Měřicí a senzorová technika
Předmět je určen pro studenty prvního ročníku magisterského studia na fakultě strojní pro vybrané programy. Student by měl mít po absolvování tohoto předmětu podrobnější znalosti o technických prostředcích využívaných v regulačních obvodech a monitorovacích, konfiguračních a řídicích systémech. Je to rozšíření znalostí studentů nabytých v předmětech „Automatizační technika“ a „Senzorová technika“ v bakalářském studiu. Dalším rozšířením je nabytí znalostí o řídicích systémech, které lze použít pro regulační obvody distribuovaných řídicích systémů, vlastnosti a popis SCADA/MMI. Část předmětu je věnována zpracování el. signálů v regulačních obvodech.
Na cvičeních se studenti seznamují se zpracováním signálů ze snímačů, senzorů, které jsou vstupu do řídicích systémů a výkonovým zesílením signálů pro akční členy a pohony. Měří se zde základní statické a dynamické vlastnosti jednotlivých prvků regulačních obvodů. Část předmětu je věnována tvorbě grafického rozhraní a tvorbě algoritmu v prostředí LabView. Výstupem je 7 protokolů (6 měření, 1 semestrální projekt), které je nutno odevzdat do konce aktuálního semestru. V opačném případě je nutno předmět absolvovat znovu.
Zkouška obsahuje vstupní test, ve kterém je nutno získat více než 50 %. Pak následuje ústní zkouška (2 ot. – základní osnova ke všem otázkám nutná).
Témata předmětu (přednášek)
- Seznámení s problematikou a obsahem studovaného předmětu. Systémy řízení, měřicí obvod, statické vlastnosti členů měřicích obvodů. Statické vlastnosti – přesnost, citlivost, chyby měření.
- Dynamické vlastnosti členů měřicích a řídicích obvodů, dynamické chyby. Snímače a senzory (struktura, vlastnosti, rozdělení). Inteligentní (smart) senzory.
- Fyzikální principy snímačů – pasivní sním. (odporové, indukční, kapacitní, fotoelektrické, magnetické, atd.). Nové fyzikální principy senzorů.
- Aktivní snímače – rozdělení, vlastnosti, příklady (termoel., fotoel., piezoel., …).
- Pasivní obvodové prvky pro zpracování signálů (rezistor, kondenzátor, cívka, měření el. veličin v el. obvodech).
- Polovodičové prvky pro zpracování signálů (dioda, tranzistor, tyristor, triak, …).
- Operační zesilovače - základní zapojení (sumátor, invertor, ….).
- Vnitřní struktura a princip programování jednočipových počítačů (popis vnitřních modulů jednodeskových počítačů), nutné externí součástky pro funkčnost obvodu.
- Instrukční sada a popis registrů jednočipového počítače, programovací rozhraní, tvorba a simulace aplikace ve vývojovém prostředí MPLAB.
- Měření tepelných veličin, tepla a vlhkosti (principy, vlastnosti, kontaktní a bezkontaktní snímače, zapojení, provedení, příklady aplikace), měření mechanicko-silových statických a dynamických veličin (poloha, posunutí, rozměr, otáčky, rychlost, zrychlení, síla, chvění).
- Měření tlaků, průtoků kapalin a plynů, výšky hladiny kapalin a sypkých materiálů, dávkování médií. Nové principy v senzorové technice (optické vláknové senzory, laserové měř. systémy).
- Metodika návrhu měř. řetězce a měřicího systému (využití normy ČSN 180060, počítačová podpora návrhu, využití inteligentních senzorových sestav).
- Měřicí systémy s počítači (technické, obvodové a programové řešení, příklady a realizace, …). Počítačově integrované systémy řízení – CAD/CAM, CAT, CAQ.
- Časová rezerva.
CZ (přednášky podpora): P1, P2, P3, P4, P5, P6,
EN (přednášky podpora): P1, P2, P3, P4, P5, P6,
Cvičení
- Bezpečnost.
- Nástroje pro zpracování naměřených dat z reálných úloh.
- Předvedení praktických úloh (funkce, požadavky, …) .
- Protokol č. 1 Využití FFT pro analýzu signálu z MEMS akcelerometru – m-file.
- Protokol č. 2 Vyhodnocení a měření otáček.
- Protokol č. 3 Měření na operačních zesilovačích.
- Protokol č. 4 Měření na RLC členech.
- Protokol č. 5 Tenzometry.
- Protokol č. 6 Sekvenční logické obvody - binární čítač a děliče frekvence.
- Práce na projektu - LabView.
- Práce na projektu - LabView.
- Práce na projektu - LabView.
- Odevzdání a konzultace k protokolům.
Otázky
- Měřicí a regulační obvod, systém řízení (struktura obvodů, popis veličin, značení veličin, princip funkce, …).
- Teorie systémů, základní pojmy a jejich aplikace v systémech řízení (prvek, systém, vazba, dekompozice, rozlišovací úroveň, …).
- Statické vlastnosti měřicích členů a celého měřicího řetězce, včetně unifikační a filtrační části.
- Aproximace statických charakteristik v závislosti na reálných změřených bodech (regresní přímka, korelační koeficient, grafická metoda linearizace, polynom, …).
- Zdroje a typy nejistot celého měřicího řetězce, včetně unifikačních a filtračních částí (chyby měření – statické, dynamické, absolutní relativní, výsledné, třída přesnosti, hrubé chyby, eliminace chyb při měření, …).
- Měření dynamických vlastností všech členů řídicích obvodů (postup, způsob popisu, … ).
- Přechodová charakteristika senzoru a celého měřicího řetězce, včetně unifikační a filtrační části a její identifikace (postup měření, parametry, příklady, …).
- Frekvenční charakteristika, rozdíl mezi frekvenční charakteristikou měřicího členu, měřicího řetězce a celého systému a jejích význam (postup měření, příklady, …).
- Členy pro získání informace – rozdělení, struktura snímače, typické vlastnosti, příklady.
- Jednoduché a vícenásobné měřicí členy (struktura, vlastnosti, mechanicko-deformační členy, kineticko-kinematické členy, příklady, …).
- Pasivní a aktivní snímače – rozdělení, zpracování signálu, příklady.
- Zpracování a vyhodnocení signálů z odporových snímačů – principy snímačů, rozdělení, způsoby vyhodnocení, zapojení.
- Zpracování a vyhodnocení signálů z indukčních a indukčnostních snímačů – principy snímačů, rozdělení, zpracování signálu, způsoby vyhodnocení, zapojení.
- Zpracování a vyhodnocení signálů z fotoelektrických snímačů – principy snímačů, rozdělení, zpracování signálu, způsoby vyhodnocení, zapojení.
- Zpracování a vyhodnocení signálů z termoelektrických snímačů – principy snímačů, rozdělení, zpracování signálu, způsoby vyhodnocení, zapojení.
- Zpracování a vyhodnocení signálů z kapacitní snímačů – principy snímačů, rozdělení, zpracování signálu, způsoby vyhodnocení, zapojení.
- Polovodičové prvky pro zpracování signálů a ovládání, … .
- Základní zapojení operačních zesilovačů, vlastnosti, přenosy, využití, matematický popis závislostí I/O signálů, ... .
- Pasivní obvodové prvky, použití, matematické závislosti, ... .
- Meziobvodová komunikace I2C, SPI, popis přenosu informace, propojení jednotlivých zařízení, přístup k médiu, apod.
- Počítačová podpora při zpracování experimentálních měření (obecné uživatelské a speciální aplikační programy, příklady).
- Jednočipové počítače řady PIC (vnitřní uspořádání, instrukce a příkazy, příklad aplikace).
- Inteligentní senzory (vnitřní struktura, funkce, komunikační rozhraní, …).
- LabView (popis prostředí, vlastnosti, postup realizace aplikace, …).
Literatura
SCHMID, Dietmar. Řízení a regulace pro strojírenství a mechatroniku. Přeložil Jiří HANDLÍŘ. Praha: Europa-Sobotáles cz., 2005. ISBN 80-86706-10-9.
FRANK, Randy. Understanding smart sensors. 3rd ed. Artech House integrated microsystems series. Boston: Artech House, c2013. ISBN 978-1-60807-507-2.
CARTER, Bruce a MANCINI, Ron. Op amps for everyone. Online. Fifth edition. Oxford: Elsevier/Newnes, [2018]. ISBN 978-0-12-811647-0. Dostupné z: http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&scope=site&db=nlebk&db=nlabk&AN=1516610. [cit. 2026-07-04].