センサーとトランスデューサ

センサーとトランスデューサ

電子回路やシステムが有用なタスクや機能を実行するためには、これが「ON /OFF」スイッチからの入力信号を読み取るか、または出力デバイスの何らかの形を作動させることによって単一の光を照らすことによって、「現実世界」と通信できる必要があります。

言い換えれば、電子システムまたは回路は何かを行うことができるか、または可能でなければならないとセンサーとトランスデューサはこれを行うための完璧なコンポーネントです。

「トランスデューサー」という言葉は、動き、電気信号、放射エネルギー、熱エネルギーや磁気エネルギーなどの幅広い異なるエネルギー形態を感知するために使用できるセンサと、電圧や電流の切り替えに使用できるアクチュエータの両方に使用される総称です。

さまざまな種類のセンサーとトランスデューサがあり、アナログとデジタル、入出力の両方から選択できます。使用されている入力または出力トランスデューサの種類は、実際には信号またはプロセスの種類によって異なりますが、ある物理量を別の物理量に変換するデバイスとしてセンサーとトランスデューサを定義できます。

「Input」機能を実行するデバイスは、熱や力などの励起に応答して変化する特性の物理的変化を電気信号に密かに「感知」し、電気信号に隠すため、一般的にセンサーと呼ばれています。「出力」機能を実行するデバイスは、一般にアクチュエータと呼ばれ、動きや音などの外部デバイスを制御するために使用されます。

電気トランスデューサは、ある種類のエネルギーを別の種類のエネルギーに変換するために使用されるため、例えば、マイクロホン(入力デバイス)は、音波を増幅器(プロセス)に電気信号に変換し、拡声器(出力デバイス)はこれらの電気信号を音波に変換し、このタイプの単純な入出力(I/O)システムの例を以下に示します。

サウンドトランスデューサを使用したシンプルな入出力システム。

市場で利用可能なセンサーとトランスデューサの多くの異なるタイプがあり、どれを使用するかは、測定または制御される量に依存します。

一般的なセンサーとトランスデューサ。

入力型トランスデューサまたはセンサは、測定する量の変化(刺激)に比例する電圧または信号出力応答を生成する。出力信号のタイプまたは量は、使用するセンサーのタイプによって異なります。しかし、一般的に、すべてのタイプのセンサーは、パッシブセンサーまたはアクティブセンサーの2種類に分類できます。

一般に、アクティブセンサは、出力信号を生成するためにセンサによって使用される励起信号と呼ばれる、動作する外部電源を必要とします。アクティブセンサは、外部の効果に応じて独自の特性が変化し、例えば、1〜10vDCの出力電圧や4〜20mA DCなどの出力電流を生み出すため、自己生成デバイスです。アクティブセンサーは信号増幅も可能です。

アクティブセンサーの良い例として、LVDT センサーまたはひずみゲージがあります。歪みゲージは、センサに適用される力や歪みの量に比例して出力電圧を生成するような方法で、外部バイアス(励起信号)である感圧抵抗ブリッジネットワークです。

アクティブセンサーとは異なり、パッシブセンサーは追加の電源や励起電圧を必要としません。代わりに、パッシブセンサーは、外部刺激に応答して出力信号を生成します。例えば、熱にさらされると独自の電圧出力を生成する熱電対。受動センサは、抵抗、キャパシタンス、インダクタンスなどの物性を変えるダイレクトセンサです。

しかし、アナログセンサーと同様に、デジタルセンサは、ロジックレベル「0」やロジックレベル「1」などの2進数または数字を表す離散出力を生成します。

アナログおよびデジタルセンサ

アナログセンサー

アナログセンサは、一般に測定される量に比例する連続出力信号または電圧を生成します。温度、速度、圧力、変位、ひずみなどの物理的な量は、自然界で連続的である傾向があるため、すべてアナログ量です。例えば、液体の温度は、温度計または熱電対を使用して測定することができ、液体が加熱または冷却されると温度変化に連続的に応答します。

アナログ信号を生成するために使用される熱電対

アナログセンサは、時間の経過とともにスムーズかつ連続的に変化する出力信号を生成する傾向があります。これらの信号は、数ミリボルト(mV)から数ミリボルト(mV)までの値が非常に小さい傾向があるため、何らかの形の増幅が必要です。

その後、アナログ信号を測定する回路は、通常、応答が遅い、または低い精度を持ちます。アナログ信号は、アナログからデジタルへの変換器、またはADCの使用により、マイクロコントローラシステムで使用するデジタル型信号に簡単に変換できます。

デジタルセンサー

その名前が示すように、デジタルセンサは、測定される量のデジタル表現である個別のデジタル出力信号または電圧を生成します。デジタルセンサは、ロジック"1"またはロジック"0"、"ON"または"OFF"の形式でバイナリ出力信号を生成します。つまり、デジタル信号は、単一の「ビット」として出力されるか、(シリアル伝送)、または単一の「バイト」出力(並列伝送)を生成するためにビットを組み合わせることによって出力される、離散的な(連続しない)値を生成することを意味します。

デジタル信号を生成するために使用される光センサ

上記の簡単な例では、回転軸の速度はデジタルLED/光検出器センサーを使用して測定されます。回転軸(例えば、モーターやロボットの車輪から)に固定されたディスクには、その設計内に透明なスロットが多数ある。ディスクがシャフトの速度と共に回転すると、各スロットはセンサーによって順番に、ロジック"1"またはロジック"0"レベルを表す出力パルスを生成します。

これらのパルスは、カウンタのレジスタに送信され、最後に、シャフトの速度または回転を示すために出力ディスプレイに送信されます。ディスク内のスロットまたは「窓」の数を増やすことによって、より多くの出力パルスがシャフトの各回転に対して生成することができます。この利点は、回転の分数を検出できるほど、解像度と精度が向上することです。次に、このタイプのセンサー配置は、基準位置を表すディスクスロットの1つで位置制御にも使用できます。

アナログ信号と比較して、デジタル信号や量は非常に高い精度を持ち、非常に高いクロック速度で測定および「サンプリング」することができます。デジタル信号の精度は、測定された量を表すために使用されるビット数に比例します。たとえば、8ビットのプロセッサを使用すると、0.390%(256の1部)の精度が得られます。16ビットのプロセッサを使用している間、0.0015%、(65,536の1部)または260倍の精度を与えます。この精度は、デジタル量が非常に迅速に操作され、アナログ信号よりも何百万倍も速く処理されるため、維持することができます。

ほとんどの場合、センサやより具体的にはアナログセンサは、一般に、外部電源と、測定または使用することができる適切な電気信号を生成するために、信号の増幅またはフィルタリングの何らかの形を必要とします。1つの回路内で増幅とフィルタリングを実現する非常に良い方法の1つは、前に見たようにオペアンプを使用する方法です。

センサの信号調節

オペアンプのチュートリアルで見たように、op-ampsは反転または非反転構成で接続されている信号の増幅を提供するために使用することができます。

数ミリボルトやピコボルトなどのセンサによって生成される非常に小さなアナログ信号電圧は、簡単なオペアンプ回路によって何度も増幅され、マイクロプロセッサまたはアナログデジタルベースのシステムへの入力信号として使用できる5vまたは5mAというはるかに大きな電圧信号を生成することができます。

したがって、センサ出力信号を有効な信号を提供するには、最大10,000の電圧ゲインと最大1,000,000の電流ゲインを持つ増幅器で増幅する必要があり、出力信号が入力の正確な再生である出力信号でリニアで、振幅で変化するだけです。

次いで増幅は信号調節の一部である。したがって、アナログセンサを使用する場合、一般的に何らかの増幅(ゲイン)、インピーダンスマッチング、入出力間の絶縁、またはおそらくフィルタリング(周波数選択)が必要な場合があります。

また、非常に小さな物理的変化を測定する場合、センサの出力信号は、必要な実際の信号が正しく測定されるのを妨げる望ましくない信号や電圧で「汚染」される可能性があります。これらの不要な信号は「ノイズ」と呼ばれます。このノイズまたは干渉は、アクティブフィルタチュートリアルで説明したように、信号調節またはフィルタリング技術を使用して大幅に削減または排除することができます。

ローパス、ハイパス、バンドパスフィルタのいずれかを使用することで、ノイズの「帯域幅」を減らし、必要な出力信号だけを残すことができます。たとえば、スイッチ、キーボード、手動制御からの入力の多くは、状態を迅速に変更することができないため、ローパスフィルタを使用できます。干渉が特定の周波数(例えば主波周波数)にある場合、狭帯域拒否フィルタまたはNotchフィルタを使用して周波数選択フィルタを生成することができます。

典型的なオペアンプフィルタ

フィルタリング後にランダムノイズがまだ残っていた場合は、いくつかのサンプルを採取し、それらを平均して最終的な値を得る必要があり、信号対雑音比を大きくする必要があります。いずれにせよ、増幅とフィルタリングの両方が「現実世界」の条件でマイクロプロセッサとエレクトロニクスベースのシステムにセンサーとトランスデューサの両方をインターフェースする上で重要な役割を果たします。

センサーについての次のチュートリアルでは、特定の距離または角度の 1 つの位置から別の位置への移動を意味する物理オブジェクトの位置や変位を測定する位置センサーを見てみましょう。

詳細は、お問い合わせ先sales@xfullstar.com