센서 및 변환기
간단한 독립형 전자 회로를 만들어 반복적으로 빛을 깜박이거나 음표를 연주할 수 있습니다.
센서와 변환기는 각각 전자 회로나 시스템에 통합되어 주변 환경을 측정하거나 변경할 수 있는 입력 및 출력 장치입니다.
그러나 전자 회로나 시스템이 유용한 작업이나 기능을 수행하려면 "ON/OFF" 스위치에서 입력 신호를 읽거나 특정 형태의 출력을 활성화하여 "실제 세계"와 통신할 수 있어야 합니다. 하나의 빛을 밝히는 장치.
즉, 전자 시스템이나 회로는 무언가를 "수행"할 수 있어야 하며 센서와 변환기는 이를 위한 완벽한 구성 요소입니다.
"트랜스듀서"라는 단어는 움직임, 전기 신호, 복사 에너지, 열 또는 자기 에너지 등과 같은 다양한 에너지 형태를 감지하는 데 사용할 수 있는 센서 와 스위치를 전환하는 데 사용할 수 있는 액추에이터를 모두 가리키는 총칭입니다. 전압 또는 전류.
아날로그와 디지털 모두 다양한 유형의 센서와 변환기가 있으며 선택 가능한 입력과 출력이 있습니다. 사용되는 입력 또는 출력 변환기의 유형은 실제로 "감지" 또는 "제어"되는 신호 또는 프로세스의 유형에 따라 다르지만 센서와 변환기를 하나의 물리량을 다른 물리량으로 변환하는 장치로 정의할 수 있습니다.
"입력" 기능을 수행하는 장치는 열이나 힘과 같은 자극에 반응하여 변화하는 일부 특성의 물리적 변화를 "감지"하고 이를 전기 신호로 변환하기 때문에 일반적으로 센서 라고 합니다. "출력" 기능을 수행하는 장치는 일반적으로 액추에이터 라고 하며 움직임이나 소리와 같은 일부 외부 장치를 제어하는 데 사용됩니다.
전기 변환기는 한 종류의 에너지를 다른 종류의 에너지로 변환하는 데 사용됩니다. 예를 들어 마이크(입력 장치)는 증폭(프로세스)을 위해 음파를 전기 신호로 변환하고 스피커(출력 장치)는 음파를 전기 신호로 변환합니다. 이러한 전기 신호는 다시 음파로 변환되며 이러한 유형의 간단한 입출력(I/O) 시스템의 예가 아래에 나와 있습니다.
음향 변환기를 사용한 간단한 입출력 시스템
시장에는 다양한 유형의 센서와 변환기가 있으며, 어느 것을 사용할 것인지 선택하는 것은 측정 또는 제어되는 수량에 따라 달라지며, 아래 표에는 보다 일반적인 유형이 나와 있습니다.
일반 센서 및 변환기
측정 되는 수량 |
입력장치 (센서) |
출력장치 (액추에이터) |
| 조명 수준 | 광 의존 저항기(LDR) 포토다이오드 포토 트랜지스터 태양전지 |
조명 및 램프 LED 및 디스플레이 광섬유 |
| 온도 | 열전대 서미스터 온도 조절기 저항 온도 검출기 |
히터 팬 |
| 힘/압력 | 스트레인 게이지 압력 스위치 로드셀 |
리프트 및 잭 전자석 진동 |
| 위치 | 전위차계 인코더 Reflective/Slotted Opto-switch LVDT |
모터 솔레노이드 패널 미터 |
| 속도 | 회전 속도 발생기 반사형/슬롯형 광 커플러 도플러 효과 센서 |
AC 및 DC 모터 스테퍼 모터 브레이크 |
| 소리 | 탄소 마이크 압전 크리스탈 |
벨 부저 스피커 |
입력 유형 변환기 또는 센서는 측정하는 양(자극)의 변화에 비례하는 전압 또는 신호 출력 응답을 생성합니다. 출력 신호의 유형이나 양은 사용되는 센서 유형에 따라 다릅니다. 그러나 일반적으로 모든 유형의 센서는 수동 센서 또는 능동 센서의 두 가지 종류로 분류될 수 있습니다 .
일반적으로 능동형 센서가 작동하려면 외부 전원 공급 장치가 필요하며, 이는 센서가 출력 신호를 생성하는 데 사용하는 여기 신호 라고 합니다. 능동형 센서는 출력 전압(예: 1~10v DC) 또는 출력 전류(예: 4~20mA DC)를 생성하는 외부 효과에 따라 자체 특성이 변경되기 때문에 자체 생성 장치입니다. 능동 센서는 신호 증폭을 생성할 수도 있습니다.
능동 센서의 좋은 예는 LVDT 센서 또는 스트레인 게이지입니다. 스트레인 게이지는 센서에 가해지는 힘 및/또는 스트레인의 양에 비례하여 출력 전압을 생성하는 방식으로 외부 바이어스(여기 신호)되는 압력 감지 저항 브리지 네트워크입니다.
능동형 센서와 달리 수동형 센서는 추가 전원이나 여자 전압이 필요하지 않습니다. 대신 수동 센서는 일부 외부 자극에 반응하여 출력 신호를 생성합니다. 예를 들어 열에 노출되면 자체 전압 출력을 생성하는 열전대가 있습니다. 패시브 센서는 저항, 커패시턴스 또는 인덕턴스와 같은 물리적 특성을 변경하는 직접 센서입니다.
그러나 아날로그 센서와 마찬가지로 디지털 센서 도 논리 레벨 "0" 또는 논리 레벨 "1"과 같은 이진수 또는 숫자를 나타내는 개별 출력을 생성합니다.
아날로그 및 디지털 센서와 변환기
아날로그 센서
아날로그 센서는 일반적으로 측정되는 양에 비례하는 연속 출력 신호 또는 전압을 생성합니다. 온도, 속도, 압력, 변위, 변형 등과 같은 물리량은 본질적으로 연속적인 경향이 있으므로 모두 아날로그 수량입니다. 예를 들어, 액체의 온도는 액체가 가열되거나 냉각됨에 따라 온도 변화에 지속적으로 반응하는 온도계 또는 열전대를 사용하여 측정할 수 있습니다.
아날로그 신호를 생성하는 데 사용되는 열전대
아날로그 센서는 시간이 지남에 따라 원활하고 지속적으로 변화하는 출력 신호를 생성하는 경향이 있습니다. 이러한 신호는 수 미코볼트(uV)에서 수 밀리볼트(mV)까지 값이 매우 작은 경향이 있으므로 일종의 증폭이 필요합니다.
그러면 아날로그 신호를 측정하는 회로는 일반적으로 응답이 느리거나 정확도가 낮습니다. 또한 아날로그 신호는 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 사용하여 마이크로 컨트롤러 시스템에서 사용하기 위한 디지털 유형 신호로 쉽게 변환될 수 있습니다.
디지털 센서
이름에서 알 수 있듯이 디지털 센서는 측정되는 양을 디지털로 표현하는 개별 디지털 출력 신호 또는 전압을 생성합니다. 디지털 센서는 논리 "1" 또는 논리 "0"("ON" 또는 "OFF") 형태로 이진 출력 신호를 생성합니다. 이는 디지털 신호가 단일 "비트"(직렬 전송)로 출력되거나 비트를 결합하여 단일 "바이트" 출력(병렬 전송)을 생성할 수 있는 이산(비연속) 값만 생성한다는 것을 의미합니다.
디지털 신호를 생성하는 데 사용되는 광 센서
위의 간단한 예에서 회전 샤프트의 속도는 디지털 LED/광검출기 센서를 사용하여 측정됩니다. 회전 샤프트(예: 모터 또는 로봇 휠)에 고정된 디스크에는 디자인 내에 여러 개의 투명 슬롯이 있습니다. 디스크가 샤프트의 속도에 따라 회전함에 따라 각 슬롯은 센서를 통과하여 논리 "1" 또는 논리 "0" 레벨을 나타내는 출력 펄스를 생성합니다.
이 펄스는 카운터 레지스터로 전송되고 마지막으로 샤프트의 속도 또는 회전을 표시하는 출력 디스플레이로 전송됩니다. 디스크 내의 슬롯 또는 "창" 수를 늘리면 샤프트가 회전할 때마다 더 많은 출력 펄스가 생성될 수 있습니다. 이것의 장점은 회전의 일부를 감지할 수 있으므로 더 높은 분해능과 정확도가 달성된다는 것입니다. 그러면 이러한 유형의 센서 배열은 기준 위치를 나타내는 디스크 슬롯 중 하나를 사용하여 위치 제어에 사용될 수도 있습니다.
아날로그 신호와 비교하여 디지털 신호 또는 수량은 매우 높은 정확도를 가지며 매우 높은 클럭 속도에서 측정 및 "샘플링"될 수 있습니다. 디지털 신호의 정확도는 측정된 양을 나타내는 데 사용되는 비트 수에 비례합니다. 예를 들어, 8비트 프로세서를 사용하면 0.390%(256분의 1)의 정확도가 생성됩니다. 16비트 프로세서를 사용하면 0.0015%의 정확도(65,536분의 1) 또는 260배 더 정확합니다. 디지털 양이 아날로그 신호보다 수백만 배 빠른 속도로 매우 빠르게 조작되고 처리되므로 이러한 정확도가 유지될 수 있습니다.
대부분의 경우, 센서, 특히 아날로그 센서는 일반적으로 측정하거나 사용할 수 있는 적절한 전기 신호를 생성하기 위해 외부 전원 공급 장치와 일종의 추가 증폭 또는 신호 필터링이 필요합니다. 단일 회로 내에서 증폭과 필터링을 모두 달성하는 매우 좋은 방법 중 하나는 앞에서 본 것처럼 연산 증폭기를 사용하는 것입니다.
센서 및 변환기의 신호 컨디셔닝
연산 증폭기 튜토리얼에서 본 것처럼 연산 증폭기는 반전 또는 비반전 구성으로 연결될 때 신호 증폭을 제공하는 데 사용될 수 있습니다.
몇 밀리볼트 또는 심지어 피코볼트와 같이 센서에 의해 생성된 매우 작은 아날로그 신호 전압은 간단한 연산 증폭기 회로를 통해 여러 번 증폭되어 5V 또는 5mA의 훨씬 더 큰 전압 신호를 생성할 수 있습니다. 마이크로프로세서 또는 아날로그-디지털 기반 시스템에 대한 입력 신호로 사용됩니다.
따라서 유용한 신호를 제공하려면 센서 출력 신호를 최대 10,000의 전압 이득과 최대 1,000,000의 전류 이득을 갖는 증폭기로 증폭해야 하며, 신호 증폭은 출력 신호가 다음과 같은 정확한 재현이 되도록 선형적이어야 합니다. 입력은 진폭이 변경되었습니다.
그러면 증폭은 신호 조절의 일부입니다. 따라서 아날로그 센서를 사용하는 경우 일반적으로 신호를 사용하기 전에 일종의 증폭(이득), 임피던스 매칭, 입력과 출력 간의 절연 또는 필터링(주파수 선택)이 필요할 수 있으며 이는 연산 증폭기 에 의해 편리하게 수행됩니다 .
또한 매우 작은 물리적 변화를 측정할 때 센서의 출력 신호는 필요한 실제 신호가 올바르게 측정되는 것을 방해하는 원치 않는 신호나 전압으로 "오염"될 수 있습니다. 이러한 원치 않는 신호를 " 노이즈 " 라고 합니다 . 이 잡음이나 간섭은 능동 필터 튜토리얼에서 설명한 대로 신호 조절 또는 필터링 기술을 사용하여 크게 줄이거나 제거할 수 있습니다.
Low Pass , High Pass 또는 Band Pass 필터를 사용하면 노이즈의 "대역폭"을 줄여 필요한 출력 신호만 남길 수 있습니다. 예를 들어, 스위치, 키보드 또는 수동 제어의 다양한 입력 유형은 상태를 빠르게 변경할 수 없으므로 저역 통과 필터를 사용할 수 있습니다. 간섭이 특정 주파수(예: 주 주파수)에서 발생하는 경우 협대역 제거 또는 노치 필터를 사용하여 주파수 선택 필터를 생성할 수 있습니다.
일반적인 연산 증폭기 필터
필터링 후에도 임의의 노이즈가 여전히 남아 있다면 여러 샘플을 채취한 다음 평균을 내서 최종 값을 제공함으로써 신호 대 노이즈 비율을 높여야 할 수도 있습니다. 어느 쪽이든, 증폭과 필터링은 모두 "실제" 조건에서 센서와 변환기를 마이크로프로세서 및 전자 기반 시스템에 연결하는 데 중요한 역할을 합니다.
센서에 대한 다음 튜토리얼에서는 특정 거리나 각도에 대해 한 위치에서 다른 위치로의 이동을 의미하는 물리적 객체의 위치 및/또는 변위를 측정하는 위치 센서를 살펴보겠습니다.