Senzori i transduktori

Senzori i transduktori

Da bi elektronsko kolo ili sistem obavio bilo koji koristan zadatak ili funkciju potrebno je da može komunicirati sa "stvarnim svijetom" bilo da je to čitanjem ulaznog signala iz prekidača "ON/OFF" ili aktiviranjem nekog oblika izlaznog uređaja kako bi se osvetlilo jedno svjetlo.

Drugim riječima, Elektronski sistem ili kolo moraju biti sposobni ili sposobni "učiniti"nešto a Senzori i transduktori su savršene komponente za ovo.

Riječ "Transduktor" je kolektivni termin koji se koristi za oba senzora koji se mogu koristiti za osjećaj širokog spektra različitih energetskih oblika kao što su kretanje, električni signali, blistava energija, termalna ili magnetska energija itd. i Aktuatori koji se mogu koristiti za prebacivanje napona ili struja.

Postoji mnogo različitih vrsta senzora i pretvornika, kako analognih tako i digitalnih i ulaznih i izlaznih dostupnih za odabir. Tip ulaznog ili izlaznog pretvornika koji se koristi, zaista zavisi od tipa signala ili procesa koji je "Osjetio" ili "Kontroliran", ali senzor i pretvornike možemo definirati kao uređaje koji pretvaraju jednu fizičku količinu u drugu.

Uređaji koji obavljaju funkciju "Ulaz" se obično zovu Senzori jer "osječaju" fizičku promjenu u nekim karakteristikama koje se mijenjaju kao odgovor na neku uzbuđenost, na primjer toplinu ili silu i prikriju to u električni signal. Uređaji koji obavljaju funkciju "Izlaz" se općenito zovu Aktuatori i koriste se za kontrolu nekog vanjskog uređaja, na primjer pokret ili zvuk.

Električni transduktori se koriste za pretvaranje energije jedne vrste u energiju druge vrste, tako da npr. mikrofon (ulazni uređaj) pretvara zvučne talase u električne signale da pojačalo pojačalo (proces), a razglas (izlazni uređaj) pretvara ove električne signale nazad u zvučne talase i primjer ove vrste jednostavnog ulaznog/izlaznog (I/O) sistema je dat u nastavku.

Simple Input/Output System using Sound Transducers.

Postoji mnogo različitih tipova senzora i transduktora koji su dostupni na tržištu, a izbor koji se koristi zaista zavisi od količine koja se meri ili kontroliše, sa češćim tipovima datim u tabeli ispod:

Uobičajeni senzori i transduktori.

Ulazni tip pretvornici ili senzori, proizvode izlazni odziv napona ili signala koji je proporcionalan promjeni količine koju mjere (stimulus). Tip ili količina izlaznog signala zavisi od tipa senzora koji se koristi. Ali generalno, sve vrste senzora mogu biti klasificirane kao dvije vrste, bilo Pasivni senzori ili Aktivni senzori.

Generalno, aktivni senzori zahtijevaju vanjsko napajanje za rad, nazvan signal uzbuđenja koji senzor koristi za proizvodnju izlaznog signala. Aktivni senzori su samogenerativni uređaji jer se vlastita svojstva mijenjaju kao odgovor na vanjski efekt koji proizvodi na primjer, izlazni napon od 1 do 10v DC ili izlazna struja kao što je 4 do 20mA DC. Aktivni senzori također mogu proizvesti pojačanje signala.

Dobar primjer aktivnog senzora je LVDT senzor ili gauge soja. Naprezanje su otporne mreže mostova osjetljive na pritisak koje su vanjske pristrane (signal uzbuđenja) na način da proizvedu izlazni napon proporcionalno količini sile i/ili naprezanje koje se primjenjuje na senzor.

Za razliku od aktivnog senzora, pasivnom senzoru nije potreban dodatni izvor napajanja ili napon uzbuđenja. Umjesto toga pasivni senzor generira izlazni signal kao odgovor na neki vanjski stimulans. Na primjer, termokupul koji generira vlastiti izlaz napona kada je izložen toploti. Onda su pasivni senzori direktni senzori koji mijenjaju svoja fizička svojstva, kao što su otpor, kapacitet ili induktancija itd.

Ali kao i analogni senzori, Digitalni senzori proizvode diskretan izlaz koji predstavlja binarni broj ili cifru kao što je logički nivo "0" ili logički nivo "1".

Analogni i digitalni senzori

Analogni senzori

Analogni senzori proizvode kontinuirani izlazni signal ili napon koji je općenito proporcionalan količini koja se mjeri. Fizičke količine kao što su Temperatura, Brzina, Pritisak, Raseljenje, Naprezanost itd su sve analogne količine jer imaju naginje da budu kontinuirane u prirodi. Na primjer, temperatura tekućine se može mjeriti pomoću termometra ili termokupa koji kontinuirano reagira na promjene temperature dok se tekućina zagrio ili ohladio.

Termokupl koji se koristi za proizvodnju Analognog signala

Analogni senzori obično proizvode izlazne signale koji se nesmetano i kontinuirano mijenjaju s vremenom. Ovi signali su skloni da budu vrlo mali po vrijednosti od nekoliko miko-volti (uV) do nekoliko mili volti (mV), tako da je potreban neki oblik pojačanja.

Onda sklopovi koji mjere analogne signale obično imaju spor odgovor i/ili nisku preciznost. Također analogni signali se mogu lako pretvoriti u signale digitalnih tipova za upotrebu u mikro-kontroler sistemima korištenjem analogno-digitalnih pretvarača, ili ADC-ovih.

Digitalni senzori

Kao što njegovo ime implicira, Digitalni senzori proizvode diskretne digitalne izlazne signale ili napone koji su digitalni prikaz količine koja se mjeri. Digitalni senzori proizvode binarni izlazni signal u obliku logike "1" ili logike "0", ("ON" ili "OFF"). To znači da digitalni signal proizvodi samo diskretne (neprekidne) vrijednosti koje mogu biti izlazne kao jedan "bit", (serijski prijenos) ili kombiniranjem bitova kako bi se proizveo jedan izlaz "bajta" (paralelni prijenos).

Senzor svjetlosti koji se koristi za proizvodnju digitalnog signala

U našem jednostavnom primjeru iznad, brzina rotirajućeg otvora mjeri se pomoću digitalnog LED/Opto-detektorskog senzora. Disk koji je fiksiran na rotirajuće okno (na primjer, iz motornih ili robotskih kotača), ima veliki broj prozirnih slota unutar svog dizajna. Kako se disk okreće brzinom otvora, svaki utor prolazi pored senzora za rukovanje proizvodeći izlazni puls koji predstavlja logiku "1" ili logiku "0" nivoa.

Ovi impulsi se šalju u registar brojača i na kraju na izlazni prikaz kako bi se pokazala brzina ili revolucije otvora. Povećanjem broja slota ili "prozora" unutar diska može se proizvesti više izlaznog pulsa za svaku revoluciju otvora. Prednost ovoga je što se veća rezolucija i tačnost postižu kako se mogu otkriti djelići revolucije. Tada bi se ovaj tip rasporeda senzora mogao koristiti i za pozicionu kontrolu sa jednim od slota diskova koji predstavljaju referentni položaj.

U odnosu na analogne signale, digitalni signali ili količine imaju vrlo visoku preciznost i mogu se i mjeriti i "uzorkirati" pri vrlo visokoj brzini sata. Tačnost digitalnog signala je proporcionalna broju bitova koji se koriste za predstavljanje izmjerene količine. Na primjer, koristeći procesor od 8 bita, će proizvesti tačnost od 0,390% (1 dio u 256). Dok koristite procesor od 16 bita daje tačnost od 0,0015%, (1 dio u 65,536) ili 260 puta tačniji. Ta tačnost se može održati jer se digitalnim količinama manipulira i obrađuje vrlo brzo, milionima puta brže od analognih signala.

U većini slučajeva, senzori i preciznije analogni senzori uglavnom zahtijevaju vanjsko napajanje i neki oblik dodatnog pojačanja ili filtriranja signala kako bi se proizveo pogodan električni signal koji je sposoban da se mjeri ili koristi. Jedan vrlo dobar način postizanja i pojačanja i filtriranja unutar jednog kruga je da koristite Operativna pojačala kao što je već viđeno.

Signalno uslovljavanje senzora

Kao što smo vidjeli u operativnom pojačalo tutorial, op-amps može se koristiti za osiguravanje pojačanja signala kada su povezani u bilo inverting ili non-inverting konfiguracije.

Vrlo mali analogni signalni naponi proizvedeni senzorom kao što su nekoliko mili volti ili čak piko volti mogu se pojačati mnogo puta jednostavnim op-amp-sklopom kako bi se proizveo mnogo veći naponski signal recimo 5v ili 5mA koji se tada može koristiti kao ulazni signal mikroprocesoru ili analogno-digitalnom baziranom sistemu.

Stoga, da bi se pružio bilo koji koristan signal, izlazni signal senzora mora biti pojačan pojačalom koji ima dobitak napona do 10.000 i trenutni dobitak do 1.000.000 sa pojačalom signala koji je linearni s tim da je izlazni signal točna reprodukcija ulaza, upravo promijenjen u amplitudi.

Onda je pojačanje dio kondicionog signala. Dakle, kada koristite analogne senzore, generalno neki oblik pojačanja (Gain), impedancija podudaranje, izolacija između ulaza i izlaza ili možda filtriranje (odabir frekvencije) može biti potrebno prije nego što se signal može koristiti i to je prikladno izvodi operativni pojačala.

Također, pri mjerenju vrlo malih fizičkih promjena izlazni signal senzora može postati "kontaminiran" neželjenim signalima ili naponima koji onemogućavaju pravilno mjerenje stvarnog signala koji je potreban. Ovi neželjeni signali se zovu "Buka". Ova Buka ili Smetnje mogu biti ili u velikoj količini smanjene ili čak eliminisane pomoću tehnika kondicionisanja signala ili filtriranja kao što smo razgovarali u Vodiču aktivnog filtera.

Korištenjem niskog prolaza, ili High Passa ili čak Band Pass filtera "propusnost" buke se može smanjiti tako da ostavi samo potreban izlazni signal. Na primjer, mnoge vrste ulaza iz prekidača, tastatura ili ručnih kontrola nisu u stanju brzo mijenjati stanje i tako se može koristiti filter niskog prolaza. Kada je smetnja na određenoj frekvenciji, na primjer mrežna frekvencija, odbacivanje uskog traka ili Notch filteri mogu se koristiti za proizvodnju frekvencijskih selektivnih filtera.

Tipični Op-amp filteri

Ako je neka slučajna buka i dalje ostala nakon filtriranja možda će biti potrebno uzeti nekoliko uzoraka i onda ih prosječno dati konačnu vrijednost tako povećavajući odnos signala i buke. Bilo kako bilo, i amplifikacija i filtriranje igraju važnu ulogu u međuočenju i senzora i transduktora mikroprocesora i elektronike baziranih sistema u "realnim svjetskim"uslovima.

U sljedećem tutorialu o Senzorima, pogledat ćemo Pozicione senzore koji mjere položaj i/ili pomak fizičkih objekata što znači kretanje iz jednog položaja u drugi za određenu udaljenost ili ugao.

Za više informacija kontaktirajte nas nasales@xfullstar.com