Cảm biến và đầu dò

Cảm biến và đầu dò

Để mạch điện tử hoặc hệ thống thực hiện bất kỳ tác vụ hoặc chức năng hữu ích nào, nó cần có khả năng giao tiếp với “thế giới thực” cho dù đây là bằng cách đọc tín hiệu đầu vào từ công tắc “BẬT / TẮT” hoặc bằng cách kích hoạt một số hình thức thiết bị đầu ra để chiếu sáng một ánh sáng duy nhất.

Nói cách khác, Hệ thống điện tử hoặc mạch phải có khả năng hoặc khả năng “làm” điều gì đó và Cảm biến và Đầu dò là những thành phần hoàn hảo để làm việc này.

Từ "Bộ chuyển đổi" là thuật ngữ chung được sử dụng cho cả hai Cảm biến trong đó 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 trường, v.v. và Bộ điều khiển 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 đầu dò đầu vào hoặc đầu ra đang được sử dụng, thực sự phụ thuộc vào loại tín hiệu hoặc quá trình được “Cảm biến” hoặc “Điều khiển” nhưng chúng ta có thể xác định cảm biến và đầu dò là thiết bị chuyển đổi một đại lượng vật lý này thành một đại lượng vật lý khác.

Các thiết bị thực hiện chức năng “Đầu vào” thường được gọi là Kiểm duyệt bởi vì chúng “cảm nhận” được sự thay đổi vật lý trong một số đặc tính thay đổi để phản ứng với một số kích thích, ví dụ như nhiệt hoặc lực và ẩn đó thành tín hiệu điện. Các thiết bị thực hiện chức năng “Đầu ra” thường được gọi là Bộ điều khiển và được sử dụng để điều khiển một số thiết bị bên ngoài, ví dụ như chuyển động hoặc âm thanh.

Bộ truyền tín hiệu điện được sử dụng để chuyển đổi năng lượng của một loại này thành năng lượng của loại khác, vì vậy, ví dụ: micrô (thiết bị đầu vào) chuyển đổi sóng âm thanh thành tín hiệu điện để bộ khuếch đại khuếch đại (một quá trình) và loa (thiết bị đầu ra) chuyển đổi các sóng điện tín hiệu trở lại thành sóng âm thanh và ví dụ về loại hệ thống Đầu vào / Đầu ra (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 nhiều loại cảm biến và đầu dò khác nhau có sẵn trên thị trường và việc lựa chọn loại nào để sử dụng thực sự phụ thuộc vào số lượng được đo hoặc kiểm soát, với các loại phổ biến hơn được đưa ra trong bảng bên dưới:

Cảm biến và đầu dò thông dụng.

Bộ chuyển đổi hoặc cảm biến loại đầu vào, tạo ra phản ứng đầu ra điện áp hoặc tín hiệu tỷ lệ với sự thay đổi đại lượng mà chúng đang đo (kích thích). Loại hoặc 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, hoặc Cảm biến mạnh mẽ Cảm biến hoạt động.

Nói chung, cảm biến hoạt động yêu cầu một nguồn điện bên ngoài để hoạt động, được gọi là tín hiệu kích thích và được sử dụng bởi cảm biến để tạo ra tín hiệu đầu ra. Cảm biến hoạt động là thiết bị tự tạo vì các đặc tính riêng của chúng thay đổi để đáp ứng với tác động bên ngoài tạo ra, ví dụ, điện áp đầu ra từ 1 đến 10v DC hoặc dòng điện đầu ra như 4 đến 20mA DC. Cảm biến tích cực cũng có thể tạo ra sự khuếch đại tín hiệu.

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

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

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

Cảm biến tương tự và kỹ thuật số

Cảm biến tương tự

Cảm biến tương tự tạo ra tín hiệu đầu ra liên tục hoặc điện áp thường tỷ lệ với đại lượng được đo. Các đại lượng vật lý như Nhiệt độ, Tốc độ, Áp suất, Độ dịch chuyển, Độ căng, 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 nóng lên hoặc nguội đi.

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

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

Sau đó, các mạch đo tín hiệu tương tự thường có phản hồi 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 vi điều khiển bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số hoặc ADC.

Cảm biến kỹ thuật số

Như tên gọi của nó, Cảm biến kỹ thuật số tạo ra tín hiệu hoặc điện áp đầu ra kỹ thuật số rời rạc, là một biểu diễn kỹ thuật số của đại lượng được đo. Cảm biến kỹ thuật số tạo ra tín hiệu đầu ra Nhị phân ở dạng logic “1” hoặc logic “0”, (“BẬT” hoặc “TẮT”). Điều này có nghĩa là tín hiệu kỹ thuật số chỉ tạo ra các giá trị rời rạc (không liên tục) có thể được xuất ra dưới dạng một “bit” duy nhất, (truyền nối tiếp) hoặc bằng cách kết hợp các bit để tạo ra một đầu ra “byte” duy nhất (truyền song song).

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

Trong ví dụ đơn giản của chúng tôi ở trên, tốc độ của trục quay được đo bằng cách sử dụng cảm biến LED / Opto-detector kỹ thuật số. Đĩa được cố định vào trục quay (ví dụ, từ bánh xe của động cơ hoặc rô bốt), có một số rãnh trong suốt trong thiết kế của nó. Khi đĩa quay theo tốc độ của trục, mỗi khe đi qua cảm biến lần lượt tạo ra một xung đầu ra đại diện cho mức logic “1” hoặc logic “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 “cửa sổ” trong đĩa, có thể tạo ra nhiều xung đầu ra hơn cho mỗi vòng quay của trục. Ưu điểm của điều này là đạt được độ phân giải và độ chính xác cao hơn khi có thể phát hiện được các phần nhỏ của một vòng quay. Sau đó, kiểu bố trí cảm biến này cũng có thể được sử dụng để điều khiển vị trí với một trong các khe đĩa thể hiện vị trí tham chiếu.

So với tín hiệu tương tự, tín hiệu số hoặc đại lượng có độ chính xác rất cao và có thể được đo và “lấy mẫu” ở tốc độ đồng hồ rất cao. Độ chính xác của tín hiệu kỹ thuật số tỷ lệ với số bit được sử dụng để biểu diễn đại lượng đo. Ví dụ, sử dụng bộ xử lý 8 bit, sẽ tạo ra độ chính xác là 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 các đại 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 cụ thể hơn là cảm biến tương tự 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 duy nhất 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 khuếch đại tín hiệu khi được kết nối trong các cấu hình đảo ngược hoặc không đảo.

Các điện áp tín hiệu tương tự rất nhỏ được tạo ra bởi một cảm biến chẳng hạn như vài mili-vôn hoặc thậm chí là 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, ví dụ như 5v hoặc 5mA, sau đó có thể được sử dụng làm tín hiệu đầu vào cho bộ vi xử lý hoặc hệ thống dựa trên kỹ thuật số - tương tự.

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 đến 10.000 và mức tăng dòng lên đến 1.000.000 với mức khuếch đại tín hiệu là tuyến tính với tín hiệu đầu ra là sự tái tạo chính xác của đầu vào, chỉ thay đổi về biên độ.

Sau đó, khuếch đại là một phần của điều hòa tín hiệu. Vì vậy, khi sử dụng cảm biến tương tự, thông thường một số hình thức khuếch đại (Gain), kết hợp trở kháng, cách ly giữa đầu vào và đầu ra hoặc có lẽ cần lọc (lựa chọn tần số) 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 những thay đổi vật lý rất nhỏ, tín hiệu đầu ra của cảm biến có thể bị “nhiễm” bởi các tín hiệu hoặc điện áp không mong muốn khiến tín hiệu thực tế yêu cầu không được đo chính xác. Những tín hiệu không mong muốn này được gọi là "Tiếng ồn". Tiếng ồn hoặc nhiễu này có thể được giảm thiểu 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 Chủ động.

Bằng cách sử dụng aLow Pass hoặc aHigh Passor EvenBand Passfilter, "băng thông" của tiếng ồn có thể được giảm xuống để chỉ còn lại tín hiệu đầu ra cần thiết. Ví dụ, nhiều loại đầu vào từ công tắc, bàn phím hoặc điều khiển bằng tay 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, chẳng hạn như tần số nguồn, có thể sử dụng loại bỏ dải hẹp hoặc Bộ lọc không để tạo ra các bộ lọc chọn lọc tần số.

Bộ lọc Op-amp điển hình

Nếu vẫn còn một số nhiễu ngẫu nhiên 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, do đó, tăng tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu. Dù bằng cách nào, cả khuếch đại và lọc đều đóng một vai trò quan trọng trong việc giao tiếp giữa cảm biến và đầu dò với hệ thống dựa trên bộ vi xử lý và điện tử trong điều kiện "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 sự dịch chuyển của các đối tượng vật lý có nghĩa là chuyển động từ vị trí này sang vị trí khác cho một khoảng cách hoặc góc cụ thể.

Để biết thêm thông tin chi tiết, vui lòng liên hệ với chúng tôi tạisales@xfullstar.com