فرادرسسنسور و ترانسدیوسر در مهندسی برق — به زبان ساده
در آموزش‌های قبلی مجله فرادرس، درباره تقویت‌کننده‌ها و تقویت‌کننده‌های عملیاتی صحبت کردیم. در این آموزش به بررسی سنسور و ترانسدیوسر (که گاهی به نام ترنسدیوسر نیز خوانده می‌شود) می‌پردازیم.
برای آنکه یک سیستم یا مدار الکترونیکی، بتواند درست کار کند، باید با جهان اطراف خود در ارتباط باشد. این ارتباط می‌تواند 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، 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 می‌شوند. از اکچویتور یا محرک برای روشن یا خاموش کردن، تنظیم یا به حرکت درآوردنِ یک دستگاه نیز استفاده می‌شود.
انواع مختلفی از سنسورها و ترانسدیوسرها وجود دارد؛ 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 می‌شود.
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» (Voice Recognition sensor) را نشان میدهد.
اکچویتر، برای تامین انرژی لازم جهت کنترل یک فرآیند خاص به کار می‌رود؛ مثل باز و بسته کردن شیر در یک سیستم کنترل. در واقع، محرک، سیگنال الکتریکی را به حرکت یا صدا تبدیل می‌کند.
از ترانسدیوسرهای الکتریکی، برای تبدیل انرژی از یک نوع به نوع دیگر استفاده می‌شود. برای مثال، یک میکروفون (دستگاه ورودی)، امواج صدا را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند. سپس این سیگنال برای تقویت به یک تقویت‌کننده (پردازشگر) فرستاده می‌شود. یک بلندگو، سیگنال‌های الکتریکی را دوباره به امواج صدا تبدیل می‌کند. یک مثال از این نوع سیستم ساده ورودی - خروجی، در شکل زیر آمده است:
سنسور و ترانسدیوسرهای پرکاربرد
انواع مختلفی از سنسورها و ترنسدیوسرها در بازار موجود است.
انتخاب یکی از این سنسورها، به کمیتی بستگی دارد که می‌خواهیم آن را اندازه‌گیری یا کنترل کنیم. انواع پرکاربرد این سنسورها در جدول زیر آمده است:
سنسورها و ترانسدیوسرهای ورودی، سیگنال یا ولتاژ خروجی تولید می‌کنند. این سیگنال با تغییرات کمیت مورد اندازه‌گیری، متناسب است. مقدار یا نوع سیگنال خروجی، به نوع سنسور مورد استفاده بستگی دارد. اما در کل، همه سنسورها را می‌توان به دو دسته تقسیم‌بندی کرد: سنسورهای پسیو و سنسورهای اکتیو.
به طور کلی، سنسورهای اکتیو به یک منبع توان بیرونی احتیاج دارند. به این توان، «سیگنال تحریک» (excitation signal) گفته می‌شود. سنسور از این سیگنال، برای تولید خروجی استفاده می‌کند. مشخصات سنسورهای اکتیو در پاسخ به عامل بیرونی تغییر می‌کند. مثلا با تغییر پارامتر مورد اندازه‌گیری، ولتاژ خروجی از یک ولت به ده ولت یا جریان خروجی از ۴ میلی آمپر به ۲۰ میلی‌آمپر می‌رسد. همچنین سنسورهای اکتیو، قابلیت تقویت سیگنال را دارند.
یک مثال مناسب از سنسورهای اکتیو، سنسور «ترانسفورماتور دیفرانسیلی متغیر خطی» (LVDT) یا یک «کشش سنج» (strain gauge) است. کشش‌سنج، یک شبکه مقاومتیِ حساس به فشار است. ولتاژ خروجی تولید شده توسط این سنسور، با مقدار نیرو یا فشار اعمال شده به سنسور متناسب است. شکل زیر، یک سنسور کشش‌سنج پوشیدنی را نشان میدهد.
بر خلاف سنسور اکتیو، سنسور پسیو به منبع توان یا ولتاژ تحریک نیاز ندارد. سنسور پسیو نیز در پاسخ به تحریک بیرونی، سیگنال خروجی تولید می‌کند. برای مثال، هنگامی که ترموکوپل در معرض حرارت قرار می‌گیرد، یک ولتاژ خروجی تولید می‌کند. بنابراین، سنسور پسیو سنسوری است که مستقیما خواص فیزیکی خود مثل مقاومت، خازن یا سلف را تغییر میدهد.
سنسورهای آنالوگ و دیجیتال
سنسورهای آنالوگ یک سیگنال پیوسته تولید می‌کنند. در حالی که سنسورهای دیجیتال، یک سیگنال خروجی گسسته ایجاد می‌کنند. این سیگنال مقدار منطقی صفر یا یک دارد. در این قسمت به بررسی سیگنال‌های آنالوگ و دیجیتال و کاربردهای آنها می‌پردازیم.
سنسورهای آنالوگ
سنسورهای آنالوگ، یک سیگنال یا ولتاژ پیوسته در خروجی خود تولید می‌کنند. این سیگنال با کمیتی که می‌خواهیم آن را اندازه‌گیری کنیم، متناسب است. کمیت‌های فیزیکی مانند دما، سرعت، فشار، جابجایی، کشش و غیره همگی کمیت‌های آنالوگ و ذاتا پیوسته هستند. برای مثال، شکل زیر را در نظر بگیرید:
دمای یک مایع را می‌توان با استفاده از دماسنج یا ترموکوپل اندازه‌گیری کرد. هنگامی که مایع را گرم یا سرد می‌کنیم، کمیت دما در آن به صورت پیوسته تغییر می‌کند.
سیگنال تولید شده در خروجی سنسورهای آنالوگ، با گذر زمان به آرامی تغییر می‌کند و پیوسته است. اندازه این سیگنال‌ها معمولا بسیار کوچک است (از چند میکرو ولت تا چند میلی ولت). بنابراین وجود تقویت‌کننده ضرورت دارد.
معمولا مدارهایی که سیگنال آنالوگ در آنها اندازه‌گیری می‌شود، دقت پایین یا تغییرات آهسته‌ای دارند. مثلا دما در مایع، به آهستگی تغییر می‌کند. همچنین، در سیستم‌های میکروکنترلر، سیگنال‌های آنالوگ به راحتی به سیگنال‌های دیجیتال تبدیل می‌شوند. این تبدیل، توسط «مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال» (Analogue-to-digital converter) انجام می‌شود.
سنسورهای دیجیتال
سنسورهای دیجیتال، یک سیگنال یا ولتاژ دیجیتال گسسته از کمیت مورد اندازه‌گیری در خروجی خود ایجاد می‌کنند. این سنسورها، سیگنال‌های خروجی دودوئی به شکل صفر و یک منطقی تولید می‌کنند (روشن یا خاموش). به این صورت تنها مقادیر گسسته (غیر پیوسته) تولید می‌شود. این مقدار گسسته «بیت» (bit) نام دارد. اگر چند بیت را ترکیب کنیم، یک «بایت» (byte) تشکیل می‌شود.
مثال ساده شکل زیر را در نظر بگیرید:
در این مثال، یک سنسور دیجیتال تشخیص نور LED، سرعت چرخش میله را اندازه‌گیری می‌کند. دیسک به صورت ثابت روی محور میله قرار گرفته است (مثل چرخ موتور یا ربات). این دیسک روی خود دندانه دارد. فرض می‌شود دیسک با سرعت میله در حال چرخش است. با عبور هر دندانه از نزدیکی سنسور، یک پالس تولید می‌شود. این پالس خروجی، مقدار منطقی صفر یا یک دارد.
این پالس‌ها، به یک «ثَبات» (Register) یا شمارنده فرستاده می‌شوند. در نهایت سرعت چرخش میله روی یک نمایشگر خروجی نشان داده می‌شود. با افزایش تعداد دندانه‌های دیسک، در هر چرخش میله، پالس خروجی بیشتری تولید می‌شود. مزیت این کار، دقت بالاتر در تشخیص چرخش کمتر از یک دور کاملِ میله است. این نوع سنسور را می‌توان برای کنترل مکان زاویه‌ای میله، به کار برد. یک مثال از این نوع سنسورها، حسگر اثر هال دیجیتال است.
سنسورهای دیجیتال در مقایسه با سنسورهای آنالوگ، دقت بسیار بالایی دارند. «نمونه برداری» (sampling) در این سنسورها، با سرعت زمانی بالایی انجام می‌شود. دقت سیگنال دیجیتال، متناسب با تعداد بیت‌های استفاده شده برای نمایش کمیتِ مورد اندازه‌گیری است.
برای مثال، یک پردازنده ۸ بیتی، دقتی معادل 0.39 درصد (۱ در ۲۵۶) دارد. با استفاده از یک پردازنده ۱۶ بیتی به دقتی برابر با 0.0015 درصد (۱ در 65536) می‌رسیم. این پردازنده از پردازنده ۸ بیتی، ۲۶۰ بار دقیق‌تر است. کمیت‌های دیجیتال با سرعتی میلیون‌ها برابر سیگنال‌های آنالوگ، پردازش و نمونه‌برداری می‌شوند. به همین دلیل، رسیدن به این دقت، امکان‌پذیر است.
در بیشتر حالت‌ها، سنسورها و به طور دقیق‌تر، سنسورهای آنالوگ برای تولید سیگنال الکتریکی مناسب، به یک منبع تغذیه بیرونی و تقویت کننده و فیلتر کننده سیگنال نیاز دارند. یک راه متداول برای تقویت و فیلتر سیگنال در مدار، استفاده از تقویت‌کننده‌های عملیاتی یا (Op-Amp) است.
تبدیل یا فرم‌دهی سیگنال
همانگونه که در مبحث مربوط به تقویت‌کننده‌های عملیاتی دیدیم، از اپ امپ برای تقویت سیگنال استفاده می‌شود. ولتاژ سیگنال آنالوگ تولید شده توسط سنسور، بسیار کوچک است (در حد چند میلی‌ولت یا حتی پیکوولت). با استفاده از یک تقویت‌کننده عملیاتی ساده می‌توان این ولتاژ را به مقادیر بسیار بزرگتری تبدیل کرد.
بنابراین، برای ایجاد یک سیگنال مناسب، لازم است که خروجی سنسور با یک تقویت‌کننده، تقویت شود. این تقویت‌کننده می‌تواند بهره ولتاژ معادل ده هزار و بهره جریان معادل یک میلیون داشته باشد. همچنین تقویت سیگنال باید خطی باشد. به این ترتیب، سیگنال خروجی، شکل کلی سیگنال ورودی را دارد، اما دامنه این سیگنال بزرگتر است.
بنابراین، تقویت نیز بخشی از «فرم‌دهی به سیگنال» (Signal Conditioning) است. هنگام استفاده از سنسور آنالوگ، باید تقویت، تطبیق امپدانس، فیلتر فرکانس و ایزولاسیون بین ورودی و خروجی انجام شود تا خروجی سنسور، یک سیگنال قابل استفاده باشد. تمامی این موارد با استفاده از تقویت‌کننده‌های عملیاتی قابل انجام است.
همچنین وقتی بخواهیم تغییرات فیزیکی کوچک را اندازه‌گیری کنیم، ممکن است سیگنال خروجی سنسور با سیگنال‌ها یا ولتا‌ژهای ناخواسته، «آلوده» (Contaminated) شوند. در این صورت، امکان اندازه‌گیری دقیق سیگنالِ خروجیِ سنسور وجود ندارد. این سیگنال‌های ناخواسته، «نویز» (Noise) نامیده می‌شوند. نویز یا تداخل را می‌توان با استفاده از تکنیک‌های فرم‌دهی به سیگنال یا فیلتر، به شدت کاهش داد یا حذف کرد.
با استفاده از فیلتر پایین‌گذر، بالاگذر یا میان‌گذر، می‌توان پهنای باند نویز را کاهش داد تا فقط سیگنال خروجی، خالص باقی بماند. برای مثال انواع مختلف ورودی مثل سوئیچ‌ها، صفحه کلید یا کنترل‌های دستی نمی‌توانند به سرعت تغییر حالت دهند. بنابراین، می‌توان از فیلترهای پایین گذر استفاده کرد. اگر در یک فرکانس خاص مثل فرکانس میانی، تداخل داشته باشیم، می‌توان از «فیلتر ناچ» (Notch Filter) یا فیلتر میان‌نگذر با باند باریک استفاده کرد. به این ترتیب، فیلتر انتخابگر فرکانس داریم.
فیلتر با استفاده از اپ - امپ
اگر بعد از فیلتر کردن سیگنال، همچنان نویز تصادفی در مدار داشته باشیم، لازم است چندین نمونه‌گیری انجام شود. با پردازش مجدد، «نسبت سیگنال به نویز» (Signal-to-noise-ratio) خروجی افزایش خواهد یافت.
فیلتر با استفاده از اپ - امپدر هر حال، هم در سنسورها و ترنسودیوسرها و هم در میکروپروسسورها، تقویت و فیلتر کردن سیگنال نقش اساسی دارد.
در آموزش‌های بعدی در مورد انواع مختلف سنسورها بحث خواهیم کرد.
اگر به مطالب بیان شده علاقه‌مند هستید و می‌خواهید جزئیات بیشتری درباره آنها بدانید، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:
- تقویت کننده ها (Amplifiers) — به زبان ساده
- سنسور فاصله سنج | عملکرد، انواع و مدار عملی — به زبان ساده
^^
سلام ببخشید سنسور کشش سنج پوشیدنی و قابل انعطاف قیمتش چقدره الان؟