Sensor dan Transduser

Sensor dan Transduser

Agar rangkaian atau sistem elektronik dapat melaksanakan tugas atau fungsi yang berguna, ia perlu dapat berkomunikasi dengan "dunia nyata" sama ada ini dengan membaca isyarat input dari suis "ON / OFF" atau dengan mengaktifkan beberapa bentuk peranti output untuk menerangi cahaya tunggal.

Dengan kata lain, Sistem Elektronik atau litar mesti mampu atau mampu "melakukan" sesuatu dan Sensor dan Transduser mempunyai komponen yang sempurna untuk melakukan ini.

Perkataan "Transducer" adalah istilah kolektif yang digunakan untuk kedua-dua Sensor yang dapat digunakan untuk merasakan berbagai bentuk tenaga yang berbeza seperti pergerakan, isyarat elektrik, tenaga berseri, tenaga termal atau magnet dll, dan Aktuator yang dapat digunakan untuk menukar voltan atau arus.

Terdapat banyak jenis sensor dan transduser, analog dan digital serta input dan output yang boleh dipilih. Jenis transduser input atau output yang digunakan, sangat bergantung pada jenis isyarat atau proses yang "Sensed" atau "Controlled" tetapi kita dapat mendefinisikan sensor dan transduser sebagai alat yang mengubah satu kuantiti fizikal menjadi yang lain.

Perangkat yang melakukan fungsi "Input" biasanya disebut Sensor kerana mereka "merasakan" perubahan fizikal dalam beberapa ciri yang berubah sebagai tindak balas terhadap beberapa pengujaan, misalnya panas atau daya dan menutupnya menjadi isyarat elektrik. Perangkat yang melakukan fungsi "Output" umumnya disebut Akuator dan digunakan untuk mengendalikan beberapa alat luaran, misalnya pergerakan atau suara.

ElectricalTransducersare digunakan untuk menukar tenaga satu jenis menjadi tenaga jenis lain, jadi sebagai contoh, mikrofon (peranti input) mengubah gelombang bunyi menjadi isyarat elektrik untuk penguat (proses), dan pembesar suara (peranti output) menukar elektrik ini isyarat kembali ke gelombang bunyi dan contoh sistem Input / Output (I / O) jenis sederhana ini diberikan di bawah.

Sistem Input / Keluaran Sederhana menggunakan Sound Transducer.

Terdapat banyak jenis sensor dan transduser yang tersedia di pasaran, dan pilihan mana yang digunakan benar-benar bergantung pada kuantiti yang diukur atau dikendalikan, dengan jenis yang lebih biasa diberikan dalam jadual di bawah:

Sensor dan Transduser biasa

Transduser atau sensor jenis input, menghasilkan tindak balas output voltan atau isyarat yang sebanding dengan perubahan kuantiti yang mereka ukur (rangsangan). Jenis atau jumlah isyarat output bergantung pada jenis sensor yang digunakan. Tetapi secara amnya, semua jenis sensor boleh digolongkan sebagai dua jenis, sama adaPassive Sensor atauActive Sensor.

Secara amnya, sensor aktif memerlukan bekalan kuasa luaran untuk beroperasi, yang disebut sinyal eksitasi yang digunakan oleh sensor untuk menghasilkan isyarat output. Sensor aktif adalah peranti yang menjana sendiri kerana sifatnya sendiri berubah sebagai tindak balas kepada kesan luaran yang menghasilkan, misalnya, voltan output 1 hingga 10v DC atau arus keluaran seperti 4 hingga 20mA DC. Sensor aktif juga dapat menghasilkan penguatan isyarat.

Contoh yang baik dari sensor aktif ialah sensor LVDT atau pengukur regangan. Strain gauge adalah rangkaian jambatan resistif yang sensitif terhadap tekanan yang bersifat bias luaran (isyarat pengujaan) sedemikian rupa sehingga menghasilkan voltan keluaran sebanding dengan jumlah daya dan / atau regangan yang dikenakan pada sensor.

Tidak seperti sensor aktif, sensor pasif tidak memerlukan sumber kuasa tambahan atau voltan pengujaan. Sebaliknya sensor pasif menghasilkan isyarat output sebagai tindak balas kepada beberapa rangsangan luaran. Contohnya, termokopel yang menghasilkan output voltan sendiri apabila terkena haba. Kemudian sensor pasif adalah sensor langsung yang mengubah sifat fizikalnya, seperti rintangan, kapasitansi atau induktansi dll.

Tetapi juga sensor analog, Digital Sensor menghasilkan output diskrit yang mewakili nombor atau digit binari seperti tahap logik "0" atau tahap logik "1".

Sensor Analog dan Digital

Sensor Analog

Sensor Analog menghasilkan isyarat atau voltan keluaran berterusan yang umumnya sebanding dengan kuantiti yang diukur. Kuantiti fizikal seperti Suhu, Kelajuan, Tekanan, Perpindahan, Ketegangan dan lain-lain adalah kuantiti analog kerana cenderung bersifat berterusan. Sebagai contoh, suhu cecair dapat diukur dengan menggunakan termometer atau termokopel yang secara terus menerus bertindak balas terhadap perubahan suhu ketika cecair dipanaskan atau disejukkan.

Termokopel digunakan untuk menghasilkan Sinyal Analog

Sensor analog cenderung menghasilkan isyarat output yang berubah dengan lancar dan berterusan dari masa ke masa. Isyarat ini cenderung sangat kecil nilainya dari beberapa mico-volt (uV) hingga beberapa mili-volt (mV), jadi diperlukan beberapa bentuk penguatan.

Kemudian litar yang mengukur isyarat analog biasanya mempunyai tindak balas yang perlahan dan / atau ketepatan yang rendah. Juga isyarat analog dapat dengan mudah ditukar menjadi isyarat jenis digital untuk digunakan dalam sistem pengawal mikro dengan menggunakan penukar analog-ke-digital, atau ADC.

Sensor Digital

Seperti namanya, Sensor Digital menghasilkan isyarat atau voltan output digital diskrit yang merupakan representasi digital dari kuantiti yang diukur. Sensor digital menghasilkan isyarat output Binari dalam bentuk logik "1" atau logik "0", ("ON" atau "OFF"). Ini bermaksud bahawa isyarat digital hanya menghasilkan nilai diskrit (tidak berterusan) yang mungkin dikeluarkan sebagai "bit" tunggal, (penghantaran bersiri) atau dengan menggabungkan bit untuk menghasilkan output "byte" tunggal (transmisi selari).

Sensor Cahaya digunakan untuk menghasilkan Isyarat Digital

Dalam contoh ringkas kami di atas, kelajuan poros berputar diukur dengan menggunakan sensor LED / Opto-detector digital. Cakera yang terpaku pada poros berputar (misalnya, dari roda motor atau robot), mempunyai sejumlah slot lutsinar dalam reka bentuknya. Semasa cakera berputar dengan kecepatan poros, setiap slot melewati sensor seterusnya menghasilkan denyut output yang mewakili logik "1" atau logik "0" tahap.

Nadi ini dihantar ke daftar kaunter dan akhirnya ke paparan output untuk menunjukkan kelajuan atau putaran poros. Dengan meningkatkan jumlah slot atau "tingkap" di dalam cakera, lebih banyak denyut output dapat dihasilkan untuk setiap revolusi batang. Kelebihannya ialah resolusi dan ketepatan yang lebih besar dicapai kerana pecahan revolusi dapat dikesan. Kemudian susunan sensor jenis ini juga dapat digunakan untuk kontrol posisi dengan salah satu slot cakera yang mewakili posisi rujukan.

Berbanding dengan isyarat analog, isyarat digital atau kuantiti mempunyai ketepatan yang sangat tinggi dan dapat diukur dan "diambil sampel" pada kelajuan jam yang sangat tinggi. Ketepatan isyarat digital berkadaran dengan bilangan bit yang digunakan untuk mewakili kuantiti yang diukur. Contohnya, menggunakan pemproses 8 bit, akan menghasilkan ketepatan 0.390% (1 bahagian dalam 256). Semasa menggunakan pemproses 16 bit memberikan ketepatan 0,0015%, (1 bahagian dalam 65,536) atau 260 kali lebih tepat. Ketepatan ini dapat dipertahankan kerana kuantiti digital dimanipulasi dan diproses dengan sangat cepat, berjuta-juta kali lebih cepat daripada isyarat analog.

Dalam kebanyakan kes, sensor dan lebih khusus sensor analog umumnya memerlukan bekalan kuasa luaran dan beberapa bentuk penguatan tambahan atau penapisan isyarat untuk menghasilkan isyarat elektrik yang sesuai yang dapat diukur atau digunakan. Salah satu cara yang sangat baik untuk mencapai penguatan dan penyaringan dalam satu litar adalah dengan menggunakan Penguat Operasi seperti yang dilihat sebelumnya.

Keadaan Isyarat Sensor

Seperti yang kita lihat dalam tutorial Penguat Operasi, op-amp dapat digunakan untuk memberikan penguatan isyarat ketika disambungkan dalam konfigurasi pembalikan atau bukan pembalik.

Tegangan isyarat analog yang sangat kecil yang dihasilkan oleh sensor seperti beberapa milli-volt atau bahkan pico-volt dapat dikuatkan berkali-kali oleh litar op-amp yang sederhana untuk menghasilkan isyarat voltan yang jauh lebih besar iaitu 5v atau 5mA yang kemudiannya dapat digunakan sebagai isyarat input ke sistem berasaskan mikropemproses atau analog ke digital.

Oleh itu, untuk memberikan sebarang isyarat berguna, isyarat output sensor harus diperkuat dengan penguat yang mempunyai kenaikan voltan hingga 10,000 dan kenaikan arus hingga 1,000,000 dengan penguatan isyarat menjadi linear dengan isyarat output menjadi pembiakan tepat input, hanya berubah dalam amplitud.

Kemudian penguatan adalah sebahagian dari penyahkodan isyarat. Oleh itu, semasa menggunakan sensor analog, umumnya beberapa bentuk penguatan (Gain), pemadanan impedans, pengasingan antara input dan output atau mungkin penyaringan (pemilihan frekuensi) mungkin diperlukan sebelum isyarat dapat digunakan dan ini dilakukan dengan mudah oleh Penguat Operasi.

Juga, ketika mengukur perubahan fizikal yang sangat kecil, sinyal output sensor dapat menjadi "tercemar" dengan isyarat atau voltan yang tidak diingini yang menghalang isyarat sebenar yang diperlukan diukur dengan betul. Isyarat yang tidak diinginkan ini disebut "Noise". Kebisingan atau Gangguan ini dapat dikurangkan atau bahkan dihilangkan dengan menggunakan teknik penyaringan isyarat atau penyaringan seperti yang telah kita bahas dalam tutorial Penapis Aktif.

Dengan menggunakan aLow Pass, atau aHigh Passor evenBand Passfilter, "bandwidth" kebisingan dapat dikurangkan untuk meninggalkan hanya isyarat output yang diperlukan. Sebagai contoh, banyak jenis input dari suis, papan kekunci atau kawalan manual tidak mampu mengubah keadaan dengan cepat dan oleh itu penapis hantaran rendah dapat digunakan. Apabila gangguan berada pada frekuensi tertentu, misalnya frekuensi utama, penolakan jalur sempit atau Notchfilter dapat digunakan untuk menghasilkan penapis selektif frekuensi.

Penapis Op-amp Khas

Adakah kebisingan rawak masih ada setelah menyaring, mungkin perlu mengambil beberapa sampel dan kemudian mengira rata untuk memberi nilai akhir sehingga meningkatkan nisbah isyarat-ke-kebisingan. Walau bagaimanapun, kedua-dua penguatan dan penyaringan memainkan peranan penting dalam menghubungkan kedua-dua sensor dan transduser ke sistem mikropemproses dan elektronik dalam keadaan "dunia nyata".

Dalam tutorial seterusnya mengenai Sensor, kita akan melihat Sensor Posisi yang mengukur kedudukan dan / atau anjakan objek fizikal yang bermaksud pergerakan dari satu posisi ke posisi lain untuk jarak atau sudut tertentu.

Untuk maklumat lebih lanjut, sila hubungi kami disales@xfullstar.com