• Želim znati nešto o senzorim (temperaturni, induktivni, optički), tj. njihov princip rada. (Mile iz Pazina, milovan_fabris@yahoo.com)

  • Najprije bih želio istaknuti jednu bitnu činjenicu koja je karakteristična za sve senzore: 'odgovor' koji daje senzor mora biti srazmjerno lako i jednostavno mjerljiv, i dostupan računalu kako bi se mogao obraditi.
    Na primjer, do prije 30-40 godina temperature od -300 do 2000-3000C su se mjerile pomoću živinih ili alkoholnih termometara (poput onog za mjerenje temperature čovječjeg tijela ili za temperaturu zraka). Danas se za taj raspon temperatura redovito koriste tzv. platinski termometri.
    Naime, vrlo bi teško bilo konstruirati uređaj koji bi automatski očitavao vrijednost temperature sa živinog termometra - puno je jednostavnije uzeti neki materijal (u ovom slučaju platina) kojem se, ovisno o temperaturi, mijenja otpor, te onda mjeriti taj otpor s elektroničkim om-metrom. Ako ga još povežemo s računalom, imamo mogućnost potpuno automatiziranog mjerenja temperature. (Autor ovog odgovora se aktivno bavi mjerenjem ovisnosti otpora o temperaturi raznih materijala, što - ovisno o materijalu - može trajati i do nekoliko dana. Upravo gore opisani sklop termometar - om-metar - računalo, omogućuje potpuno automatsko non-stop mjerenje, praktički bez mojeg sudjelovanja i/ili nadgledanja odvijanja eksperimenta).
    Ovo nas vodi na jedan bitno svojstvo senzora: oni su zapravo 'preobličivači' (engl. transducers) signala, iz veličine koja nas zanima (temperatura, magnetsko polje/indukcija, svjetlost ...) u neku veličinu koja je pogodna za mjerenje (otpor, generirani napon ili struja, ...). To naravno znači da za svaki senzor valja imati i baždarnu krivulju - tablicu ili sliku, na kojoj se može očitati npr. kojoj temperaturi odgovara otpor od 100 oma platinskog termometra.

    Temperaturni senzori. - Temperaturni senzori su 'preobličivači' koji temperaturu najčešće pretvaraju u otpor, dakle mjerenjem njihovog otpora, pomoću baždarne krivulje, saznajemo kolika je temperatura.
    Izbor temperaturnog senzora ovisi o području temperatura koji želimo mjeriti, kao i o 'vanjskim' uvjetima kojima su oni izloženi (magnetsko polje, radijacija, ...). Npr., od 50K pa do oko 800K, zbog svoje linearnosti vrlo je pogodan platinski senzor. Za niže temperature, od 50K pa do oko 1.4K pogodni su tzv. ugljeni senzori, a za još niže (do nekoliko desetaka mK) tzv. germanijski. Isto tako, ako se naša mjerenja vrše u rasponu temperatura od 1.4K pa do oko 400K, onda će nam biti dovoljan tzv. rodij-željezo (legura) senzor.
    Situacija se bitno mijenja ako se mjerenja vrše u vanjskom magnetskom polju do oko 5T: na temperaturama nižim od 100K, platinski i rodij-željezi senzori nisu pogodni zbog utjecaja tog magnetskog polja na njihov otpor. U tom slučaju valja upotrijebiti ugljeni senzor, čija je ovisnost otpora o polju srazmjerno mala. Međutim, za magnetska polja veća od 10T, više niti ugljeni senzor nije dovoljno točan, već treba preći na tzv. kapacitivni senzor. Taj senzor 'preobličava' temperaturu u kapacitet i potpuno je neosjetljiv na vanjsko magnetsko polje.
    Osim otpornih i kapacitivnih senzora, postoji još jedna klasa senzora, tzv. termoparovi, koji se zasnivaju na termoelektričnom efektu. Oni temperaturu 'preobličavaju' u elektromotornu silu, ili kraće u napon. Vrlo su malih dimenzija, i mogu mjeriti vrlo visoke temperature (i do 1500K), ali istovremeno imaju i malu osjetljivost od samo nekoliko mV/K, što zahtjeva vrlo kvalitetne i skupe voltmetre.
    I na kraju, kako mjeriti vrlo visoke temperature, kod kojih je većina metala/legura u tekućem ili plinovitom stanju? Pomoću svjetlosti koju dotični materijal isijava: pri tako visokim temperaturama možemo pretpostaviti da zagrijana masa ima svojstva crnog tijela, te iz raspodjele intenziteta pojedine frekvencije izračene svjetlosti odrediti temperaturu, za što nam treba optički senzor.

    Više o temperaturnim senzorima može se saznati ovdje.

    Senzori za magnetsko polje. - Ovi senzori mahom 'preobličuju' magnetsko polje u napon, a baziraju se na tzv. Hallovom efektu: u vodiču koji se nalazi u magnetskom polju B, i kojim teče struja I, inducirat će se napon (ili preciznije električno polje) V koje je proporcionalno magnetskom polju.
    Ako pak želimo mjeriti vremenski promjenljivo magnetsko polje srazmjerno velik frekvencije (veće od oko 1Hz), onda je dovoljno promatrati napon (elektromotornu silu) koja se inducira u petlji-senzoru koja se nalazi u tom magnetskom polju.

    Više o senzorima za magnetsko polje može se saznati ovdje.

    Optički senzori. - Od pojave poluvodiča, ovi senzori su zapravo 'preobličivači' intenziteta svjetlosti u induciranu struju, napon ili otpor, a zasnivaju se na funkcioniranju pn spoja. Naime, može se napraviti takav pn čije karakteristike ovise o intenzitetu i frekvenciji/boji svjetlosti kojom ga obasjavamo.

    Više o optičkim senzorima (i još nekim vrstama) može se saznati na stranicama e-škole.


    Odgovorio:
    mr.sc.M.Basletić, PMF