Rôzne typy senzorov a ich fungovanie

Éra automatizácie sa už začala. Väčšina vecí, ktoré teraz používame, sa dá automatizovať. Aby sme mohli navrhnúť automatizované zariadenia, musíme najskôr vedieť o senzoroch, to sú moduly / zariadenia, ktoré sú užitočné pri uskutočňovaní vecí bez ľudského zásahu. Dokonca aj mobilné telefóny alebo smartphony, ktoré každodenne používame, budú mať niektoré senzory, ako je Hallov senzor, senzor priblíženia, akcelerometer, dotyková obrazovka, mikrofón atď. Tieto senzory fungujú ako oči, uši, nos akéhokoľvek elektrického zariadenia, ktoré sníma parametre vonkajšieho sveta a čítania do zariadení alebo mikrokontroléra.

Čo je to senzor?

Senzor možno definovať ako zariadenie, ktoré možno použiť na snímanie / detekciu fyzikálnej veličiny, ako je sila, tlak, napätie, svetlo atď., A potom ju prevádzať na požadovaný výstup, ako je elektrický signál, na meranie použitej fyzikálnej veličiny . V niekoľkých prípadoch nemusí samotný snímač stačiť na analýzu získaného signálu. V týchto prípadoch sa používa jednotka na úpravu signálu, aby sa udržali úrovne výstupného napätia snímača v požadovanom rozsahu vzhľadom na koncové zariadenie, ktoré používame.

V jednotke na úpravu signálu môže byť výstup snímača zosilnený, filtrovaný alebo upravený na požadované výstupné napätie. Napríklad, ak vezmeme do úvahy mikrofón, deteguje zvukový signál a prevádza ho na výstupné napätie (vyjadrené v milivoltoch), z ktorého je ťažké riadiť výstupný obvod. Takže na zvýšenie sily signálu sa používa jednotka na úpravu signálu (zosilňovač). Úprava signálu ale nemusí byť nevyhnutná pre všetky snímače ako fotodióda, LDR atď.

Väčšina snímačov nemôže pracovať samostatne. Malo by na ňu byť teda aplikované dostatočné vstupné napätie. Rôzne snímače majú rôzne prevádzkové rozsahy, ktoré treba brať do úvahy pri práci s nimi, inak by sa snímač mohol trvale poškodiť.

Typy snímačov:

Pozrime sa na rôzne typy senzorov, ktoré sú dostupné na trhu, a rozoberme ich funkčnosť, prácu, aplikácie atď. Budeme diskutovať o rôznych senzoroch, ako sú:

• Svetelný senzor
  • IR senzor (IR vysielač / IR LED)
  • Fotodióda (IR prijímač)
  • Odpor závislý od svetla
• Teplotný senzor
  • Termistor
  • Termočlánok
• Senzor tlaku / sily / hmotnosti
  • Tenzometer (snímač tlaku)
  • Silomery (snímač hmotnosti)
• Senzor polohy
  • Potenciometer
  • Kódovač
• Hallov senzor (detekcia magnetického poľa)
• Flex senzor
• Zvukový senzor
  • Mikrofón
• Ultrazvukový senzor
• Dotykový senzor
• PIR senzor
• Senzor náklonu
  • Akcelerometer
• Senzor plynu

Potrebujeme zvoliť požadovaný snímač na základe nášho projektu alebo aplikácie. Ako už bolo povedané skôr, aby fungovali správne, je potrebné použiť správne napätie založené na ich špecifikáciách.

Teraz sa pozrime na princíp práce rôznych senzorov a na to, kde ich môžeme vidieť v každodennom živote alebo pri ich aplikácii.

IR LED:

Tiež sa nazýva IR vysielač. Používa sa na vyžarovanie infračervených lúčov. Rozsah týchto frekvencií je väčší ako mikrovlnné frekvencie (tj> 300 GHz až niekoľko stoviek THz). Lúče generované infračervenou LED diódou môžu byť snímané fotodiódou, ktorá je vysvetlená nižšie. Dvojica IR LED a fotodiód sa nazýva IR Sensor. Takto funguje IR senzor.

Foto dióda (svetelný senzor):

Jedná sa o polovodičové zariadenie, ktoré sa používa na detekciu svetelných lúčov a väčšinou sa používa ako infračervený prijímač . Jeho konštrukcia je podobná bežnej spojovacej dióde PN, ale pracovný princíp sa od nej líši. Ako vieme, prechod PN umožňuje malé zvodové prúdy, ak je spätne predpätý, takže táto vlastnosť sa používa na detekciu svetelných lúčov. Fotodióda je konštruovaná tak, aby svetelné lúče dopadali na prechod PN, vďaka čomu sa zvodový prúd zvyšuje na základe intenzity svetla, ktoré sme aplikovali. Týmto spôsobom sa dá teda fotodióda použiť na snímanie svetelných lúčov a udržiavanie prúdu v obvode. Skontrolujte tu funkčnosť fotodiódy s IR senzorom.

Pomocou fotodiódy môžeme zostaviť základné automatické pouličné svietidlo, ktoré svieti, keď klesá intenzita slnečného žiarenia. Ale fotodióda funguje, aj keď na ňu dopadne malé množstvo svetla, takže treba postupovať opatrne.

LDR (rezistor závislý od svetla):

Ako už samotný názov uvádza, že rezistor závisí od intenzity svetla. Pracuje na princípe fotovodivosti, čo znamená vedenie vďaka svetlu. Spravidla sa skladá zo sulfidu kademnatého. Keď svetlo dopadne na LDR, jeho odpor klesá a správa sa podobne ako vodič a keď na neho nesvieti žiadne svetlo, jeho odpor je takmer v rozmedzí MΩ alebo ideálne funguje ako otvorený obvod . Jedna poznámka, ktorú by ste mali brať do úvahy pri LDR, je, že nebude reagovať, ak svetlo nie je presne zamerané na jeho povrch.

Pri správnom zapojení pomocou tranzistora sa dá použiť na zistenie dostupnosti svetla. Tranzistor s predpätím s predpätím deliča napätia s R2 (odporom medzi základňou a emitorom) nahradeným LDR môže fungovať ako detektor svetla. Skontrolujte tu rôzne obvody založené na LDR.

Termistor (snímač teploty):

Na detekciu kolísania teploty možno použiť termistor . Má negatívny teplotný koeficient, čo znamená, že pri zvýšení teploty sa odpor zníži. Takže odpor termistora sa môže meniť s nárastom teploty, ktorý spôsobuje, že ním preteká viac prúdu. Táto zmena prietoku prúdu sa môže použiť na určenie rozsahu zmeny teploty. Aplikácia pre termistor je, že sa používa na detekciu nárastu teploty a na kontrolu únikového prúdu v obvode tranzistora, ktorý pomáha udržiavať jeho stabilitu. Tu je jedna jednoduchá aplikácia pre termistor na automatické riadenie jednosmerného ventilátora.

Termočlánok (snímač teploty):

Ďalším komponentom, ktorý dokáže detekovať kolísanie teploty, je termočlánok. Pri jeho konštrukcii sú dva rôzne kovy spojené do jedného spoja. Jeho hlavným princípom je, keď sa spojenie dvoch rôznych kovov zahrieva alebo je vystavené vysokým teplotám, potenciál na ich svorkách sa líši. Variabilný potenciál možno teda ďalej použiť na meranie rozsahu zmeny teploty.

Tenzometer (snímač tlaku / sily):

Tenzometer sa používa na zisťovanie tlaku pri pôsobení zaťaženia . Pracuje na princípe odporu, vieme, že odpor je priamo úmerný dĺžke drôtu a je nepriamo úmerný jeho prierezovej ploche (R = ρl / a). Rovnaký princíp sa tu dá použiť aj na meranie zaťaženia. Na pružnej doske je drôt usporiadaný cik-cak spôsobom, ako je to znázornené na obrázku nižšie. Keď sa teda na konkrétnu dosku použije tlak, ohýba sa v smere, ktorý spôsobí zmenu celkovej dĺžky a prierezu drôtu. To vedie k zmene odporu drôtu. Takto získaný odpor je veľmi malý (niekoľko ohmov), ktorý je možné určiť pomocou Wheatstoneovho mostíka. Tenzometer je umiestnený v jednom zo štyroch ramien v mostíku so zvyšnými hodnotami nezmenenými. Pretokeď na ňu pôsobí tlak pri zmene odporu, prúd prechádzajúci mostom sa mení a je možné vypočítať tlak.

Tenzometre sa používajú hlavne na výpočet množstva tlaku, ktoré krídlo lietadla vydrží, a tiež sa používajú na meranie počtu vozidiel povolených na konkrétnej ceste atď.

Snímač zaťaženia (snímač hmotnosti):

Snímače zaťaženia sú podobné tenzometrom, ktoré merajú fyzickú veličinu ako sila a poskytujú výstup vo forme elektrických signálov. Ak na snímač zaťaženia pôsobí určité napätie, jeho štruktúra sa mení a spôsobuje zmenu odporu. Nakoniec je možné jeho hodnotu kalibrovať pomocou Wheatstoneovho mostíka. Tu je projekt, ako merať váhu pomocou silomeru.

Potenciometer:

Na zistenie polohy sa používa potenciometer. Spravidla má rôzne rozsahy rezistorov pripojených k rôznym pólom spínača. Potenciometer môže byť buď rotačný alebo lineárny. U rotačného typu je stierač spojený s dlhým hriadeľom, ktorý je možné otáčať. Keď sa hriadeľ otočí, poloha stierača sa zmení tak, že výsledný odpor sa bude meniť, čo spôsobí zmenu výstupného napätia. Takto je možné výstup kalibrovať na detekciu zmeny jeho polohy.

Kódovač:

Na zistenie zmeny polohy je možné použiť aj kódovač. Má kruhovú otočnú diskovitú štruktúru so špecifickými otvormi medzi nimi, takže keď cez ne prechádzajú infračervené lúče alebo svetelné lúče, deteguje sa iba niekoľko svetelných lúčov. Ďalej sú tieto lúče kódované do digitálnych údajov (v binárnych číslach), ktoré predstavujú konkrétnu pozíciu.

Hallov senzor:

Už samotný názov hovorí, že ide o snímač, ktorý pracuje na Hall Effect. Dá sa to definovať tak, že keď sa magnetické pole privedie blízko k vodiču nesúcemu prúd (kolmo na smer elektrického poľa), potom sa cez daný vodič vytvorí potenciálny rozdiel. Pomocou tejto vlastnosti sa Hallov senzor používa na detekciu magnetického poľa a poskytuje výstup ako napätie. Je potrebné dbať na to, aby Hallov senzor dokázal detekovať iba jeden pól magnetu.

Hallov senzor sa používa v niekoľkých smartfónoch, ktoré pomáhajú vypnúť obrazovku, keď je na obrazovku zatvorený kryt chlopne (ktorý má v sebe magnet). Tu je jedna praktická aplikácia senzora Hall Effect vo dverovom alarme.

Flex senzor:

Snímač FLEX je prevodník, ktorý mení svoj odpor pri zmene tvaru alebo pri ohnutí . Snímač FLEX je dlhý 2,2 palca alebo má dĺžku prsta. Je to znázornené na obrázku. Jednoducho povedané, odpor svorky snímača sa zvyšuje, keď je ohnutý. Táto zmena odporu nemôže urobiť nič dobré, pokiaľ si ich nedokážeme prečítať. Ovládač, ktorý je po ruke, dokáže čítať iba zmeny napätia a nič menej, preto použijeme obvod deliča napätia, pomocou ktorého môžeme odvodiť zmenu odporu ako zmenu napätia. Dozviete sa tu, ako používať Flex Sensor.

Mikrofón (zvukový senzor):

Mikrofón je viditeľný na všetkých smartfónoch alebo mobilných telefónoch. Môže detekovať zvukový signál a prevádzať ho na malé elektrické (mV) elektrické signály. Mikrofón môže byť mnohých typov, napríklad kondenzátorový, krištáľový, uhlíkový, atď. Každý typ mikrofónu pracuje s vlastnosťami, ako je kapacita, piezoelektrický efekt, odpor. Pozrime sa na činnosť kryštálového mikrofónu, ktorý pracuje na piezoelektrickom efekte. Používa sa bimorfný kryštál, ktorý pod tlakom alebo vibráciami vytvára proporcionálne striedavé napätie. Membrána je spojená s kryštálom cez unášací kolík tak, že keď zvukový signál zasiahne membránu, pohybuje sa tam a späť,tento pohyb mení polohu hnacieho kolíka, ktorý spôsobuje vibrácie v kryštáli, a tak sa vytvára striedavé napätie vzhľadom na použitý zvukový signál. Získané napätie sa privádza do zosilňovača, aby sa zvýšila celková sila signálu. Tu sú rôzne obvody založené na mikrofóne.

Hodnotu mikrofónu v Decibeloch môžete tiež previesť pomocou nejakého mikrokontroléra, ako je Arduino.

Ultrazvukový senzor:

Ultrazvuk neznamená nič iné ako rozsah frekvencií. Jeho rozsah je väčší ako zvukový rozsah (> 20 kHz), takže ani keď je zapnutý, nedokážeme tieto zvukové signály vnímať. Tieto ultrazvukové vlny dokážu snímať iba konkrétne reproduktory a prijímače. Tento ultrazvukový snímač sa používa na výpočet vzdialenosti medzi ultrazvukovým vysielačom a cieľom a tiež sa používa na meranie rýchlosti cieľa .

Ultrazvukový senzor HC-SR04 možno použiť na meranie vzdialenosti v rozmedzí 2 cm - 400 cm s presnosťou na 3 mm. Pozrime sa, ako tento modul funguje. Modul HCSR04 generuje zvukové vibrácie v ultrazvukovom rozsahu, keď urobíme kolík „Trigger“ vysoko na približne 10us, ktorý vyšle 8 cyklový zvukový výbuch rýchlosťou zvuku a po zasiahnutí objektu bude prijatý kolíkom Echo. V závislosti od času potrebného na návrat zvukových vibrácií poskytuje vhodný impulzný výstup. Môžeme vypočítať vzdialenosť objektu na základe času, ktorý trvá ultrazvuková vlna na návrat späť k senzoru. Viac informácií o ultrazvukovom senzore sa dozviete tu.

Existuje mnoho aplikácií s ultrazvukovým snímačom. Môžeme ho využiť na vyhýbanie sa prekážkam pre automatizované vozidlá, pohybujúcich sa robotov atď. Rovnaký princíp sa použije aj v radare RADAR na detekciu rakiet a lietadiel narušiteľa. Komár dokáže vnímať ultrazvukové zvuky. Ultrazvukové vlny sa teda dajú použiť ako repelenty proti komárom.

Dotykový senzor:

V tejto generácii môžeme povedať, že takmer všetci používajú inteligentné telefóny so širokouhlou obrazovkou a tiež s dotykovou obrazovkou. Pozrime sa teda, ako táto dotyková obrazovka funguje. V zásade existujú dva typy dotykových senzorov s odporovým a kapacitným dotykovým displejom . Dozvieme sa krátko o práci s týmito senzormi.

Odporovú dotykovou obrazovkou má odporovou list na základni a vodivú plochu na obrazovke oba z nich sú oddelené vzduchovou medzerou s malým napätím na listy. Keď stlačíme alebo sa dotkneme obrazovky, vodivá vrstva sa dotkne odporovej vrstvy v danom bode a spôsobí prúdenie prúdu v danom bode, softvér vycíti polohu a vykoná sa príslušná akcia.

Zatiaľ čo kapacitný dotyk pracuje na elektrostatickom náboji, ktorý je k dispozícii v našom tele. Obrazovka je už nabitá všetkým elektrickým poľom. Keď sa dotkneme obrazovky, vytvorí sa blízky okruh v dôsledku elektrostatického náboja, ktorý preteká našim telom. Softvér ďalej rozhoduje o umiestnení a akcii, ktorá sa má vykonať. Môžeme pozorovať, že kapacitná dotyková obrazovka nebude fungovať, keď budete nosiť rukavice, pretože medzi prstami a obrazovkou nebude vedenie.

PIR senzor:

PIR senzor predstavuje pasívny infračervený senzor. Tie sa používajú na detekciu pohybu človeka, zvierat alebo vecí. Vieme, že infračervené lúče majú vlastnosť odrazu. Keď infračervený lúč dopadne na objekt, v závislosti od teploty cieľa sa vlastnosti infračerveného žiarenia zmenia, tento prijatý signál určuje pohyb objektov alebo živých bytostí. Aj keď sa tvar objektu zmení, vlastnosti odrazeného infračerveného žiarenia môžu objekty presne odlíšiť. Tu je kompletný pracovný alebo PIR senzor.

Akcelerometer (snímač náklonu):

Senzor akcelerometra dokáže snímať jeho sklon alebo pohyb v určitom smere . Funguje na základe akceleračnej sily spôsobenej zemskou gravitáciou. Jeho malé vnútorné časti sú také citlivé, že reagujú na malú vonkajšiu zmenu polohy. Má piezoelektrický kryštál, keď je naklonený, spôsobuje poruchy v kryštáli a vytvára potenciál, ktorý určuje presnú polohu vzhľadom na os X, Y a Z.

Bežne sa vyskytujú v mobiloch a notebookoch, aby sa zabránilo zlomeniu elektródy procesora. Pri páde zariadenia akcelerometer zistí padajúce podmienky a vykoná príslušnú akciu na základe softvéru. Tu uvádzame niektoré projekty využívajúce akcelerometer.

Senzor plynu:

V priemyselných aplikáciách zohrávajú plynové senzory hlavnú úlohu pri detekcii úniku plynu. Ak v takýchto oblastiach nie je nainštalované žiadne také zariadenie, vedie to v konečnom dôsledku k neuveriteľnej katastrofe. Tieto senzory plynov sú klasifikované do rôznych typov podľa typu plynu, ktorý má byť detekovaný. Pozrime sa, ako tento senzor funguje. Pod kovovým plechom sa nachádza snímací prvok, ktorý je pripojený k svorkám, do ktorých je privádzaný prúd. Keď častice plynu narazia na snímací prvok, vedie to k chemickej reakcii, takže sa mení odpor prvkov a mení sa aj prúd, ktorý nakoniec dokáže plyn detekovať.

Nakoniec teda môžeme dospieť k záveru, že senzory sa nepoužívajú iba na uľahčenie našej práce na meranie fyzikálnych veličín, vďaka čomu sa prístroje automatizujú, ale tiež sa používajú na pomoc živým bytostiam pri katastrofách.