سنسور چیست؟

برای اینکه یک مدار یا سیستم الکترونیکی بتواند عملکرد مفیدی داشته باشد باید بتواند با دنیای بیرون ارتباط برقرار کند، که این کار را می تواند فرضاً با خاموش و روشن شدن سوئیچ یا تابش نور انجام دهد که با استفاده از سنسور و مبدل می تواند به راحتی با محیط بیرون ارتباط برقرار کند.

کلمه مبدل هم برای سنسور که می تواند طیف گسترده ای از اشکال مختلف انرژی از قبیل حرکت، سیگنال های الکتریکی، انرژی تابشی، انرژی حرارتی یا مغناطیسی را حس کند و هم برای محرک ها که می توانند ولتاژ و جریان را تغییر دهند، استفاده می شود.

سنسور و مبدل های مختلفی اعم از آنالوگ و دیجیتال و ورودی و خروجی وجود دارد. نوع مبدل ورودی یا خروجی مورد استفاده، بستگی به نوع سیگنال یا فرآیند “حس شده” یا “کنترل شده” دارد اما ما می توانیم سنسور و مبدل را به عنوان دستگاهی تعریف کنیم که یک مقدار فیزیکی را به مقدار دیگری تبدیل می کند.

سنسور ها دستگاه هایی هستند که عملکردی را به عنوان ورودی دریافت می کنند. آنها تغییر فیزیکی را حس می کنند و گرما یا نیرو را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کنند. دستگاه هایی که عملکرد “خروجی” را انجام می دهند، معمولاً محرک نامیده می شوند و برای کنترل برخی از دستگاه های خارجی، به عنوان مثال حرکت یا صدا استفاده می شوند.

مبدل های برقی انرژی را از یک نوع به نوع دیگری تبدیل می کنند. به عنوان مثال، میکروفون (به عنوان یک دستگاه ورودی) امواج صوتی را به سیگنال های الکتریکی تبدیل می کند تا تقویت کننده برای تقویت (یک فرآیند)، و بلندگو (به عنوان یک دستگاه خروجی) این سیگنالهای الکتریکی را به امواج صوتی تبدیل می کند. نمونه ای از این نوع سیستم ساده ورودی / خروجی (I / O) در تصویر زیر آورده شده است.

سیستم ورودی-خروجی ساده با استفاده از مبدل های صدا

انواع مختلفی سنسور و مبدل در بازار وجود دارد و با توجه به اینکه می خواهید چه نوع کمیتی را اندازه گیری و کنترل کنید، باید سنسور مورد نظر را انتخاب کنید. در جدول زیر انواع سنسور ها و کاربرد آنها بیان شده است:

سنسور و مبدل های پر کاربرد

مبدل (دستگاه خروجی)	سنسور (دستگاه ورودی)	کمیت قابل اندازه گیری
نورها و لامپها ال ای دی و نمایشگر فیبر نوری	LDR فتودیود فوتو-ترانزیستور سلول خورشیدی	میزان نور محیط
فن هیتر	ترموکوپل ترمیستور ترموستات دماسنج مقاومتی	دما
بالابر خودرو الکترومغناطیس لرزش	فشار سنج سوئیچ فشاری سلولهای بار	نیرو / فشار
موتور شیر برقی ولت متر پنلی	پتانسیومتر انکودر سنسور بازتابنده LVDT	موقعیت
موتورهای AC و DC استپ موتور ترمز	ژنراتور تاچو اپتوکوپلر سنسور حرکت دوپلر	سرعت
بلندگو بازر زنگ	میکروفن کربن سنسور لرزش پیزوالکتریک	صدا

مبدل ها یا سنسورهای ورودی، یک ولتاژ یا سیگنال خروجی تولید می کنند که متناسب با کمیتی که اندازه گیری می کنند، تغییر می کند. نوع یا میزان سیگنال خروجی به نوع سنسور مورد استفاده بستگی دارد. اما به طور کلی، سنسورها را می توان به دو نوع سنسورهای غیر فعال و فعال طبقه بندی کرد.

سنسورهای فعال برای کار به منبع تغذیه خارجی به نام سیگنال تحریک که برای تولید سیگنال خروجی استفاده می شود، نیاز دارند. سنسورهای فعال دستگاه های خود تولید هستند زیرا خصوصیات آنها در پاسخ به یک اثر خارجی تولید شده به عنوان مثال، ولتاژ خروجی DC از 1 تا 10 ولت یا جریان خروجی DC از 4 تا 20 میلی آمپر تغییر می کند. همچنین می توانند سیگنال تقویت شده تولید کنند.

 LVDT یا فشار سنج مثال خوبی برای سنسور فعال است. فشار سنج ها، شبکه های حساس به فشار هستند به گونه ای که متناسب با مقدار نیرو یا فشار وارد شده به سنسور، یک ولتاژ خروجی تولید می کنند.

بر خلاف یک سنسور فعال، یک سنسور غیرفعال به هیچ منبع تغذیه اضافی یا ولتاژ تحریک نیاز ندارد. در عوض، یک سنسور غیرفعال در پاسخ به برخی محرک های خارجی یک سیگنال خارجی تولید می کند. به عنوان مثال، ترموکوپل هنگام قرار گرفتن در معرض حرارت، یک ولتاژ خروجی تولید می کند. سنسورهای غیر فعال مقادیر مقاومت، ظرفیت خازن یا اندوکتانس خود را تغییر می دهند.

سنسور های دیجیتال همانند سنسورهای آنالوگ، خروجی را به صورت گسسته که یک عدد باینری یا دیجیتال شامل 0 و 1 است را تولید می کنند.

سنسور دیجیتال و آنالوگ

سنسور آنالوگ

سنسورهای آنالوگ، سیگنال یا ولتاژ خروجی دائمی تولید می کنند که متناسب با نوع کمیت مورد اندازه گیری است. کمیت های قابل اندازه گیری از قبیل دما، سرعت، جابجایی و فشار، همگی کمیت آنالوگ هستند زیرا تمایل به مداوم بودن دارند. به عنوان مثال، دمای مایع را می توان با استفاده از دماسنج یا ترموکوپل اندازه گیری کرد که با گرم یا خنک شدن مایع، به طور مداوم تغییر می کند و در واقع تغییرات دما را نشان می دهد.

ترموکوپل تولید کننده سیگنال آنالوگ

سنسور های آنالوگ تمایل دارند سیگنالهای خروجی تولید کنند که با گذشت زمان به صورت مداوم و به آرامی در حال تغییر هستند. این سیگنال های بسیار کوچک از چند میکرو ولت تا چند میلی ولت هستند، بنابراین به تقویت نیاز دارند.

سپس مدارهایی که سیگنال های آنالوگ را اندازه گیری می کنند معمولاً دارای پاسخ آهسته و دقت پایین هستند. همچنین سیگنال های آنالوگ برای استفاده در میکروکنترلرها به راحتی و با استفاده از مبدل های آنالوگ به دیجیتال یا ADC به سیگنالهای دیجیتال تبدیل می شوند.

سنسور دیجیتال

همانطور که از نام آن مشخص است، سنسورهای دیجیتال، سیگنال های خروجی دیجیتال گسسته یا ولتاژهایی را تولید می کنند که بازنمایی دیجیتالی از کمیت اندازه گیری شده است. سنسورهای دیجیتال سیگنال خروجی دودویی را به صورت منطق “1” و “0” ، (“روشن” یا “خاموش”) تولید می کنند. این بدان معنی است که یک سیگنال دیجیتال فقط مقادیر گسسته (غیر مداوم) تولید می کند که ممکن است به عنوان یک “بیت” (انتقال سریال) یا با ترکیب بیت ها برای تولید یک “بایت” (انتقال موازی) استفاده شود.

کاربرد سنسور نوری در تولید سیگنال دیجیتال

در تصویر بالا، سرعت چرخش شافت با استفاده از سنسور دیجیتال LED / Opto-Detector اندازه گیری می شود. دیسکی که به شافت چرخان ثابت شده (برای مثال، از موتور یا چرخ های ربات)، تعدادی اسلات دارد. با چرخش شافت، دیسک نیز می چرخد. هر اسلات توسط سنسور عبور می کند و تولید پالس خروجی را نشان می دهد که بر اساس منطق “1” و “0” می باشد.

این پالس ها برای نشان دادن سرعت یا چرخش شافت به یک رجیستر شمارنده و در نهایت به یک نمایشگر ال ای دی ، ارسال می شوند. با افزایش تعداد اسلات ها یا “windows” در دیسک، پالس های خروجی بیشتری برای هر چرخش شافت تولید می شود. مزیت این امر این است که وضوح و دقت بیشتری بدست می آید. از این نوع سنسور به کمک یکی از اسلات های دیسک، می توان برای کنترل موقعیت نیز استفاده کرد.

در مقایسه با سیگنال های آنالوگ، سیگنال های دیجیتال دارای دقت بسیار بالایی هستند و هر دو سیگنال در سرعت بسیار بالای کلاک، اندازه گیری و نمونه برداری می شوند. دقت سیگنال دیجیتال متناسب با تعداد بیت های مورد استفاده برای نشان دادن مقدار اندازه گیری شده است. به عنوان مثال، با استفاده از پردازنده 8 بیتی، دقت 0.390٪ (1 قطعه در 256) ایجاد می کند. در حالیکه استفاده از یک پردازنده 16 بیتی دقت 0.0015٪ ، (1 قسمت در 65،536) یا 260 بار دقیق تر را ارائه می دهد. این دقت به دلیل اینکه سیگنال های دیجیتال بسیار سریع و میلیون ها برابر سریعتر از سیگنال های آنالوگ پردازش می شوند، بدست می آید.

در بیشتر موارد، سنسورها و سنسورهای خاص آنالوگ به طور کلی به منبع تغذیه خارجی و نوعی تقویت یا فیلتر سیگنال اضافی نیاز دارند تا بتوانند سیگنال الکتریکی مناسبی تولید کنند که قابلیت اندازه گیری یا استفاده را داشته باشد. یک روش مناسب برای دستیابی به تقویت و فیلتر در یک مدار، استفاده از آمپلی فایرهای عملیاتی است.

تهویه سیگنال سنسور

همانطور که در مقاله تقویت کننده ها مشاهده کردیم، از op-amps می توان برای تقویت سیگنال ها هنگام اتصال در تنظیمات معکوس یا غیر معکوس استفاده کرد.

ولتاژهای سیگنال آنالوگ بسیار کوچک تولید شده توسط یک سنسور مانند چند میلی ولت یا حتی پیکو ولت می توانند بارها و بارها توسط یک مدار Op-Amp ساده تقویت شوند تا سیگنال ولتاژ بسیار بزرگتری از 5v یا 5mA تولید کنند که پس از آن می تواند به عنوان سیگنال ورودی به میکروپروسسور یا سیستم مبتنی بر آنالوگ به دیجیتال استفاده می شود.

بنابراین، برای تولید هر سیگنال کاربردی، سیگنال خروجی سنسورها باید با یک تقویت کننده (آمپلی فایر) که دارای ولتاژ حداکثر 10،000 و جریان حداکثر 1000،000 با تقویت سیگنال خطی و سیگنال خروجی که فقط در دامنه تغییر یافته، تقویت شود.

بنابراین، تقویت بخشی از تهویه سیگنال است. ممکن است هنگام استفاده از سنسورهای آنالوگ، عموماً تقویت (Gain) ، تطبیق امپدانس، ایزوله سازی بین ورودی و خروجی یا شاید فیلتر (انتخاب فرکانس) قبل از استفاده از سیگنال، مورد نیاز باشد و این مساله به راحتی توسط تقویت کننده های عملیاتی انجام می شود.

همچنین هنگام اندازه گیری تغییرات بسیار کوچک، سیگنال خروجی یک سنسور می تواند با سیگنال های ناخواسته یا ولتاژ هایی که مانع از اندازه گیری صحیح سیگنال واقعی می شوند، آلوده شوند. این سیگنال های ناخواسته “نویز” نامیده می شوند. این نویز یا تداخل را می توان با استفاده از تکنیک های تهویه سیگنال یا فیلتر کردن آن، تا حد زیادی کاهش یا حتی از بین برد.

با استفاده از  فلترهای پایین گذر، بالا گذر یا فیلتر Band Pass، می توان پهنای باند نویز را کاهش داد تا فقط سیگنال خروجی مورد نیاز باقی بماند. به عنوان مثال، بسیاری از ورودی های سوئیچ، کیبورد یا کنترل های دستی قادر به تغییر حالت سریع نیستند، بنابراین می توان از فیلتر پایین گذر برای حذف نویز استفاده کرد. هنگامیکه تداخل در یک فرکانس خاص باشد، به عنوان مثال فرکانس اصلی، می توان از فیلتر باند باریک یا فیلتر Notch برای تولید فیلترهای انتخابی فرکانس استفاده کرد.

فیلترهای آپ امپ

اگر پس از فیلتر کردن باز هم نویزی باقی مانده باشد، ممکن است لازم باشد از سیگنال نمونه برداری کرد و سپس میانگین آنها را به دست آورد تا مقدار نهایی بدست آید، بنابراین نسبت سیگنال به نویز را افزایش می دهد. در هر صورت، تقویت و فیلتر سیگنال نقش مهمی در اتصال سنسور و مبدل به میکروپروسسور و سیستمهای الکترونیکی ایفا می کنند.