Cảm biến và đầu dò

Cảm biến là gì? Đầu dò là gì? Cảm biến và đầu dò có liên quan gì với nhau? Chúng giống và khác nhau ở điểm nào? Cùng tìm hiểu bài viết này nhé.

Cảm biến và đầu dò

Cảm biến là gì? Đầu dò là gì? Cảm biến và đầu dò khác và giống nhau ở điểm nào? Trước khi tìm hiểu mời bạn xem trước bì Cảm biến nhiệt độ là gì?

Các mạch điện tử đơn giản độc lập có thể được thực hiện để lặp lại ánh sáng hoặc phát một nốt nhạc.

Nói cách khác, một hệ thống điện tử hoặc mạch phải có khả năng hoặc có khả năng “làm” một cái gì đó và cảm biến và đầu dò là những thành phần hoàn hảo để làm điều này.

Từ “dò” là thuật ngữ chung dùng cho cả hai cảm biến có thể được sử dụng để cảm nhận được một loạt các dạng năng lượng khác nhau như truyền dẫn, các tín hiệu điện, năng lượng bức xạ, nhiệt hoặc năng lượng từ trường vv, và thiết bị truyền động có thể được sử dụng để chuyển đổi điện áp hoặc dòng điện.

Vậy cảm biến và đầu dò là gì?

Có nhiều loại cảm biến và đầu dò khác nhau, cả analogue và kỹ thuật số lẫn đầu vào và đầu ra có sẵn để bạn lựa chọn. Loại đầu dò đầu vào hoặc đầu ra được sử dụng, thực sự phụ thuộc vào loại tín hiệu hoặc quá trình là “Sensed” hoặc “Controlled” nhưng chúng ta có thể định nghĩa một cảm biến và đầu dò như các thiết bị chuyển đổi một lượng vật lý thành một vật khác.

Các thiết bị thực hiện chức năng “Đầu vào” thường được gọi là Cảm biến vì chúng “cảm nhận” 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 bí mật thành tín hiệu điện. Các thiết bị thực hiện chức năng “Đầu ra” thường được gọi là Thiết bị truyền động và được sử dụng để điều khiển một số thiết bị bên ngoài, ví dụ như chuyển động hoặc âm thanh.

Đầu dò điện được sử dụng để chuyển năng lượng của một loại thành năng lượng của một loại khác, ví dụ, một micrô (thiết bị đầu vào) chuyển đổi sóng âm thành tín hiệu điện cho bộ khuếch đại để khuếch đại (một quá trình), và một loa (thiết bị đầu ra) chuyển đổi các tín hiệu điện trở lại vào sóng âm thanh và một 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 chọn loại cảm biến nào thực sự phụ thuộc vào số lượng được đo hoặc kiểm soát, với các loại phổ biến hơn được đưa ra trong bảng dưới đây:

Cảm biến và đầu dò phổ biến

Bảng các loại cảm biến và đầu dò phổ biến

Đầu dò loại đầu vào hoặc cảm biến, tạo ra một đáp ứng đầu ra điện áp hoặc tín hiệu tỷ lệ với sự thay đổi về số lượng mà chúng đang đo (kích thích). Loại hoặc lượng tín hiệu đầu ra phụ thuộc vào loại cảm biến được sử dụng. Nhưng nói chung, tất cả các loại cảm biến có thể được phân loại thành hai loại, hoặc Cảm biến thụ động hoặc Cảm biến hoạt động .

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

Ví dụ

Một ví dụ điển hình của một cảm biến hoạt động là một cảm biến LVDT hoặc một máy đo biến dạng. Đồng hồ đo căng thẳng là các mạng cầu nối điện trở nhạy áp lực được thiên vị bên ngoài (tín hiệu kích thích) theo cách như vậy để tạo ra điện áp đầu ra tương ứng với số lượng lực và / hoặc chủng được áp dụng cho cảm biến.

Không giống như một cảm biến hoạt động, một cảm biến thụ động không cần bất kỳ nguồn điện bổ sung hoặc điện áp kích thích. 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 đầu ra điện áp riêng của nó khi tiếp xúc với nhiệt. Sau đó, cảm biến thụ động là cảm biến trực tiếp làm thay đổi các đặc tính vật lý của chúng, chẳng hạn như điện trở, điện dung hoặc điện cảm, v.v.

Nhưng cũng như các cảm biến tương tự, Digital Sensors tạo ra một đầu ra rời rạc đại diện cho một số nhị phân hoặc chữ số như một mức logic “0” hoặc một mức logic “1”.

Cảm biến tương tự và cảm biến kỹ thuật số

Cảm biến tương tự là gì? Cảm biến kỹ thuật số là gì? Cảm biến tương tự và cảm biến kỹ thuật số giống và khác nhau ở điểm nào? Cùng tìm hiểu nhé.

Cảm biến tương tự

Cảm biến tương tự tạo ra tín hiệu hoặc điện áp đầu ra liên tục thường tỷ lệ thuận với số lượng được đo. Các đại lượng vật lý như Nhiệt độ, Tốc độ, Áp suất, Sự dịch chuyển, Căng thẳng vv là tất cả các đại lượng tương tự vì chúng có xu hướng liên tục trong tự nhiên. Ví dụ, nhiệt độ của một chất lỏng có thể được đo bằng cách sử dụng một nhiệt kế hoặc cặp nhiệt điện liên tục phản ứng với những thay đổi nhiệt độ khi chất lỏng được làm nóng hoặc làm nguội.

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 đang thay đổi thông suốt và liên tục theo thời gian. Các tín hiệu này có xu hướng rất nhỏ về giá trị từ vài mico-volt (uV) đến vài mili-volt (mV), do đó cần có một số dạng khuếch đại.

Sau đó, các mạch đo tín hiệu tương tự thường có phản hồi chậm và / hoặc độ chính xác thấp. Tín hiệu tương tự cũng 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 bộ chuyển đổi của ADC.

Cảm biến kỹ thuật số

Như tên gọi của nó, Digital Sensors tạo ra một tín hiệu đầu ra kỹ thuật số rời rạc hoặc điện áp là đại diện kỹ thuật số của đại lượng được đo. Cảm biến số tạo ra tín hiệu đầu ra nhị phân dưới dạng logic “1” hoặc logic “0”, (“ON” hoặc “OFF”). Điều này có nghĩa là tín hiệu số chỉ tạo ra các giá trị rời rạc (không liên tục) có thể được xuất thành một bit “đơn”, hoặc kết hợp các bit để tạo ra một đầu ra “byte” đơn (truyền song song).

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

Trong ví dụ đơn giản của chúng tôi ở trên, tốc độ của trục quay được đo bằng cách sử dụng cảm biến phát hiện LED / Opto kỹ thuật số. Đĩa được cố định vào một trục quay (ví dụ, từ một mô-tơ hoặc bánh xe robot), có một số khe trong suốt trong thiết kế của nó. Khi đĩa quay với tốc độ của trục, mỗi khe sẽ đi qua cảm biến lần lượt tạo ra một xung đầu ra đại diện cho một mức logic “1” hoặc logic “0”.

Các xung này được gửi đến thanh ghi của bộ đếm và cuối cùng là hiển thị đầu ra để hiển thị tốc độ hoặc vòng quay của trục. Bằng cách tăng số lượng các khe hoặc “cửa sổ” trong đĩa, nhiều xung đầu ra hơn có thể được tạo ra cho mỗi cuộc cách mạng của trục.

Ưu điểm

Ưu điểm của việc này là độ phân giải và độ chính xác lớn hơn được thực hiện khi phân số của một cuộc cách mạng có thể được phát hiện. Sau đó, loại sắp xếp cảm biến này cũng có thể được sử dụng để điều khiển vị trí với một trong các khe đĩa đại diện cho một vị trí tham chiếu.

So với tín hiệu tương tự, tín hiệu số hoặc số 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 số là tỷ lệ thuận với số bit được sử dụng để biểu diễn số lượng đo được. Ví dụ, sử dụng bộ xử lý 8 bit, sẽ tạo ra độ chính xác là 0,90% (1 phần trong 256).

Trong khi sử dụng một 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 khi số lượng kỹ thuật số được xử lý và xử lý rất nhanh, nhanh hơn hàng triệu lần so với tín hiệu analog.

Trong hầu hết các trường hợp, cảm biến và các bộ cảm biến đặc biệt hơn thường yêu cầu nguồn điện bên ngoài và một số loại khuếch đại bổ sung hoặc lọc tín hiệu để tạo ra tín hiệu điện thích hợp có khả năng đo hoặc sử dụng. Một cách rất tốt để đạt được cả hai khuếch đại và lọc trong một mạch duy nhất là sử dụng Amplifiers hoạt động như đã thấy trước đây.

Tín hiệu điều hòa cảm biến

Như chúng ta đã thấy trong hướng dẫn Amplifier hoạt động, op-amps có thể được sử dụng để cung cấp khuếch đại tín hiệu khi được kết nối trong cấu hình đảo ngược hoặc không đảo ngược.

Các điện áp tín hiệu tương tự rất nhỏ được tạo ra bởi một cảm biến như vài mili-volt hoặc thậm chí pico-volts có thể được khuếch đại nhiều lần bởi một mạch op-amp đơn giản để tạo ra tín hiệu điện áp lớn hơn nhiều so với 5v hoặc 5mA. được sử dụng như một tín hiệu đầu vào cho một bộ vi xử lý hoặc hệ thống dựa trên analog-to-kỹ thuật số.

Khuếch đại

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 điện áp lên tới 10.000 và mức tăng hiện tại lên tới 1.000.000 với khuếch đại tín hiệu tuyến tính với tín hiệu đầu ra là sự tái tạo chính xác đầu vào, chỉ thay đổi theo biên độ.

Sau đó khuếch đại là một phần của điều hòa tín hiệu. Vì vậy, khi sử dụng cảm biến tương tự, nói chung là một số hình thức khuếch đại (Gain), trở kháng phù hợp, cách ly giữa đầu vào và đầu ra hoặc có thể lọc (lựa chọn tần số) có thể được yêu cầu trước khi tín hiệu có thể được sử dụng và điều này được thực hiện thuận tiện bằng cách khuếch đại thuật toán .

Ngoài ra, khi đo các thay đổi vật lý rất nhỏ, tín hiệu đầu ra của cảm biến có thể trở thành “bị nhiễm” với các tín hiệu hoặc điện áp không mong muốn để ngăn chặn tín hiệu thực tế cần thiết để đo chính xác.

Bộ lọc

Các tín hiệu không mong muốn này được gọi là “ Tiếng ồn ”. Noise hoặc Interference này có thể giảm đáng kể hoặc thậm chí bị loại bỏ bằng cách sử dụng kỹ thuật điều chỉnh tín hiệu hoặc lọc như chúng ta đã thảo luận trong hướng dẫn Active Filter.

Bằng cách sử dụng bộ lọc Low Pass , hoặc High Pass hoặc thậm chí là Band Pass, bạn có thể giảm “băng thông” của nhiễu để chỉ yêu cầu tín hiệu đầu ra. Ví dụ, nhiều loại đầu vào từ thiết bị chuyển mạch, bàn phím hoặc điều khiển bằng tay không có khả năng thay đổi trạng thái nhanh chóng và có thể sử dụng bộ lọc thông thấp. Khi nhiễu ở tần số cụ thể, ví dụ tần số chính, bộ lọc dải hẹp hoặc bộ lọc Notch có thể được sử dụng để tạo ra các bộ lọc chọn lọc tần số.

Bộ lọc Op-amp điển hình

Đã có một số tiếng ồn ngẫu nhiên vẫn còn sau khi lọc nó có thể là cần thiết để có một số mẫu và sau đó trung bình họ để cung cấp cho các giá trị cuối cùng để tăng tỷ lệ tín hiệu-tiếng ồn. Dù bằng cách nào, cả khuếch đại và lọc đều đóng một vai trò quan trọng trong việc giao tiếp cả cảm biến và bộ chuyển đổi cho bộ vi xử lý và các hệ thống dựa trên điện tử trong điều kiện “thế giới thực”.

Trong hướng dẫn tiếp theo về Cảm biến, chúng ta sẽ nhìn vào Cảm biến vị trí đo vị trí và / hoặc dịch chuyển của vật thể có nghĩa là chuyển động từ vị trí này sang vị trí khác cho một khoảng cách hoặc góc cụ thể.