Fagstoff

Sensorer

Publisert: 09.09.2010, Oppdatert: 03.03.2017
  • Innbygg
  • Enkel visning
  • Lytt til tekst
  • Skriv ut

En sensor er en innretning som omformer en fysisk verdi til et signal som kan tolkes av en observatør eller et måleinstrument. En sonderakett har ofte et vidt spekter av sensorer og instrumenter med ulike utsignaler. De enkleste sensorene hører til det som kalles house keeping, det vil si sensorer som måler på rakettens helsetilstand. Dette kan for eksempel være temperaturer på utvalgte deler av raketten. De mest avanserte sensorene er instrumenter for å gjøre vitenskapelige målinger på partikler og elektromagnetiske felter i rommet.

Analoge sensorer

Et enkelt eksempel på en sensor er en barometrisk trykkmåler. Endringer i lufttrykk skaper mekanisk bevegelse i en belg med et referansetrykk. Den mekaniske bevegelsen fører til endring av verdien til en motstand. Endringen i motstand kan så omdannes til spenning ved hjelp av en enkel krets. Se figuren under. 

Trykksensor   

Dette er eksempel på en analog sensor som gir ut en sammenhengende spenning. De analoge spenninger, som representerer en fysisk variabel, kan enten styre en spenning-til-frekvens-omformer, VCO som ved FDM, (Frekvens-Delt-Multipleks) eller sendes til en A/D-omformer (Analog-til-Digital omformer), for så å tidsdeles. I dag er tidsdeling den vanligste formen og det er den vi kommer til å fokusere på videre i boken.

I de fleste tilfeller er spenningen direkte fra sensorelementet for lav i forhold til hva en ønsker å ha inn til analog til digitalomformer. I andre tilfeller gir selve sensoren ut en strøm, som først må omformes til en spenning for å kunne digitaliseres. Til dette brukes operasjonsforsterkere i ulike oppkoblinger. Eksempler på slike oppkoblinger er inverterende, ikkeinverterende, differansforsterker og instrumentforsterker. Eksempler på noen slike koblinger er vist i figuren under.

Signalbehandling etter sensor   

Sensorer og instrumenter kan ha to forskjellige utganger, analog utgang, digital utgang, eller begge deler. Målestørrelsen, som for eksempel temperatur, kan spenne over en eller to dekader. Målinger med elektrometer av elektron- eller ionestøm kan ofte kreve måleområder som strekker seg over 4 til 8 dekader. I slike tilfeller inneholder sensorelektronikken signalbehandling, slik som lineær-til-logaritmisk omforming eller automatisk dekadeomkobling. Utgangen må da inneholde to utganger: En digital dekadestatus og en analog mantisseverdi. Et eksempel på dette er vist i figuren.
Elektrometer  


Analoge sensor som måler fysiske parametere genererer normalt meget små strømmer. Strømmen eller ladningene blir samlet opp til en spenning som vil være proporsjonal med målestørrelsen.

Figuren (klikk for å forstørre) viser et system som kan utføre en strømmåling over 4 dekader. For eksempel fra 1e-9 Ampere til 1e-6 Ampere. Strømområdet settes ved valg av den negative tilbakekobling-motstanden R. I dette tilfelle R = 1 x 106 Ohm. Dekadesvitsj-kontrollen som består av et antall komparatorer, gir kommando tilbake til den programmerbare forsterkeren om spenningsnivået. Den bestemmer det avleste strømområde i den analoge utgangen. Med en tilbakekoblingsmotstand på R = 1MΩ (som vist på figuren), vil en strøm på 1e-6 A sette den programmerbare forsterkeren til x1. 1μA vil derfor tilsvare 1V sendt ut på analog-utgangen til systemet sin A/D-omformer. På samme tid vil dekadesvitsj-kontrollen gi ut binært 00 tilsvarende forsterkning = 1. Strømoppløsningen innen 1 dekade vil være bestemt av antall bit i A/D-omformeren. Ved for eksempel en 8 bits A/D-omforming vil usikkerheten innen hver strømdekade være 1/28 , eller ~ 4%. For dekadeområdet x1 betyr dette en minimum strømavlesning på 0,4% av 1μA, eller 1e-6 A x 4/100 = 0,04μA. For 1000 ganger er oppløsningen 0,04/1000 = 4e-9/1000 A. I = 4e-13A. På denne måten oppnår en nøyaktige målinger i flere måleområder.

Digitale sensorer

Akkumulerende pulsteller  

Typiske eksempler på sensorer med kun digital utgang er pulstellings-sensorer. I disse sensorene er det elektronikk som sender informasjon om en pulsrate. Dette kan være antall tellinger per sekund fra en partikkelteller, for eksempel en elektron- eller protonteller (Geiger/Mueller-rør) eller en fotontellerutgang fra et fotometer

Her blir antall pulser samlet opp i løpet av et forutbestemt tidsintervall. Ofte brukes et parallell-til-serie skiftregister. Som vist på figuren klokkes utgangen ut i serieform til en digital multiplekser.


 

Relatert innhold

Generelt