مجسات ومحولات طاقة

مجسات ومحولات طاقة

لكي تقوم الدائرة الإلكترونية أو النظام بأداء أي مهمة أو وظيفة مفيدة ، يجب أن تكون قادرة على التواصل مع "العالم الحقيقي" سواء كان ذلك عن طريق قراءة إشارة إدخال من مفتاح "تشغيل / إيقاف" أو عن طريق تنشيط بعض أشكال جهاز الإخراج لإلقاء الضوء على ضوء واحد.

بمعنى آخر ، يجب أن يكون النظام أو الدائرة الإلكترونية قادرًا أو قادرًا على "القيام" بشيء ما ، وأن أجهزة الاستشعار والمحولات هي المكونات المثالية للقيام بذلك.

كلمة "محول" هي المصطلح الجماعي المستخدم لكلا المستشعرات والتي يمكن استخدامها لاستشعار مجموعة واسعة من أشكال الطاقة المختلفة مثل الحركة والإشارات الكهربائية والطاقة المشعة والطاقة الحرارية أو المغناطيسية وما إلى ذلك ، والمحفزات التي يمكن استخدامها لتبديل الفولتية أو التيارات.

هناك العديد من الأنواع المختلفة من أجهزة الاستشعار والمحولات ، التناظرية والرقمية والمدخلات والمخرجات المتاحة للاختيار من بينها. يعتمد نوع محول الإدخال أو الإخراج المستخدم حقًا على نوع الإشارة أو العملية التي يتم "استشعارها" أو "التحكم فيها" ولكن يمكننا تعريف المستشعر والمحولات كأجهزة تحول كمية مادية إلى أخرى.

تسمى الأجهزة التي تؤدي وظيفة "الإدخال" عادةً أجهزة الاستشعار لأنها "تشعر" بتغير مادي في بعض الخصائص التي تتغير استجابةً لبعض الإثارة ، على سبيل المثال الحرارة أو القوة وتحول ذلك إلى إشارة كهربائية. تسمى الأجهزة التي تؤدي وظيفة "الإخراج" بشكل عام بالمحركات وتستخدم للتحكم في بعض الأجهزة الخارجية ، على سبيل المثال الحركة أو الصوت.

تُستخدم المحولات الكهربائية لتحويل الطاقة من نوع إلى طاقة من نوع آخر ، فعلى سبيل المثال ، يقوم الميكروفون (جهاز الإدخال) بتحويل الموجات الصوتية إلى إشارات كهربائية لتضخيمها (عملية) ، ومكبر الصوت (جهاز الإخراج) يحول هذه الموجات الكهربائية إشارات إلى الموجات الصوتية ومثال على هذا النوع من نظام الإدخال / الإخراج البسيط (I / O) أدناه.

نظام إدخال / إخراج بسيط باستخدام محولات الصوت.

هناك العديد من الأنواع المختلفة من أجهزة الاستشعار والمحولات المتوفرة في السوق ، ويعتمد اختيار أي منها على الكمية التي يتم قياسها أو التحكم فيها ، مع الأنواع الأكثر شيوعًا الواردة في الجدول أدناه:

أجهزة الاستشعار والمحولات العامة.

تنتج محولات الطاقة أو المستشعرات من نوع الإدخال استجابة خرج جهد أو إشارة تتناسب مع التغير في الكمية التي يقيسونها (التحفيز). يعتمد نوع أو مقدار إشارة الخرج على نوع المستشعر المستخدم. ولكن بشكل عام ، يمكن تصنيف جميع أنواع أجهزة الاستشعار إلى نوعين ، إما أجهزة الاستشعار السلبية أو أجهزة الاستشعار النشطة.

بشكل عام ، تتطلب المستشعرات النشطة مصدر طاقة خارجي للعمل ، يسمى إشارة الإثارة التي يستخدمها المستشعر لإنتاج إشارة الخرج. أجهزة الاستشعار النشطة هي أجهزة ذاتية التوليد لأن خصائصها تتغير استجابة لتأثير خارجي ينتج على سبيل المثال ، جهد إخراج من 1 إلى 10 فولت تيار مستمر أو تيار خرج مثل 4 إلى 20 مللي أمبير تيار مستمر. يمكن لأجهزة الاستشعار النشطة أيضًا إنتاج تضخيم الإشارة

خير مثال على المستشعر النشط هو مستشعر LVDT أو مقياس الضغط. مقاييس الإجهاد عبارة عن شبكات جسور مقاومة حساسة للضغط ومنحازة خارجية (إشارة الإثارة) بطريقة تنتج جهد خرج يتناسب مع مقدار القوة و / أو الضغط المطبق على المستشعر.

على عكس المستشعر النشط ، لا يحتاج المستشعر السلبي إلى أي مصدر طاقة إضافي أو جهد إثارة. بدلاً من ذلك ، يولد المستشعر السلبي إشارة خرج استجابةً لبعض التحفيز الخارجي. على سبيل المثال ، المزدوجة الحرارية التي تولد ناتج الجهد الخاص بها عند تعرضها للحرارة. ثم المستشعرات المنفعلة هي أجهزة استشعار مباشرة تغير خصائصها الفيزيائية ، مثل المقاومة أو السعة أو الحث ، إلخ.

ولكن بالإضافة إلى المستشعرات التناظرية ، تنتج المستشعرات الرقمية مخرجات منفصلة تمثل رقمًا ثنائيًا أو رقمًا مثل المستوى المنطقي "0" أو المستوى المنطقي "1".

أجهزة الاستشعار التناظرية والرقمية

أجهزة الاستشعار التناظرية

تنتج المستشعرات التناظرية إشارة خرج أو جهدًا متناسبًا بشكل عام مع الكمية التي يتم قياسها. الكميات الفيزيائية مثل درجة الحرارة ، السرعة ، الضغط ، الإزاحة ، الانفعال وغيرها كلها كميات تناظرية لأنها تميل إلى أن تكون مستمرة بطبيعتها على سبيل المثال ، يمكن قياس درجة حرارة السائل باستخدام مقياس حرارة أو مزدوج حراري يستجيب باستمرار للتغيرات في درجة الحرارة مع تسخين السائل أو تبريده.

تستخدم المزدوجة الحرارية لإنتاج إشارة تناظرية

تميل المستشعرات التناظرية إلى إنتاج إشارات خرج تتغير بسلاسة وبشكل مستمر بمرور الوقت. تميل هذه الإشارات إلى أن تكون صغيرة جدًا من حيث القيمة من بضع ميكو فولت (uV) إلى عدة ملي فولت (mV) ، لذلك يلزم وجود شكل من أشكال التضخيم.

ثم الدوائر التي تقيس الإشارات التناظرية عادة ما يكون لها استجابة بطيئة و / أو دقة منخفضة. يمكن أيضًا تحويل الإشارات التناظرية بسهولة إلى إشارات من النوع الرقمي لاستخدامها في أنظمة التحكم الدقيقة عن طريق استخدام المحولات التناظرية إلى الرقمية أو ADC.

مجسات رقمية

كما يوحي اسمها ، تنتج المستشعرات الرقمية إشارات إخراج رقمية منفصلة أو الفولتية التي تمثل تمثيلًا رقميًا للكمية التي يتم قياسها. تنتج المستشعرات الرقمية إشارة خرج ثنائية على شكل منطق "1" أو منطق "0" أو ("ON" أو "OFF"). وهذا يعني أن الإشارة الرقمية تنتج فقط قيمًا منفصلة (غير متصلة) يمكن إخراجها على هيئة "بتة" واحدة ، (إرسال تسلسلي) أو عن طريق دمج البتات لإنتاج خرج "بايت" واحد (إرسال متوازي).

مستشعر الضوء يستخدم لإنتاج إشارة رقمية

في مثالنا البسيط أعلاه ، يتم قياس سرعة العمود الدوار باستخدام مستشعر LED / جهاز استشعار بصري رقمي. يحتوي القرص المثبت على عمود دوار (على سبيل المثال ، من عجلات محرك أو روبوت) على عدد من الفتحات الشفافة داخل تصميمه. عندما يدور القرص بسرعة العمود ، تمر كل فتحة بواسطة المستشعر بدوره ينتج نبضة خرج تمثل المستوى المنطقي "1" أو المستوى المنطقي "0".

يتم إرسال هذه النبضات إلى سجل العداد وأخيراً إلى شاشة الإخراج لإظهار سرعة أو ثورات العمود. من خلال زيادة عدد الفتحات أو "النوافذ" داخل القرص ، يمكن إنتاج المزيد من نبضات الإخراج لكل ثورة في العمود. ميزة هذا هو أنه يتم تحقيق دقة ودقة أكبر حيث يمكن اكتشاف أجزاء من الثورة. ثم يمكن أيضًا استخدام هذا النوع من ترتيب المستشعرات للتحكم الموضعي مع أحد فتحات الأقراص التي تمثل موضعًا مرجعيًا.

بالمقارنة مع الإشارات التماثلية ، تتمتع الإشارات أو الكميات الرقمية بدقة عالية جدًا ويمكن قياسها و "أخذ عينات منها" بسرعة ساعة عالية جدًا. تتناسب دقة الإشارة الرقمية مع عدد البتات المستخدمة لتمثيل الكمية المقاسة. على سبيل المثال ، باستخدام معالج 8 بت ، سينتج دقة تبلغ 0.390٪ (جزء واحد في 256). أثناء استخدام معالج 16 بت يعطي دقة 0.0015٪ (جزء واحد في 65536) أو 260 مرة أكثر دقة. يمكن الحفاظ على هذه الدقة حيث يتم معالجة الكميات الرقمية ومعالجتها بسرعة كبيرة ، أسرع بملايين المرات من الإشارات التناظرية.

في معظم الحالات ، تتطلب المستشعرات وبشكل أكثر تحديدًا أجهزة الاستشعار التماثلية بشكل عام مصدر طاقة خارجي وشكلًا من أشكال التضخيم الإضافي أو ترشيح الإشارة من أجل إنتاج إشارة كهربائية مناسبة يمكن قياسها أو استخدامها. إحدى الطرق الجيدة جدًا لتحقيق كل من التضخيم والتصفية داخل دائرة واحدة هي استخدام مكبرات الصوت التشغيلية كما رأينا من قبل.

تكييف إشارة أجهزة الاستشعار

كما رأينا في البرنامج التعليمي للمضخم التشغيلي ، يمكن استخدام op-amps لتوفير تضخيم الإشارات عند الاتصال في تكوينات معكوسة أو غير معكوسة.

يمكن تضخيم الفولتية الصغيرة جدًا للإشارة التماثلية التي ينتجها مستشعر مثل بضعة ملي فولت أو حتى بيكو فولت عدة مرات بواسطة دائرة op-amp بسيطة لإنتاج إشارة جهد أكبر بكثير من 5v أو 5mA والتي يمكنها بعد ذلك تستخدم كإشارة إدخال لمعالج دقيق أو نظام قائم على التناظرية إلى الرقمية.

لذلك ، لتوفير أي إشارة مفيدة ، يجب تضخيم إشارة خرج المستشعرات بمضخم له زيادة في الجهد تصل إلى 10000 وكسب حالي يصل إلى 1000000 مع تضخيم الإشارة الخطية مع كون إشارة الخرج استنساخًا دقيقًا لـ المدخلات تغيرت في السعة.

ثم يعد التضخيم جزءًا من تكييف الإشارة. لذلك عند استخدام أجهزة الاستشعار التناظرية ، قد تكون هناك حاجة بشكل عام إلى شكل من أشكال التضخيم (الكسب) ، ومطابقة المعاوقة ، والعزل بين المدخلات والمخرجات أو ربما التصفية (اختيار التردد) قبل أن يمكن استخدام الإشارة ويتم تنفيذ ذلك بشكل ملائم بواسطة مكبرات الصوت التشغيلية.

أيضًا ، عند قياس التغييرات الفيزيائية الصغيرة جدًا ، يمكن أن تصبح إشارة خرج المستشعر "ملوثة" بإشارات أو جهد كهربي غير مرغوب فيه تمنع الإشارة الفعلية المطلوبة من القياس بشكل صحيح. هذه الإشارات غير المرغوب فيها تسمى "ضوضاء". يمكن تقليل هذا التشويش أو التداخل بشكل كبير أو حتى التخلص منه باستخدام تقنيات تكييف الإشارة أو التصفية كما ناقشنا في البرنامج التعليمي Active Filter.

باستخدام إما تمرير منخفض أو مرشح تمرير عالي النطاق ، يمكن تقليل "عرض النطاق الترددي" للتشويش لترك إشارة الخرج المطلوبة فقط. على سبيل المثال ، العديد من أنواع المدخلات من المفاتيح أو لوحات المفاتيح أو عناصر التحكم اليدوية غير قادرة على تغيير الحالة بسرعة وبالتالي يمكن استخدام مرشح الترددات المنخفضة. عندما يكون التداخل عند تردد معين ، على سبيل المثال ، يمكن استخدام تردد التيار الكهربائي أو رفض النطاق الضيق أو مرشحات Notch لإنتاج مرشحات انتقائية للتردد.

مرشحات نموذجية Op-amp

في حالة استمرار وجود بعض الضوضاء العشوائية بعد الترشيح ، قد يكون من الضروري أخذ عدة عينات ثم متوسطها لإعطاء القيمة النهائية وبالتالي زيادة نسبة الإشارة إلى الضوضاء. في كلتا الحالتين ، يلعب كل من التضخيم والتصفية دورًا مهمًا في ربط كل من المستشعرات والمحولات مع المعالجات الدقيقة والأنظمة القائمة على الإلكترونيات في ظروف "العالم الحقيقي".

في البرنامج التعليمي التالي حول المستشعرات ، سنلقي نظرة على أجهزة الاستشعار الموضعية التي تقيس موضع و / أو إزاحة الأشياء المادية مما يعني الحركة من موضع إلى آخر لمسافة أو زاوية محددة.

لمزيد من المعلومات ، يرجى الاتصال بنا علىsales@xfullstar.com