Различни видове сензори и тяхната работа

Ерата на автоматизацията вече започна. Повечето неща, които използваме сега, могат да бъдат автоматизирани. За да проектираме автоматизирани устройства, първо трябва да знаем за сензорите, това са модулите / устройствата, които са полезни при извършване на нещата без човешка намеса. Дори мобилните устройства или смартфоните, които ежедневно използваме, ще имат някои сензори като сензор на Хол, сензор за близост, акселерометър, сензорен екран, микрофон и т.н. показания към устройства или микроконтролер.

Какво е сензор?

Сензорът може да бъде дефиниран като устройство, което може да се използва за засичане / откриване на физическото количество като сила, налягане, деформация, светлина и т.н. и след това да го преобразува в желания изход като електрически сигнал за измерване на приложеното физическо количество . В няколко случая само един сензор може да не е достатъчен за анализ на получения сигнал. В тези случаи се използва устройство за кондициониране на сигнала, за да се поддържа нивото на изходното напрежение на сензора в желания диапазон по отношение на крайното устройство, което използваме.

В устройството за кондициониране на сигнала изходът на сензора може да бъде усилен, филтриран или модифициран до желаното изходно напрежение. Например, ако разгледаме микрофон, той открива аудио сигнала и се преобразува в изходното напрежение (е по отношение на миливолта), което става трудно за задвижване на изходна верига. Така че, единица за кондициониране на сигнал (усилвател) се използва за увеличаване на силата на сигнала. Но кондиционирането на сигнала може да не е необходимо за всички сензори като фотодиод, LDR и т.н.

Повечето от сензорите не могат да работят самостоятелно. Така че към него трябва да се приложи достатъчно входно напрежение. Различните сензори имат различни работни диапазони, което трябва да се има предвид при работа с него, в противен случай сензорът може да се повреди трайно.

Видове сензори:

Нека да видим различните видове сензори, които се предлагат на пазара, и да обсъдим тяхната функционалност, работа, приложения и т.н. Ще обсъдим различни сензори като:

• Светлинен сензор
  • IR сензор (IR трансмитер / IR LED)
  • Фотодиод (IR приемник)
  • Резистор, зависим от светлината
• Температурен сензор
  • Термистор
  • Термодвойка
• Сензор за налягане / сила / тегло
  • Манометър (сензор за налягане)
  • Зареждане на клетки (сензор за тегло)
• Сензор за положение
  • Потенциометър
  • Енкодер
• Датчик на Хол (откриване на магнитно поле)
• Flex сензор
• Звуков сензор
  • Микрофон
• Ултразвуков сензор
• Сензор за докосване
• PIR сензор
• Сензор за наклон
  • Акселерометър
• Сензор за газ

Трябва да изберем желания сензор въз основа на нашия проект или приложение. Както беше казано по-рано, за да ги накара да работят правилно трябва да се прилага напрежение въз основа на техните спецификации.

Сега нека видим принципа на работа на различните сензори и къде може да се види в ежедневния ни живот или неговото приложение.

IR LED:

Нарича се още ИЧ предавател. Използва се за излъчване на инфрачервени лъчи. Обхватът на тези честоти е по-голям от микровълновите честоти (т.е.> 300GHz до няколко стотици THz). Лъчите, генерирани от инфрачервен светодиод, могат да бъдат усетени от Фотодиода, обяснен по-долу. Двойката IR LED и фотодиод се нарича IR Sensor. Ето как работи IR сензорът.

Фото диод (сензор за светлина):

Това е полупроводниково устройство, което се използва за откриване на светлинните лъчи и се използва най-вече като IR приемник . Конструкцията му е подобна на нормалния PN диод, но принципът на работа се различава от него. Тъй като знаем, че PN връзката позволява малки токове на изтичане, когато е обърната обратно, така че това свойство се използва за откриване на светлинните лъчи. Фотодиодът е конструиран така, че светлинните лъчи да падат върху PN прехода, което кара тока на изтичане да се увеличава въз основа на интензивността на светлината, която сме приложили. Така че, по този начин може да се използва фотодиод, за да усети светлинните лъчи и да поддържа тока през веригата. Проверете тук работата на Фотодиод с IR сензор.

С помощта на фотодиод можем да изградим основна автоматична улична лампа, която свети, когато интензивността на слънчевата светлина намалее. Но фотодиодът действа дори ако върху него попадне малко количество светлина, така че трябва да се внимава.

LDR (светлозависим резистор):

Както самото име посочва, че резисторът зависи от интензивността на светлината. Той работи на принципа на фотопроводимостта, което означава проводимост, дължаща се на светлината. Обикновено се състои от кадмиев сулфид. Когато светлината падне върху LDR, нейното съпротивление намалява и действа подобно на проводник и когато върху него не пада светлина, неговото съпротивление е почти в диапазона MΩ или в идеалния случай действа като отворена верига . Една забележка трябва да се има предвид при LDR е, че той няма да реагира, ако светлината не е точно фокусирана върху повърхността му.

С подходяща схема, използваща транзистор, тя може да се използва за откриване на наличието на светлина. Транзисторът с пристрастие към делителя на напрежението с R2 (резистор между основата и излъчвателя), заменен с LDR, може да работи като светлинен детектор. Проверете тук различните схеми, базирани на LDR.

Термистор (температурен сензор):

Термистор може да се използва за откриване на промяната в температурата . Той има отрицателен температурен коефициент, което означава, че когато температурата се повишава, съпротивлението намалява. Така че съпротивлението на термистора може да варира с повишаването на температурата, което води до по-голям ток през него. Тази промяна в текущия поток може да се използва за определяне на размера на промяната в температурата. Приложението за термистор е, използва се за откриване на повишаване на температурата и контрол на тока на изтичане в транзисторна верига, което помага за поддържането на неговата стабилност. Ето едно просто приложение за термистор за автоматично управление на DC вентилатора.

Термодвойка (сензор за температура):

Друг компонент, който може да открие промяната в температурата, е термодвойка. В неговата конструкция два различни метала са свързани заедно, за да образуват кръстовище. Основният му принцип е, когато свързването на два различни метала се нагрява или е изложено на високи температури, потенциалът на техните клеми варира. Така че вариращият потенциал може да се използва допълнително за измерване на количеството промяна в температурата.

Тензодатчик (сензор за налягане / сила):

Дебитомер се използва за откриване на налягане при прилагане на товар . Работи на принципа на съпротивлението, знаем, че съпротивлението е право пропорционално на дължината на проводника и е обратно пропорционално на площта му на напречно сечение (R = ρl / a). Същият принцип може да се използва тук за измерване на товара. На гъвкава дъска тел е подреден на зиг-заг начин, както е показано на фигурата по-долу. Така че, когато налягането се прилага върху тази конкретна платка, тя се огъва в посока, предизвикваща промяната в общата дължина и площта на напречното сечение на проводника. Това води до промяна в съпротивлението на проводника. Така полученото съпротивление е много малко (няколко ома), което може да се определи с помощта на моста Уитстоун. Тензодатчикът се поставя в едно от четирите рамена в мост с останалите стойности непроменени. Следователно,когато налягането се прилага към него, тъй като съпротивлението се променя, токът, преминаващ през моста, варира и налягането може да бъде изчислено.

Тензометрите се използват главно за изчисляване на количеството налягане, което самолетното крило може да издържи, а също така се използва за измерване на броя на превозните средства, допустими по определен път и т.н.

Товарна клетка (сензор за тегло):

Тензорните клетки са подобни на тензодатчиците, които измерват физическото количество като сила и дават изхода под формата на електрически сигнали. Когато се приложи някакво напрежение върху товарната клетка, нейната структура варира, причинявайки промяната в съпротивлението и накрая, стойността му може да се калибрира с помощта на мост на Уитстоун. Ето проекта за това как да се измери теглото с помощта на товарната клетка.

Потенциометър:

За откриване на позицията се използва потенциометър. Обикновено има различни диапазони на резистори, свързани към различни полюси на превключвателя. Потенциометърът може да бъде въртящ се или линеен тип. В ротационен тип чистачката е свързана с дълъг вал, който може да се върти. Когато валът се завърти, позицията на чистачката се променя така, че резултантното съпротивление да варира, причинявайки промяната в изходното напрежение. По този начин изходът може да се калибрира, за да се открие промяната в неговото положение.

Енкодер:

За откриване на промяната в позицията може да се използва и енкодер. Той има кръгла въртяща се дискова структура със специфични отвори между тях, така че когато IR лъчите или светлинните лъчи преминат през него, се откриват само няколко светлинни лъча. Освен това тези лъчи се кодират в цифрови данни (по отношение на двоични), които представляват конкретната позиция.

Датчик на Хол:

Самото име гласи, че именно сензорът работи върху ефекта на Хол. Може да се определи като когато магнитно поле се приближи до токопроводящия проводник (перпендикулярно на посоката на електрическото поле), тогава се развива потенциална разлика в дадения проводник. Използвайки това свойство, сензор на Хол се използва за откриване на магнитното поле и дава изход по отношение на напрежението. Трябва да се внимава сензорът на Хол да може да открие само един полюс на магнита.

Сензорът на Hall се използва в няколко смартфона, които са полезни при изключване на екрана, когато капакът на капака (който има магнит в него) е затворен на екрана. Ето едно практическо приложение на сензора на Hall Effect в алармата на вратата.

Flex сензор:

FLEX сензорът е преобразувател, който променя съпротивлението си при промяна на формата му или при огъване . Сензорът FLEX е с дължина 2,2 инча или с дължина на пръста. Това е показано на фигурата. Просто казано, съпротивлението на клемата на сензора се увеличава, когато е огънато. Тази промяна в съпротивата не може да донесе нищо добро, освен ако не можем да ги прочетем. Подходящият контролер може да отчита само промените в напрежението и нищо по-малко, за това ще използваме верига на делителя на напрежението, с което можем да извлечем промяната на съпротивлението като промяна на напрежението. Научете тук как да използвате Flex Sensor.

Микрофон (звуков сензор):

Микрофон може да се види на всички смартфони или мобилни телефони. Той може да открива аудио сигнала и да ги преобразува в електрически сигнали с малко напрежение (mV). Микрофонът може да бъде от много видове като кондензатор, кристален микрофон, въглероден микрофон и др. Всеки тип микрофон работи съответно на свойствата като капацитет, пиезоелектричен ефект, съпротивление. Нека видим работата на кристален микрофон, който работи върху пиезоелектричния ефект. Използва се биморфен кристал, който под налягане или вибрации произвежда пропорционално променливо напрежение. Към кристала е свързана диафрагма чрез задвижващ щифт, така че когато звуковият сигнал удари диафрагмата, той се движи напред-назад,това движение променя позицията на задвижващия щифт, което причинява вибрации в кристала, като по този начин се генерира променливо напрежение по отношение на приложения звуков сигнал. Полученото напрежение се подава към усилвател, за да се увеличи общата сила на сигнала. Ето различни схеми, базирани на микрофон.

Можете също да конвертирате стойността на микрофона в децибели, като използвате някакъв микроконтролер като Arduino.

Ултразвуков сензор:

Ултразвукът не означава нищо друго освен обхвата на честотите. Обхватът му е по-голям от звуковия обхват (> 20 kHz), така че дори да е включен, не можем да усетим тези звукови сигнали. Само специфични високоговорители и приемници могат да усетят тези ултразвукови вълни. Този ултразвуков сензор се използва за изчисляване на разстоянието между ултразвуковия предавател и целта и също така се използва за измерване на скоростта на целта .

Ултразвуков сензор HC-SR04 може да се използва за измерване на разстояние в диапазона 2cm-400cm с точност 3mm. Нека да видим как работи този модул. Модулът HCSR04 генерира звукови вибрации в ултразвуков диапазон, когато правим щифта "Trigger" висок за около 10us, който ще изпрати 8-циклов звуков взрив със скоростта на звука и след като удари обекта, той ще бъде получен от щифта Echo. В зависимост от времето, необходимо на звуковите вибрации да се върнат, той осигурява подходящия импулсен изход. Можем да изчислим разстоянието на обекта въз основа на времето, необходимо на ултразвуковата вълна да се върне обратно към сензора. Научете повече за ултразвуковия сензор тук.

Има много приложения с ултразвуковия сензор. Можем да се възползваме от него, за да избягваме препятствия за автоматизираните автомобили, движещите се роботи и др. Същият принцип ще бъде използван в РАДАРА за откриване на ракетите-нарушители и самолетите. Комарът може да усети ултразвуковите звуци. Така че ултразвуковите вълни могат да се използват като репелент срещу комари.

Сензор за докосване:

В това поколение можем да кажем, че почти всички използват смартфони, които имат широкоекранен, а също и екран, който може да усети нашето докосване. Така че, нека видим как работи този сензорен екран. По същество има два вида сензорни сензори с резистивна основа и капацитивни сензорни екрани . Нека да знаем за работата на тези сензори за кратко.

В сензорен има резистивен лист в основата и проводим лист под екрана и двете от тях са разделени с въздушна междина с малко напрежение, приложено на листовете. Когато натиснем или докоснем екрана, проводящият лист докосва резистивния лист в тази точка, предизвиквайки токов поток в тази конкретна точка, софтуерът усеща местоположението и се извършва съответното действие.

Докато капацитивното докосване работи върху електростатичния заряд, който е наличен в тялото ни. Екранът вече е зареден с цялото електрическо поле. Когато докоснем екрана, се образува тясна верига поради електростатичен заряд, който тече през тялото ни. Освен това софтуерът определя местоположението и действието, което ще се извърши. Можем да забележим, че капацитивният сензорен екран няма да работи, когато носите ръкавици, тъй като няма да има проводимост между пръстите и екрана.

PIR сензор:

PIR сензор означава пасивен инфрачервен сензор. Те се използват за откриване на движението на хора, животни или неща. Знаем, че инфрачервените лъчи имат свойството да отразяват. Когато инфрачервеният лъч удари обект, в зависимост от температурата на целта свойствата на инфрачервения лъч се променя, този получен сигнал определя движението на обектите или на живите същества. Дори ако формата на обекта се промени, свойствата на отразените инфрачервени лъчи могат да разграничат обектите точно. Ето пълния работещ или PIR сензор.

Акселерометър (сензор за наклон):

Акселерометърът може да усети наклона или движението му в определена посока . Той работи въз основа на силата на ускорението, причинена поради земната гравитация. Малките вътрешни части от него са толкова чувствителни, че те ще реагират на малка външна промяна в позицията. Той има пиезоелектричен кристал, когато е наклонен, причинява смущения в кристала и генерира потенциал, който определя точното положение по оста X, Y и Z.

Те често се наблюдават в мобилни телефони и лаптопи, за да се избегне счупване на кабелите на процесорите. Когато устройството падне, акселерометърът открива падащото състояние и извършва съответни действия въз основа на софтуера. Ето някои проекти, използващи акселерометър.

Газов сензор:

В промишлени приложения газовите сензори играят основна роля при откриване на изтичането на газ. Ако такова устройство не е инсталирано в такива зони, това в крайна сметка води до невероятно бедствие. Тези газови сензори са класифицирани в различни типове въз основа на вида газ, който трябва да бъде открит. Нека да видим как работи този сензор. Под метален лист има сензорен елемент, който е свързан към клемите, където към него се подава ток. Когато газовите частици удрят сензорния елемент, това води до химическа реакция, такава че съпротивлението на елементите да варира и токът през него също се променя, което накрая може да открие газа.

И накрая, можем да заключим, че сензорите се използват не само за улесняване на работата ни за измерване на физическите величини, което прави устройствата автоматизирани, но също така се използват за подпомагане на живи същества при бедствия.