Датчики в радіоелектронних пристроях

Мета вивчення дисципліни:

Метою вивчення дисципліни є формування комплексу знань і здобуття навичок з основних фізичних принципів, які лежать в основі роботи сенсорів та процесів, що відбуваються в них, використання сучасних програмних засобів для отримання та аналізу результатів вимірів, які відображаються в результаті роботи різноманітних детекторів. Ознайомлення здобувачів з матеріалами, які є базою для виготовлення датчиків і основними технологіями їх виготовлення, з сучасними досягненнями в області створення електронних датчиків як засобів збору даних.

Практичне значення та використання отриманих знань:

Отримані знання можуть використовуватися при виконанні кваліфікаційної роботи бакалавра за вказаною спеціальністю, при проектуванні нових (або модернізувати існуючі) елементів (модулів, вузлів) телекомунікаційних та радіотехнічних систем, систем телевізійного й радіомовлення, при калібруванні датчиків для вирішення конкретних завдань електроніки; при проведенні аналізу результати вимірів, отриманих за допомого сенсорів, вибору потрібних сенсорів для конкретних задач радіоелектроніки, враховуючи їхні характеристики та приналежність до відповідного класу.
Тематика та види навчальних занять
Лекція 1. «Датчики як засоби збору даних. Класифікація датчиків. Одиниці вимірювання». Лекція 2. «Характеристики датчиків. Передаточна функція. Діапазони вимірювань вхідних і вихідних значень. Точність вимірювань датчиків. Калібрування».
Лекція 3. «Фізичні принципи роботи датчиків. Фізичні принципи, які лежать в основі роботи датчиків. Електричні заряди, поля, потенціали. Ємності. Магнетизм. Індукція. Опір. Пєзоелектричний ефект. Піроелектричний ефект. Ефект Холла. Ефекти Зеебека і Пельтьє». Лекція 4. «Датчики температури. Світлове випромінювання. Динамічні моделі чутливих елементів. Оптичні компоненти датчиків. Радіометрія. Фотометрія. Електрооптичні і акустооптичні модулятори. Інтерферометрична оптоволоконна модуляція».
Лекція 5. «Інтерфейсні електронні системи. Вхідні характеристики інтерфейсних систем. Підсилювачі. Аналого-цифрові перетворювачі (АЦП). Мостові схеми. Пряма дискретизація і обробка сигналів. Шуми в датчиках».
Лекція 6. «Детектори присутності і руху об’єктів. Ультразвукові, мікрохвильові, ємнісні, електростатичні та оптоелектронні датчики».
Лекція 7. «Детектори положення, переміщення, рівня. Потенціометричні, гравітаційні, ємнісні, індуктивні і магнітні датчики. Ультразвукові та оптичні датчики. Радари».
Лекція 8. «Датчики сили, механічної напруги, прискорення. Датчики тиску. Тензодатчики. П’єзоелектричні датчики сили. Ртутні датчики тиску. Сильфони, мембрани і струми пластини. П’єзорезистивні, ємнісні, оптоелектронні та датчики змінного магнітного опору. Вакуумні датчики».
Лекція 9. «Витратоміри. Датчики швидкості потоку. Теплові, ультразвукові, електромагнітні. коріолісові витратоміри. Мікровитратоміри. Детектори вимірювання швидкості потоку».
Лекція 10. «Акустичні датчики. Резистивні, електростатичні, оптоволоконні, п’єзоелектричні мікрофони. Твердотільні акустичні детектори».
Лекція 11. «Датчики вологості. Датчики вологості і вмісту води. Гігрометри і психрометри. Ємнісні і термісторні датчики вологості. Оптичні та вібраційні гігрометри».
Лекція 12. «Детектори світлових випромінювань. Фотодіоди, фоторезистори, фототранзистори. Детектори ІЧ-випромінювань».
Лекція 13. «Детектори радіоактивних випромінювань. Сцинтиляційні детектори. Іонізаційні та пропорційні камери. Лічильники Гейгера-Мюллера. Напівпровідникові детектори радіоактивності.».
Лекція 14. «Датчики температури. Терморезистивні датчики. Термоелектричні контактні датчики. Напівпровідникові датчики температури на основі p-n переходів. Оптичні, акустичні, п’єзоелектричні датчики температури».
Лекція 15. «Хімічні датчики, їх характеристики та особливості застосування. Датчики прямої дії. (метал-оксидні, електрохімічні, потенціометричні, кондуктометричні, ампереометричні, каталімаричні детектори).Складні датчики. Каталітичні датчики

Пелістера. Оптичні хімічні датчики. Біохімічні датчики. Хімічні детектори в складі аналітичних приладів».
Лабораторні заняття

Лабораторна робота №1. «Знакомство с Multisim».
Мета заняття: ознайомитись з можливостями моделювання на основі прикладу "ждучий мультивібратор".
Лабораторна робота №2. «Датчики аналогових вимірювальних сигналів».
Мета заняття: ознайомитись з аналізом основних статичних характеристик датчиків, пристрій, принцип дії, електричні параметри, схеми включення.
Лабораторна робота №2. «Датчики дискретних вимірювальних сигналів».
Мета заняття: вивчення принципів підключення та роботи систем зняття інформації з дискретних датчиків, принцип дії, електричні параметри, схеми включення.
Лабораторна робота №3. «Перетворювачі електричних вимірювальних сигналів на основі операційних підсилювачів».
Мета заняття: вивчення роботи і дослідження характеристик таких пристроїв, як підсилювачі, прецизійні випрямлячі, фільтри, суматори, віднімальні пристрої, джерела струму, перетворювачі опору в напругу, струму в напругу, генератори різної форми сигналів.
Лабораторна робота №4 «Перетворювачі електричних вимірювальних сигналів. Схемотехніка підключення до мікроконтролерів аналогових та дискретних електронних пристроїв».
Мета заняття: вивчення роботи АЦП та ЦАП, параметри та схеми підключення до мікроконтролері.
Лабораторна робота №5. «Вивчення основних компонентів середовища онлайн- моделювання Arduino».
Мета заняття ознайомитись на прикладах як створювати схеми в Tinkercad Circuits Arduino. Лабораторна робота №6. «Програмування Arduino в Tinkercad».
Мета заняття: моделювання в Tinkercad роботи таймеру на мікросхемі NE 555, написання коду «Миготливий світлодіод» на платі « Arduino UNO R3».
Лабораторна робота №7. «Автономні джерела. Види, параметри».
Мета заняття: ознайомитись з схемотехнікою для зарядних пристроїв для акумуляторів. Джерела вторинного електроживлення. Перетворювачі змінної напруги на постійне. Стабілізатори напруги та струму.

Консультації здійснюються впродовж семестру згідно встановленого розкладу.

Індивідуальна робота

Курсова робота має наступні цілі:
- закріплення основних теоретичних положень курсу, придбання навичок проектування телекомунікаційних пристроїв, формування технічної документації згідно вимогам за ДСТУ і за допомогою програми DipTrace та онлайн-емулятора Tinkercad.
Завдання на курсову роботу видається на початку 4-го семестру.
На основі технічного завдання до КР потрібно розробити структурну та принципову схеми електронного пристрою на основі датчику для виміру необхідного параметру, згідно варіанту, з попереднім підсилювачем, або перетворювачем (аналого-цифрового та цифро- аналогові перетворювачів), для узгодження із необхідними вимогами по рівню напруги, струму, або потужності сигналу, що надходить до блоку обробки, виконаному на контролері AVR або STM, набору кнопок (клавіатури) для керування режимами роботи приладу, засобу зв'язку з ЕОМ через USB-порт. Індикація результатів вимірювання здійснювати за допомогою світлодіодного або LCD-дисплея. Автоматизація проектних робіт при розробці нового електронного обладнання виконується з використанням ЕОМ та спеціального програмного забезпечення DipTrace.
Формування комплекту робочої документації згідно вимогам ДСТУ при виконанні роботи.
1. Структурна схеми цифрового вимірювального приладу.
2. Електрична принципова схема вимірювального приладу
3. Спеціфікація або перелік елементів.

До проекту додається моделювання в Multisim роботи перетворювача напруги в струм на основі операційного підсилювача.
Захист курсової роботи – протягом останнього навчального тижня семестру.

Форми контрольних заходів та оцінювання результатів навчання
Поточний контроль полягає у виконанні
1) 7-и індивідуальних поточних завдань. Індивідуальні поточні завдання виконуються письмово і полягають в розв'язуванні типових задач відповідно до мети та завдань лабораторних робіт. Бездоганне виконання лабораторних робіт з 1-ї по 5-ту оцінюється у 4 бали, робіт 6-ї та 7-у у 10 балів.
2) курсової роботи. Бездоганне виконання оцінюється у 60 балів. Захист роботи – 40
балів.
3) двох модульних контрольних робіт. Модульні контрольні роботи складаються з
теоретичної і практичної частин та проводяться у письмової формі Бездоганне виконання кожної модульної контрольної роботи становить 30 балів.

Підсумковий контроль – екзамен. Завдання екзаменаційних білетів охоплюють теми лекційних та лабораторних занять і містять 2-а теоретичних та 3-и практичних питання с загальною кількістю балів 100. Допуск до екзамену здійснюється у випадку набрання не менш 30 балів накопичувальної оцінки за результатами першого модульного контролю та
15 балів за результатами другого модульного контролю. Накопичувальна оцінка формується за результатами оцінювання всіх навчальних елементів, які заплановані на семестр для виконання здобувачами вищої освіти.