Wykładowcy: dr hab. inż. Cezary Worek, prof. AGH, dr inż. Wojciech Maziarz, dr hab. inż. Piotr Wiśniowski, prof. AGH
Prowadzący laboratorium: mgr inż. Jan Macheta, dr hab. inż. Piotr Wiśniowski, prof. AGH
Opis przedmiotu:
Wykład
1. Wiadomości wstępne
Przedstawienie planu wykładu. Wprowadzenie w tematykę systemów wbudowanych: definicje, parametry, przykładowe zastosowania, układy pracy, elementy systemu wbudowanego, wymagania stawiane czujnikom w systemach wbudowanych. Miejsce czujnika w systemie pomiarowym. Przypomnienie wiadomości o współczesnych czujnikach: definicje, podział, technologie. Charakterystyki statyczne i dynamiczne czujników. Pojęcia: czułość, zakres pomiarowy, rozdzielczość, próg detekcji, powtarzalność charakterystyki, kalibracja, histereza, stabilność krótko- i długoterminowa, szybkość odpowiedzi, czas życia, dopuszczalne warunki środowiskowe oraz dopuszczalne wartości graniczne.
2. Przegląd czujników stosowanych w systemach wbudowanych
Omówienie nowoczesnych czujników półprzewodnikowych stosowanych do wykrywania wielkości elektrycznych i nieelektrycznych, w szczególności wytwarzanych w technologiach mikromechanicznych. Rynek i kierunki rozwoju sensorów i mikrosystemów. Niskomocowe sensory półprzewodnikowe: akcelerometry, żyroskopy, czujniki ciśnienia, aktuatory, sensory temperatury (np. termoparowe, złączowe), sensory z powierzchniową falą akustyczną (SAW), sensory promieniowania elektromagnetycznego (np. fotoprzewodnościowe, fotowoltaiczne, piroelektryczne, mikroanteny), sensory chemiczne (w tym CHEMFET i biosensory), sensory w technologii CMOS, czujniki światłowodowe i optyczne. Sensory magnetyczne: podział, zasada działania, parametry, właściwości metrologiczne. Dobór sensorów do aplikacji wbudowanych na wybranym przykładzie. Zastosowania czujników magnetycznych w systemach wbudowanych do pomiaru pola magnetycznego, prądu, kąta, prędkości, ich parametry.
3. Problemy integracji czujników w systemach wbudowanych
Dopasowanie sygnału wyjściowego czujnika do toru pomiarowego: wzmacnianie, linearyzacja, przesuwanie poziomu, filtracja, dopasowanie impedancyjne, właściwości szumowe itp. Przedstawienie typowych układów kondycjonowania sygnału analogowego z czujników z wyjściem rezystancyjnym, napięciowym, prądowym, ładunkowym, pojemnościowym, indukcyjnym. Dobór układu do zastosowań, wpływ na rozdzielczość i czułość pomiaru. Mostkowe układy pomiarowe, wzmacniacze pomiarowe. Sprzętowa i programowa kalibracja czujników, scalone przetworniki dedykowane do aplikacji niskomocowych. Korekcja charakterystyk czujników. Omówienie najczęściej stosowanych metod i układów pomiarowych weryfikujących podstawowe parametry sensorów, które będzie można przeprowadzić w warunkach laboratoryjnych i przemysłowych. Analiza układów elektronicznych, analogowych i cyfrowych, do obróbki sygnału z uwzględnieniem specyfiki aplikacji wbudowanych. Budowa kompletnych torów obróbki sygnału z czujników i sensorów charakteryzujących się niskim i bardzo niskim poborem mocy.
4. Czujniki inteligentne i sieci sensorowe
Czujniki inteligentne: definicje, wymagania, standardy, przykłady. Standard IEEE 1451.X obejmujący moduł czujnika inteligentnego (STIM), układ komunikacji (NCAP), tablicę TEDS, stos serwisowy i komunikacyjny modułów STIM i NCAP, ramkę transmisyjną, dwu- i wieloprzewodowy interfejs czujnikowy w standardzie IEEE1451.4. Języki opisu sprzętowego czujników, modelowanie zachowania czujników (Sensor Model Language – SensorML) i transduserów (Transducer Model Language – TransducerML). Pojęcie sieci czujnikowej: podział, konfiguracje pracy, wymagania, zastosowania, przykłady. Systemy sensorowe do ciągłego monitoringu otoczenia.
Problemy związane z zasilaniem sensorowych układów wbudowanych. Zapoznanie z technologiami ogniw pierwotnych i wtórnych, omówienia zasad użycia, konserwacji i magazynowania ogniw wtórnych i pierwotnych, wykorzystanie kondensatorów „super-cap” wsieciach sensorowych oraz jako magazynów energii. Źródła energii odnawialnej dla niskomocowej sieci sensorowej, omówienie pozyskiwania energii z otoczenia – energia drgań, termogeneratory, mikroogniwa słoneczne, energia wiatrowa, energia pola elektromagnetycznego (RFID) itp. Budowa aparatury nisko i ultra-niskomocowej. Niskomocowe układy zasilające: stabilizatory liniowe LDO, niskomocowe i wysokoczęstotliwościowe przetwornice dedykowane do pracy w systemach wbudowanych.
5. Aplikacje czujnikowych systemów wbudowanych pracujących w strefach zagrożonych wybuchem
Omówienie zagadnień związanych z pracą w przestrzeni zagrożonej wybuchem – definicje, dyrektywa ATEX, projektowanie aparatury budowy przeciwwybuchowej ze szczególnym uwzględnieniem budowy iskrobezpiecznej, podstawowe wymagania związane z projektowaniem układów elektronicznych w wykonaniu iskrobezpiecznym, omówienie konstrukcji przykładowych rozwiązań czujnikowych systemów wbudowanych.
Ćwiczenia laboratoryjne
1. Wybrane półprzewodnikowe czujniki wielkości nieelektrycznych
Zapoznanie się z nowoczesnymi czujnikami temperatury różnego typu (złączowe, termoparowe, termostosy, itp.) oraz mikromechanicznymi czujnikami ciśnienia względnego i bezwzględnego. Wyznaczenie charakterystyk przetwarzania wybranych czujników na przykładzie zbadania zależności pomiędzy temperaturą, ciśnieniem i objętością gazu (pV=nRT) dla powietrza. Pomiar charakterystyk przetwarzania czujników wilgotności, akcelerometrów, żyroskopów. Zbadanie wpływu sygnałów zakłócających na sygnał wyjściowy. Studenci zapoznają się z problematyką kondycjonowania sygnału czujnikowego oraz kalibracji czujników różnego typu.
2. Zasilanie czujnikowych systemów wbudowanych ze źródeł energii odnawialnej Zapoznanie się z układami zasilania opartymi o źródła energii odnawialnej, takie jak energia drgań, termogeneratory, mikroogniwa słoneczne, energia wiatrowa, energia pola magnetycznego i elektromagnetycznego itp. Analiza niskomocowych układów zasilających
opartych o stabilizatory liniowe LDO i niskomocowe przetwornice DC-DC. Pomiary charakterystyk prądowo-napięciowych i wydajnościowych źródeł energii, badanie sprawności układów zasilających. Studenci zapoznają się z problematyką pozyskiwania energii z otoczenia i zasilania systemów czujnikowych.
3. Czujniki magnetyczne
Zapoznanie się z czujnikami magnetorezystancyjnymi. Pomiary charakterystyk przetwarzania czujników, wyznaczanie parametrów (czułość, rozdzielczość, nieliniowość, histereza i napięcie zerowe). Badanie właściwości metrologicznych czujników w pomiarach prądu, kąta (prędkości), kalibracja czujników. Studenci zapoznają się z problematyką doboru czujników do aplikacji wbudowanych.
Więcej materiałów dostępnych po zalogowaniu.
English
Polski