انواع سنسور
انتقال‌دهنده‌ها: تعریف، عملکردها و طبقه‌بندی
انتقال‌دهنده یک دستگاه الکترونیکی است که نقش مهمی در تبدیل مقادیر فیزیکی به سیگنال‌های الکتریکی ایفا می‌کند. این دستگاه دو عملکرد اساسی دارد: تشخیص و انتقال. ابتدا، مقدار فیزیکی مورد نظر را شناسایی می‌کند، مانند دما، فشار یا جابجایی. سپس، این مقدار فیزیکی را به کار مکانیکی یا بیشتر به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند که می‌توان آن را به راحتی اندازه‌گیری، پردازش و تحلیل کرد.
انتقال‌دهنده‌ها در انواع مختلفی موجود هستند و می‌توان آن‌ها را بر اساس معیارهای مختلف طبقه‌بندی کرد:
بر اساس مکانیزم انتقال استفاده شده: این طبقه‌بندی بر روی فرآیندهای فیزیکی یا شیمیایی خاصی تمرکز می‌کند که انتقال‌دهنده با استفاده از آن‌ها مقدار فیزیکی ورودی را به یک خروجی الکتریکی تبدیل می‌کند. مکانیزم‌های انتقال مختلف برای اندازه‌گیری‌ها و کاربردهای مختلف طراحی شده‌اند که امکان تشخیص دقیق و قابل اعتماد در طیف گسترده‌ای از پدیده‌های فیزیکی را فراهم می‌کند.
به عنوان انتقال‌دهنده‌های اصلی و ثانویه: یک انتقال‌دهنده اصلی به طور مستقیم مقدار فیزیکی اندازه‌گیری شده را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند. در مقابل، یک انتقال‌دهنده ثانویه با یک انتقال‌دهنده اصلی همراه کار می‌کند و سیگنال الکتریکی تولید شده توسط دستگاه اصلی را برای افزایش قابلیت استفاده یا دقت آن مجدداً تغییر یا پردازش می‌دهد.
به عنوان انتقال‌دهنده‌های غیرفعال و فعال: انتقال‌دهنده‌های غیرفعال برای کار کردن به یک منبع تغذیه خارجی نیاز دارند و یک سیگنال خروجی تولید می‌کنند که تابعی از مقدار فیزیکی ورودی و تغذیه اعمال شده است. در مقابل، انتقال‌دهنده‌های فعال شامل یک منبع تغذیه خودی هستند و می‌توانند بدون نیاز به یک منبع تغذیه خارجی یک سیگنال خروجی تولید کنند، اغلب حساسیت و قدرت سیگنال بیشتری ارائه می‌دهند.
به عنوان انتقال‌دهنده‌های آنالوگ و دیجیتال: انتقال‌دهنده‌های آنالوگ یک سیگنال خروجی تولید می‌کنند که به طور مداوم با مقدار فیزیکی ورودی متغیر است، معمولاً به صورت ولتاژ یا جریان. در مقابل، انتقال‌دهنده‌های دیجیتال مقدار ورودی را به یک سیگنال دیجیتال گسسته تبدیل می‌کنند که به راحتی با استفاده از الکترونیک‌های دیجیتال و سیستم‌های محاسباتی مدرن قابل پردازش، ذخیره و انتقال است.
به عنوان انتقال‌دهنده‌ها و انتقال‌دهنده‌های معکوس: یک انتقال‌دهنده استاندارد یک مقدار فیزیکی را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند. انتقال‌دهنده معکوس، به طور مخالف، یک سیگنال الکتریکی را به عنوان ورودی می‌گیرد و آن را به یک مقدار فیزیکی تبدیل می‌کند، به این ترتیب فرآیند یک انتقال‌دهنده سنتی را معکوس می‌کند. این مفهوم در کاربردهایی که کنترل الکتریکی برای تولید یک پاسخ فیزیکی خاص لازم است مفید است.
در عمل، یک انتقال‌دهنده مقدار اندازه‌گیری شده - مقدار فیزیکی مورد اندازه‌گیری - را دریافت می‌کند و یک سیگنال خروجی تولید می‌کند که متناسب با مقدار ورودی است. سپس این سیگنال خروجی به یک دستگاه شرایط‌دهی سیگنال منتقل می‌شود. در اینجا، سیگنال طی مجموعه‌ای از فرآیندها، از جمله تضعیف (تنظیم دامنه سیگنال)، فیلتر کردن (حذف نویز یا فرکانس‌های ناخواسته) و مدولاسیون (رمزگذاری سیگنال برای انتقال یا پردازش بهتر) می‌گذرد. این مراحل مطمئن می‌کنند که سیگنال نهایی به شکل بهینه‌ای برای تحلیل، نمایش یا عملیات کنترل بعدی باشد.
مقدار ورودی یک انتقال‌دهنده معمولاً یک مقدار غیر الکتریکی است، در حالی که سیگنال خروجی الکتریکی می‌تواند به صورت جریان، ولتاژ یا فرکانس باشد.
۱. طبقه‌بندی بر اساس اصل انتقال
انتقال‌دهنده‌ها می‌توانند بر اساس رسانه انتقالی که استفاده می‌کنند طبقه‌بندی شوند. رسانه انتقالی می‌تواند مقاومتی، القایی یا ظرفیتی باشد. این طبقه‌بندی بر اساس فرآیند تبدیل است که انتقال‌دهنده ورودی سیگنال ورودی را به مقاومت، القای یا ظرفیت تبدیل می‌کند. هر نوع رسانه انتقالی ویژگی‌های منحصر به فرد خود را دارد و برای کاربردهای اندازه‌گیری مختلف مناسب است، امکان تبدیل دقیق مقادیر فیزیکی مختلف به سیگنال‌های الکتریکی را فراهم می‌کند.
۲. انتقال‌دهنده‌های اصلی و ثانویه
انتقال‌دهنده اصلی
یک انتقال‌دهنده معمولاً شامل اجزای مکانیکی و الکتریکی است. بخش مکانیکی انتقال‌دهنده مسئول تبدیل مقادیر فیزیکی ورودی به یک سیگنال مکانیکی است. این مؤلفه مکانیکی به عنوان انتقال‌دهنده اصلی شناخته می‌شود. این مؤلفه به عنوان عناصر تشخیص اولیه عمل می‌کند و به طور مستقیم با مقدار فیزیکی مورد اندازه‌گیری، مانند فشار، دما یا جابجایی، تعامل می‌کند و آن را به یک شکل مکانیکی تبدیل می‌کند که می‌تواند مورد پردازش قرار گیرد.انتقال‌دهنده ثانویه
انتقال‌دهنده ثانویه سیگنال مکانیکی تولید شده توسط انتقال‌دهنده اصلی را گرفته و آن را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند. مقدار سیگنال خروجی الکتریکی مستقیماً مرتبط با ویژگی‌های سیگنال مکانیکی ورودی است. به این ترتیب، انتقال‌دهنده ثانویه پلی بین دامنه‌های مکانیکی و الکتریکی ایجاد می‌کند که امکان اندازه‌گیری و تحلیل مقدار فیزیکی اصلی را با استفاده از تکنیک‌های اندازه‌گیری و پردازش الکتریکی فراهم می‌کند.
مثال انتقال‌دهنده‌های اصلی و ثانویه
به عنوان مثال، لوله بوردون، مانند آنچه در شکل زیر نشان داده شده است. لوله بوردون به عنوان یک انتقال‌دهنده اصلی عمل می‌کند. این لوله طراحی شده است تا فشار را تشخیص دهد و آن را به جابجایی در انتهای آزاد خود تبدیل کند. وقتی فشار به لوله اعمال می‌شود، شکل آن تغییر می‌کند و انتهای آزاد آن حرکت می‌کند. این جابجایی سپس به عنوان ورودی مرحله بعدی سیستم عمل می‌کند.
حرکت انتهای آزاد لوله بوردون باعث می‌شود که هسته ترانسفورماتور خطی متغیر جابجایی (LVDT) حرکت کند. وقتی هسته در LVDT حرکت می‌کند، ولتاژ خروجی القایی تولید می‌شود. این ولتاژ القایی مستقیماً متناسب با جابجایی انتهای آزاد لوله و بنابراین با فشار اولیه اعمال شده به لوله بوردون است.
در مورد سیستم لوله بوردون - LVDT، دو فرآیند انتقال متمایز رخ می‌دهد. ابتدا، انتقال اولیه زمانی رخ می‌دهد که لوله بوردون فشار را به جابجایی تبدیل می‌کند. سپس، انتقال ثانویه زمانی رخ می‌دهد که LVDT این جابجایی را به یک سیگنال ولتاژ الکتریکی تبدیل می‌کند. این مثال به وضوح نشان می‌دهد که چگونه انتقال‌دهنده‌های اصلی و ثانویه به طور همزمان برای اندازه‌گیری دقیق و تبدیل یک مقدار فیزیکی به یک خروجی الکتریکی برای تحلیل و استفاده بیشتر کار می‌کنند.
لوله بوردون به عنوان انتقال‌دهنده اصلی عمل می‌کند، در حالی که L.V.D.T. (ترانسفورماتور خطی متغیر جابجایی) به عنوان انتقال‌دهنده ثانویه عمل می‌کند.
۳. انتقال‌دهنده‌های غیرفعال و فعال
انتقال‌دهنده‌ها می‌توانند به دو نوع فعال و غیرفعال تقسیم‌بندی شوند، هر یک با ویژگی‌های عملکردی متمایز.
انتقال‌دهنده‌های غیرفعال
یک انتقال‌دهنده غیرفعال یک دستگاه است که برای کار کردن به یک منبع تغذیه خارجی نیاز دارد، بنابراین به آن انتقال‌دهنده تغذیه‌شده خارجی نیز گفته می‌شود. انتقال‌دهنده‌های ظرفیتی، مقاومتی و القایی نمونه‌های معمول انتقال‌دهنده‌های غیرفعال هستند. این انتقال‌دهنده‌ها با تغییر یک ویژگی الکتریکی (مانند مقاومت، ظرفیت یا القای) در پاسخ به مقدار فیزیکی ورودی کار می‌کنند. اما آن‌ها خودشان انرژی الکتریکی تولید نمی‌کنند؛ بلکه نیاز به یک منبع تغذیه خارجی برای تولید یک سیگنال خروجی قابل اندازه‌گیری دارند که تغییر در مقدار فیزیکی مورد اندازه‌گیری را منعکس می‌کند.
انتقال‌دهنده‌های فعال
در مقابل، یک انتقال‌دهنده فعال نیازی به یک منبع تغذیه خارجی برای کار کردن ندارد. این انتقال‌دهنده‌ها خودتولیدکننده هستند، یعنی می‌توانند ولتاژ یا جریان خروجی خود را تولید کنند. سیگنال خروجی یک انتقال‌دهنده فعال مستقیماً از مقدار فیزیکی ورودی مشتق می‌شود. انتقال‌دهنده‌های فعال قادر به تبدیل پدیده‌های فیزیکی مختلف، مانند سرعت، دما، نیرو و شدت نور، به سیگنال‌های الکتریکی بدون استفاده از ورودی تغذیه خارجی هستند. نمونه‌هایی از انتقال‌دهنده‌های فعال شامل بلورهای پیزوکربنی، سلول‌های فوتولولتائیک، تاکوژنراتورها و ترموكوپل‌ها هستند.
مثال: بلور پیزوکربنی
برای نشان دادن عملکرد یک انتقال‌دهنده فعال، به یک بلور پیزوکربنی فکر کنید. یک بلور پیزوکربنی معمولاً بین دو الکترود فلزی قرار می‌گیرد و کل ساختار به یک پایه محکم بسته می‌شود. سپس یک جرم روی این ساختار قرار می‌گیرد.
بلورهای پیزوکربنی ویژگی منحصر به فردی دارند: وقتی یک نیرو به آن‌ها اعمال می‌شود، ولتاژ الکتریکی تولید می‌کنند. در ساختار توصیف شده، پایه می‌تواند شتاب ببیند که باعث می‌شود جرم نیرویی را به بلور وارد کند. این نیرو، به نوبه خود، ولتاژ خروجی در بلور القاء می‌کند. مقدار این ولتاژ خروجی مستقیماً متناسب با شتاب تجربه شده توسط پایه است، به طور موثر شتاب مکانیکی را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند. این مثال به وضوح نشان می‌دهد که چگونه انتقال‌دهنده‌های فعال می‌توانند سیگنال‌های الکتریکی خود را بر اساس ورودی‌های فیزیکی تولید کنند و عملکرد منحصر به فرد آن‌ها را نسبت به انتقال‌دهنده‌های غیرفعال نشان می‌دهد.
انتقال‌دهنده فوق به عنوان یک شتاب‌سنج شناخته می‌شود که برای تبدیل شتاب به ولتاژ الکتریکی طراحی شده است. باید توجه داشت که این نوع انتقال‌دهنده بدون نیاز به هیچ منبع تغذیه کمکی در حین تبدیل مقدار فیزیکی به سیگنال الکتریکی عمل می‌کند، که خودکفایی آن در تولید سیگنال را نشان می‌دهد.
۴. انتقال‌دهنده‌های آنالوگ و دیجیتال
انتقال‌دهنده‌ها می‌توانند بر اساس طبیعت سیگنال‌های خروجی خود، که می‌توانند پیوسته یا گسسته باشند، طبقه‌بندی شوند.
انتقال‌دهنده‌های آنالوگ
یک انتقال‌دهنده آنالوگ مقدار ورودی را به یک تابع پیوسته تبدیل می‌کند. این بدان معناست که سیگنال خروجی به طور نرم و پیوسته در پاسخ به تغییرات ورودی تغییر می‌کند. نمونه‌هایی از انتقال‌دهنده‌های آنالوگ شامل گیج‌های کششی، ترانسفورماتورهای خطی متغیر جابجایی (LVDTs)، ترموكوپل‌ها و ترمیستورها هستند. این دستگاه‌ها در کاربردهای مختلفی که نیاز به نمایش تناسبی و پیوسته مقادیر فیزیکی مورد اندازه‌گیری دارند، مانند سیستم‌های اندازه‌گیری دقیق و کنترل فرآیند صنعتی، به طور گسترده استفاده می‌شوند.
انتقال‌دهنده‌های دیجیتال
در مقابل، انتقال‌دهنده‌های دیجیتال مقدار ورودی را به یک سیگنال دیجیتال تبدیل می‌کنند، معمولاً به صورت پالس‌ها. سیگنال‌های دیجیتال بر اساس وضعیت‌های دودویی کار می‌کنند و اطلاعات را به صورت "بالا" یا "پایین" نمایش می‌دهند. این فرمت خروجی دیجیتال مزایای متعددی دارد، از جمله مقاومت بیشتر در برابر نویز، ادغام راحت‌تر با الکترونیک‌های دیجیتال و سیستم‌های محاسباتی، و پردازش و ذخیره‌سازی داده‌های ساده‌تر. انتقال‌دهنده‌های دیجیتال به طور گسترده‌ای در سیستم‌های اندازه‌گیری و کنترل مدرن به دلیل فراگیری تکنولوژی‌های دیجیتال استفاده می‌شوند.
۵. انتقال‌دهنده‌ها و انتقال‌دهنده‌های معکوس
انتقال‌دهنده‌ها
یک انتقال‌دهنده به عنوان یک دستگاه تعریف می‌شود که مقادیر غیر الکتریکی را به مقادیر الکتریکی تبدیل می‌کند. این فرآیند تبدیل امکان اندازه‌گیری، نظارت و کنترل پدیده‌های فیزیکی مختلف، مانند دما، فشار، جابجایی و نیرو، با استفاده از تکنیک‌های اندازه‌گیری و پردازش الکتریکی را فراهم می‌کند. انتقال‌دهنده‌ها نقش مهمی در محدوده وسیعی از کاربردها، از اتوماسیون صنعتی تا تحقیقات علمی و الکترونیک مصرفی، ایفا می‌کنند.
انتقال‌دهنده‌های معکوس
انتقال‌دهنده‌های معکوس عملکرد مخالف انتقال‌دهنده‌های سنتی را انجام می‌دهند. آن‌ها مقادیر الکتریکی را به مقادیر فیزیکی تبدیل می‌کنند. این انتقال‌دهنده‌ها معمولاً دارای ورودی الکتریکی بالا و خروجی غیر الکتریکی پایین هستند. انتقال‌دهنده‌های معکوس در کاربردهایی که نیاز به ترجمه سیگنال‌های الکتریکی به عملیات یا پاسخ‌های فیزیکی وجود دارد، مانند در برخی انواع اکتشاف‌کننده‌ها و سیستم‌های کنترل، استفاده می‌شوند. مفهوم انتقال‌دهنده‌های معکوس روشی برای بستن حلقه بین کنترل الکتریکی و عملیات فیزیکی فراهم می‌کند که امکان کنترل پیچیده‌تر و دقیق‌تر سیستم‌های مکانیکی و فیزیکی را فراهم می‌کند.
