIUNI DE BAZA PRIVIND MASURAREA MARIMILOR FIZICE 1
1.1. MARIMI FIZICE SI MASURAREA LOR 1
1.2. STANDARDE SI UNITATI DE MASURA 2
1.3. TIPURI DE MASURARI 5
1.4. METODE DE MASURARE 5
1.5. ERORI DE MASURARE 6
1.6. NOTIUNILE DE SENZOR SI TRADUCTOR 8
1.7. APLICATII ALE SENZORILOR 8
1.8. BIBLIOGRAFIE 8

CAPITOLUL 2. SEMNALE ?N SISTEME SENZORIALE 9
2.1. NOTIUNI GENERALE 9
2.2. CLASIFICAREA SEMNALELOR 10
2.2.1. Masura in care evolutia semnalelor poate fi prevazuta 10
2.2.2. Natura variabilei independente (timp) 14
2.2.3. Forma de variatie 15
2.2.4. Modul de prezentare al informatiei continuta in semnal 16
2.3. SEMNALE ANALOGICE 17
2.3.1. Semnale analogice de curent continuu (DC) 17
2.3.2. Semnale analogice ?n domeniu timp 17
2.3.3. Semnale analogice in domeniu frecvential 18
2.4. SEMNALE DIGITALE 19
2.4.1. Semnale logice On-Off 20
2.4.2. Semnale de tip tren de impulsuri 21
2.5. UN SEMNAL - CINCI PERSPECTIVE DE CLASIFICARE 21
2.6. BIBLIOGRAFIE 22
CAPITOLUL 3. CARACTERISTICI SI PERFORMANTE IN REGIM STATIC 23
3.1. CARACTERISTICA STATICA 23
3.2. EROAREA DE LINIARITATE 26
3.3. SENSIBILITATEA 26
3.4. PRAGUL DE SENSIBILITATE 27
3.5. REZOLUTIA 27
3.6. EROAREA DE HISTEREZIS 28
3.7. ACURATETE 29
3.8. PRECIZIA 29
3.9. ERORILE INSTRUMENTALE 30
3.10. CALIBRAREA UNUI SISTEM DE MASURARE 31
3.11. BIBLIOGRAFIE 32

CAPITOLUL 4. CARACTERISTICI SI PERFORMANTE IN REGIM DINAMIC 33
4.1. MODELUL DINAMIC AL SISTEMELOR DE MASURARE 33
4.1.1. Ecuatii diferentiale liniare 33
4.1.2. Functia de transfer 34
4.1.3. Example de modele dinamice ale sistemelor de masurare 35
4.2. ANALIZA EXPERIMENTALA A COMPORTARII DINAMICE 37
4.2.1. Analiza dinamica in domeniul timp 37
4.2.2. Analiza dinamica in domeniul frecvential 40
4.3. BIBLIOGRAFIE 44

CAPITOLUL 5. SENZORI PENTRU MASURAREA TEMPERATURII 45
5.1. TERMOREZISTENTE 45
5.2. TERMISTOARE 48
5.3. TERMOCUPLURI 53
5.4. SENZORI DE TEMPERATURA CU RADIATIE 56
5.5. BIBLIOGRAFIE 58

CAPITOLUL 6. SENZORI PENTRU MASURAREA POZITIEI SI DEPLASARII 59
6.1. NOTIUNI DE BAZA PRIVIND MASURAREA POZITIEI SI DEPLASARII 59
6.2. SENZORI ANALOGICI PENTRU MASURAREA DEPLASARILOR 62
6.2.1. Senzori rezistivi potentiometrici 62
6.2.2. Transformatorul liniar diferential variabil (TLDV) 65
6.2.3. Rezolverul 68
6.2.4. Inductosinul 72
6.2.5. Senzori magnetici cu efect Hall 76
6.2.6. Senzori optici pentru masurarea deplasarilor scurte 79
6.2.7. Senzori optici pentru masurarea deplasarilor lungi 82
6.2.8. Senzori ultrasonici pentru masurarea distantelor 86
6.3. SENZORI DIGITALI PENTRU MASURAREA DEPLASARILOR 89
6.3.1. Senzori de proximitate 89
6.3.2. Principiile masurarii digitale incrementale si absolute ale deplasarilor 94
6.3.3. Senzori incrementali Hall 95
6.3.4. Senzori incrementali magnetici 96
6.3.5. Senzori incrementali optici 97
6.3.6. Senzori digitali absoluti optici 101
6.4. BIBLIOGRAFIE 103

CAPITOLUL 7. SENZORI PENTRU MASURAREA VITEZEI 105
7.1. SENZORI DE VITEZA CU CONVERSIE DIRECTA 106
7.1.1. Senzori inductivi pentru masurarea vitezelor liniare 106
7.1.2. Tahogeneratorul de curent continuu 107
7.1.3. Tahogeneratorul de curent alternativ 109
7.2. SENZORI DE DEPLASARE UTILIZATI IN MASURAREA VITEZEI 111
7.2.1. Senzori de viteza cu reluctanta variabila (magnetici) 111
7.2.2. Senzori de viteza optici 112
7.3. BIBLIOGRAFIE 114

CAPITOLUL 8. SENZORI PENTRU MASURAREA FORTEI SI MOMENTULUI 115
8.1. MARCI TENSOMETRICE 115
8.2. ADAPTORUL ELECTRONIC PENTRU MARCI TENSOMETRICE 119
8.3. MASURAREA FORTELOR SI MOMENTELOR 123
8.4. BIBLIOGRAFIE 124

CAPITOLUL 9. SENZORI PENTRU MASURAREA PRESIUNII 125
9.1. ELEMENTE ELASTICE SENSIBILE 125
9.1.1. Membrana plana 126
9.1.2. Membrana gofrata 127
9.1.3. Capsula 128
9.1.4. Burduful 128
9.1.5. Tubul Bourdon 129
9.2. SENZORI DE PRESIUNE INDUCTIVI 130
9.3. SENZORI DE PRESIUNE CAPACITIVI 131
9.4. SENZORI DE PRESIUNE CU MARCI TENSOMETRICE 132
9.5. SENZORI DE PRESIUNE PIEZORESISTIVI 134
9.6. SENZORI DE PRESIUNE PIEZOELECTRICI 138
9.7. BIBLIOGRAFIE 140

CAPITOLUL 10. SENZORI PENTRU MASURAREA DEBITULUI 141
10.1. DEBITMETRE CU TURBINA 142
10.2. DEBITMETRE CU SECTIUNE VARIABILA 143
10.3. DEBITMETRE CU PRESIUNE DIFERENTIALA 146
10.4. DEBITMETRE MAGNETICE 148
10.5. DEBITMETRE VORTEX 151
10.6. DEBITMETRE MASICE 154
10.7. DEBITMETRE ULTRASONICE 157
10.8. BIBLIOGRAFIE 160

CAPITOLUL 11. SENZORI PENTRU MASURAREA NIVELULUI 161
11.1. SENZORI DE NIVEL PUNCTUAL 161
11.1.1. Senzori de nivel punctual de tip furculita vibranta 162
11.1.2. Senzori de nivel punctual conductivi 163
11.1.3. Senzori de nivel punctual capacitivi 164
11.2. SENZORI DE NIVEL CONTINUU 166
11.2.1. Senzori de nivel continuu hidrostatici 166
11.2.2. Senzori de nivel continuu capacitivi 168
11.2.3. Senzori de nivel continuu ultrasonici 171
11.2.4. Senzori de nivel continuu radar 173
11.3. BIBLIOGRAFIE 176

CAPITOLUL 12. SENZORI PENTRU ANALIZA FLUIDELOR 177
12.1. SENZORI DE CONDUCTIVITATE 177
12.1.1. Senzori de conductivitate cu electrozi (contact direct) 178
12.1.2. Senzori de conductivitate inductivi (fara contact) 181
12.2. SENZORI DE DENSITATE 183
12.2.1. Senzori de densitate cu tub oscilant 184
12.2.2. Senzori de densitate cu presiune diferentiala (hidrostatici) 187
12.2.3. Senzori de densitate Coriolis 188
12.2.4. Senzori de densitate cu furculita vibranta 191
12.2.5. Senzori de densitate ultrasonici 194
12.3. SENZORI DE PH 197
12.3.1. Senzori de pH cu electrod de sticla 197
12.3.2. Senzori de pH ISFET 200
12.3. BIBLIOGRAFIE 203

CAPITOLUL 13. SENZORI TACTILI SI VIZUALI 205
13.1. SENZORI TACTILI 205
13.1.1. Senzori tactili piezorezistivi 206
13.1.2. Senzori tactili capacitivi 208
13.1.3. Senzori tactili piezoelectrici 210
13.1.4. Senzori tactili cu tranzistori cu efect de camp 212
13.1.5. Senzori tactili optici 213
13.2. SENZORI VIZUALI 215
13.2.1. Structura senzorilor vizuali 215
13.2.2. Sisteme de iluminare 216
13.2.3. Lentilele si obiective 218
13.2.4. Senzori de imagine 221
13.2.5. Interfete de comunicare 227
13.2.6. Procesarea imaginilor 228
13.2.7. Analiza imaginilor 230
13.2.8. Aplicatii ale senzorilor vizuali 231
13.3. BIBLIOGRAFIE 232

CAPITOLUL 14. SENZORI INTELIGENTI, INTERFETE SI RETELE DE COMUNICATII 233
14.1. SENZORI INTELIGENTI 234
14.1.1. Senzori si traductoare 235
14.1.2. Modulul de conditionare de semnal 235
14.1.3. Convertorul analog-digital 239
14.1.4. Procesarea locala a datelor 241
14.1.5. Interfata om-masina 242
14.2. INTERFATA DE COMUNICATII 243
14.2.1. NCAP (Network Capable Application Processor) 243
14.2.2. TIM (Transducer Interface Module) 245
14.3. RETELE DE COMUNICATII ALE SENZORILOR 248
14.3.1. Controlul centralizat si distribuit a proceselor 248
14.3.2. Topologia sistemelor de control distribuite 250
14.3.3. Bazele comunicatiilor de date 253
14.3.4. Tipuri de retele de comunicatii industriale 255
14.3.5. IO-Link 257
14.3.6. Interfata AS-i 261
14.3.7. Interfata HART 265
14.3.8. Profibus 270
14.3.9. CAN 276
14.3.10. Modbus 280
14.3.11. ControlNET 282
14.3.12. DeviceNET 286
14.3.13. Foundation Fieldbus 289
14.3.14. Ethernet industrial 292
14.4. STRUCTURA SISTEMELOR DE CONTROL DISTRIBUITE 298
14.5. BIBLIOGRAFIE 303

Index 305