Różne typy czujników i ich działanie

Era automatyzacji już się rozpoczęła. Większość rzeczy, których używamy teraz, można zautomatyzować. Aby zaprojektować zautomatyzowane urządzenia, najpierw musimy wiedzieć o czujnikach, są to moduły / urządzenia, które są pomocne w wykonywaniu zadań bez interwencji człowieka. Nawet telefony komórkowe lub smartfony, których codziennie używamy, będą miały pewne czujniki, takie jak czujnik halla, czujnik zbliżeniowy, akcelerometr, ekran dotykowy, mikrofon itp. Czujnik ten działa jak oczy, uszy, nos dowolnego sprzętu elektrycznego, który wykrywa parametry w świecie zewnętrznym i podaje odczyty do urządzeń lub mikrokontrolera.

Co to jest czujnik?

Czujnik można zdefiniować jako urządzenie, które może być używane do wykrywania / wykrywania wielkości fizycznej, takiej jak siła, ciśnienie, odkształcenie, światło itp., A następnie przekształcania ich w żądane wyjście, takie jak sygnał elektryczny, w celu pomiaru przyłożonej wielkości fizycznej . W nielicznych przypadkach sam czujnik może nie wystarczyć do analizy uzyskanego sygnału. W takich przypadkach stosuje się jednostkę kondycjonującą sygnał w celu utrzymania poziomów napięcia wyjściowego czujnika w pożądanym zakresie w odniesieniu do używanego przez nas urządzenia końcowego.

W jednostce kondycjonowania sygnału wyjście czujnika może być wzmacniane, filtrowane lub modyfikowane do pożądanego napięcia wyjściowego. Na przykład, jeśli weźmiemy pod uwagę mikrofon, wykrywa on sygnał audio i konwertuje na napięcie wyjściowe (wyrażone w miliwoltach), które staje się trudne do wysterowania obwodu wyjściowego. Tak więc jednostka kondycjonująca sygnał (wzmacniacz) jest używana do zwiększenia siły sygnału. Ale kondycjonowanie sygnału może nie być konieczne dla wszystkich czujników, takich jak fotodioda, LDR itp.

Większość czujników nie może działać niezależnie. Dlatego należy przyłożyć do niego wystarczające napięcie wejściowe. Różne czujniki mają różne zakresy pracy, które należy wziąć pod uwagę podczas pracy z nimi, w przeciwnym razie czujnik może ulec trwałemu uszkodzeniu.

Rodzaje czujników:

Zobaczmy różne typy czujników, które są dostępne na rynku i omówimy ich funkcjonalność, działanie, zastosowania itp. Omówimy różne czujniki, takie jak:

• Czujnik światła
  • Czujnik podczerwieni (nadajnik podczerwieni / dioda LED podczerwieni)
  • Fotodioda (odbiornik podczerwieni)
  • Rezystor światłoczuły
• Czujnik temperatury
  • Termistor
  • Termoelement
• Czujnik ciśnienia / siły / wagi
  • Tensometr (czujnik ciśnienia)
  • Ogniwa obciążnikowe (czujnik masy)
• Czujnik pozycji
  • Potencjometr
  • Encoder
• Czujnik Halla (Wykryj pole magnetyczne)
• Czujnik Flex
• Czujnik dźwięku
  • Mikrofon
• Czujnik ultradźwiękowy
• Czujnik dotyku
• Czujnik PIR
• Czujnik pochylenia
  • Akcelerometr
• Czujnik gazu

Musimy wybrać żądany czujnik na podstawie naszego projektu lub aplikacji. Jak wspomniano wcześniej, aby działały, należy przyłożyć odpowiednie napięcie zgodnie z ich specyfikacją.

Spójrzmy teraz na zasadę działania różnych czujników i gdzie można to zobaczyć w naszym codziennym życiu lub w zastosowaniu.

Dioda podczerwieni:

Jest również nazywany nadajnikiem podczerwieni. Służy do emitowania promieni podczerwonych. Zakres tych częstotliwości jest większy niż częstotliwości mikrofalowe (tj.> 300GHz do kilkuset THz). Promienie generowane przez podczerwoną diodę LED mogą być wykrywane przez fotodiodę wyjaśnioną poniżej. Para diod LED podczerwieni i fotodiody nazywana jest czujnikiem podczerwieni. Oto jak działa czujnik podczerwieni.

Fotodioda (czujnik światła):

Jest to urządzenie półprzewodnikowe, które służy do wykrywania promieni świetlnych i jest najczęściej używane jako odbiornik podczerwieni . Jej konstrukcja jest podobna do normalnej diody złączowej PN, ale różni się od niej zasadą działania. Jak wiemy, złącze PN pozwala na małe prądy upływowe, gdy jest spolaryzowane odwrotnie, więc ta właściwość jest używana do wykrywania promieni świetlnych. Fotodioda jest tak skonstruowana, że ​​promienie świetlne powinny padać na złącze PN, co powoduje wzrost prądu upływu w zależności od natężenia zastosowanego światła. W ten sposób fotodioda może być używana do wykrywania promieni świetlnych i utrzymywania prądu w obwodzie. Sprawdź tutaj działanie fotodiody z czujnikiem podczerwieni.

Za pomocą fotodiody możemy zbudować podstawową automatyczną lampę uliczną, która świeci się, gdy zmniejsza się natężenie światła słonecznego. Ale fotodioda działa, nawet jeśli pada na nią niewielka ilość światła, więc należy zachować ostrożność.

LDR (rezystor zależny od światła):

Jak sama nazwa wskazuje, że rezystor zależy od natężenia światła. Działa na zasadzie fotoprzewodnictwa, co oznacza przewodzenie pod wpływem światła. Zwykle składa się z siarczku kadmu. Kiedy światło pada na LDR, jego rezystancja maleje i działa podobnie jak przewodnik, a gdy nie pada na niego żadne światło, jego rezystancja jest prawie w zakresie MΩ lub idealnie działa jako obwód otwarty . W przypadku LDR należy wziąć pod uwagę, że nie zareaguje, jeśli światło nie będzie dokładnie skupione na jego powierzchni.

Przy odpowiednim obwodzie z tranzystorem można go wykorzystać do wykrycia dostępności światła. Tranzystor polaryzowany dzielnikiem napięcia z R2 (rezystorem między bazą a emiterem) zastąpionym przez LDR może działać jako detektor światła. Sprawdź tutaj różne obwody oparte na LDR.

Termistor (czujnik temperatury):

Do wykrywania zmian temperatury można użyć termistora . Posiada ujemny współczynnik temperaturowy, co oznacza, że ​​wraz ze wzrostem temperatury opór maleje. Zatem rezystancja termistora może się zmieniać wraz ze wzrostem temperatury, co powoduje większy przepływ prądu przez niego. Ta zmiana przepływu prądu może być wykorzystana do określenia wielkości zmiany temperatury. Zastosowanie termistora polega na wykrywaniu wzrostu temperatury i kontroli prądu upływu w obwodzie tranzystorowym, co pomaga w utrzymaniu jego stabilności. Oto jedna prosta aplikacja dla termistora do automatycznego sterowania wentylatorem prądu stałego.

Termopara (czujnik temperatury):

Innym elementem, który może wykryć zmiany temperatury, jest termopara. W swojej konstrukcji dwa różne metale są ze sobą połączone, tworząc połączenie. Jego główną zasadą jest to, że kiedy połączenie dwóch różnych metali jest podgrzewane lub wystawiane na działanie wysokich temperatur, potencjał na ich zaciskach zmienia się. Tak więc zmienny potencjał można dalej wykorzystać do pomiaru wielkości zmiany temperatury.

Tensometr (czujnik ciśnienia / siły):

Tensometr służy do wykrywania ciśnienia przy przyłożeniu obciążenia . Działa na zasadzie oporu, wiemy, że opór jest wprost proporcjonalny do długości drutu i jest odwrotnie proporcjonalny do jego pola przekroju (R = ρl / a). Tę samą zasadę można zastosować tutaj do pomiaru obciążenia. Na elastycznej płytce drut jest ułożony zygzakiem, jak pokazano na poniższym rysunku. Tak więc, gdy nacisk jest wywierany na tę konkretną płytę, wygina się ona w kierunku powodującym zmianę całkowitej długości i pola przekroju poprzecznego drutu. Prowadzi to do zmiany rezystancji drutu. Uzyskany w ten sposób opór jest bardzo niewielki (kilka omów), który można określić za pomocą mostka Wheatstone'a. Tensometr jest umieszczony w jednym z czterech ramion mostu, przy czym pozostałe wartości pozostają niezmienione. W związku z tym,gdy przykłada się do niego ciśnienie, gdy zmienia się opór, zmienia się prąd przepływający przez mostek i można obliczyć ciśnienie.

Tensometry są głównie używane do obliczania ciśnienia, które skrzydło samolotu może wytrzymać, a także do pomiaru liczby pojazdów dopuszczalnych na określonej drodze itp.

Ogniwo obciążnikowe (czujnik masy):

Ogniwa obciążnikowe są podobne do tensometrów, które mierzą wielkość fizyczną, taką jak siła, i podają dane wyjściowe w postaci sygnałów elektrycznych. Kiedy na ogniwo obciążnikowe przykładane jest pewne napięcie, jego struktura zmienia się, powodując zmianę oporu, a ostatecznie jego wartość można skalibrować za pomocą mostka Wheatstone'a. Oto projekt dotyczący pomiaru masy ciała za pomocą ogniwa obciążnikowego.

Potencjometr:

Potencjometr służy do wykrywania położenia . Zwykle ma różne zakresy rezystorów podłączonych do różnych biegunów przełącznika. Potencjometr może być obrotowy lub liniowy. W wersji obrotowej wycieraczka jest połączona z długim wałkiem, który można obracać. Gdy wał obraca się, położenie wycieraczki zmienia się tak, że zmienia się wynikowy opór, powodując zmianę napięcia wyjściowego. W ten sposób wyjście można skalibrować w celu wykrycia zmiany jego położenia.

Koder:

Aby wykryć zmianę położenia, można również użyć enkodera. Ma okrągłą obrotową strukturę podobną do dysku z określonymi otworami pomiędzy nimi, tak że gdy promienie podczerwone lub promienie światła przechodzą przez niego, wykrywane jest tylko kilka promieni świetlnych. Ponadto promienie te są kodowane w danych cyfrowych (w postaci binarnej), które reprezentują określoną pozycję.

Czujnik Halla:

Sama nazwa mówi, że to czujnik działa na efekt Halla. Można to zdefiniować w ten sposób, że gdy pole magnetyczne jest zbliżone do przewodnika przewodzącego prąd (prostopadle do kierunku pola elektrycznego), wówczas powstaje różnica potencjałów na danym przewodniku. Korzystając z tej właściwości, czujnik Halla służy do wykrywania pola magnetycznego i podaje dane wyjściowe w postaci napięcia. Należy zwrócić uwagę, aby czujnik Halla mógł wykryć tylko jeden biegun magnesu.

Czujnik halla jest używany w kilku smartfonach, które są pomocne przy wyłączaniu ekranu, gdy klapka (z magnesem) jest zamknięta na ekranie. Oto jedno praktyczne zastosowanie czujnika Halla w alarmie drzwi.

Czujnik Flex:

Czujnik FLEX to przetwornik, który zmienia swoją rezystancję przy zmianie kształtu lub wygięciu . Czujnik FLEX ma 2,2 cala długości lub długość palca. Jest to pokazane na rysunku. Mówiąc najprościej, rezystancja zacisków czujnika wzrasta, gdy jest zgięty. Ta zmiana oporu nie przyniesie nic dobrego, jeśli nie będziemy w stanie ich odczytać. Kontroler pod ręką może tylko odczytać zmiany napięcia i nic mniej, do tego użyjemy obwodu dzielnika napięcia, dzięki czemu możemy wyliczyć zmianę rezystancji jako zmianę napięcia. Dowiedz się tutaj, jak używać czujnika Flex.

Mikrofon (czujnik dźwięku):

Mikrofon można zobaczyć na wszystkich smartfonach lub telefonach komórkowych. Potrafi wykryć sygnał audio i przekształcić go w sygnały elektryczne o niskim napięciu (mV). Istnieje wiele typów mikrofonów, takich jak mikrofon pojemnościowy, mikrofon kryształowy, mikrofon węglowy itp. Każdy typ mikrofonu ma takie właściwości, jak pojemność, efekt piezoelektryczny, rezystancja. Przyjrzyjmy się działaniu mikrofonu kryształowego, który działa na efekt piezoelektryczny. Używany jest kryształ bimorficzny, który pod wpływem ciśnienia lub wibracji wytwarza proporcjonalne napięcie przemienne. Membrana jest połączona z kryształem za pomocą kołka napędowego w taki sposób, że gdy sygnał dźwiękowy uderza w membranę, przesuwa się ona tam iz powrotem,ruch ten zmienia położenie kołka napędowego, co powoduje drgania kryształu, a tym samym generowane jest napięcie przemienne w odniesieniu do przyłożonego sygnału dźwiękowego. Uzyskane napięcie podawane jest do wzmacniacza w celu zwiększenia ogólnej siły sygnału. Oto różne obwody oparte na mikrofonie.

Możesz także przekonwertować wartość mikrofonu w decybelach za pomocą mikrokontrolera, takiego jak Arduino.

Czujnik ultradźwiękowy:

Ultradźwięki to nic innego jak zakres częstotliwości. Jego zasięg jest większy niż zakres słyszalny (> 20 kHz), więc nawet gdy jest włączony, nie możemy wyczuć tych sygnałów dźwiękowych. Tylko określone głośniki i odbiorniki mogą wykryć te fale ultradźwiękowe. Ten czujnik ultradźwiękowy służy do obliczania odległości między nadajnikiem ultradźwiękowym a celem, a także służy do pomiaru prędkości celu .

Czujnik ultradźwiękowy HC-SR04 może służyć do pomiaru odległości w zakresie od 2cm do 400cm z dokładnością do 3mm. Zobaczmy, jak działa ten moduł. Moduł HCSR04 generuje wibracje dźwiękowe w zakresie ultradźwiękowym, gdy ustawimy pin 'Trigger' na wysoki na około 10us, co wyśle ​​8-cyklową serię dźwiękową z prędkością dźwięku, a po uderzeniu w obiekt zostanie odebrany przez pin Echo. W zależności od czasu potrzebnego na powrót wibracji dźwiękowej, zapewnia on odpowiednie wyjście impulsowe. Możemy obliczyć odległość obiektu na podstawie czasu potrzebnego fali ultradźwiękowej na powrót do czujnika. Dowiedz się więcej o czujniku ultradźwiękowym tutaj.

Czujnik ultradźwiękowy ma wiele zastosowań. Możemy to wykorzystać do omijania przeszkód dla zautomatyzowanych samochodów, poruszających się robotów itp. Ta sama zasada będzie stosowana w RADARU do wykrywania pocisków intruza i samolotów. Komar może wyczuć ultradźwięki. Zatem fale ultradźwiękowe mogą być używane jako środek odstraszający komary.

Czujnik dotyku:

W tej generacji możemy powiedzieć, że prawie wszyscy używają smartfonów, które mają panoramiczny ekran, a także ekran, który wyczuwa nasz dotyk. Zobaczmy więc, jak działa ten ekran dotykowy. Zasadniczo istnieją dwa typy czujników dotykowych rezystancyjnych i pojemnościowych ekranów dotykowych . Opowiedzmy pokrótce o działaniu tych czujników.

Dotykowy ma blachę oporową pokrywa się z podstawy i przewodzącą powierzchnię na ekranie oba te oddzielone są od siebie szczeliną powietrzną przy małym napięciem do arkuszy. Kiedy naciskamy lub dotykamy ekranu, arkusz przewodzący dotyka arkusza rezystancyjnego w tym punkcie, powodując przepływ prądu w tym konkretnym punkcie, oprogramowanie wykrywa lokalizację i wykonuje odpowiednią czynność.

Natomiast dotyk pojemnościowy działa na ładunek elektrostatyczny, który jest dostępny w naszym ciele. Ekran jest już naładowany całym polem elektrycznym. Kiedy dotykamy ekranu, tworzy się obwód zamknięty z powodu ładunku elektrostatycznego przepływającego przez nasze ciało. Ponadto oprogramowanie decyduje o lokalizacji i czynności do wykonania. Możemy zaobserwować, że pojemnościowy ekran dotykowy nie będzie działał w rękawiczkach, ponieważ nie będzie przewodzenia między palcem (palcami) a ekranem.

Czujnik PIR:

Czujnik PIR oznacza pasywny czujnik podczerwieni. Służą do wykrywania ruchu ludzi, zwierząt lub rzeczy. Wiemy, że promienie podczerwone mają właściwość odbicia. Kiedy promień podczerwony uderza w obiekt, w zależności od temperatury celu zmieniają się właściwości promienia podczerwonego, otrzymany sygnał determinuje ruch obiektów lub istot żywych. Nawet jeśli zmienia się kształt obiektu, właściwości odbitych promieni podczerwonych mogą precyzyjnie różnicować obiekty. Oto kompletny czujnik roboczy lub PIR.

Akcelerometr (czujnik pochylenia):

Czujnik akcelerometru może wykryć pochylenie lub ruch go w określonym kierunku . Działa w oparciu o siłę przyspieszenia wywołaną grawitacją Ziemi. Jego małe wewnętrzne części są tak wrażliwe, że zareagują na niewielką zewnętrzną zmianę położenia. Ma kryształ piezoelektryczny, gdy nachylony powoduje zakłócenia w krysztale i generuje potencjał, który określa dokładne położenie względem osi X, Y i Z.

Są one powszechnie spotykane w telefonach komórkowych i laptopach, aby uniknąć uszkodzenia przewodów procesorów. Kiedy urządzenie spada, akcelerometr wykrywa stan upadku i wykonuje odpowiednie działanie w oparciu o oprogramowanie. Oto kilka projektów wykorzystujących akcelerometr.

Czujnik gazu:

W zastosowaniach przemysłowych czujniki gazu odgrywają główną rolę w wykrywaniu wycieku gazu. Jeśli takie urządzenie nie zostanie zainstalowane na takich obszarach, ostatecznie prowadzi to do niewiarygodnej katastrofy. Te czujniki gazu są podzielone na różne typy w zależności od typu gazu, który ma być wykrywany. Zobaczmy, jak działa ten czujnik. Pod blachą znajduje się element czujnikowy, który jest połączony z zaciskami, do których doprowadzany jest prąd. Kiedy cząsteczki gazu uderzają w element czujnikowy, prowadzi to do reakcji chemicznej, w wyniku której rezystancja pierwiastków zmienia się, a przepływ przez niego zmienia się również prąd, który ostatecznie może wykryć gaz.

W końcu możemy stwierdzić, że czujniki są używane nie tylko do ułatwienia naszej pracy, aby mierzyć wielkości fizyczne, dzięki czemu urządzenia są zautomatyzowane, ale także służą do pomocy żywym istotom w katastrofach.