Sensor dan Transduser

Sensor dan Transduser

Agar sirkuit elektronik atau sistem dapat melakukan tugas atau fungsi yang berguna, ia harus dapat berkomunikasi dengan "dunia nyata" baik dengan membaca sinyal input dari sakelar "ON / OFF" atau dengan mengaktifkan beberapa bentuk perangkat keluaran untuk menerangi satu cahaya.

Dengan kata lain, Sistem atau rangkaian Elektronik harus dapat atau mampu "melakukan" sesuatu dan Sensor dan Transduser adalah komponen yang sempurna untuk melakukan hal ini.

Kata "Transduser" adalah istilah kolektif yang digunakan untuk kedua Sensoryang dapat digunakan untuk merasakan berbagai bentuk energi yang berbeda seperti gerakan, sinyal listrik, energi pancaran, energi panas atau magnet, dll, dan Aktuator yang dapat digunakan untuk mengalihkan tegangan atau arus.

Ada berbagai jenis sensor dan transduser, baik analog maupun digital dan input dan output tersedia untuk dipilih. Jenis transduser input atau output yang digunakan, sangat bergantung pada jenis sinyal atau proses yang "Sensed" atau "Controlled", tetapi kita dapat mendefinisikan sensor dan transduser sebagai perangkat yang mengubah satu kuantitas fisik menjadi yang lain.

Perangkat yang menjalankan fungsi "Input" biasanya disebut Sensor karena mereka "merasakan" perubahan fisik dalam beberapa karakteristik yang berubah sebagai respons terhadap beberapa eksitasi, misalnya panas atau gaya dan mengubahnya menjadi sinyal listrik. Perangkat yang menjalankan fungsi "Output" umumnya disebut Aktuator dan digunakan untuk mengontrol beberapa perangkat eksternal, misalnya gerakan atau suara.

ListrikTransduser digunakan untuk mengubah energi dari satu jenis menjadi energi jenis lain, jadi misalnya, mikrofon (perangkat input) mengubah gelombang suara menjadi sinyal listrik untuk diperkuat oleh amplifier (proses), dan loudspeaker (perangkat keluaran) mengubah sinyal kembali menjadi gelombang suara dan contoh dari jenis sistem Input / Output (I / O) sederhana ini diberikan di bawah ini.

Sistem Input / Output Sederhana menggunakan Transduser Suara.

Ada banyak jenis sensor dan transduser yang tersedia di pasaran, dan pilihan yang akan digunakan sangat bergantung pada kuantitas yang diukur atau dikendalikan, dengan jenis yang lebih umum diberikan dalam tabel di bawah ini:

Sensor dan Transduser Umum.

Transduser atau sensor tipe input, menghasilkan respons output sinyal atau tegangan yang sebanding dengan perubahan kuantitas yang mereka ukur (stimulus). Jenis atau jumlah sinyal keluaran tergantung pada jenis sensor yang digunakan. Namun secara umum, semua jenis sensor dapat digolongkan menjadi dua macam, baik Sensor Pasif maupun Sensor Aktif.

Umumnya sensor aktif memerlukan catu daya eksternal untuk beroperasi, disebut sinyal eksitasi yang digunakan oleh sensor untuk menghasilkan sinyal keluaran. Sensor aktif adalah perangkat yang menghasilkan sendiri karena propertinya sendiri berubah sebagai respons terhadap efek eksternal yang menghasilkan misalnya, tegangan keluaran 1 hingga 10v DC atau arus keluaran seperti 4 hingga 20mA DC. Sensor aktif juga dapat menghasilkan penguatan sinyal.

Contoh yang baik dari sensor aktif adalah sensor LVDT atau pengukur regangan. Pengukur regangan adalah jaringan jembatan resistif yang sensitif terhadap tekanan yang bias eksternal (sinyal eksitasi) sedemikian rupa sehingga menghasilkan tegangan keluaran yang sebanding dengan jumlah gaya dan / atau regangan yang diterapkan ke sensor.

Tidak seperti sensor aktif, sensor pasif tidak memerlukan sumber daya tambahan atau tegangan eksitasi. Sebaliknya, sensor pasif menghasilkan sinyal keluaran sebagai respons terhadap beberapa stimulus eksternal. Misalnya, termokopel yang menghasilkan keluaran tegangannya sendiri saat terkena panas. Kemudian sensor pasif adalah sensor langsung yang mengubah sifat fisiknya, seperti resistansi, kapasitansi atau induktansi dll.

Tapi seperti halnya sensor analog, Sensor Digital menghasilkan output diskrit yang mewakili angka atau digit biner seperti level logika "0" atau level logika "1".

Sensor Analog dan Digital

Sensor Analog

Sensor Analog menghasilkan sinyal atau tegangan keluaran kontinu yang umumnya sebanding dengan kuantitas yang diukur. Kuantitas fisik seperti Suhu, Kecepatan, Tekanan, Perpindahan, Ketegangan, dll. Semuanya adalah kuantitas analog karena cenderung bersifat kontinu. Misalnya, suhu suatu zat cair dapat diukur dengan menggunakan termometer atau termokopel yang secara terus menerus merespons perubahan suhu saat cairan dipanaskan atau didinginkan.

Termokopel digunakan untuk menghasilkan Sinyal Analog

Sensor analog cenderung menghasilkan sinyal keluaran yang berubah dengan mulus dan terus menerus dari waktu ke waktu. Sinyal ini cenderung sangat kecil nilainya dari beberapa mico-volt (uV) hingga beberapa mili-volt (mV), sehingga diperlukan beberapa bentuk amplifikasi.

Kemudian rangkaian yang mengukur sinyal analog biasanya memiliki respon yang lambat dan / atau akurasi yang rendah. Sinyal analog juga dapat dengan mudah diubah menjadi sinyal tipe digital untuk digunakan dalam sistem mikrokontroler dengan menggunakan konverter analog-ke-digital, atau ADC.

Sensor Digital

Seperti namanya, Sensor Digital menghasilkan sinyal atau tegangan keluaran digital diskrit yang merupakan representasi digital dari kuantitas yang diukur. Sensor digital menghasilkan sinyal keluaran Biner berupa logika “1” atau logika “0”, (“ON” atau “OFF”). Ini berarti bahwa sinyal digital hanya menghasilkan nilai diskrit (tidak kontinu) yang dapat dikeluarkan sebagai "bit" tunggal, (transmisi serial) atau dengan menggabungkan bit untuk menghasilkan keluaran "byte" tunggal (transmisi paralel).

Sensor Cahaya digunakan untuk menghasilkan Sinyal Digital

Dalam contoh sederhana kami di atas, kecepatan poros berputar diukur dengan menggunakan sensor LED / Opto-detektor digital. Disk yang dipasang pada poros yang berputar (misalnya, dari motor atau roda robot), memiliki sejumlah slot transparan dalam desainnya. Saat disk berputar dengan kecepatan poros, setiap slot melewati sensor pada gilirannya menghasilkan pulsa output yang mewakili level logika "1" atau logika "0".

Pulsa ini dikirim ke register penghitung dan akhirnya ke tampilan keluaran untuk menunjukkan kecepatan atau putaran poros. Dengan meningkatkan jumlah slot atau "jendela" di dalam disk, lebih banyak pulsa keluaran dapat dihasilkan untuk setiap putaran poros. Keuntungannya adalah bahwa resolusi dan akurasi yang lebih besar dicapai karena pecahan revolusi dapat dideteksi. Kemudian jenis pengaturan sensor ini juga dapat digunakan untuk kontrol posisi dengan salah satu slot cakram mewakili posisi referensi.

Dibandingkan dengan sinyal analog, sinyal atau besaran digital memiliki akurasi yang sangat tinggi dan dapat diukur dan "diambil sampelnya" pada kecepatan jam yang sangat tinggi. Akurasi sinyal digital sebanding dengan jumlah bit yang digunakan untuk mewakili kuantitas yang diukur. Misalnya menggunakan prosesor 8 bit, akan menghasilkan akurasi 0,390% (1 bagian dalam 256). Sedangkan menggunakan prosesor 16 bit memberikan akurasi 0,0015%, (1 bagian dalam 65,536) atau 260 kali lebih akurat. Akurasi ini dapat dipertahankan karena besaran digital dimanipulasi dan diproses dengan sangat cepat, jutaan kali lebih cepat daripada sinyal analog.

Dalam kebanyakan kasus, sensor dan sensor analog yang lebih spesifik umumnya memerlukan catu daya eksternal dan beberapa bentuk penguatan tambahan atau penyaringan sinyal untuk menghasilkan sinyal listrik yang sesuai yang dapat diukur atau digunakan. Salah satu cara yang sangat baik untuk mencapai penguatan dan pemfilteran dalam satu rangkaian adalah dengan menggunakan Penguat Operasional seperti yang terlihat sebelumnya.

Pengkondisian Sinyal Sensor

Seperti yang kita lihat di tutorial Penguat Operasional, op-amp dapat digunakan untuk memberikan penguatan sinyal ketika dihubungkan baik dalam konfigurasi pembalik atau non-pembalik.

Tegangan sinyal analog yang sangat kecil yang dihasilkan oleh sensor seperti beberapa mili-volt atau bahkan pico-volt dapat diperkuat berkali-kali oleh rangkaian op-amp sederhana untuk menghasilkan sinyal tegangan yang jauh lebih besar, katakanlah 5v atau 5mA yang kemudian dapat digunakan sebagai sinyal input ke mikroprosesor atau sistem berbasis analog-ke-digital.

Oleh karena itu, untuk memberikan sinyal yang berguna, sinyal keluaran sensor harus diperkuat dengan penguat yang memiliki penguatan tegangan hingga 10.000 dan penguatan arus hingga 1.000.000 dengan penguatan sinyal yang linier dengan sinyal keluaran merupakan reproduksi yang tepat dari masukan, baru saja diubah dalam amplitudo.

Kemudian amplifikasi adalah bagian dari pengkondisian sinyal. Jadi ketika menggunakan sensor analog, umumnya beberapa bentuk penguatan (Gain), pencocokan impedansi, isolasi antara input dan output atau mungkin penyaringan (pemilihan frekuensi) mungkin diperlukan sebelum sinyal dapat digunakan dan ini dengan mudah dilakukan oleh Penguat Operasional.

Selain itu, ketika mengukur perubahan fisik yang sangat kecil, sinyal keluaran dari sebuah sensor dapat menjadi "terkontaminasi" dengan sinyal atau tegangan yang tidak diinginkan yang mencegah sinyal sebenarnya yang diperlukan untuk diukur dengan benar. Sinyal yang tidak diinginkan ini disebut "Noise". Kebisingan atau Gangguan ini dapat dikurangi atau bahkan dihilangkan dengan menggunakan pengkondisian sinyal atau teknik pemfilteran seperti yang kita bahas dalam tutorial Filter Aktif.

Dengan menggunakan salah satu dari aLow Pass, atau aHigh Passor evenBand Passfilter, “bandwidth” dari noise dapat dikurangi untuk menyisakan hanya sinyal keluaran yang diperlukan. Misalnya, banyak jenis input dari sakelar, keyboard, atau kontrol manual tidak mampu mengubah status dengan cepat sehingga filter low-pass dapat digunakan. Ketika interferensi berada pada frekuensi tertentu, misalnya frekuensi utama, pita sempit menolak atau filter Notch dapat digunakan untuk menghasilkan filter selektif frekuensi.

Filter Op-amp Umum

Jika beberapa gangguan acak masih tersisa setelah penyaringan, mungkin perlu untuk mengambil beberapa sampel dan kemudian rata-rata untuk memberikan nilai akhir sehingga meningkatkan rasio sinyal-ke-gangguan. Apa pun itu, baik amplifikasi maupun pemfilteran memainkan peran penting dalam menghubungkan sensor dan transduser ke mikroprosesor dan sistem berbasis elektronik dalam kondisi "dunia nyata".

Dalam tutorial berikutnya tentang Sensor, kita akan melihat Sensor Posisi yang mengukur posisi dan / atau perpindahan objek fisik yang berarti pergerakan dari satu posisi ke posisi lain untuk jarak atau sudut tertentu.

Untuk informasi lebih lanjut, silakan hubungi kami disales@xfullstar.com