Cảm biến và đầu dò

Các mạch điện tử độc lập đơn giản có thể được thực hiện để liên tục nháy đèn hoặc phát một nốt nhạc.

  

Nhưng để một mạch điện tử hoặc hệ thống thực hiện bất kỳ nhiệm vụ hoặc chức năng hữu ích nào, nó cần có khả năng giao tiếp với thế giới thực, nếu điều này xảy ra bằng cách đọc tín hiệu đầu vào từ một công tắc BẬT / TẮT hoặc bằng cách kích hoạt một số hình thức của thiết bị đầu ra để chiếu sáng một ánh sáng duy nhất.

Nói cách khác, một hệ thống hoặc mạch điện tử phải có khả năng hoặc có khả năng để làm một thứ gì đó và Bộ cảm biến và đầu dò là những thành phần hoàn hảo để thực hiện việc này.

Từ "Transitorer" là một thuật ngữ tập thể được sử dụng cho cả hai Cảm biến có thể được sử dụng để cảm nhận một loạt các dạng năng lượng khác nhau như chuyển động, tín hiệu điện, năng lượng bức xạ, năng lượng nhiệt hoặc từ tính, và Thiết bị truyền động có thể được sử dụng để chuyển đổi điện áp hoặc dòng điện.

Có nhiều loại cảm biến và đầu dò khác nhau, cả tương tự và kỹ thuật số và đầu vào và đầu ra có sẵn để lựa chọn. Loại bộ chuyển đổi đầu vào hoặc đầu ra đang được sử dụng, thực sự phụ thuộc vào loại tín hiệu hoặc quá trình là Bộ cảm biến điều khiển hoặc Bộ điều khiển cảm biến, nhưng chúng ta có thể định nghĩa một bộ cảm biến và bộ chuyển đổi là thiết bị chuyển đổi một đại lượng vật lý thành một đại lượng vật lý khác.

Các thiết bị thực hiện chức năng Nhập liệu đầu vào thường được gọi là Cảm biến vì chúng cảm nhận được sự thay đổi vật lý trong một số đặc điểm thay đổi để đáp ứng với một số kích thích, ví dụ như nhiệt hoặc lực và chuyển đổi thành tín hiệu điện. Các thiết bị thực hiện chức năng Đầu ra có tên gọi thường được gọi là Thiết bị truyền động và được sử dụng để điều khiển một số thiết bị bên ngoài, ví dụ như chuyển động hoặc âm thanh.

Đầu dò điện được sử dụng để chuyển đổi năng lượng của loại này thành năng lượng của loại khác, vì vậy, ví dụ, micrô (thiết bị đầu vào) chuyển đổi sóng âm thành tín hiệu điện cho bộ khuếch đại để khuếch đại (một quá trình) và loa (thiết bị đầu ra) chuyển đổi các tín hiệu điện này trở lại thành sóng âm thanh và một ví dụ về loại hệ thống Nhập / Xuất (I / O) đơn giản này được đưa ra dưới đây.

Hệ thống đầu vào / đầu ra đơn giản sử dụng bộ chuyển đổi âm thanh

Có rất nhiều loại cảm biến và bộ chuyển đổi khác nhau có sẵn trên thị trường, và việc lựa chọn sử dụng loại nào thực sự phụ thuộc vào số lượng được đo hoặc kiểm soát, với các loại phổ biến hơn được đưa ra trong bảng dưới đây:

Cảm biến thông thường và đầu dò

Số lượng được đo	Thiết bị đầu vào (Cảm biến)	Thiết bị đầu ra (Thiết bị truyền động)
Mức độ ánh sáng	Điện trở phụ thuộc ánh sáng (LDR) Photodiode Pin mặt trời bóng bán dẫn	Đèn & Đèn LED & Hiển thị sợi quang
Nhiệt độ	Cặp nhiệt Thermistor nhiệt điện trở dò nhiệt độ	Quạt sưởi
Lực lượng / áp lực	Strain đo áp suất chuyển đổi tế bào	Thang máy & Jacks Rung điện từ
Chức vụ	Bộ mã hóa Potentiometer Phản xạ / Công tắc quang có rãnh LVDT	Động cơ Solenoid Panel Meters
Tốc độ	Cảm biến hiệu ứng Doppler phản xạ / ghép nối Tacho-tạo	AC và DC Motors Stepper Motor Phanh
Âm thanh	Carbon Micro Piezo-điện tinh thể	Loa rung chuông

Đầu dò hoặc cảm biến loại đầu vào, tạo ra đáp ứng đầu ra điện áp hoặc tín hiệu tỷ lệ thuận với sự thay đổi về đại lượng mà chúng đang đo (kích thích). Loại hoặc số lượng tín hiệu đầu ra phụ thuộc vào loại cảm biến được sử dụng. Nhưng nhìn chung, tất cả các loại cảm biến có thể được phân loại thành hai loại, Cảm biến thụ động hoặc Cảm biến hoạt động .

Nói chung, các cảm biến hoạt động đòi hỏi một nguồn cung cấp năng lượng bên ngoài để hoạt động, được gọi là tín hiệu kích thích được sử dụng bởi cảm biến để tạo ra tín hiệu đầu ra. Cảm biến hoạt động là các thiết bị tự tạo vì các thuộc tính của chúng thay đổi để đáp ứng với hiệu ứng bên ngoài, ví dụ, điện áp đầu ra từ 1 đến 10v DC hoặc dòng điện đầu ra như 4 đến 20mA DC. Cảm biến hoạt động cũng có thể tạo ra khuếch đại tín hiệu.

Một ví dụ điển hình của cảm biến hoạt động là cảm biến LVDT hoặc máy đo biến dạng. Đồng hồ đo biến dạng là mạng cầu điện trở nhạy áp lực bị sai lệch bên ngoài (tín hiệu kích thích) theo cách tạo ra điện áp đầu ra tương ứng với lượng lực và / hoặc biến dạng được đặt vào cảm biến.

Không giống như một cảm biến hoạt động, một cảm biến thụ động không cần bất kỳ nguồn điện bổ sung hoặc điện áp kích thích. Thay vào đó, một cảm biến thụ động tạo ra tín hiệu đầu ra để đáp ứng với một số kích thích bên ngoài. Ví dụ, một cặp nhiệt điện tạo ra đầu ra điện áp của chính nó khi tiếp xúc với nhiệt. Sau đó, cảm biến thụ động là cảm biến trực tiếp thay đổi tính chất vật lý của chúng, chẳng hạn như điện trở, điện dung hoặc điện cảm, v.v.

Nhưng cũng như các cảm biến tương tự, Cảm biến kỹ thuật số tạo ra một đầu ra riêng biệt đại diện cho một số nhị phân hoặc chữ số, chẳng hạn như mức logic 0 0 hoặc mức logic 1 1.

Cảm biến tương tự và kỹ thuật số

Cảm biến tương tự

Cảm biến tương tự tạo ra tín hiệu hoặc điện áp đầu ra liên tục, tỷ lệ này thường tỷ lệ thuận với đại lượng được đo. Các đại lượng vật lý như Nhiệt độ, Tốc độ, Áp suất, Dịch chuyển, Strain v.v ... đều là các đại lượng tương tự vì chúng có xu hướng liên tục trong tự nhiên. Ví dụ, nhiệt độ của chất lỏng có thể được đo bằng nhiệt kế hoặc cặp nhiệt điện liên tục phản ứng với sự thay đổi nhiệt độ khi chất lỏng được làm nóng hoặc làm lạnh.

Cặp nhiệt điện được sử dụng để tạo tín hiệu tương tự

Cảm biến tương tự có xu hướng tạo ra tín hiệu đầu ra đang thay đổi trơn tru và liên tục theo thời gian. Các tín hiệu này có xu hướng rất nhỏ về giá trị từ một vài mico-volt (uV) đến vài milli-volt (mV), do đó cần một số hình thức khuếch đại.

Sau đó, các mạch đo tín hiệu tương tự thường có đáp ứng chậm và / hoặc độ chính xác thấp. Ngoài ra tín hiệu tương tự có thể dễ dàng chuyển đổi thành tín hiệu loại kỹ thuật số để sử dụng trong các hệ thống điều khiển vi mô bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi tương tự sang số hoặc ADC.

Cảm biến kỹ thuật số

Đúng như tên gọi của nó, Digital Sensors tạo ra các tín hiệu hoặc điện áp đầu ra kỹ thuật số riêng biệt là biểu diễn kỹ thuật số của đại lượng được đo. Các cảm biến kỹ thuật số tạo ra tín hiệu đầu ra nhị phân dưới dạng logic 1 1 hoặc logic logic 0 0, (ĐỔI TRÊN ĐẤU Điều này có nghĩa là tín hiệu số chỉ tạo ra các giá trị rời rạc (không liên tục) có thể được xuất ra dưới dạng một bit bit, (truyền nối tiếp) hoặc bằng cách kết hợp các bit để tạo ra một đầu ra byte byte (truyền song song).

Cảm biến ánh sáng được sử dụng để tạo tín hiệu số

Trong ví dụ đơn giản của chúng tôi ở trên, tốc độ của trục quay được đo bằng cách sử dụng cảm biến phát hiện LED / Opto kỹ thuật số. Đĩa được cố định vào trục quay (ví dụ, từ bánh xe động cơ hoặc robot), có một số khe trong suốt trong thiết kế của nó. Khi đĩa quay với tốc độ của trục, mỗi khe sẽ đi qua cảm biến lần lượt tạo ra một xung đầu ra đại diện cho mức logic 1 1 hoặc logic logic 0 0.

Các xung này được gửi đến một thanh ghi của bộ đếm và cuối cùng đến một màn hình đầu ra để hiển thị tốc độ hoặc số vòng quay của trục. Bằng cách tăng số lượng khe hoặc các cửa sổ khác, trong các đĩa, có thể tạo ra nhiều xung đầu ra hơn cho mỗi vòng quay của trục. Ưu điểm của điều này là độ phân giải và độ chính xác cao hơn đạt được khi các phân số của một cuộc cách mạng có thể được phát hiện. Sau đó, kiểu sắp xếp cảm biến này cũng có thể được sử dụng để điều khiển vị trí với một trong các khe đĩa biểu thị vị trí tham chiếu.

So với tín hiệu tương tự, tín hiệu số hoặc số lượng có độ chính xác rất cao và có thể được đo và lấy mẫu lấy ra ở tốc độ xung nhịp rất cao. Độ chính xác của tín hiệu số tỷ lệ thuận với số bit được sử dụng để biểu thị đại lượng đo. Ví dụ: sử dụng bộ xử lý 8 bit, sẽ tạo ra độ chính xác 0,390% (1 phần trong 256). Trong khi sử dụng bộ xử lý 16 bit cho độ chính xác 0,0015%, (1 phần trong 65,536) hoặc chính xác hơn 260 lần. Độ chính xác này có thể được duy trì vì số lượng kỹ thuật số được thao tác và xử lý rất nhanh, nhanh hơn hàng triệu lần so với tín hiệu tương tự.

Trong hầu hết các trường hợp, cảm biến và cảm biến tương tự cụ thể hơn thường yêu cầu nguồn điện bên ngoài và một số hình thức khuếch đại hoặc lọc tín hiệu bổ sung để tạo ra tín hiệu điện phù hợp có khả năng đo hoặc sử dụng. Một cách rất tốt để đạt được cả khuếch đại và lọc trong một mạch đơn là sử dụng Bộ khuếch đại hoạt động như đã thấy trước đây.

Điều hòa tín hiệu của cảm biến

Như chúng ta đã thấy trong hướng dẫn Bộ khuếch đại hoạt động, op-amps có thể được sử dụng để cung cấp khuếch đại tín hiệu khi được kết nối ở cấu hình đảo ngược hoặc không đảo.

Các điện áp tín hiệu tương tự rất nhỏ được tạo ra bởi một cảm biến như vài milli-volt hoặc thậm chí pico-volt có thể được khuếch đại nhiều lần bằng một mạch op-amp đơn giản để tạo ra tín hiệu điện áp lớn hơn nhiều có thể nói là 5v hoặc 5mA được sử dụng làm tín hiệu đầu vào cho bộ vi xử lý hoặc hệ thống dựa trên tương tự sang số.

Do đó, để cung cấp bất kỳ tín hiệu hữu ích nào, tín hiệu đầu ra của cảm biến phải được khuếch đại với bộ khuếch đại có mức tăng điện áp lên tới 10.000 và mức tăng lên tới 1.000.000 với sự khuếch đại tín hiệu là tuyến tính với tín hiệu đầu ra là sự tái tạo chính xác của đầu vào, chỉ thay đổi biên độ.

Sau đó khuếch đại là một phần của điều hòa tín hiệu. Vì vậy, khi sử dụng các cảm biến tương tự, thường là một số dạng khuếch đại (Gain), kết hợp trở kháng, cách ly giữa đầu vào và đầu ra hoặc có thể lọc (lựa chọn tần số) có thể được yêu cầu trước khi tín hiệu có thể được sử dụng và điều này được thực hiện thuận tiện bởi Bộ khuếch đại hoạt động .

Ngoài ra, khi đo các thay đổi vật lý rất nhỏ, tín hiệu đầu ra của cảm biến có thể bị nhiễm bẩn, với các tín hiệu hoặc điện áp không mong muốn ngăn tín hiệu thực tế được yêu cầu đo chính xác. Những tín hiệu không mong muốn này được gọi là Tiếng ồn Tiếng vang . Tiếng ồn hoặc Nhiễu này có thể được giảm đáng kể hoặc thậm chí loại bỏ bằng cách sử dụng các kỹ thuật lọc hoặc điều hòa tín hiệu như chúng ta đã thảo luận trong hướng dẫn Bộ lọc hoạt động.

Bằng cách sử dụng bộ lọc Low Pass , hoặc High Pass hoặc thậm chí là Band Pass , băng thông có thể giảm được tiếng ồn, chỉ có thể giảm tín hiệu đầu ra. Ví dụ: nhiều loại đầu vào từ công tắc, bàn phím hoặc điều khiển thủ công không có khả năng thay đổi trạng thái nhanh chóng và vì vậy có thể sử dụng bộ lọc thông thấp. Khi nhiễu ở một tần số cụ thể, ví dụ tần số chính, bộ lọc loại bỏ băng hẹp hoặc bộ lọc Notch có thể được sử dụng để tạo ra các bộ lọc chọn lọc tần số.

Bộ lọc Op-amp điển hình

Có một số nhiễu ngẫu nhiên vẫn còn sau khi lọc, có thể cần phải lấy một số mẫu và sau đó lấy trung bình chúng để đưa ra giá trị cuối cùng để tăng tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm. Dù bằng cách nào, cả khuếch đại và lọc đều đóng một vai trò quan trọng trong việc kết nối cả cảm biến và đầu dò với các hệ thống vi xử lý và điện tử trong các điều kiện của thế giới thực.

Trong hướng dẫn tiếp theo về Cảm biến, chúng ta sẽ xem xét Cảm biến vị trí đo vị trí và / hoặc chuyển vị của các vật thể có nghĩa là chuyển động từ vị trí này sang vị trí khác cho một khoảng cách hoặc góc cụ thể.