Тематический план

  • Общее

    • Teme curs
    •••
    Lucrări lab
    1
    2
    3
    4
    5
    6
    Evaluări
    1
    2
    Seminare
    •••
    Proiect
    •••
    Materiale teoretice
    •••

  • Teme curs

    • T1. Noțiuni de bază în automatică și rolul traductoarelor

      Obiective
      • explicarea rolului traductoarelor în sistemele automate;
      • identificarea componentelor unui traductor (E.S., conversie, adaptor);
      • clasificarea traductoarelor după principiu și mărime măsurată.
      Cuvinte-cheie: automatică traductoare element sensibil conversie adaptor
      automatică: ramură a ingineriei care studiază metodele și dispozitivele de comandă și reglare automată a proceselor.
      traductoare: dispozitive care convertesc o mărime fizică într-un semnal util de prelucrare (de regulă electric).
      element sensibil: componenta traductorului care interacționează direct cu mărimea măsurată și produce o variație detectabilă.
      conversie: transformarea mărimii măsurate în altă formă (ex. mecanic → electric) păstrând informația utilă.
      adaptor: stadiu intermediar (condiționare) care adaptează semnalul pentru transmitere sau achiziție (amplificare, filtrare, scalare).

      T2. Elemente sensibile de tip generator și sisteme multicanal

      Obiective
      • descrierea principiilor termo-, piezo-, foto- și prin inducție;
      • compararea aplicațiilor în energetică și măsurare;
      • înțelegerea arhitecturilor de măsurare multicanal.
      Cuvinte-cheie: termoelectric piezoelectric fotoelectric inducție multicanal energetică
      termoelectric: fenomen bazat pe efectul Seebeck; diferența de temperatură generează tensiune electrică.
      piezoelectric: materialele piezo dezvoltă sarcini/tensiuni sub acțiunea unei solicitări mecanice (și invers).
      fotoelectric: conversia radiației luminoase în semnal electric (fotodiode, fototranzistoare).
      inducție: variația fluxului magnetic induce tensiune conform legii lui Faraday (senzori de viteză/poziție).
      multicanal: sistem de măsurare cu mai multe canale sincronizate pentru achiziția paralelă a datelor.
      energetică: domeniul aplicativ ce vizează producerea, transportul și consumul de energie; cerințe robuste de măsurare.

      T3. Caracteristici statice și dinamice ale elementelor

      Obiective
      • determinarea parametrilor și performanțelor în regim staționar;
      • interpretarea răspunsului în timp (treaptă/impuls);
      • analiza caracteristicilor în domeniul frecvenței (Bode/Nyquist).
      Cuvinte-cheie: caracteristici statice răspuns în timp răspuns în frecvență performanțe
      caracteristici statice: relația intrare–ieșire în regim staționar (sensibilitate, offset, neliniaritate, histerezis).
      răspuns în timp: comportamentul la semnale treaptă/impuls; parametri precum timp mort, constantă de timp, depășire.
      răspuns în frecvență: modulul și faza ieșirii pentru excitații sinusoidale (diagrame Bode/Nyquist).
      performanțe: precizie, rezoluție, stabilitate, repetabilitate, domeniu dinamic.

      T4. Alegerea senzorilor și traductoarelor

      Obiective
      • stabilirea criteriilor de selecție pentru o măsurare dată;
      • corelarea cerințelor (precizie, domeniu, mediu) cu tipul de senzor;
      • evaluarea compromisului cost–performanță–fiabilitate.
      Cuvinte-cheie: criterii de selecție precizie domeniu de măsurare sensibilitate condiții de mediu
      criterii de selecție: cerințe funcționale, metrologice, de integrare, cost și disponibilitate.
      precizie: abaterea maximă admisă față de valoarea reală; include erori sistematice și aleatoare.
      domeniu de măsurare: intervalul în care senzorul funcționează conform specificației.
      sensibilitate: variația ieșirii raportată la variația intrării (panta caracteristicii).
      condiții de mediu: temperatură, umiditate, vibrații, EMI/EMC, agenți chimici etc.

      T5. Senzori și traductoare rezistive

      Obiective
      • explicarea principiilor rezistive de măsurare a deplasării;
      • aplicarea tensometriei pentru efort/deformație;
      • selectarea traductoarelor rezistive pentru temperatură și lumină.
      Cuvinte-cheie: tensometru termorezistor (NTC/PTC) fotorezistor piezorezistiv deplasare
      tensometru: senzor bazat pe variația rezistenței la deformație (gauge factor), folosit în punți Wheatstone.
      termorezistor (NTC/PTC): rezistență dependentă de temperatură; NTC scade cu T, PTC crește.
      fotorezistor: rezistență dependentă de lumină (LDR), utilizată la detecția iluminanței.
      piezorezistiv: variația rezistenței în material sub stres mecanic (semiconductori).
      deplasare: mărime mecanică măsurată frecvent cu potențiometre liniare/rotative sau LVDT/optici.

      T6. Senzori și traductoare inductive

      Obiective
      • modelarea senzorilor cu o/două inductivități și mutuală;
      • analiza configurațiilor tip LVDT și aplicații magnetoelastice;
      • evaluarea factorilor de influență și calibrării.
      Cuvinte-cheie: inductiv LVDT inductanță mutuală magnetoelastic calibrare
      inductiv: variația inductanței în funcție de poziție/material/flux magnetic produce un semnal măsurabil.
      LVDT: transformator diferențial liniar pentru măsurarea precisă a deplasărilor.
      inductanță mutuală: cuplaj magnetic între două bobine; modificarea poziției miezului schimbă cuplajul.
      magnetoelastic: proprietăți magnetice influențate de stres mecanic (măsurarea efortului).
      calibrare: stabilirea relației intrare–ieșire pe etaloane pentru precizie garantată.

      T7. Senzori și traductoare capacitive

      Obiective
      • configurarea senzorilor pe distanță, arie și permitivitate;
      • analiza influenței mediului și ecranării;
      • stabilirea procedurilor de compensare și calibrare.
      Cuvinte-cheie: capacitiv permitivitate distanță arie ecranare
      capacitiv: capacitatea C variază cu geometria sau mediul; folosit la proximitate, nivel, umiditate.
      permitivitate: proprietate a mediului care influențează capacitatea dintre armături (εr).
      distanță: variația distanței dintre plăci schimbă capacitatea și semnalul de ieșire.
      arie: creșterea ariei de suprapunere mărește capacitatea; utilizat în senzori cu geometrii variabile.
      ecranare: protecție contra interferențelor și cuplajelor nedorite; stabilizează măsurarea.

      T8. Senzori termoelectrice și piezoelectrice

      Obiective
      • înțelegerea efectului Seebeck și utilizarea termoelemetelor;
      • aplicarea efectului piezoelectric pentru presiune/vibrații;
      • evaluarea erorilor, linearității și compensării temperaturii.
      Cuvinte-cheie: Seebeck termoelement piezoelectric vibrații compensare
      Seebeck: generarea unei tensiuni într-un circuit cu două metale diferite când joncțiunile sunt la temperaturi diferite.
      termoelement: pereche de metale (termocuplu) pentru măsurarea temperaturii pe baza efectului Seebeck.
      piezoelectric: conversie mecanic-electrică bidirecțională; util pentru vibrații/șocuri.
      vibrații: oscilații mecanice măsurabile ca accelerație/deflexie prin traductoare dedicate.
      compensare: corecții pentru deriva termică/offset, fie hardware, fie software.

      T9. Senzori cu fibre optice

      Obiective
      • explicarea propagării și atenuării în fibre optice;
      • identificarea componentelor optice din senzori;
      • evaluarea avantajelor/limitărilor și a multiplexării.
      Cuvinte-cheie: fibră optică radiație optică cuplor atenuare multiplexare
      fibră optică: ghid de undă dielectrica pentru lumină; imunitate la EMI, pierderi reduse.
      radiație optică: energie electromagnetică în domeniul vizibil/IR/UV folosită la măsurare.
      cuplor: componentă pasivă care împarte/combină puterea optică între fibre.
      atenuare: pierderea puterii optice pe lungimea fibrei (absorbție, împrăștiere).
      multiplexare: tehnică pentru transmiterea „simultană” a mai multor canale.

      T10. Instrumentație virtuală

      Obiective
      • modelarea și vizualizarea caracteristicilor statice/dinamice;
      • crearea interfețelor grafice pentru achiziție și analiză;
      • ridicarea caracteristicilor și validarea experimentală.
      Cuvinte-cheie: instrumentație virtuală LabVIEW achiziție interfață grafică caracteristici
      instrumentație virtuală: utilizarea software-ului pentru a emula/coordona instrumente hardware reale.
      LabVIEW: mediu grafic de dezvoltare a programelor cu interfață grafică pentru achiziție, control și analiză a datelor.
      achiziție: procesul de preluare a semnalelor de la senzori prin ADC/DAQ.
      interfață grafică: panouri frontale pentru vizualizare/control parametri în timp real.
      caracteristici: descriptori ai comportamentului senzorilor/sistemelor (statice/dinamice/frecvență).

  • Lucrare de laborator nr.1: Dispozitive de măsură

    • 1) Voltmetrul

      Definiție: instrument pentru măsurarea căderilor de tensiune în circuite electrice; în SI, tensiunea se notează cu U și se măsoară în V (volt).

      • Construcție: electronice și electromecanice; cele electronice au impedanță de intrare foarte mare (sensibilitate ridicată).
      • Caracteristici de bază: impedanța de intrare, gama de măsură, rezoluția, precizia.
      • Conectare: în paralel la bornele între care se măsoară tensiunea.
      Tip util: Pentru a minimiza influența asupra circuitului, folosește voltmetre cu impedanță de intrare cât mai mare (ex. 10 MΩ).

      2) Ampermetrul

      Definiție: instrument pentru măsurarea intensității curentului (simbol I, unitate A).

      • Conectare: în serie cu elementul/circuitul unde se măsoară curentul.
      • Rezistență internă: trebuie să fie foarte mică (până la 10−3 Ω) pentru a reduce eroarea și pierderile.
      • Tipuri: c.c., c.a., c.c.&c.a.; electronice sau electromecanice.
      • Caracteristici: rezistența internă, gama de măsură, rezoluția, precizia.
      Atenție: Inserarea unui ampermetru nepotrivit poate modifica curentul real al circuitului; alege corect gama și clasa de precizie.

      3) Ohmmetrul

      Definiție: aparat pentru măsurarea rezistenței electrice (unitate Ω).

      • Metode uzuale: metoda indirectă (ampermetru+voltmetru), citire directă (ohmmetru/megaohmmetru/multimetru), metode de comparație.
      • Recomandări: decuplează sursele și izolează rezistența măsurată de restul circuitului (evită trasee paralele).

      4) Calculul erorilor

      clasificare eroare absolută eroare relativă erori de instrumentație
      • Clasificare (exemple): sistematice/aleatorii; statice/dinamice; absolute/relative/raportare/combinate; aditive/multiplicative/neliniaritate/histerezis.
      • Erori de instrumentație: ε = εap + εc (eroare de aparat + eroare de citire).
      Formule utile
      Eroare absolută: δx = x0 − x
      Eroare relativă: εr = |x0 − x| / x0 = δx / x0
      Bune practici
      • Conectează voltmetrul în paralel și ampermetrul în serie cu elementul măsurat.
      • Alege gama corectă (evită suprasarcina și maximizează rezoluția).
      • Notează incertitudinea instrumentului; estimează εap și εc.
      • La ohmmetru, asigură de-energizarea circuitului și contacte curate.

  • Lucrare de laborator nr.2: Senzori pentru măsurarea temperaturii

    • Măsurarea temperaturii este necesară în numeroase procese industriale și științifice. Principalele tipuri de senzori utilizați sunt: termorezistoarele (cu coeficient pozitiv sau negativ de temperatură), termocuplurile și senzoarele cu semiconductori. Fiecare tip se bazează pe un fenomen fizic diferit: variația rezistenței electrice cu temperatura (NTC/PTC), efectul Seebeck în cazul termocuplurilor sau proprietățile materialelor semiconductoare.

      • NTC: rezistența scade odată cu creșterea temperaturii, având o sensibilitate mare, dar neliniaritate ridicată.
      • PTC: rezistența crește cu temperatura; utilizate pentru protecții la supracurent și măsurări aproximative.
      • Termocuplu: două metale diferite formează o tensiune proporțională cu diferența de temperatură.
      • Senzor semiconductor: integrează circuite electronice, oferă ieșiri liniare, frecvent folosit în dispozitive moderne.

      Caracteristicile dinamice se analizează prin răspunsul la treaptă unitară: timpul de răspuns (constanta de timp termică) influențează aplicabilitatea senzorului. Procesul de calibrare și liniarizare este necesar pentru precizie ridicată.

  • Lucrare de laborator nr.3: Senzori pentru măsurarea presiunii și forței

    • Forța este o mărime mecanică fundamentală, iar conversia acesteia în semnal electric se face prin traductoare tensometrice (bazate pe variația rezistenței la întindere), celule piezoelectrice sau senzori inductivi/capacitivi. Aplicațiile includ cântărire, controlul presiunii și testarea materialelor.

      • Tensometre rezistive: variația rezistenței sub deformație mecanică; utilizate în punți Wheatstone.
      • Piezosenzori: generează tensiune electrică proporțională cu efortul aplicat; foarte sensibili, dar nepotriviți pentru regim staționar.
      • Senzori inductivi/capacitivi: modifică inductanța sau capacitatea în funcție de deplasarea generată de forță.

      Precizia depinde de linearitate, sensibilitate și stabilitatea materialului. Se folosesc circuite de condiționare (amplificatoare diferențiale) și compensare a temperaturii. În laborator se urmăresc caracteristicile statice (forță vs. tensiune) și dinamice (răspuns la sarcini variabile).

  • Lucrare de laborator nr.4: Senzori pentru măsurarea deplasărilor liniare.

    • Măsurarea deplasărilor liniare se face prin senzori analogici (potențiometre liniare, LVDT) sau senzori digitali (codificatoare). Senzorii analogici oferă o variație continuă a semnalului, iar cei digitali furnizează impulsuri proporționale cu distanța parcursă.

      • Potențiometru liniar: rezistența variază proporțional cu poziția contactului.
      • LVDT (Linear Variable Differential Transformer): senzor inductiv, robust, cu rezoluție mare.
      • Codificatoare optice: generează semnale digitale pentru distanță și poziție, utilizate în automatizări.

      Alegerea senzorului depinde de precizie, rezoluție și domeniu de măsură. Se discută linearitatea, histerezisul și efectele dinamice. În laborator, se compară metode analogice și digitale prin scheme de măsurare și aplicații practice.

  • Lucrare de laborator nr.5: Senzori pentru măsurarea unghiului și vitezei

    • Determinarea unghiului și vitezei de rotație este crucială în sisteme de automatizare și roboți. Conversia acestor mărimi se face cu codificatoare optice, senzori magnetici (Hall, magnetorezistivi), sau resolvere inductive.

      • Codificator optic: discul perforat produce semnale digitale (QA, QB, QC); permite determinarea vitezei și direcției.
      • Senzor Hall: tensiune generată în material semiconductor la trecerea câmpului magnetic.
      • Resolver: dispozitiv inductiv care furnizează semnale sinusoidale proporționale cu poziția.

      Relația ideală între unghi/viteză și semnalul electric este liniară; în practică apar neliniarități corectabile prin calibrare. Caracteristicile dinamice includ precizia la viteze variabile și stabilitatea la schimbarea direcției.

  • Lucrare de laborator nr.6: Instrumentație virtuală, Labview

    • Instrumentația virtuală înlocuiește instrumentele fizice tradiționale cu aplicații software care simulează și controlează procesele de măsurare. LabVIEW este mediul de referință, permițând dezvoltarea de interfețe grafice și conectarea la senzori reali prin plăci de achiziție (ex. Arduino).

      • Principiu: achiziția datelor se face prin module hardware, iar prelucrarea și afișarea prin software.
      • Avantaje: flexibilitate, reducerea costurilor, integrarea cu baze de date și control în timp real.
      • Exemple: măsurarea tensiunii, temperaturii, sau forței, vizualizate pe panouri grafice interactive.

      Lucrarea abordează citirea datelor de la senzori reali, configurarea plăcilor de dezvoltare și programarea interfețelor grafice. Se discută conceptele de front panel și block diagram din LabVIEW, precum și integrarea cu hardware extern.

  • Evaluare curentă 1

    • Evaluare curentă 2

      • Teme seminare

        1. Divizorul de tensiune ca element de adaptare a semnalului.
        2. Divizorul de curent ca elemnt de adaptare a semnalului.
        3. Metode de alegere și calcul a componentelor de adaptare pentru un traductor.
        4. Calculul senzorilor inductivi.
        5. Adaptarea semnalelor traductoarelor la semnale intelese de calculator.
        6. Interfețe de conectare la calculator a dispozitivelor de achiziție de date.
        7. Soluționarea problemelor de citire a datelor de la senzori.


        • Proiect

          • Introducere

            Tema urmărește proiectarea și implementarea unui sistem de achiziție a datelor (DAQ) pentru un traductor selectat, utilizând instrumentație virtuală (ex.: LabVIEW). Etapele: alegerea senzorului, schema-bloc, implementare, experimentare, analiză metrologică.

            Rezultate așteptate: schemă DAQ funcțională, interfață grafică, caracteristici statică/dinamică, estimarea erorilor și concluzii privind adecvarea soluției.

            1. Alegerea tipului traductorului pentru mărimea de măsurat

            Specificați mărimea fizică (temperatură, deplasare, presiune etc.), domeniul, condițiile de mediu (T, umiditate, vibrații, EMI) și cerințele metrologice (rezoluție, precizie, timp de răspuns). Alegeți traductorul după principiu fizic, sensibilitate, liniaritate, stabilitate și compatibilitate cu DAQ.

            • Criterii: domeniu măsură, sensibilitate, precizie, bandă, condiționare, cost & disponibilitate.
            • Ieșire: analog (V/mV/mA) sau digital (I²C/SPI/UART) compatibilă cu DAQ.
            • Protecție: supratensiune, filtrare EMI/EMC, eventual izolație galvanică.

            1.1. Schema-bloc a sistemului de achiziție de date

            Schema minimă: Traductor → Condiționare (filtru, amplificator, offset) → ADC/DAQ → Instrument virtual (UI) → Depozitare.

            • Condiționare: amplificator diferențial, filtrare, punte Wheatstone (unde e cazul).
            • Achiziție: rezoluție ADC, rata de eșantionare, anti-aliasing, sincronizare multicanal.
            • Software: front panel (afișaje/grafice) și block diagram (citire, filtrare, scalare, log).

            1.2. Descrierea funcționării sistemului

            Detaliați fluxul: semnalul fizic → conversie/condiționare → achiziție → procesare software → afișare/log. Includeți stările aplicației (inițializare, rulare, oprire), cerințele de alimentare și limitele admise.

            1.3. Mersul de elaborare a sistemului conform schemei-bloc

            1. Hardware: selectați componentele, realizați conexiunile, verificați nivelele electrice.
            2. DAQ/ADC: configurați canale, rata de eșantionare, rezoluția, calibrarea inițială.
            3. Software: implementați citirea, conversia în unități fizice, filtrarea, vizualizarea și logarea datelor.
            4. Testare: pe etaloane; verificați domeniul, sensibilitatea și timpul de răspuns.
            5. Documentare: scheme, capturi ecran, parametri, liste de materiale (BOM).

            2. Ridicarea caracteristicilor traductorului

            Determinați caracteristica statică (intrare–ieșire staționar) și caracteristica dinamică (răspuns temporal/frecvență). Precizați condițiile de mediu, metoda de excitare și instrumentele folosite.

            2.1. Ridicarea caracteristicii statice

            • Procedură: aplicați intrări treptate (etaloane), notați ieșirea în regim stabilizat.
            • Grafic: reprezentați y=f(x); extrageți sensibilitatea (panta), offsetul și neliniaritatea.
            • Histerezis: cicluri crescătoare/descrescătoare pentru a evalua diferențele la același punct.
            Notă: Indicați incertitudinea etalonului, pasul de măsurare și numărul de repetiții.

            2.2. Ridicarea caracteristicii dinamice

            • Răspuns temporal: excitați cu treaptă/impuls; estimați timpul mort, constantele de timp, depășirea.
            • Frecvență: (opțional) răspuns sinusoidal; construiți diagrame Bode (modul/fază).
            • Filtrare: anti-aliasing și/sau mediere pentru reducerea zgomotului.
            Notă: Declarați rata de eșantionare, fereastra de observație și metoda de estimare a parametrilor.

            2.3. Estimarea rezultatelor obținute

            Comparați performanțele cu cerințele inițiale (sensibilitate, domeniu, bandă, timp de răspuns). Discuții privind repeatabilitatea, stabilitatea și deriva. Evidențiați limitările și îmbunătățirile posibile.

            • Validare: comparați cu modele/etaloane.
            • Comparativ: alternative de traductoare sau condiționări cu impact asupra preciziei.

            2.4. Calculul erorilor senzorului

            • Eroare absolută: δx = xref − xmăsurat
            • Eroare relativă: εr = |δx| / |xref|
            • Surse: neliniaritate, histerezis, offset, zgomot, cuantizare ADC, drift termic, calibrare.
            • Buget de incertitudine: combinați contribuțiile (RSS) și raportați intervale la un nivel de încredere.
            Sfaturi: menționați clasa de precizie a instrumentelor, rezoluția ADC, metoda de calibrare.

            Concluzii

            Sintetizați realizările, parametrii obținuți, adecvarea traductorului și a lanțului DAQ, precum și direcții de optimizare (filtrare, calibrare avansată, gamă, rezoluție, protecții).

            Bibliografie

            • Îndrumar/Manual de laborator (capitole pentru traductorul ales și instrumentație virtuală).
            • Fișe tehnice (datasheet) ale traductorului și modulelor DAQ folosite.
            • Standarde/ghiduri de calibrare și evaluare a incertitudinii (după caz).

            Anexe

            • Detalii adiționalke, lista cu prețul echipamentelor pe piață (BOM), capturi de ecran din instrumentația virtuală (În cazul în care imaginea este mai mare de 75% din pagină).
            • Tabele de măsurări, fișiere brute (CSV), scripturi de prelucrare (dacă există).
            • Curbe suplimentare, teste de stres/mediu, proceduri de calibrare extinsă.

        • Materiale teoretice