Různé typy senzorů a jejich fungování

Éra automatizace již začala. Většinu věcí, které nyní používáme, lze automatizovat. Abychom mohli navrhovat automatizovaná zařízení, musíme nejprve vědět o senzorech, jedná se o moduly / zařízení, které jsou užitečné při provádění věcí bez lidského zásahu. Dokonce i mobilní telefony nebo smartphony, které denně používáme, budou mít některé senzory, jako je Hallův senzor, senzor přiblížení, akcelerometr, dotyková obrazovka, mikrofon atd. Tyto senzory fungují jako oči, uši, nos jakéhokoli elektrického zařízení, které snímá parametry ve vnějším světě a dává odečty do zařízení nebo mikrokontroléru.

Co je to senzor?

Senzor lze definovat jako zařízení, které lze použít ke snímání / detekci fyzikální veličiny, jako je síla, tlak, napětí, světlo atd., A poté ji převést na požadovaný výstup, jako je elektrický signál, pro měření aplikované fyzikální veličiny . V několika případech nemusí samotný snímač stačit k analýze získaného signálu. V těchto případech se používá jednotka pro úpravu signálu, aby se udržely úrovně výstupního napětí snímače v požadovaném rozsahu vzhledem ke koncovému zařízení, které používáme.

V jednotce pro úpravu signálu může být výstup snímače zesílen, filtrován nebo upraven na požadované výstupní napětí. Například, když vezmeme v úvahu mikrofon, detekuje zvukový signál a převádí se na výstupní napětí (vyjádřeno v milivoltech), které je obtížné řídit výstupní obvod. Jednotka pro úpravu signálu (zesilovač) se tedy používá ke zvýšení síly signálu. Úprava signálu však nemusí být nutná pro všechny senzory, jako je fotodioda, LDR atd.

Většina senzorů nemůže fungovat samostatně. Mělo by na něj tedy být aplikováno dostatečné vstupní napětí. Různé senzory mají různé provozní rozsahy, které je třeba při práci vzít v úvahu, jinak by se senzor mohl trvale poškodit.

Typy senzorů:

Podívejme se na různé typy senzorů, které jsou k dispozici na trhu, a probereme jejich funkčnost, fungování, aplikace atd. Budeme diskutovat o různých senzorech, jako jsou:

• Světelný senzor
  • IR senzor (IR vysílač / IR LED)
  • Fotodioda (IR přijímač)
  • Odpor závislý na světle
• Senzor teploty
  • Termistor
  • Termočlánek
• Senzor tlaku / síly / hmotnosti
  • Tenzometr (snímač tlaku)
  • Snímače hmotnosti (snímač hmotnosti)
• Snímač polohy
  • Potenciometr
  • Kodér
• Hallův senzor (detekce magnetického pole)
• Flex senzor
• Zvukový senzor
  • Mikrofon
• Ultrazvukový senzor
• Dotykový senzor
• PIR senzor
• Senzor náklonu
  • Akcelerometr
• Senzor plynu

Potřebujeme vybrat požadovaný senzor na základě našeho projektu nebo aplikace. Jak již bylo řečeno dříve, aby fungovaly správně, je třeba použít správné napětí na základě jejich specifikací.

Nyní se podívejme na pracovní princip různých senzorů a na to, kde je lze vidět v každodenním životě nebo v jeho aplikaci.

IR LED:

Nazývá se také jako IR vysílač. Používá se k vyzařování infračervených paprsků. Rozsah těchto frekvencí je větší než mikrovlnné frekvence (tj.> 300 GHz až několik stovek THz). Paprsky generované infračervenou LED diodou lze snímat fotodiodou, která je vysvětlena níže. Dvojice IR LED a fotodiody se nazývá IR senzor. Zde funguje infračervený senzor.

Foto dioda (světelný senzor):

Jedná se o polovodičové zařízení, které se používá k detekci světelných paprsků a většinou se používá jako IR přijímač . Jeho konstrukce je podobná normální přechodové diodě PN, ale pracovní princip se od ní liší. Jak víme, přechod PN umožňuje malé svodové proudy, když je předpjatý, takže se tato vlastnost používá k detekci světelných paprsků. Fotodioda je konstruována tak, aby světelné paprsky dopadaly na křižovatku PN, což zvyšuje svodový proud na základě intenzity světla, které jsme aplikovali. Tímto způsobem lze fotodiodu použít k snímání světelných paprsků a udržování proudu v obvodu. Zkontrolujte zde fungování fotodiody s infračerveným senzorem.

Pomocí fotodiody můžeme sestavit základní automatickou pouliční lampu, která svítí, když intenzita slunečního záření klesá. Fotodioda však funguje, i když na ni dopadne malé množství světla, proto je třeba postupovat opatrně.

LDR (Light Dependent Resistor):

Jak název sám určuje, že rezistor závisí na intenzitě světla. Funguje na principu fotovodivosti, což znamená vedení v důsledku světla. Obvykle se skládá ze sulfidu kademnatého. Když světlo dopadá na LDR, jeho odpor klesá a chová se podobně jako vodič, a když na něj nespadá žádné světlo, jeho odpor je téměř v rozsahu MΩ nebo v ideálním případě funguje jako otevřený obvod . U LDR je třeba vzít v úvahu, že nereaguje, pokud světlo není přesně zaostřeno na jeho povrch.

Při správném zapojení pomocí tranzistoru může být použit k detekci dostupnosti světla. Jako detektor světla může fungovat tranzistor s předpětím s děličem napětí s R2 (odpor mezi základnou a emitorem) nahrazený LDR. Zkontrolujte zde různé obvody založené na LDR.

Termistor (teplotní senzor):

K detekci kolísání teploty lze použít termistor . Má záporný teplotní koeficient, což znamená, že při zvýšení teploty se odpor sníží. Odpor termistoru se tedy může měnit s nárůstem teploty, který způsobuje, že jím protéká více proudu. Tato změna proudu může být použita k určení rozsahu změny teploty. Aplikace pro termistor je, že se používá k detekci nárůstu teploty a řízení únikového proudu v obvodu tranzistoru, který pomáhá udržovat jeho stabilitu. Zde je jedna jednoduchá aplikace pro termistor pro automatické ovládání stejnosměrného ventilátoru.

Termočlánek (teplotní senzor):

Další složkou, která dokáže detekovat kolísání teploty, je termočlánek. Při konstrukci jsou dva různé kovy spojeny dohromady a tvoří spojení. Jeho hlavním principem je, když je spoj dvou různých kovů zahříván nebo vystaven vysokým teplotám, potenciál na jejich svorkách se mění. Variabilní potenciál lze tedy dále použít k měření rozsahu změny teploty.

Tenzometr (snímač tlaku / síly):

Tenzometr se používá k detekci tlaku při zatížení . Funguje na principu odporu, víme, že odpor je přímo úměrný délce drátu a je nepřímo úměrný jeho průřezové ploše (R = ρl / a). Stejný princip lze použít k měření zátěže. Na pružné desce je drát uspořádán klikatým způsobem, jak je znázorněno na obrázku níže. Když se tedy na tuto konkrétní desku aplikuje tlak, ohýbá se ve směru, který způsobuje změnu celkové délky a průřezu drátu. To vede ke změně odporu drátu. Takto získaný odpor je velmi malý (několik ohmů), který lze určit pomocí Wheatstoneova můstku. Tenzometr je umístěn v jednom ze čtyř ramen v můstku se zbývajícími hodnotami beze změny. Proto,když je na něj vyvíjen tlak při změně odporu, mění se proud procházející můstkem a lze vypočítat tlak.

Tenzometry se používají hlavně k výpočtu množství tlaku, které křídlo letadla vydrží, a také se používají k měření počtu povolených vozidel na konkrétní silnici atd.

Snímač hmotnosti (snímač hmotnosti):

Zátěžové buňky jsou podobné tenzometrům, které měří fyzickou veličinu jako síla a dávají výstup ve formě elektrických signálů. Když je na snímač zatížení aplikováno určité napětí, jeho struktura se mění, což způsobuje změnu odporu, a nakonec lze jeho hodnotu kalibrovat pomocí Wheatstoneova můstku. Zde je projekt, jak měřit hmotnost pomocí snímače zatížení.

Potenciometr:

K detekci polohy se používá potenciometr. Obecně má různé rozsahy odporů připojených k různým pólům spínače. Potenciometr může být buď rotační nebo lineární. U rotačního typu je stěrač připojen k dlouhé hřídeli, kterou lze otáčet. Když se hřídel otáčí, mění se poloha stěrače tak, že výsledný odpor se mění, což způsobí změnu výstupního napětí. Výstup lze tedy kalibrovat, aby detekoval změnu své polohy.

Kodér:

K detekci změny polohy lze použít také kodér. Má kruhovou otočnou diskovitou strukturu se specifickými otvory mezi nimi, takže při průchodu infračervených paprsků nebo světelných paprsků je detekováno pouze několik světelných paprsků. Dále jsou tyto paprsky kódovány do digitálních dat (ve smyslu binárních), která představují konkrétní polohu.

Hallův senzor:

Samotný název uvádí, že je to senzor, který pracuje na Hall Effect. Lze jej definovat tak, že když se magnetické pole přivede do blízkosti vodiče nesoucího proud (kolmo ke směru elektrického pole), vznikne potenciální rozdíl napříč daným vodičem. Pomocí této vlastnosti se Hallův senzor používá k detekci magnetického pole a poskytuje výstup z hlediska napětí. Je třeba dbát na to, aby Hallův snímač dokázal detekovat pouze jeden pól magnetu.

Hallův senzor se používá u několika smartphonů, které pomáhají při vypnutí obrazovky, když je na obrazovku zavřený kryt klapky (který má v sobě magnet). Zde je jedna praktická aplikace snímače Hall Effect ve dveřním alarmu.

Flex senzor:

Senzor FLEX je snímač, který mění svůj odpor při změně jeho tvaru nebo při ohnutí . Snímač FLEX je dlouhý 2,2 palce nebo má délku prstu. Je to znázorněno na obrázku. Jednoduše řečeno, odpor svorky senzoru se zvyšuje, když je ohnutý. Tato změna odporu nemůže udělat nic dobrého, pokud si je nebudeme moci přečíst. Řadič po ruce může číst pouze změny napětí a nic méně, k tomu použijeme obvod děliče napětí, s nímž můžeme odvodit změnu odporu jako změnu napětí. Zde se dozvíte, jak používat Flex Sensor.

Mikrofon (zvukový senzor):

Mikrofon lze vidět na všech smartphonech nebo mobilních telefonech. Dokáže detekovat zvukový signál a převést jej na elektrické signály malého napětí (mV). Mikrofon může být mnoha typů, jako je kondenzátorový mikrofon, krystalický mikrofon, uhlíkový mikrofon atd. Každý typ mikrofonu pracuje na vlastnostech, jako je kapacita, piezoelektrický efekt, odpor. Podívejme se na činnost krystalového mikrofonu, který pracuje na piezoelektrickém jevu. Používá se bimorfní krystal, který pod tlakem nebo vibracemi vytváří proporcionální střídavé napětí. Membrána je spojena s krystalem pomocí hnacího kolíku tak, že když zvukový signál zasáhne membránu, pohybuje se sem a tam,tento pohyb mění polohu hnacího kolíku, který způsobuje vibrace v krystalu, čímž se vytváří střídavé napětí vzhledem k aplikovanému zvukovému signálu. Získané napětí se přivádí do zesilovače, aby se zvýšila celková síla signálu. Zde jsou různé obvody založené na mikrofonu.

Hodnotu mikrofonu můžete také převést v Decibelech pomocí nějakého mikrokontroléru, jako je Arduino.

Ultrazvukový senzor:

Ultrazvuk neznamená nic jiného než rozsah frekvencí. Jeho rozsah je větší než slyšitelný rozsah (> 20 kHz), takže i když je zapnutý, nemůžeme tyto zvukové signály cítit. Tyto ultrazvukové vlny mohou snímat pouze konkrétní reproduktory a přijímače. Tento ultrazvukový senzor se používá k výpočtu vzdálenosti mezi ultrazvukovým vysílačem a cílem a také k měření rychlosti cíle .

Ultrazvukový senzor HC-SR04 lze použít k měření vzdálenosti v rozsahu 2 cm - 400 cm s přesností 3 mm. Podívejme se, jak tento modul funguje. Modul HCSR04 generuje zvukové vibrace v ultrazvukovém rozsahu, když uděláme kolík „Trigger“ vysoký na přibližně 10 us, který vyšle 8 cyklů sonického výbuchu rychlostí zvuku a po zasažení objektu bude přijat kolíkem Echo. V závislosti na době, kterou zvukové vibrace potřebují k návratu, poskytuje příslušný pulzní výstup. Můžeme vypočítat vzdálenost objektu na základě času, který ultrazvuková vlna potřebuje k návratu zpět k senzoru. Další informace o ultrazvukovém senzoru naleznete zde.

Existuje mnoho aplikací s ultrazvukovým senzorem. Můžeme jej využít k vyhýbání se překážkám pro automatizovaná auta, pohybující se roboty atd. Stejný princip bude použit v RADARU pro detekci raket a letadel vetřelce. Komár může cítit ultrazvukové zvuky. Ultrazvukové vlny lze tedy použít jako repelent proti komárům.

Dotykový senzor:

V této generaci můžeme říci, že téměř všichni používají smartphony, které mají širokoúhlou obrazovku a také obrazovku, která dokáže vnímat náš dotek. Podívejme se tedy, jak tato dotyková obrazovka funguje. V zásadě existují dva typy dotykových senzorů s odporovým a kapacitním dotykovým displejem . Pojďme krátce vědět o fungování těchto senzorů.

Odporovou dotykovou obrazovkou má odporovou list na základně a vodivou plochu na obrazovce oba z nich jsou odděleny vzduchovou mezerou s malým napětím na listy. Když stiskneme nebo se dotkneme obrazovky, vodivá vrstva se dotkne odporové vrstvy v daném bodě a způsobí tok proudu v tomto konkrétním bodě, software detekuje polohu a provede se příslušná akce.

Zatímco kapacitní dotek pracuje na elektrostatickém náboji, který je k dispozici v našem těle. Obrazovka je již nabitá veškerým elektrickým polem. Když se dotkneme obrazovky, vytvoří se uzavřený obvod v důsledku elektrostatického náboje, který protéká naším tělem. Dále software rozhodne o umístění a akci, která má být provedena. Můžeme pozorovat, že kapacitní dotyková obrazovka nebude fungovat, když budete nosit ruční rukavice, protože mezi prsty a obrazovkou nebude vedení.

PIR senzor:

PIR senzor znamená pasivní infračervený senzor. Používají se k detekci pohybu lidí, zvířat nebo věcí. Víme, že infračervené paprsky mají vlastnost odrazu. Když infračervený paprsek zasáhne objekt, v závislosti na teplotě cíle se vlastnosti infračerveného paprsku změní, tento přijímaný signál určuje pohyb objektů nebo živých bytostí. I když se tvar objektu změní, vlastnosti odražených infračervených paprsků mohou objekty přesně odlišit. Zde je kompletní pracovní nebo PIR senzor.

Akcelerometr (snímač náklonu):

Senzor akcelerometru dokáže snímat jeho sklon nebo pohyb v určitém směru . Funguje na základě akcelerační síly způsobené zemskou gravitací. Jeho malé vnitřní části jsou tak citlivé, že reagují na malou vnější změnu polohy. Má piezoelektrický krystal, když je nakloněn, způsobí poruchu v krystalu a generuje potenciál, který určuje přesnou polohu vzhledem k ose X, Y a Z.

Ty se běžně vyskytují v mobilních telefonech a laptopech, aby nedošlo k rozbití kabelů procesorů. Když zařízení spadne, akcelerometr detekuje padající podmínky a provede příslušnou akci na základě softwaru. Zde jsou některé projekty využívající akcelerometr.

Senzor plynu:

V průmyslových aplikacích hrají senzory plynu hlavní roli při detekci úniku plynu. Pokud v takových oblastech není nainstalováno žádné takové zařízení, vede to nakonec k neuvěřitelné katastrofě. Tyto senzory plynu jsou rozděleny do různých typů podle typu plynu, který má být detekován. Podívejme se, jak tento senzor funguje. Pod kovovým plechem je snímací prvek, který je připojen ke svorkám, kde je na něj přiveden proud. Když částice plynu narazí na snímací prvek, vede to k chemické reakci, takže odpor prvků se mění a proud skrz něj se také mění, což nakonec dokáže plyn detekovat.

Nakonec tedy můžeme dojít k závěru, že senzory se používají nejen k tomu, aby naše práce byla jednoduchá k měření fyzických veličin, díky čemuž jsou zařízení automatizovaná, ale také k pomoci živým bytostem s katastrofami.