سنسور ها و مبدل ها
در این آموزش با سنسور ها و مبدل ها آشنا خواهید شد.
در آموزش قبلی در مورد کلید های دو پل صحبت کردیم.
تنها یک دکه الکترونیکی ساده می‌تواند به طور مکرر یک نور فلاش یا یک نت موسیقی ایجاد کند.
اما برای اینکه مدار یا سیستم الکترونیکی وظیفه یا عملکرد مفیدی را انجام دهد، باید بتواند با “دنیای واقعی” ارتباط برقرار‌کند.
خواه این‌کار با خواندن سیگنال ورودی از سوئیچ “ON / OFF” باشد یا با فعال‌کردن فرم دستگاه خروجی برای روشن‌کردن یک نور واحد.
به عبارت‌دیگر، یک سیستم یا مدار الکترونیکی باید یا قادر به”انجام”کاری باشد و سنسور ها و مبدل ها اجزای مناسب برای انجام این‌کار هستند.
مبدل چیست؟
واژه “مبدل” اصطلاحی جمعی است که برای هر دو سنسور بکار می‌رود که می‌تواند برای درک گستره وسیعی از اشکال انرژی مختلف مثل حرکت، سیگنال های الکتریکی، انرژی تابشی، انرژی حرارتی یا مغناطیسی و غیره مورد استفاده قرار گیرد.
انواع مختلفی از حسگرها و مبدل ها وجود دارد، هم آنالوگ و هم دیجیتال و ورودی و خروجی برای انتخاب.
نوع مبدل ورودی یا خروجی مورد استفاده واقعاً به نوع سیگنال یا فرایند “سنسور شده” یا “کنترل شده” بستگی دارد.
اما ما می‌توانیم یک سنسور و مبدل‌ها را به‌عنوان دستگاههایی تعریف‌کنیم که یک مقدار فیزیکی را به مقدار‌دیگر تبدیل می‌کند.
دستگاههایی که عملکرد “Input” را انجام می دهند معمولاً سنسور نامیده می شوند.
زیرا آنها تغییر فیزیکی برخی از خصوصیات را تغییر می دهند که در پاسخ به برخی تحریکات تغییر می کند ، به عنوان مثال گرما یا نیرو و آن را به صورت سیگنال الکتریکی پنهان می کنند.
دستگاههایی که عملکرد “خروجی” را انجام می دهند معمولاً محرک نامیده می شوند و برای کنترل برخی از دستگاههای خارجی ، به عنوان مثال حرکت یا صدا استفاده می شوند.
مبدل های الکتریکی برای تبدیل انرژی از نوعی به انرژی از نوع دیگر استفاده می شوند.
بنابراین به عنوان مثال ، میکروفون (دستگاه ورودی) امواج صوتی را به سیگنال های الکتریکی تقویت کننده تبدیل می کند تا تقویت شود (یک فرایند) ، و یک بلندگو (دستگاه خروجی) تبدیل می شود این سیگنال های الکتریکی به امواج صوتی برمی گردند و نمونه ای از این نوع سیستم ورودی / خروجی (I / O) ساده در زیر آورده شده است.
سیستم ورودی / خروجی ساده با استفاده از مبدل های صدا
انواع مختلفی از سنسور ها و مبدل ها در بازار موجود است ، و انتخاب اینکه یکی از آنها واقعاً به مقدار اندازه گیری یا کنترل شده بستگی دارد.
با انواع متداول در جدول زیر:
حسگر ها و مبدل های مشترک
| Quantity being Measured |
Input Device (Sensor) |
Output Device (Actuator) |
| Light Level | Light Dependant Resistor (LDR) Photodiode Photo-transistor Solar Cell |
Lights & Lamps LED’s & Displays Fibre Optics |
| Temperature | Thermocouple Thermistor Thermostat Resistive Temperature Detectors |
Heater Fan |
| Force/Pressure | Strain Gauge Pressure Switch Load Cells |
Lifts & Jacks Electromagnet Vibration |
| Position | Potentiometer Encoders Reflective/Slotted Opto-switch LVDT |
Motor Solenoid Panel Meters |
| Speed | Tacho-generator Reflective/Slotted Opto-coupler Doppler Effect Sensors |
AC and DC Motors Stepper Motor Brake |
| Sound | Carbon Microphone Piezo-electric Crystal |
Bell Buzzer Loudspeaker |
مبدل ها یا سنسور های نوع ورودی ، یک ولتاژ یا یک پاسخ خروجی سیگنال تولید می کنند که متناسب با تغییر در مقدار اندازه گیری آنها (محرک) است.
نوع یا مقدار سیگنال خروجی به نوع سنسور مورد استفاده بستگی دارد.
اما همه انواع سنسور ها می‌توانند به عنوان دو نوع از حسگرهای منفعل و یا سنسورهای فعال طبقه‌بندی شوند.
حسگرهای فعال برای کار کردن نیاز به منبع تغذیه خارجی دارند که به آن سیگنال تحریک گفته می شود و توسط سنسور برای تولید سیگنال خروجی استفاده می شود.
سنسور های فعال دستگاههایی هستند که خود تولید می کنند زیرا خصوصیات آنها در پاسخ به یک اثر خارجی تغییر می‌کند.
مثلاً ولتاژ خروجی 1 تا 10 ولت DC یا جریان خروجی مانند 4 تا 20 میلی آمپر DC.
سنسور های فعال همچنین می توانند تقویت سیگنال تولید کنند.
یک مثال خوب از یک سنسور فعال ، سنسور LVDT یا فشار سنج است.
کرنش سنج ها شبکه های مقاومتی مقاوم در برابر فشار حساس به فشار هستند که با انحراف خارجی (سیگنال تحریک) به گونه ای تولید می شوند که متناسب با میزان نیرو و / یا کرنش وارد شده به سنسور ، ولتاژ خروجی تولید می کنند.
برخلاف سنسور فعال ، یک سنسور غیرفعال به منبع تغذیه اضافی یا ولتاژ تحریک احتیاج ندارد.
در عوض یک سنسور غیرفعال در پاسخ به برخی محرک های خارجی سیگنال خروجی تولید می کند.
به عنوان مثال
یک ترموکوپل که هنگام قرار گرفتن در معرض گرما ولتاژ خروجی خود را ایجاد می کند.
سپس سنسورهای غیرفعال سنسور های مستقیمی هستند که خصوصیات فیزیکی آنها را تغییر می‌دهند، مانند مقاومت ، ظرفیت یا القا و غیره
علاوه بر سنسور های آنالوگ ، sensor های دیجیتال یک خروجی گسسته را نشان می دهند که یک عدد دودویی یا رقمی را نشان می دهد مانند سطح منطقی “0” یا سطح منطقی “1”.
حسگر های آنالوگ و دیجیتال
سنسور های آنالوگ
سنسور های آنالوگ یک سیگنال یا ولتاژ خروجی مداوم تولید می‌کنند که به طور‌کلی متناسب با کمیت اندازه گیری شده است.
مقادیر فیزیکی مانند دما، سرعت، فشار، جابجایی، فشار و غیره همه مقادیر آنالوگ هستند زیرا تمایل دارند ماهیت‌مداوم داشته باشند.
به عنوان مثال ، می توان دمای مایع را با استفاده از دماسنج یا ترموکوپل اندازه گیری کرد که به طور مداوم به تغییرات دما با گرم شدن یا خنک شدن مایع پاسخ می دهد.
ترموکوپل برای تولید سیگنال آنالوگ استفاده می شود
سنسور های آنالوگ تمایل دارند سیگنال های خروجی تولید کنند که با گذشت زمان به طور مداوم و هموار تغییر می‌کنند.
این سیگنالها از چند میکرو‌ولت (uV) تا چندین میلی‌ولت (mV) بسیار کم ارزش هستند، بنابراین به نوعی تقویت نیاز است.
سپس مدار هایی که سیگنال های آنالوگ را اندازه گیری می‌کنند ، معمولاً پاسخ کند و / یا دقت کمی دارند.
همچنین سیگنال های آنالوگ با استفاده از مبدل های آنالوگ به دیجیتال یا ADC به راحتی می توانند به سیگنال های نوع دیجیتال برای استفاده در سیستم های میکروکنترلر تبدیل شوند.
سنسورهای دیجیتال
همانطور که از نام آن پیداست ، سنسور های دیجیتال سیگنال یا ولتاژ خروجی دیجیتال گسسته ای را تولید می کنند که نمایشی دیجیتالی از مقدار اندازه گیری شده است.
حسگرهای دیجیتال سیگنال خروجی باینری را به شکل منطق “1” یا منطق “0” ، (“روشن” یا “خاموش”) تولید می کنند.
این بدان معنی است که یک سیگنال دیجیتال فقط مقادیر گسسته (غیر مداوم) تولید می کند که ممکن است به صورت یک بیت (انتقال سریال) یا با ترکیب بیت ها برای تولید یک بایت (انتقال موازی) تولید شود.
سنسور نور برای تولید سیگنال دیجیتال استفاده می شود
در مثال‌ساده ما در بالا، سرعت شافت چرخشی با استفاده از یک سنسور آشکارساز دیجیتال LED / Opto اندازه‌گیری می‌شود.
دیسکی که به یک شافت چرخان ثابت شده است(به عنوان مثال،از موتور یا چرخ‌های ربات)،در طراحی آن تعدادی شفاف وجود‌دارد.
هنگامی که دیسک با سرعت شافت می چرخد ، هر شکاف از طریق سنسور عبور می کند و به نوبه خود یک پالس خروجی را نشان می دهد که نشان دهنده یک سطح منطقی “1” یا منطقی “0” است.
این پالس‌ها به یک رجیستر پیشخوان و در‌نهایت به یک‌نمایشگر خروجی ارسال می‌شوند تا سرعت یا دورهای شافت را نشان‌دهند.
با افزایش تعداد شکافها یا “پنجره‌ها” درون دیسک می توان برای هر دور شافت پالس های خروجی بیشتری تولید کرد.
مزیت این امر این است که با تشخیص کسرهای یک انقلاب ، وضوح و دقت بیشتری حاصل می شود.
سپس این‌نوع ترتیب سنسور می‌تواند برای‌کنترل موقعیت با یکی از شکاف‌های دیسک که موقعیت مرجعی را نشان می‌دهد نیز استفاده‌شود.
در مقایسه با سیگنال های آنالوگ ، سیگنال ها یا کمیت های دیجیتال دقت بسیار بالایی دارند و می توان آنها را با سرعت بسیار بالا اندازه گیری کرد و از آنها نمونه برداری کرد.
دقت سیگنال دیجیتال متناسب با تعداد بیت های مورد استفاده برای نشان دادن مقدار اندازه گیری شده است.
به عنوان مثال
با استفاده از پردازنده 8 بیتی ، دقت 0.390٪ تولید می شود (1 قسمت در 256).
در حالی که استفاده از پردازنده 16 بیتی دقت 0.0015٪ ،(1 قسمت در 65،536)یا 260 برابر دقیق‌تر را نشان می‌دهد.
این مقدار می‌تواند حفظ‌شود زیرا مقادیر‌دیجیتال خیلی سریع دستکاری و پردازش می‌شوند، میلیون ها برابر سریعتر از سیگنال های آنالوگ.
در بیشتر موارد ، سنسور ها و به طور خاص سنسورهای آنالوگ به منظور تولید سیگنال الکتریکی مناسب که قابلیت اندازه گیری یا استفاده را داشته باشد ، به منبع تغذیه خارجی و نوعی تقویت اضافی یا فیلتر سیگنال نیاز دارند.
یک روش بسیار‌خوب برای دستیابی به‌تقویت و فیلتر‌کردن در یک مدار تنها استفاده از تقویت‌کننده‌های عملیاتی است که قبلاً مشاهده‌شد.
تهویه سیگنال سنسور ها و مبدل ها
همانطور که در آموزش تقویت کننده عملیاتی دیدیم ، از op-amps می توان برای تقویت سیگنالها هنگام اتصال به دو شکل پیکربندی معکوس یا غیر معکوس استفاده کرد.
ولتاژ سیگنال آنالوگ بسیار کوچک تولید شده توسط یک سنسور مانند چند میلی ولت یا حتی پیکو ولت را می توان چندین بار با یک مدار op-amp ساده تقویت کرد تا یک سیگنال ولتاژ بسیار بزرگتر مثلاً 5 ولت یا 5 میلی آمپر تولید کند که پس از آن می تواند به عنوان سیگنال ورودی به یک ریزپردازنده یا سیستم مبتنی بر آنالوگ به دیجیتال استفاده شود.
بنابراین ، برای تهیه هر سیگنال مفید ، یک سیگنال خروجی سنسور ها باید با یک تقویت کننده تقویت ولتاژ تا 10،000 و یک افزایش جریان تا 1،000،000 با خطی بودن تقویت سیگنال با سیگنال خروجی ، تولید مثل دقیق ورودی ، فقط در دامنه تغییر کرده است.
سپس تقویت بخشی از شرطی سازی سیگنال است.
بنابراین هنگام استفاده از سنسور ها ی آنالوگ ، ممکن است قبل از استفاده از سیگنال به نوعی تقویت کننده (Gain) ، تطبیق امپدانس ، جداسازی بین ورودی و خروجی یا شاید فیلتر (انتخاب فرکانس) نیاز باشد و این به راحتی توسط تقویت کننده های عملیاتی انجام می شود.
همچنین ، هنگام اندازه گیری تغییرات فیزیکی بسیار کوچک ، سیگنال خروجی یک سنسور می تواند با سیگنالها یا ولتاژهای ناخواسته آلوده شود که از اندازه گیری صحیح سیگنال واقعی مورد نیاز جلوگیری می کند.
این سیگنالهای ناخواسته “نویز” نامیده می شوند.
همانطور که در آموزش Active Filter بحث کردیم ، می توان با استفاده از تکنیک های تهویه سیگنال یا فیلتر این نویز یا تداخل را تا حد زیادی کاهش داد یا حتی از بین برد.
با‌استفاده از فیلتر Low Pass یا High Pass یا حتی Band Pass می‌توان”پهنای‌باند”نویز‌را کاهش داد تا فقط‌سیگنال‌خروجی موردنیاز باقی بماند.
به عنوان مثال
بسیاری از انواع ورودی ها از سوئیچ ها ، صفحه کلیدها یا کنترل های دستی قادر به تغییر سریع وضعیت نیستند و بنابراین می توان از فیلتر کم عبور استفاده کرد.
وقتی‌تداخل در یک فرکانس‌خاص باشد،به‌عنوان‌مثال فرکانس اصلی،فیلترهای رد باند باریک یا فیلتر ناچ می‌توانند برای تولید فیلترهای انتخابی فرکانس استفاده‌شوند.
فیلترهای Op-amp معمولی
برخی از نویزهای تصادفی پس از فیلتر همچنان باقی مانده است ، ممکن است لازم باشد چندین نمونه گرفته شود و سپس آنها را متوسط کنیم تا مقدار نهایی داده شود تا نسبت سیگنال به نویز افزایش یابد.
در هر صورت ، هر دو تقویت و فیلتر کردن نقش مهمی در برقراری ارتباط بین حسگر ها و مبدل ها به سیستم های مبتنی بر ریزپردازنده و الکترونیک در شرایط “دنیای واقعی” دارند.
در آموزش بعدی در مورد سنسور ها ، سنسور های موقعیتی را بررسی خواهیم کرد که موقعیت و / یا جابجایی اجسام فیزیکی را به معنی حرکت از یک موقعیت به موقعیت دیگر برای یک فاصله یا زاویه خاص اندازه گیری می کنند.