Датчики и трансдуки

Датчики и трансдуки

Для того, чтобы электронная схема или система для выполнения любой полезной задачи или функции она должна быть в состоянии общаться с "реальным миром", будь то путем чтения входного сигнала от "ON / OFF" переключатель или активации той или иной форме выходного устройства для освещения одного света.

Другими словами, электронная система или схема должны быть в состоянии или способны "делать" что-то и датчики и трансдуцеры являются идеальными компонентами для этого.

Слово "Трансдуцер" является коллективным термином, используемым для обоих датчиков, которые могут быть использованы для о смысле широкого спектра различных энергетических форм, таких как движение, электрические сигналы, сияющая энергия, тепловая или магнитная энергия и т.д., и приводы, которые могут быть использованы для переключения напряжения или токов.

Существует множество различных типов датчиков и предуцаторов, как аналоговых, так и цифровых, а также входных и выходных данных, доступных на выбор. Тип используемого преобразователь ввода или вывода действительно зависит от типа сигнала или процесса, который "чувствуется" или "контролируется", но мы можем определить датчик и преобразователи как устройства, которые преобразуют одно физическое количество в другое.

Устройства, которые выполняют функцию "Вход", обычно называют датчиками, потому что они "чувствуют" физическое изменение в некоторых характеристиках, которые меняются в ответ на некоторое возбуждение, например, тепло или силу и скрытые, что в электрический сигнал. Устройства, выполняемые функцией «Выход», обычно называются актуаторами и используются для управления некоторым внешним устройством, например движением или звуком.

Электрические преобразователи используются для преобразования энергии одного вида в энергию другого рода, так что, например, микрофон (входное устройство) преобразует звуковые волны в электрические сигналы для усилителя, чтобы усилить (процесс), и громкоговоритель (выходное устройство) преобразует эти электрические сигналы обратно в звуковые волны и пример этого типа простого ввода / вывода (I / O) система дается ниже.

Простая система ввода/вывода с использованием звуковых предуцаторов.

Есть много различных типов датчиков и предуцаторов, доступных на рынке, и выбор которых один для использования действительно зависит от количества измеряется или контролируется, с более распространенными типами, приведенными в таблице ниже:

Общие датчики и предуцаторы.

Преобразователи типа ввода или датчики, производят реакцию напряжения или сигнала, которая пропорциональна изменению количества, которое они измеряют (стимул). Тип или количество выходного сигнала зависит от типа используемого датчика. Но в целом, все типы датчиков могут быть классифицированы как два вида, либо пассивные датчики или активные датчики.

Как правило, активные датчики требуют внешнего питания для работы, называемого возбуждающей сигнал, который используется датчиком для получения выходного сигнала. Активные датчики являются самогенерирующие устройства, потому что их собственные свойства меняются в ответ на внешний эффект, производящий, например, выходное напряжение от 1 до 10v DC или выходной ток, такой как 4 до 20 мА DC. Активные датчики могут также производить усиление сигнала.

Хорошим примером активного датчика является датчик LVDT или датчик напряжения. Датчики деформации являются чувствительными к давлению резистивными сетями моста, которые являются внешними предвзятыми (возбуждающий сигнал) таким образом, чтобы производить выходное напряжение пропорционально количеству силы и/или напряжения, применяемого к датчику.

В отличие от активного датчика, пассивный датчик не нуждается в каком-либо дополнительном источнике питания или возбуждении напряжения. Вместо этого пассивный датчик генерирует выходной сигнал в ответ на некоторые внешние стимулы. Например, термокомп, который генерирует свой собственный выход напряжения при воздействии тепла. Затем пассивными датчиками являются прямые датчики, которые меняют свои физические свойства, такие как сопротивление, способность или индукция и т.д.

Но, как и аналоговые датчики, цифровые датчики производят дискретный выход, представляющий двоичное число или цифру, такие как логический уровень "0" или логический уровень "1".

Аналоговые и цифровые датчики

Аналоговые датчики

Аналоговые датчики производят непрерывный выходной сигнал или напряжение, которое, как правило, пропорционально измеряемому количеству. Физические количества, такие как температура, скорость, давление, перемещение, штамм и т.д. все аналоговые количества, поскольку они, как правило, непрерывный характер. Например, температуру жидкости можно измерить с помощью термометра или термокупла, который постоянно реагирует на перепады температуры при нагревании или охлаждении жидкости.

Термокупл используется для производства аналогового сигнала

Аналоговые датчики, как правило, производят выходные сигналы, которые меняются плавно и непрерывно с течением времени. Эти сигналы, как правило, очень малы по стоимости от нескольких мико-вольт (uV) до нескольких милливольт (мВ), поэтому требуется некоторая форма усиления.

Затем схемы, измеряя аналоговые сигналы, обычно имеют медленный отклик и/или низкую точность. Также аналоговые сигналы могут быть легко преобразованы в цифровые сигналы типа для использования в системах микро-контроллера с помощью аналоговых цифровых преобразователей, или ADC.

Цифровые датчики

Как следует из названия, цифровые датчики производят дискретные цифровые выходные сигналы или напряжения, которые являются цифровым представлением измеряемого количества. Цифровые датчики производят двоичный выходной сигнал в виде логики "1" или логики "0", ("ON" или "OFF"). Это означает, что цифровой сигнал производит только дискретные (непрерывные) значения, которые могут быть высовыты в виде одного "бита" (серийная передача) или путем объединения битов для получения одного "рядного" выхода (параллельная передача).

Датчик света, используемый для производства цифрового сигнала

В нашем простом примере выше, скорость вращающегося вала измеряется с помощью цифрового светодиода / Opto-детектор датчика. Диск, закрепленный на вращающемся валу (например, от колеса двигателя или робота), имеет ряд прозрачных слотов в конструкции. Когда диск вращается со скоростью вала, каждый слот проходит мимо датчика, в свою очередь производя выходный импульс, представляющий логический уровень "1" или логика "0".

Эти импульсы отправляются в регистр счетчика и, наконец, на выходной дисплей, чтобы показать скорость или обороты вала. Увеличивая количество слотов или "окна" в диске больше выходных импульсов могут быть произведены для каждой революции вала. Преимущество этого заключается в том, что по мере обнаружения фракций революции достигается большее разрешение и точность. Тогда этот тип расположения датчика также может быть использован для позиционного управления с одним из слотов дисков, представляющих эталонное положение.

По сравнению с аналоговыми сигналами, цифровые сигналы или количества имеют очень высокую точность и могут быть измерены и "отобраны" на очень высокой часовой скорости. Точность цифрового сигнала пропорциональна количеству битов, используемых для представления измеренного количества. Например, с помощью процессора 8 бит, будет производить точность 0,390% (1 часть в 256). При использовании процессора 16 бит дает точность 0,0015%, (1 часть в 65 536) или 260 раз более точным. Эта точность может быть сохранена, поскольку цифровые количества манипулируются и обрабатываются очень быстро, в миллионы раз быстрее аналоговых сигналов.

В большинстве случаев датчики и, более конкретно аналоговые датчики, как правило, требуют внешнего питания и той или иной формы дополнительного усиления или фильтрации сигнала для получения подходящего электрического сигнала, который способен измеряться или использоваться. Одним из очень хороших способов достижения как усиления, так и фильтрации в рамках одной цепи является использование операционных усилителей, как это было раньше.

Сигнализация датчиков

Как мы видели в учебнике по оперативному усилителю, оп-усилители могут быть использованы для обеспечения усиления сигналов при подключении в инвертируемых или не инвертируемых конфигурациях.

Очень маленькие аналоговые напряжения сигнала, производимые датчиком, таким как несколько милливольт или даже пико-вольты, могут быть усилены много раз простой схемой оп-усилителя для получения гораздо большего сигнала напряжения, скажем, 5v или 5mA, который затем может быть использован в качестве входного сигнала к микропроцессору или аналоговой цифровой системе.

Таким образом, чтобы обеспечить любой полезный сигнал датчиков выходной сигнал должен быть усилен усилителем, который имеет напряжение получить до 10000 и ток получить до 1,000,000 с усилением сигнала быть линейным с выходным сигналом является точное воспроизведение ввода, только что изменилась в амплитуде.

Затем усиление является частью кондиционирования сигнала. Таким образом, при использовании аналоговых датчиков, как правило, некоторая форма усиления (Gain), соответствие имплеанса, изоляция между входом и выходом или, возможно, фильтрация (выбор частоты) может потребоваться, прежде чем сигнал может быть использован, и это удобно выполняется оперативными усилителями.

Кроме того, при измерении очень небольших физических изменений выходной сигнал датчика может стать "загрязненным" нежелательными сигналами или напряжениями, которые предотвращают правильное измерение фактического сигнала. Эти нежелательные сигналы называются "Шум". Этот шум или помехи могут быть либо значительно уменьшены, либо даже устранены с помощью методов кондиционирования сигнала или фильтрации, как мы обсуждали в учебнике Active Filter.

С помощью либо Низкий проход, или High Pass или даже Band Pass фильтр "ширина" шума может быть уменьшена, чтобы оставить только выходной сигнал требуется. Например, многие типы входных данных от коммутаторов, клавиатур или ручного управления не способны быстро менять состояние, и поэтому можно использовать фильтр с низким проходом. Когда помеха находится на определенной частоте, например частота mains, узкие фильтры полосы излучают или Notch можно использовать для того чтобы произвести селективные фильтры частоты.

Типичные фильтры Op-amp

Если бы какой-то случайный шум все еще остается после фильтрации, может потребоваться взять несколько образцов, а затем усреднять их, чтобы дать окончательное значение, так что увеличивая соотношение сигнала к шуму. В любом случае, как усиление, так и фильтрация играют важную роль в переплетении как датчиков, так и трансдуцаторов на микропроцессорные и электронные системы в условиях "реального мира".

В следующем учебнике о датчиках мы посмотрим на позиционные датчики, которые измеряют положение и/или перемещение физических объектов, означающее движение из одной позиции в другую для определенного расстояния или угла.

Для получения дополнительной информации, пожалуйста, свяжитесь с нами поsales@xfullstar.com