חיישנים ומתמרים

חיישנים ומתמרים

על מנת שמעגל אלקטרוני או מערכת יבצעו משימה או פונקציה שימושיים כלשהם הוא צריך להיות מסוגל לתקשר עם "העולם האמיתי" בין אם זה על ידי קריאת אות קלט ממתג "ON / OFF" או על ידי הפעלת צורה כלשהי של מכשיר פלט להאיר אור יחיד.

במילים אחרות, מערכת אלקטרונית או מעגל חייבים להיות מסוגלים או מסוגלים "לעשות" משהו וחיישנים ומתמרים הם הרכיבים המושלמים לשם כך.

המילה "מתמר" היא המונח הקולקטיבי המשמש לשני חיישנים אשר ניתן להשתמש בהם כדי לחוש מגוון רחב של צורות אנרגיה שונות כגון תנועה, אותות חשמליים, אנרגיה קורנת, אנרגיה תרמית או מגנטית וכו ', ומפעילים שניתן להשתמש בהם להחלפת מתח או זרם.

ישנם סוגים רבים ושונים של חיישנים ומתמרים, אנלוגיים ודיגיטליים וקלט ופלט זמינים לבחירה. סוג מתמר הקלט או הפלט הנמצא בשימוש, תלוי באמת בסוג האות או התהליך המוגדר "מבוקר" או "מבוקר" אך אנו יכולים להגדיר חיישן ומתמרים כהתקנים הממירים כמות פיזית אחת לאחרת.

התקנים המבצעים פונקציית "קלט" מכונים בדרך כלל חיישנים מכיוון שהם "חשים" שינוי פיזי במאפיין כלשהו שמשתנה בתגובה לריגוש כלשהו, ​​למשל חום או כוח ומסתיר אותו לאות חשמלי. התקנים המבצעים פונקציית "פלט" נקראים בדרך כלל מפעילים ומשמשים לשליטה בהתקן חיצוני כלשהו, ​​למשל תנועה או צליל.

מתמרים חשמליים משמשים להמרת אנרגיה מסוג אחד לאנרגיה מסוג אחר, כך למשל, מיקרופון (התקן קלט) ממיר גלי קול לאותות חשמליים עבור המגבר להעצמה (תהליך), ורמקול (התקן פלט) ממיר חשמל אלה. מאותת חזרה לגלי קול ודוגמה של סוג זה של קלט / פלט פשוט (קלט / פלט) מובאת להלן.

מערכת קלט / פלט פשוטה באמצעות מתמרים קוליים.

ישנם סוגים רבים ושונים של חיישנים ומתמרים זמינים בשוק, והבחירה באחד מהם להשתמש תלויה באמת בכמות הנמדדת או נשלטת, עם הסוגים הנפוצים יותר המופיעים בטבלה שלהלן:

חיישנים ומתמרים נפוצים.

מתמרים או חיישנים מסוג קלט, מייצרים תגובת פלט מתח או אות היחסית לשינוי הכמות שהם מודדים (הגירוי). סוג או כמות אות הפלט תלוי בסוג החיישן בו משתמשים. אך באופן כללי, ניתן לסווג את כל סוגי החיישנים לשני סוגים, או חיישנים פסיביים או חיישנים פעילים.

באופן כללי, חיישנים פעילים דורשים הפעלת ספק כוח חיצוני, הנקרא אות עירור המשמש את החיישן להפקת אות הפלט. חיישנים פעילים הם התקנים לייצור עצמי מכיוון שהתכונות שלהם משתנות בתגובה לאפקט חיצוני המייצר למשל מתח יציאה של 1 עד 10 וולט DC או זרם פלט כגון 4 עד 20mA DC. חיישנים פעילים יכולים גם לייצר הגברה של אותות.

דוגמה טובה לחיישן פעיל היא חיישן LVDT או מד מתח. מודדי המתח הם רשתות גשר התנגדותיות רגישות ללחץ שמוטות חיצונית (אות עירור) באופן שייצר מתח יציאה ביחס לכמות הכוח ו / או המתח המופעל על החיישן.

בניגוד לחיישן פעיל, חיישן פסיבי אינו זקוק לשום מקור כוח נוסף או מתח עירור. במקום זאת חיישן פסיבי מייצר אות פלט בתגובה לגירוי חיצוני כלשהו. לדוגמא, צמד תרמי שיוצר תפוקת מתח משלו כאשר הוא נחשף לחום. ואז חיישנים פסיביים הם חיישנים ישירים המשנים את המאפיינים הפיזיים שלהם, כגון התנגדות, קיבול או השראות וכו '.

אך כמו גם חיישנים אנלוגיים, חיישנים דיגיטליים מייצרים פלט דיסקרטי המייצג מספר בינארי או ספרה כגון רמת לוגיקה "0" או רמת לוגיקה "1".

חיישנים אנלוגיים ודיגיטליים

חיישנים אנלוגיים

חיישנים אנלוגיים מייצרים אות פלט רציף או מתח אשר בדרך כלל פרופורציונאלי לכמות הנמדדת. כמויות גופניות כגון טמפרטורה, מהירות, לחץ, תזוזה, זן וכו 'הם כל הכמויות האנלוגיות מכיוון שהם נוטים להיות רציפים באופיים. לדוגמא, ניתן למדוד את הטמפרטורה של נוזל באמצעות מדחום או צמד תרמי המגיבים ברציפות לשינויי טמפרטורה כאשר הנוזל מחומם או מתקרר.

צמד תרמי המשמש לייצור אות אנלוגי

חיישנים אנלוגיים נוטים לייצר אותות פלט המשתנים בצורה חלקה ורציפה לאורך זמן. אותות אלה נוטים להיות קטנים מאוד בערכם מכמה מיקרו-וולט (uV) למספר מילי-וולט (mV), ולכן נדרשת הגברה כלשהי.

אז למעגלים המודדים אותות אנלוגיים יש בדרך כלל תגובה איטית ו / או דיוק נמוך. כמו כן ניתן להמיר אותות אנלוגיים בקלות לאותות מסוג דיגיטלי לשימוש במערכות מיקרו-בקר באמצעות ממירים אנלוגיים-דיגיטליים, או ADC.

חיישנים דיגיטליים

כשמו כן הוא, חיישנים דיגיטליים מייצרים אותות פלט דיגיטליים נפרדים או מתח שהם ייצוג דיגיטלי של הכמות הנמדדת. חיישנים דיגיטליים מייצרים אות פלט בינארי בצורה של לוגיקה "1" או לוגיקה "0", ("ON" או "OFF"). פירוש הדבר אם כן שאות דיגיטלי מייצר רק ערכים נפרדים (לא רציפים) אשר עשויים להיות מופלטים כ"סיבית "אחת, (שידור סדרתי) או על ידי שילוב של סיביות לייצור פלט" בתים "יחיד (שידור מקביל).

חיישן אור המשמש לייצור אות דיגיטלי

בדוגמה הפשוטה שלנו לעיל, מהירות הפיר המסתובב נמדדת באמצעות חיישן LED / גלאי אופטו דיגיטלי. הדיסק שמוצמד לפיר מסתובב (למשל, ממנוע או מגלגלי רובוט), כולל מספר חריצים שקופים בעיצובו. כאשר הדיסק מסתובב במהירות הפיר, כל חריץ עובר ליד החיישן בתורו ומפיק דופק פלט המייצג לוגיקה "1" או לוגיקה "0".

פעימות אלה נשלחות לרשם מונה ולבסוף לתצוגת פלט כדי להציג את המהירות או הסיבובים של הפיר. על ידי הגדלת מספר החריצים או ה"חלונות "בתוך הדיסק ניתן לייצר פעימות פלט נוספות לכל סיבוב של הפיר. היתרון בכך הוא שרזולוציה ודיוק גדולים יותר מושגים ככל שניתן לזהות שברים של מהפכה. ואז סוג זה של סידור חיישנים יכול לשמש גם לבקרת מיקום כאשר אחד מחריצי הדיסקים מייצג מיקום ייחוס.

בהשוואה לאותות אנלוגיים, אותות דיגיטליים או כמויות הם בעלי דיוק גבוה מאוד וניתן למדוד אותם וגם "לדגום" במהירות שעון גבוהה מאוד. דיוק האות הדיגיטלי פרופורציונאלי למספר הסיביות המשמשות לייצוג הכמות הנמדדת. לדוגמא, שימוש במעבד של 8 ביט, יפיק דיוק של 0.390% (חלק אחד ב 256). תוך שימוש במעבד של 16 ביט נותן דיוק של 0.0015%, (חלק אחד ב -65,536) או פי 260 יותר מדויק. ניתן לשמור על דיוק זה מכיוון שכמויות דיגיטליות עוברות מניפולציה ועיבוד מהיר מאוד, פי מיליונים מהר יותר מאותות אנלוגיים.

ברוב המקרים, חיישנים וליתר דיוק חיישנים אנלוגיים דורשים בדרך כלל אספקת חשמל חיצונית וצורה כלשהי של הגברה או סינון נוספים של האות על מנת לייצר אות חשמלי מתאים אשר מסוגל למדוד או להשתמש בו. אחת הדרכים הטובות מאוד להשיג הגברה וסינון במעגל יחיד היא להשתמש במגברים תפעוליים כפי שראינו קודם.

מיזוג אותות של חיישנים

כפי שראינו במדריך המגבר התפעולי, ניתן להשתמש במגברים אופטיים להגברת האותות כאשר הם מחוברים בתצורות הפוכות או לא הפוכות.

מתח האות האנלוגי הקטן מאוד המיוצר על ידי חיישן כגון כמה מילי וולט או אפילו פיקו וולט יכול להיות מוגבר פעמים רבות באמצעות מעגל מגבר פשוט לייצר אות מתח גדול בהרבה של נגיד 5 וולט או 5mA שיכול אז לשמש כאות קלט למיקרו-מעבד או למערכת מבוססת אנלוגי-דיגיטלי.

לכן, כדי לספק כל אות שימושי, יש להגביר את אות הפלט של החיישנים באמצעות מגבר בעל רווח מתח של עד 10,000 ורווח זרם של עד 1,000,000, כאשר הגברת האות היא ליניארית, כאשר אות הפלט הוא רפרודוקציה מדויקת של הקלט, פשוט השתנה במשרעת.

ואז הגברה היא חלק ממיזוג האות. לכן כאשר משתמשים בחיישנים אנלוגיים, בדרך כלל נדרשים צורה כלשהי של הגברה (רווח), התאמת עכבה, בידוד בין הכניסה לפלט או אולי סינון (בחירת תדרים) לפני שניתן להשתמש באות ואת זה מבוצע בצורה נוחה על ידי מגברים תפעוליים.

כמו כן, כאשר מודדים שינויים פיזיים קטנים מאוד, אות הפלט של החיישן יכול להיות "מזוהם" באותות או במתח לא רצויים שמונעים את מדידת האות הנדרש בפועל בצורה נכונה. אותות לא רצויים אלה נקראים "רעש". ניתן להפחית באופן משמעותי רעש או הפרעה זו באמצעות טכניקות מיזוג אותות או סינון כפי שדנו במדריך המסנן הפעיל.

על ידי שימוש ב- aLow Pass או Passfilter HighBand PassBand, ניתן להפחית את "רוחב הפס" של הרעש כדי להשאיר בדיוק את אות הפלט הנדרש. לדוגמה, סוגים רבים של קלטים ממתגים, מקלדות או פקדים ידניים אינם מסוגלים לשנות את המצב במהירות ולכן ניתן להשתמש בפילטר בעל מעבר נמוך. כאשר ההפרעה היא בתדר מסוים, למשל תדר לרשת, ניתן להשתמש בדחיית פס צר או מסנני מסנן כדי לייצר פילטרים סלקטיביים לתדרים.

מסנני אופ-מגבר אופייניים

האם לאחר הסינון עדיין נותר רעש אקראי, ייתכן שיהיה צורך לקחת כמה דגימות ואז לממוצע אותן כדי לתת את הערך הסופי וכך להגדיל את יחס האות לרעש. כך או כך, גם ההגברה וגם הסינון ממלאים תפקיד חשוב בממשק בין חיישנים והן מתמרים למערכות מבוססות מעבד ואלקטרוניקה בתנאים "בעולם האמיתי".

במדריך הבא על חיישנים, נבחן חיישני מיקום המודדים את המיקום ו / או התזוזה של אובייקטים פיזיים כלומר התנועה ממצב אחד למשנהו למרחק או זווית ספציפיים.

למידע נוסף אנא צרו איתנו קשר בכתובתsales@xfullstar.com