Simple circuite electronice independente pot fi făcute pentru a licări în mod repetat o lumină sau a reda o notă muzicală.

Dar, pentru ca un circuit sau un sistem electronic să efectueze orice sarcină sau funcție utilă, trebuie să fie capabil să comunice cu "lumea reală" indiferent dacă acest lucru se face prin citirea unui semnal de intrare de la un comutator "ON/OFF" sau prin activarea unei anumite forme a dispozitivului de ieșire pentru a ilumina o singură lumină.

Cu alte cuvinte, un sistem electronic sau un circuit trebuie să fie capabil sau capabil să "facă" ceva, iar senzorii și traductoarele sunt componentele perfecte pentru a face acest lucru.

Cuvântul "Traductor" este termenul colectiv folosit atât pentru senzori care pot fi utilizați pentru a detecta o gamă largă de forme diferite de energie, cum ar fi mișcarea, semnalele electrice, energia radiantă, energia termică sau magnetică etc. cât și pentru actuatoare care pot fi utilizate pentru a comuta tensiuni sau curenți.

Există mai multe tipuri diferite de senzori și traductoare, atât analogice cât și digitale, precum și de intrare și ieșire disponibile pentru alegere. Tipul de traductor de intrare sau de ieșire utilizat depinde într-adevăr de tipul de semnal sau de proces care este "Detectat" sau "Controlat", dar putem defini un senzor și traductoare ca dispozitive care convertesc o cantitate fizică în alta.

Dispozitivele care efectuează o funcție "Input" sunt denumite în mod obișnuit senzori, deoarece aceștia "simt" o schimbare fizică a unor caracteristici care variază ca răspuns la o anumită excitație, de exemplu căldură sau forță și le convertesc într-un semnal electric. Dispozitivele care efectuează o funcție "Output" sunt numite în general actuatoare și sunt utilizate pentru a controla un dispozitiv extern, de exemplu mișcarea sau sunetul.

Traductoarele electrice sunt folosite pentru a transforma energia de un tip într-o energie de altă natură, de exemplu, un microfon (dispozitiv de intrare) convertește undele de sunet în semnale electrice pentru ca amplificatorul să amplifice (un proces), iar un difuzor (dispozitiv de ieșire) convertește aceste semnale electrice înapoi în unde de sunet și un exemplu de acest tip de sistem simplu de intrare/ieșire (I/O) este dat mai jos.

Există multe tipuri diferite de senzori și traductoare disponibile pe piață, iar alegerea a ceea ce se utilizează într-adevăr depinde de cantitatea măsurată sau controlată, cu cele mai comune tipuri prezentate în tabelul de mai jos:

Senzori și traductoare comune

Traductoarele sau senzorii de tip intrare produc un răspuns de ieșire de tensiune sau de semnal, proporțional cu variația cantității pe care o măsoară (stimulul). Tipul sau valoarea semnalului de ieșire depinde de tipul de senzor utilizat. Dar, în general, toate tipurile de senzori pot fi clasificate în două moduri, fie senzori pasivi fie senzori activi.

În general, senzorii activi necesită o sursă de alimentare externă pentru a funcționa, numită semnal de excitație utilizat de senzor pentru a produce semnalul de ieșire. Senzorii activi sunt dispozitive de autogenerare, deoarece propriile lor caracteristici se schimbă ca răspuns la un efect extern producând, de exemplu, o tensiune de ieșire de 1 până la 10 VDC sau un curent de ieșire cum ar fi 4 până la 20 mADC. Senzorii activi pot produce, de asemenea, amplificarea semnalului.

Un bun exemplu de senzor activ este un senzor LVDT sau o marcă tensometrică. Mărcile tensometrice sunt rețele de punți rezistive sensibile la presiune care sunt polarizate extern (semnal de excitație) astfel încât să producă o tensiune de ieșire proporțională cu cantitatea de forță și/sau solicitare aplicată senzorului.

Spre deosebire de un senzor activ, un senzor pasiv nu are nevoie de sursă de alimentare suplimentară sau de tensiune de excitație. În schimb, un senzor pasiv generează un semnal de ieșire ca răspuns la un anumit stimul extern. De exemplu, un termocuplu care generează propria ieșire de tensiune atunci când este expus la căldură. Deci, senzorii pasivi sunt senzori direcți care își schimbă proprietățile fizice, ca rezistența, capacitatea sau inductanța etc.

Dar, la fel ca senzorii analogici, senzorii digitali produc o ieșire discretă reprezentând un număr sau o cifră binară, cum ar fi un nivel logic "0" sau un nivel logic "1".

Senzori analogici și digitali

Senzori analogici

Senzorii analogici produc un semnal sau o tensiune continuă de ieșire care este, în general, proporțională cu cantitatea măsurată. Cantitățile fizice, cum ar fi temperatura, viteza, presiunea, deplasarea, deformația etc. sunt toate cantități analogice, deoarece acestea tind să aibă un caracter continuu. De exemplu, temperatura unui lichid poate fi măsurată utilizând un termometru sau un termocuplu care reacționează continuu la schimbările de temperatură când lichidul este încălzit sau răcit.

Termocuplu folosit pentru a produce un semnal analogic

Senzorii analogici au tendința de a produce semnale de ieșire care se schimbă lent și continuu în timp. Aceste semnale tind să aibă o valoare foarte mică, de la câțiva micro-volți (μV) la mai mulți mili-volți (mV), deci este necesară o formă de amplificare.

Deci, circuitele care măsoară semnalele analogice au de obicei un răspuns lent și/sau o acuratețe redusă. De asemenea, semnalele analogice pot fi ușor convertite în semnale de tip digital pentru a fi utilizate în sistemele cu micro-controler prin utilizarea convertoarelor analogic-digital, sau ADC-uri.

Senzori digitali

După cum sugerează și numele, senzorii digitali produc semnale sau tensiuni discrete digitale de ieșire care sunt o reprezentare digitală a cantității măsurate. Senzorii digitali produc un semnal de ieșire binar sub forma unui "1" logic sau a unui "0" logic, ("ON" sau "OFF"). Aceasta înseamnă că un semnal digital produce numai valori discrete (non-continue) care pot fi emise ca un singur bit (transmisie serială) sau prin combinarea biților pentru a produce o singură ieșire "byte" (transmisie paralelă).

Senzor de lumină folosit pentru a produce un semnal digital

În exemplul nostru simplu de mai sus, viteza arborelui rotativ este măsurată prin utilizarea unui senzor digital LED/Opto-detector. Discul care este fixat pe un arbore rotativ (de exemplu, de pe roțile motorului sau robotului) are un număr de fante transparente în cadrul designului său. Pe măsură ce discul se rotește cu viteza arborelui, fiecare fantă trece prin senzor la rândul său, producând un impuls de ieșire reprezentând un nivel logic "1" sau logic "0".

Aceste impulsuri sunt trimise la un registru al contorului și, în final, la un afișaj de ieșire pentru a arăta viteza sau rotația arborelui. Prin creșterea numărului de fante sau "ferestre" din interiorul discului, pot fi produse mai multe impulsuri de ieșire pentru fiecare rotație a arborelui. Avantajul este că se obține o rezoluție și o acuratețe mai mare, deoarece pot fi detectate fracțiunile unei rotații. Atunci, acest tip de aranjament de senzor ar putea fi utilizat pentru control pozițional, cu una dintre fantele discului reprezentând o poziție de referință.

În comparație cu semnalele analogice, semnalele sau cantitățile digitale au o acuratețe foarte mare și pot fi atât măsurate cât și "eșantionate" la o viteză foarte mare de tact. Acuratețea semnalului digital este proporțională cu numărul de biți utilizați pentru a reprezenta cantitatea măsurată. De exemplu, folosind un procesor de 8 biți, va produce o acuratețe de 0,390% (1 parte din 256). În timp ce utilizarea unui procesor de 16 biți oferă o precizie de 0,0015%, (1 parte la 65.536) sau de 260 ori mai exacte. Această precizie poate fi menținută deoarece cantitățile digitale sunt manevrate și procesate foarte rapid, de milioane de ori mai rapid decât semnalele analogice.

În cele mai multe cazuri, senzorii și, mai precis, senzorii analogi necesită, în general, o sursă externă de alimentare și o formă de amplificare suplimentară sau filtrare a semnalului pentru a produce un semnal electric adecvat care să poată fi măsurat sau utilizat. O modalitate foarte bună de a realiza atât amplificarea, cât și filtrarea într-un singur circuit este utilizarea amplificatoarelor operaționale.

Condiționarea semnalelor de la senzori

Așa cum am văzut în tutorialul Amplificator operațional, op-amp-ii pot fi utilizați pentru a asigura amplificarea semnalelor atunci când sunt conectați fie în configurații inversoare, fie în neinversoare.

Tensiunile de semnal analogic foarte mici produse de un senzor, cum ar fi câteva milivolți sau chiar picovolți, pot fi amplificate de multe ori printr-un simplu circuit op-amp pentru a produce un semnal de tensiune mult mai mare, de exemplu 5 V sau 5 mA, care poate fi folosit ca semnal de intrare pentru un sistem bazat pe microprocesor sau convertor analogic-digital.

Prin urmare, pentru a furniza orice semnal util, un semnal de ieșire a senzorilor trebuie să fie amplificat cu un amplificator care are un câștig de tensiune de până la 10.000 și un câștig de curent de până la 1.000.000 cu amplificarea semnalului fiind liniară, cu semnalul de ieșire reprezentând o reproducere exactă a intrării, doar modificată în amplitudine.

Atunci, amplificarea face parte din condiționarea semnalului. Deci, atunci când se utilizează senzori analogici, în general pot fi necesare unele forme de amplificare (Gain), potrivirea impedanței, izolarea între intrare și ieșire sau poate filtrarea (selectarea frecvenței) înainte ca semnalul să poată fi utilizat și acest lucru este realizat convenabil de către amplificatoarele operaționale.

De asemenea, la măsurarea variațiilor fizice foarte mici, semnalul de ieșire al unui senzor poate deveni "contaminat" cu semnale sau tensiuni nedorite care împiedică măsurarea corectă a semnalului real necesar. Aceste semnale nedorite se numesc "zgomot". Acest zgomot sau interferență poate fi redus foarte mult sau chiar eliminat prin utilizarea tehnicilor de condiționare a semnalului sau de filtrare așa cum am discutat în tutorialul Filtru activ.

Utilizând fie un filtru Low pass, fie un High pass sau chiar un filtru Band Pass, "lățimea de bandă" a zgomotului poate fi redusă pentru a lăsa doar semnalul de ieșire necesar. De exemplu, multe tipuri de intrări de la întrerupătoare, tastaturi sau comenzi manuale nu sunt capabile să schimbe rapid starea și pot fi folosite filtre low-pass. Atunci când interferența este la o anumită frecvență, de exemplu, frecvența rețelei, banda îngustă rejectează sau filtrele Notch pot fi folosite pentru a produce filtre selective de frecvență.

Filtre tipice op-amp

Dacă au rămas zgomote aleatorii după filtrare, ar putea fi necesar să se ia mai multe eșantioane și apoi să le medieze pentru a da valoarea finală, crescând astfel raportul semnal-zgomot. Oricum, atât amplificarea cât și filtrarea joacă un rol important în interfața dintre senzori și traductoare în sistemele bazate pe microprocesoare și electronice în condiții "reale".

În următorul tutorial despre senzori, vom analiza senzorii poziționali care măsoară poziția și/sau deplasarea obiectelor fizice, ceea ce înseamnă mișcarea de la o poziție la alta pentru o anumită distanță sau unghi.