سنسور و ترنسدیوسر در مهندسی برق

آموزش راهنمای آشنایی با انواع سنسور و ترنسدیوسر 

برای آنکه یک سیستم یا مدار الکترونیکی بتواند درست کار کند باید با جهان اطراف خود در ارتباط باشد.

این ارتباط می تواند خواندن اطلاعات سیگنال ورودی از طریق کلید روشن-خاموش, یا فعال کردن یک دستگاه خروجی برای روشن کردن یک لامپ باشد.

به بیان دیگر یک سیستم یا مدار الکترونیکی باید بتواند کاری که به آن محول شده است را به درستی انجام دهد. سنسورها,(Sensor) و ترانسدیوسرها ,(Transducer) مثال مناسبی از این مدارهای الکترونیکی هستند.

لغت ترسندیوسر, عبارت مشترکی میان سنسور و محرک(Actuator) است.سنسورها برای حس کردن انواع مختلف انرژی مانند حرکت , سیگنال الکتریکی , انرژی تشعشعی, انرژی حرارتی یا مغناطیسی استفاده می شوند. از اکچویتور یا محرک برای روشن یا خاموش کردن تنظیم یا به حرکت درآوردن یک دستگاه نیز استفاده می شود.

انواع مختلفی از سنسورها و ترانسدیوسرها :

مانند سنسورها و ترانسدیوسرهای ورودی و خروجی و دیجیتال و آنالوگ.
نوع ترانسدیوسر ورودی و خروجی مورد استفاده به نوع سیگنال یا فرآیند مورد نظر وابسته است.
در سنسورها و ترانسدیوسرها یک کمیت فیزیکی به کمیت فیزیکی دیگری تبدیل می شود.

وظیفه سنسور تشخیص تغییر فیزیکی به وجود آمده در یکی از مشخصات ماده در پاسخ به تحریک اولیه مدار است. مثل تشخیص حرارت یا نیرو. و تبدیل آن به سیگنال الکتریکی. مثلا شکل زیر یک سنسور تشخیص صدا , ( Recognition sensor voice) را نشان می دهد.                                

اکچویتر

اکچویتر برای تامین انرژی لازم جهت کنترل یک فرآیند خاص به کار می رود. مانند باز و بسته کردن شیر در یک سیستم کنترل. در واقع محرک سیگنال الکتریکی را به حرکت یا صدا تبدیل می کند.

از ترانسدیوسرهای الکتریکی, برای تبدیل انرژی از یک نوع به نوع دیگر استفاده می شود. برای مثال یک میکروفون (دستگاه ورودی), امواج صدا را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. سپس این سیگنال برای تقویت به یک تقویت کننده (پردازشگر) فرستاده می شود. یک بلندگو , سیگنال های الکتریکی را دوباره به امواج صدا تبدیل می کند.
 در شکل زیر یک مثال از این نوع سیستم ساده ورودی-خروجی نمایش داده شده است.

یک سیستم ساده ورودی-خروجی با استفاده از ترنسدیوسرصدا                                    

سنسور و ترانسدیوسرهای پر کاربرد

انواع مختلفی از سنسور ها و ترنسدیوسرها در بازار موجود است.انتخاب یکی از این سنسور ها, به کمیتی بستگی دارد که می خواهیم آن را اندازه گیری یا کنترل کنیم. انواع پر کاربرد این سنسورها در جدول زیر آمده است:

سنسورها و ترانسديوسرهاى ورودى سيكنال يا ولتاژ خروجى توليد می كنند. اين سيگنال با تغييرات كميت مورد اندازه گيرى, متناسب است.

مقدار يا نوع سيگنال خروجى, به نوع سنسور مورد استفاده بستگى دارد. اما در كل, همه سنسورها را می توان به دو دسته تقسيم بندى كرد: سنسورهاى پسيو و سنسورهاى اكتيو

سنسورهاى اكتيو

به طور كلى, سنسورهاى اكتيو به يك منبع توان ييرونى احتياج دارند. به اين توان, سيگنال تحريك (excitation signal) گفته مى شود. سنسور از اين سيگنال, براى توليد خروجى استفاده مى كند. مشخصات سنسورهاى اكتيو در پاسخ به عامل بيرونى تغيبر میكند. مثلا با تغيير پارامتر مورد اندازه گيرى, ولتاژخروجى از يك ولت به ده ولت يا جريان خروجى از4 ميلى آمپر به 20 ميلى آمپر می رسد. همچنين سنسورهاى اكتيو, قابليت تقويت سيگنال را دارند.

يك مثال مناسب از سنسورهاى اكتيو. سنسور,ترانسفورماتور ديفرانسيلى متغير خطى (LVDT) يا يك «كشش سنج» (strain gauge) است. كشش سنج., يک شبكه مقاومتى حساس به فشار است. ولتاژ خروجى توليد شده توسط اين سنسور با مقدار نيرو يا فشار اعمال شده به سنسور متناسب است. شكل زير يك سنسور كشش سنج پوشيدنى را نشان مى دهد.

سنسور پسيو

بر خلاف سنسور اكتيو. سنسور پسيو به منبع توان يا ولتاژ تحریک نياز ندارد. سنسور پسيو نيز در پاسخ به تحريک بير ونى,سيگنال خر وجى توليد مى كند. براى مثال, هنگامى كه ترموكوپل در معرض حرارت قرار میگيرد, يك ولتاژ خروجى توليد می کند . بنابراین, سنسور پسیو سنسوری است که مستقیما خواص فیزیکی خود مثل مقاومت , خازن یا سلف را تغییر می دهد.

سنسور های آنالوگ و دیجیتال

سنسورهاى آنالوگ يک سيگنال پيوسته توليد می كنند. در حالى كه سنسورهاى ديجيتال. يك سيگنال خروجى گسسته ایجاد می كنند. اين سيگنال مقدار منطقى صفر يا يك دارد. در اين قسمت به بررسى سيگنالهاى آنالوگ و ديجيتال و كاربردهاى آنها می پردازيم.

سنسورهای آنالوگ

سنسورهاى آنالوگ, يک سيگنال يا ولتاژ پيوسته در خروجى خود توليد مى كنند. اين سيگنال با كميتى كه مىخواهيم آن را اندازه گيرى كنيم, متناسب است. كميتهاى فيزيكى مانند دما سرعت, فشار, جابجايي, كشش و غيره همگى كميت هاى آنالوگ و ذاتا پيوسته هستند. براى مثال شكل زير را در نظر بگيريد:

دماى يك مايع را می توان با استفاده از دماسنج يا ترموكويل اندازه گيرى كرد. هنگامى كه مايع را گرم يا سرد میكنيم,کمیت دما در آن به صورت پیوسته تغییر می کند.

سيگنال توليد شده در خروجى سنسورهاى آنالوگ, با گذر زمان به آرامى تغيير می كند و پبوسته است. اندازه اين سيگنالها معمولا بسيار كوچک است (از چند ميكرو ولت تا چند ميلى ولت). بنابراين وجود تقویت كننده ضرورت دارد.

معمولا مدارهايى كه سيگنال آنالوگ در آنها اندازه گيرى می شود, دقت پايين يا تغييرات آهسته اى دارند. مثلا دما در مايع, به آهستگى تغيير می كند. همچنين, در سيستم هاى ميكر وكنترلر, سيگنالهاى آنالوگ به راحتى به سيگنالهاى ديجيتال تبديل می شوند. اين تبديل, توسط «مبدل هاى آنالوگ به ديجيتال (Analogue-to-digital converter) انجام می شود.

سنسور های دیجیتال

سنسورهاى ديجيتال. يك سيگنال يا ولتاژ ديجيتال گسسته از كميت مورد اندازه گيرى در خروجى خود ايجاد مى كنند. اين سنسورها , سيگنالهاى خروجى دودوئى به شكل صفر و يك منطقى توليد می كنند (روشن يا خاموش). به اين صورت تنها مقادير گسسته (غير پيوسته) توليد می شود. اين مقدار گسسته بيت (bit) نام دارد. اگر چند بيت را تر كيب كنيم, يك بايت (byte) تشكيل می شود.

مثال ساده شكل زير را در نظر بگيريد:

در اين مثال , يك سنسور ديجيتال تشخيص نور LED سرعت چرخش ميله را اندازه گيرى مى كند. ديسک به صورت ثابت روى محور ميله قرار گرفته است. (مثل چرخ موتور يا ربات). اين ديسك روى خود دندانه دارد. فرض مى شود ديسك با سرعت میله در حال چرخش است. با عبور دندانه از نزدیکی سنسور, یک پالس تولید می شود. این پالس خروجی , مقدار منطقى صفر يا يك دارد.

این پالس ها به يک. «ثّبات» (Register) يا شمارنده فرستاده می شوند. در نهايت. سرعت چرخش ميله. روى يك نمايشگر خروجى نشان داده می شود. با افزايش تعداد دندانه هاى ديسک, در هر چرخش ميله پالس خروجى بيشترى توليد مى شود.

مزيت اين كار, دقت بالاتر در تشخيص چرخش كمتر از يك دور كامل ميله است. اين نوع سنسور را می توان براى كنترل مكان زاويه اى ميله, به كار برد. يك مثال از اين نوع سنسورها, حسكر اثر هال ديجيتال است.

سنسورهاى ديجيتال در مقايسه با سنسورهاى آنالوگ

دقت بسيار بالايى دارند. (نمونه بردارى) (sampling) در اين سنسورها, با سرعت زمانى بالايى انجام مى شود. دقت سيگنال ديجيتال. متناسب با تعداد بيت هاى استفاده شده. براى نمايش كميت مورد اندازه گيرى است.

براى مثال. يک يردازنده 8 بيتى دقتى معادل 0.39 درصد ( 1 در 256)‏ دارد. با استفاده از يك پردازنده ‎١6‏ بيتى به دقتى برابر 0.0015 درصد (1 در 65536) می رسیم. این پردازنده از پردازنده 8 بیتی 260بار دقیق تر است. کمیت های ديجيتال با سرعتى ميليون ها برابر سيگنال هاى آنالوگ, پردازش و نمونه بردارى می شوند. به همين دليل, رسيدن به اين دقت, امكان پذير است.

در بيشتر حالت ها, سنسورها و به طور دقيق تر. سنسورهاى آنالوگ براى توليد سيگنال الكتريكى مناسب, به يك منبع تغذيه بيرونى و تقويت كننده و فيلتر كننده سيگنال نياز دارند. يك راه متداول براى تقويت و فيلتر سيگنال در مدار, استفاده از تقویت كننده هاى عملياتى يا (Op-Amp) است.

تبدیل یا فرم دهی سیگنال

همانگونه كه در مبحث مربوط به تقویت كننده هاى عملياتى ديديم, از اپ امپ براى تقويت سيگنال استفاده می شود. ولتاژ سيگنال آنالوگ توليد شده. توسط سنسور بسيار كوچك است. (در حد چند ميلى ولت يا حتى پيكوولت). با استفاده از يک تقویت كننده عملياتى ساده می توان اين ولتاژ را به مقادير بسيار بزرگتری تبديل كرد.

بنابراين, براى ايجاد يك سيگنال مناسب, لازم است كه خروجى سنسور با يك تقویت كننده, تقويت شود. اين تقويت كننده مى تواند بهره ولتاژ معادل ده هزار و بهره جريان معادل يك ميليون داشته باشد. همچنين تقويت سيگكنال بايد خطى باشد.

به اين ترتيب, سيگنال خروجى, شكل كلى سيگنال ورودى را دارد, اما دامنه اين سيگنال بزرگتر است.

تقويت فرم دهى به سيگنال

بنابراين, تقويت نيز بخشى از «فرم دهى به سيگنال» (signal Conditioning) است. هنگام استفاده از سنسور آنالوگ, بايد تقويت, تطبيق امپدانس, فيلتر فر كانس و ايز ولاسيون بين ورودى و خروجى انجام شود تا خروجى سنسور, يك سيگنال قابل استفاده باشد. تمامى اين موارد با استفاده از تقویت كننده هاى عملياتى قابل انجام است.

همچنين وقتى بخواهيم تغييرات فيزيكى كوچك را اندازه گيرى كنيم, ممكن است سيگنال خروجى سنسور با سيگنال ها يا ولتاژهاى ناخواسته. «آلوده» . (Contaminated) . شود. در اين صورت, امكان اندازه گيرى دقيق سيگنال خروجى سنسور وجود ندارد. اين سيگنال هاى ناخواسته, (نويز) (Noise)‏ ناميده می شوند. نويز يا تداخل را می توان با استفاده از تكنيك هاى فرم دهى به سيگنال يا فيلتر. به شدت كاهش داد يا حذف كرد.

با استفاده از فيلتر پايبن گذر, بالاگذر يا ميان گذر می توان پهناى باند نويز را كاهش داد تا فقط سيگنال خر وجى؛ خالص باقى بماند. براى مثال انواع مختلف ورودى مثل سوئيج ها, صفحه كليد يا كنترل هاى دستى نمى توانند به سرعت تغيير حالت دهند. بنابراين, می توان از فيلترهاى پايين گذر استفاده كرد. اگر در يک فر كانس خاص مثل فر كانس ميانى, تداخل داشته باشيم, می توان از (فيلتر تاچ) (Notch Filter ‎) يا فيلتر ميان نگذر با باند باريك استفاده كرد. به اين ترتيب, فيلتر انتخابگر فركانس داريم.

فیلتر با استفاده از اپ-امپ

اگر بعد از فيلتر كردن سيگنال, همچنان نويز تصادفى در مدار داشته باشيم, لازم است چندين نمونه گيرى انجام شود. با پردازش مجدد., «نسبت سيگنال به نويز» (Signal-to-noise-ratio) خروجى افزايش خواهد يافت.

فيلتر با استفاده از اپ – امپدر هر حال, هم در سنسورها و ترنسوديوسرها و هم در ميكروپروسسورها, تقويت و فيلتر كردن سيگنال نقش اساسى دارد.

مهرسام صنعت مرکز تجهیزات اتوماسیون صنعتی در تهران
تامین و تهیه کلیه لوازم و ملزومات برق صنعتی
آموزش تعمیرات و برنامه نویسی کلیه لوازم و قطعات برق صنعتی
بهترین مرکز آموزشی در تهران با تعرفه قیمتی مناسب
ارائه مدرک معتبر زیر نظر سازمان فنی و حرفه ای
آموزشگاه تعمیرات برق صنعتی