Сензори и преобразуватели

Сензори и преобразуватели

За да може дадена електронна схема или система да изпълнява някаква полезна задача или функция, тя трябва да може да комуникира с „реалния свят“, независимо дали това е чрез четене на входен сигнал от превключвател „ON / OFF“ или чрез активиране на някаква форма на изходно устройство за осветяване на една светлина.

С други думи, електронна система или верига трябва да може или може да „направи“ нещо и сензорите и преобразувателите са перфектните компоненти за това.

Думата „преобразувател“ е събирателният термин, използван и за двата сензора, който може да се използва за усещане на широк спектър от различни енергийни форми като движение, електрически сигнали, лъчиста енергия, топлинна или магнитна енергия и т.н., иактуатори, които могат да се използват за превключване на напрежения или токове.

Има много различни видове сензори и преобразуватели, както аналогови, така и цифрови, както и вход и изход, от които можете да избирате. Типът на входящия или изходния преобразувател, който се използва, наистина зависи от типа сигнал или процес, който се „усеща” или „контролира”, но можем да определим датчик и преобразуватели като устройства, които преобразуват едно физическо количество в друго.

Устройствата, които изпълняват функция „Вход“, обикновено се наричат ​​сензори, тъй като те „усещат“ физическа промяна в дадена характеристика, която се променя в отговор на някакво възбуждане, например топлина или сила, и скриват това в електрически сигнал. Устройствата, които изпълняват функция „Изход“, обикновено се наричат ​​Актуатори и се използват за управление на някои външни устройства, например движение или звук.

Електрическите преобразуватели се използват за преобразуване на енергия от един вид в енергия от друг вид, така че например микрофон (входно устройство) преобразува звуковите вълни в електрически сигнали за усилване на усилвателя (процес), а високоговорител (изходно устройство) преобразува тези електрически сигнали обратно в звукови вълни и пример за този тип проста входна / изходна (I / O) система е даден по-долу.

Опростена входна / изходна система, използваща звукови преобразуватели.

На пазара се предлагат много различни видове сензори и преобразуватели и изборът на кой от тях наистина зависи от количеството, което се измерва или контролира, като по-често срещаните типове са дадени в таблицата по-долу:

Общи сензори и преобразуватели.

Входните преобразуватели или сензори произвеждат напрежение или изходен сигнал, който е пропорционален на промяната в количеството, което те измерват (стимула). Типът или количеството на изходния сигнал зависи от типа на използвания сензор. Но като цяло всички видове сензори могат да бъдат класифицирани като два вида, или Пасивни сензори Активни сензори.

Обикновено активните сензори изискват външно захранване за работа, наречено сигнал за възбуждане, което се използва от сензора за генериране на изходния сигнал. Активните сензори са самогенериращи се устройства, тъй като техните собствени свойства се променят в отговор на външен ефект, произвеждащ например изходно напрежение от 1 до 10v DC или изходен ток като 4 до 20mA DC. Активните сензори също могат да произвеждат усилване на сигнала.

Добър пример за активен сензор е LVDT сензор или тензодатчик. Деформационните датчици са чувствителни на натиск резистивни мостови мрежи, които са външни пристрастни (възбудителен сигнал) по такъв начин, че да произвеждат изходно напрежение пропорционално на силата и / или напрежението, приложено към сензора.

За разлика от активния сензор, пасивният сензор не се нуждае от допълнителен източник на захранване или възбудително напрежение. Вместо това пасивният сензор генерира изходен сигнал в отговор на някакъв външен стимул. Например термодвойка, която генерира собствено изходно напрежение, когато е изложена на топлина. Тогава пасивните сензори са директни сензори, които променят физическите си свойства, като съпротивление, капацитет или индуктивност и т.н.

Но както и аналоговите сензори, цифровите сензори произвеждат дискретен изход, представляващ двоично число или цифра като логическо ниво „0“ или логическо ниво „1“.

Аналогови и цифрови сензори

Аналогови сензори

Аналоговите сензори произвеждат непрекъснат изходен сигнал или напрежение, които обикновено са пропорционални на измереното количество. Физическите величини като температура, скорост, налягане, изместване, деформация и т.н. са всички аналогови величини, тъй като те са склонни да имат непрекъснат характер. Например, температурата на течността може да бъде измерена с помощта на термометър или термодвойка, които непрекъснато реагират на температурни промени, докато течността се нагрява или охлажда.

Термодвойка, използвана за производство на аналогов сигнал

Аналоговите сензори са склонни да произвеждат изходни сигнали, които се променят плавно и непрекъснато с течение на времето. Тези сигнали са склонни да имат много малка стойност от няколко миковолта (uV) до няколко миливолта (mV), така че е необходима някаква форма на усилване.

Тогава схемите, които измерват аналогови сигнали, обикновено имат бавен отговор и / или ниска точност. Също така аналоговите сигнали могат лесно да се преобразуват в цифрови сигнали от типа за използване в системи с микроконтролер чрез използването на аналогово-цифрови преобразуватели или ADC.

Цифрови сензори

Както подсказва името му, цифровите сензори произвеждат дискретни цифрови изходни сигнали или напрежения, които представляват цифрово представяне на измереното количество. Цифровите сензори произвеждат двоичен изходен сигнал под формата на логика „1“ или логика „0“, („ON“ или „OFF“). Това означава, че цифровият сигнал произвежда само дискретни (не непрекъснати) стойности, които могат да бъдат изведени като единичен „бит“, (последователно предаване) или чрез комбиниране на битовете, за да се получи единичен „байт“ изход (паралелно предаване).

Сензор за светлина, използван за производство на цифров сигнал

В нашия прост пример по-горе, скоростта на въртящия се вал се измерва с помощта на цифров LED / Opto-детектор сензор. Дискът, който е фиксиран към въртящ се вал (например от мотор или колела на робота), има редица прозрачни слотове в своя дизайн. Докато дискът се върти със скоростта на вала, всеки слот преминава покрай сензора, като на свой ред произвежда изходен импулс, представляващ логическо ниво „1“ или логическо „0“ ниво.

Тези импулси се изпращат към регистър на брояча и накрая към изходен дисплей, за да покажат скоростта или оборотите на вала. Чрез увеличаване на броя на слотовете или „прозорците“ в диска могат да се получат повече изходни импулси за всеки оборот на вала. Предимството на това е, че се постига по-голяма разделителна способност и точност, тъй като могат да бъдат открити части от оборота. Тогава този тип разположение на сензора може да се използва и за позиционно управление с един от слотовете на дисковете, представляващ референтна позиция.

В сравнение с аналоговите сигнали, цифровите сигнали или количества имат много висока точност и могат да бъдат както измерени, така и „взети проби“ при много висока тактова честота. Точността на цифровия сигнал е пропорционална на броя битове, използвани за представяне на измереното количество. Например, използването на процесор от 8 бита ще доведе до точност от 0,390% (1 част от 256). Докато използването на процесор от 16 бита дава точност от 0,0015%, (1 част от 65 536) или 260 пъти по-точна. Тази точност може да се поддържа, тъй като цифровите величини се манипулират и обработват много бързо, милиони пъти по-бързо от аналоговите сигнали.

В повечето случаи сензорите и по-специално аналоговите сензори обикновено изискват външно захранване и някаква форма на допълнително усилване или филтриране на сигнала, за да се получи подходящ електрически сигнал, който може да бъде измерен или използван. Един много добър начин за постигане както на усилване, така и на филтриране в рамките на една верига е използването на операционни усилватели, както се вижда по-рано.

Кондициониране на сигнала на сензорите

Както видяхме в ръководството за операционен усилвател, операционните усилватели могат да се използват за осигуряване на усилване на сигналите, когато са свързани в инвертиращи или неинвертиращи конфигурации.

Много малките аналогови сигнални напрежения, произведени от датчик като няколко миливолта или дори пиковолта, могат да бъдат усилени многократно чрез обикновена схема на усилвател, за да се получи много по-голям сигнал от напрежение от 5v или 5mA, който след това може да се използва като входен сигнал към микропроцесор или аналогово-цифрова система.

Следователно, за да се предостави полезен сигнал, изходният сигнал на датчиците трябва да бъде усилен с усилвател, който има усилване на напрежението до 10 000 и усилване на тока до 1 000 000, като усилването на сигнала е линейно, като изходният сигнал е точно възпроизвеждане на входът, току-що променена амплитуда.

Тогава усилването е част от кондиционирането на сигнала. Така че, когато се използват аналогови сензори, обикновено може да се наложи някаква форма на усилване (усилване), съпоставяне на импеданс, изолиране между входа и изхода или може би филтриране (избор на честота), преди сигналът да може да се използва и това удобно се извършва от Операционни усилватели.

Също така, когато се измерват много малки физически промени, изходният сигнал на датчика може да се „замърси“ с нежелани сигнали или напрежения, които пречат на действителния необходим сигнал да бъде измерен правилно. Тези нежелани сигнали се наричат ​​„Шум“. Този шум или смущения могат да бъдат значително намалени или дори елиминирани чрез използване на техники за кондициониране на сигнала или филтриране, както обсъдихме в урока за активен филтър.

Използвайки или Low Pass, или High Passor evenBand Passfilter, „честотната лента“ на шума може да бъде намалена, за да остане само необходимия изходен сигнал. Например, много видове входове от превключватели, клавиатури или ръчни контроли не могат бързо да променят състоянието си и така може да се използва филтър с ниски честоти. Когато смущенията са на определена честота, например мрежова честота, теснолентови отхвърлящи или Notchfilters могат да се използват за създаване на честотно селективни филтри.

Типични Op-amp филтри

Ако все още остане някакъв случаен шум след филтриране, може да се наложи да се вземат няколко проби и след това да се осреднят, за да се получи крайната стойност, така че да се увеличи съотношението сигнал / шум. Така или иначе, усилването и филтрирането играят важна роля при свързването както на сензори, така и на преобразуватели с микропроцесорни и базирани на електроника системи в условия на „реалния свят“.

В следващия урок за сензорите ще разгледаме позиционните сензори, които измерват положението и / или изместването на физически обекти, което означава движение от една позиция в друга за определено разстояние или ъгъл.

За повече информация, моля свържете се с нас наsales@xfullstar.com