Diferite tipuri de senzori și funcționarea acestora

Era automatizării a început deja. Majoritatea lucrurilor pe care le folosim acum pot fi automatizate. Pentru a proiecta mai întâi dispozitive automate, trebuie să știm despre senzori, acestea sunt modulele / dispozitivele care sunt utile pentru a face lucrurile fără intervenția umană. Chiar și telefoanele mobile sau smartphone-urile pe care le folosim zilnic vor avea niște senzori cum ar fi senzor de hol, senzor de proximitate, accelerometru, ecran tactil, microfon etc. Acești senzori acționează ca ochi, urechi, nasul oricărui echipament electric care detectează parametrii din lumea exterioară și oferă citiri pe dispozitive sau microcontroler.

Ce este un senzor?

Senzorul poate fi definit ca un dispozitiv care poate fi utilizat pentru a sens / detecta mărimea fizică cum ar fi forta, presiune, tulpina, etc lumină și apoi converti în ieșire dorit ca și semnalul electric pentru a măsura cantitatea aplicată fizic . În câteva cazuri, un senzor singur poate să nu fie suficient pentru a analiza semnalul obținut. În aceste cazuri, o unitate de condiționare a semnalului este utilizată pentru a menține nivelurile de tensiune de ieșire ale senzorului în intervalul dorit în raport cu dispozitivul final pe care îl folosim.

În unitatea de condiționare a semnalului, ieșirea senzorului poate fi amplificată, filtrată sau modificată la tensiunea de ieșire dorită. De exemplu, dacă luăm în considerare un microfon, acesta detectează semnalul audio și se transformă în tensiunea de ieșire (este în termeni de milivolți), care devine greu de condus un circuit de ieșire. Deci, o unitate de condiționare a semnalului (un amplificator) este utilizată pentru a crește puterea semnalului. Dar condiționarea semnalului poate să nu fie necesară pentru toți senzorii cum ar fi fotodiodă, LDR etc.

Majoritatea senzorilor nu pot funcționa independent. Deci, ar trebui să i se aplice o tensiune de intrare suficientă. Diferiți senzori au intervale de funcționare diferite, care ar trebui luate în considerare în timp ce lucrați cu el, altfel senzorul se poate deteriora permanent.

Tipuri de senzori:

Să vedem diferitele tipuri de senzori disponibili pe piață și să discutăm despre funcționalitatea, funcționarea, aplicațiile etc. Vom discuta despre diferiți senzori precum:

• Senzor de lumina
  • Senzor IR (emițător IR / LED IR)
  • Fotodiodă (receptor IR)
  • Rezistență dependentă de lumină
• Senzor de temperatura
  • Termistor
  • Termocuplu
• Senzor presiune / forță / greutate
  • Manometru (senzor de presiune)
  • Celule de încărcare (senzor de greutate)
• Senzor de poziție
  • Potențiometru
  • Codificator
• Senzor Hall (detectează câmpul magnetic)
• Senzor flexibil
• Senzor de sunet
  • Microfon
• Senzor cu ultrasunete
• Senzor tactil
• Senzor PIR
• Senzor de înclinare
  • Accelerometru
• Senzor de gaz

Trebuie să selectăm senzorul dorit pe baza proiectului sau aplicației noastre. Așa cum am spus mai devreme, pentru a le face să funcționeze, trebuie aplicată o tensiune adecvată pe baza specificațiilor lor.

Acum, să vedem principiul de funcționare al diferiților senzori și unde poate fi văzut în viața noastră de zi cu zi sau în aplicarea acestuia.

LED IR:

Este, de asemenea, numit transmițător IR. Este folosit pentru a emite raze infraroșii. Gama acestor frecvențe este mai mare decât frecvențele cu microunde (adică> 300GHz până la câteva sute de THz). Razele generate de un LED cu infraroșu pot fi sesizate de fotodioda explicată mai jos. Perechea de LED-uri IR și fotodiodă se numește senzor IR. Iată cum funcționează un senzor IR.

Foto diodă (senzor de lumină):

Este un dispozitiv semiconductor care este utilizat pentru a detecta razele de lumină și este utilizat în principal ca receptor IR . Construcția sa este similară cu dioda de joncțiune PN normală, dar principiul de funcționare diferă de acesta. După cum știm, o joncțiune PN permite mici curenți de scurgere atunci când este polarizată invers, astfel încât această proprietate este utilizată pentru a detecta razele de lumină. O fotodiodă este construită astfel încât razele de lumină să cadă pe joncțiunea PN, ceea ce face ca curentul de scurgere să crească pe baza intensității luminii pe care am aplicat-o. Deci, în acest fel, o fotodiodă poate fi utilizată pentru a detecta razele de lumină și a menține curentul prin circuit. Verificați aici funcționarea fotodiodei cu senzor IR.

Folosind o fotodiodă putem construi o lampă automată de bază, care să strălucească atunci când intensitatea soarelui scade. Dar fotodioda funcționează chiar dacă o cantitate mică de lumină cade pe el, așa că ar trebui să aveți grijă.

LDR (rezistență dependentă de lumină):

După cum denumirea specifică, rezistența care depinde de intensitatea luminii. Funcționează pe principiul fotoconductivității, ceea ce înseamnă conducerea datorată luminii. În general este alcătuit din sulfură de cadmiu. Când lumina cade pe LDR, rezistența sa scade și acționează similar cu un conductor și atunci când nu cade lumină pe ea, rezistența sa este aproape în intervalul MΩ sau în mod ideal acționează ca un circuit deschis . O notă ar trebui luată în considerare cu LDR este că nu va răspunde dacă lumina nu este exact concentrată pe suprafața sa.

Cu un circuit adecvat folosind un tranzistor, acesta poate fi utilizat pentru a detecta disponibilitatea luminii. Un tranzistor polarizat cu divizor de tensiune cu R2 (rezistor între bază și emițător) înlocuit cu un LDR poate funcționa ca un detector de lumină. Verificați aici diferitele circuite bazate pe LDR.

Termistor (senzor de temperatură):

Un termistor poate fi folosit pentru a detecta variația temperaturii . Are un coeficient de temperatură negativ, ceea ce înseamnă că atunci când temperatura crește rezistența scade. Deci, rezistența termistorului poate fi variată cu creșterea temperaturii, ceea ce determină un flux mai mare de curent prin el. Această modificare a debitului curent poate fi utilizată pentru a determina cantitatea de modificare a temperaturii. O aplicație pentru termistor este, este utilizată pentru a detecta creșterea temperaturii și pentru a controla curentul de scurgere într-un circuit de tranzistor care ajută la menținerea stabilității sale. Iată o aplicație simplă pentru Thermistor pentru a controla automat ventilatorul DC.

Termocuplu (senzor de temperatură):

O altă componentă care poate detecta variația temperaturii este un termocuplu. În construcția sa, două metale diferite sunt unite între ele pentru a forma o joncțiune. Principiul său principal este atunci când joncțiunea a două metale diferite este încălzită sau expusă la temperaturi ridicate, un potențial pe terminalele lor variază. Deci, potențialul variabil poate fi utilizat în continuare pentru a măsura cantitatea de schimbare a temperaturii.

Manometru (senzor de presiune / forță):

Un manometru este folosit pentru a detecta presiunea atunci când se aplică o sarcină . Funcționează pe principiul rezistenței, știm că rezistența este direct proporțională cu lungimea firului și este invers proporțională cu aria secțiunii sale transversale (R = ρl / a). Același principiu poate fi folosit aici pentru a măsura sarcina. Pe o placă flexibilă, un fir este dispus în zig-zag așa cum se arată în figura de mai jos. Deci, atunci când presiunea este aplicată pe placa respectivă, aceasta se îndoaie într-o direcție provocând schimbarea lungimii totale și a secțiunii transversale a firului. Acest lucru duce la schimbarea rezistenței firului. Rezistența astfel obținută este foarte mică (câțiva ohmi) care poate fi determinată cu ajutorul podului Wheatstone. Manometrul este plasat într-unul dintre cele patru brațe dintr-un pod, cu valorile rămase neschimbate. Prin urmare,când se aplică presiune pe măsură ce rezistența se schimbă, curentul care trece prin punte variază și presiunea poate fi calculată.

Indicatoarele de tensiune sunt utilizate în principal pentru a calcula cantitatea de presiune pe care o poate rezista o aripă de avion și este, de asemenea, utilizată pentru a măsura numărul de vehicule permise pe un anumit drum etc.

Celula de încărcare (senzor de greutate):

Celulele de sarcină sunt similare cu aparatele de măsurare a tensiunii, care măsoară cantitatea fizică precum forța și dau ieșirea sub formă de semnale electrice. Atunci când se aplică o anumită tensiune pe celula de sarcină, structura variază provocând schimbarea rezistenței și, în cele din urmă, valoarea acesteia poate fi calibrată folosind un pod Wheatstone. Iată proiectul despre măsurarea greutății folosind celula de încărcare.

Potențiometru:

Un potențiometru este utilizat pentru a detecta poziția . În general, are diferite game de rezistențe conectate la diferiți poli ai comutatorului. Un potențiometru poate fi de tip rotativ sau liniar. În tipul rotativ, un ștergător este conectat la un arbore lung care poate fi rotit. Când arborele s-a rotit, poziția ștergătorului se modifică astfel încât rezistența rezultată variază provocând modificarea tensiunii de ieșire. Astfel, ieșirea poate fi calibrată pentru a detecta schimbarea poziției sale.

Codificator:

Pentru a detecta schimbarea poziției se poate utiliza și un codificator. Are o structură circulară rotativă, asemănătoare unui disc, cu deschideri specifice între ele, astfel încât atunci când razele IR sau razele de lumină trec prin ea sunt detectate doar câteva raze de lumină. Mai mult, aceste raze sunt codificate într-o informație digitală (în termeni binari) care reprezintă poziția specifică.

Senzor Hall:

Numele în sine afirmă că este senzorul care funcționează pe efectul Hall. Poate fi definit ca atunci când un câmp magnetic este apropiat de conductorul de curent (perpendicular pe direcția câmpului electric), atunci se dezvoltă o diferență de potențial pe conductorul dat. Folosind această proprietate, un senzor Hall este utilizat pentru a detecta câmpul magnetic și dă ieșire în termeni de tensiune. Trebuie avut grijă ca senzorul Hall să poată detecta doar un pol al magnetului.

Senzorul de hol este utilizat în câteva smartphone-uri care sunt utile în oprirea ecranului atunci când capacul clapetei (care are un magnet în el) este închis pe ecran. Iată o aplicație practică a senzorului de efect Hall în Alarma ușii.

Senzor flexibil:

Un senzor FLEX este un traductor care își schimbă rezistența atunci când se schimbă forma sau când este îndoit . Un senzor FLEX are o lungime de 2,2 inci sau o lungime a degetului. Este prezentat în figură. Pur și simplu, rezistența terminalului senzorului crește atunci când este îndoită. Această schimbare a rezistenței nu poate face nimic decât dacă le putem citi. Controlerul la îndemână poate citi doar schimbările de tensiune și nimic mai puțin, pentru aceasta, vom folosi circuitul divizor de tensiune, cu care putem obține schimbarea rezistenței ca o schimbare de tensiune. Aflați aici despre modul de utilizare a senzorului flexibil.

Microfon (senzor de sunet):

Microfonul poate fi văzut pe toate smartphone-urile sau telefoanele mobile. Poate detecta semnalul audio și le poate converti în semnale electrice de mică tensiune (mV). Un microfon poate fi de multe tipuri, cum ar fi microfonul cu condensator, microfonul din cristal, microfonul din carbon etc. Să vedem funcționarea unui microfon de cristal care funcționează asupra efectului piezoelectric. Se utilizează un cristal bimorf care sub presiune sau vibrații produce tensiune alternativă proporțională. O diafragmă este conectată la cristal printr-un știft de acționare, astfel încât atunci când semnalul sonor lovește diafragma, acesta se deplasează înainte și înapoi,această mișcare schimbă poziția știftului de acționare care provoacă vibrații în cristal, astfel se generează o tensiune alternativă în raport cu semnalul sonor aplicat. Tensiunea obținută este alimentată către un amplificator pentru a crește puterea totală a semnalului. Iată diferite circuite bazate pe microfon.

De asemenea, puteți converti valoarea microfonului în decibeli folosind un microcontroler precum Arduino.

Senzor cu ultrasunete:

Ultrasonic nu înseamnă altceva decât gama frecvențelor. Raza sa de acțiune este mai mare decât raza sonoră (> 20 kHz), astfel încât nici măcar acesta este pornit nu putem simți aceste semnale sonore. Numai difuzoarele și receptoarele specifice pot simți acele unde ultrasonice. Acest senzor cu ultrasunete este utilizat pentru a calcula distanța dintre transmițătorul cu ultrasunete și țintă și, de asemenea, este utilizat pentru a măsura viteza țintei .

Senzorul cu ultrasunete HC-SR04 poate fi utilizat pentru a măsura distanța cuprinsă între 2cm-400cm cu o precizie de 3mm. Să vedem cum funcționează acest modul. Modulul HCSR04 generează o vibrație sonoră în domeniul ultrasunetelor atunci când punem pinul „Trigger” la o înălțime de aproximativ 10us, care va trimite o explozie sonică de 8 cicluri la viteza sunetului și, după ce a lovit obiectul, va fi recepționat de pinul Echo. În funcție de timpul necesar vibrațiilor sonore pentru a reveni, acesta oferă ieșirea impulsului adecvată. Putem calcula distanța obiectului pe baza timpului luat de unda cu ultrasunete pentru a reveni la senzor. Aflați mai multe despre senzorul cu ultrasunete aici.

Există multe aplicații cu senzorul cu ultrasunete. Putem face uz de aceasta pentru a evita obstacolele pentru mașinile automate, roboții în mișcare etc. Același principiu va fi folosit în RADAR pentru detectarea rachetelor și avioanelor intruse. Un țânțar poate simți sunetele cu ultrasunete. Deci, undele ultrasonice pot fi folosite ca repelente împotriva țânțarilor.

Senzor tactil:

În această generație, putem spune că aproape toți folosesc smartphone-uri care au ecran lat și un ecran care poate simți atingerea noastră. Deci, să vedem cum funcționează acest ecran tactil. Practic, există două tipuri de senzori tactili pe bază de ecran rezistiv și unul capacitiv . Să știm despre funcționarea acestor senzori pe scurt.

Ecranul tactil rezistiv are o foaie rezistivă la bază și o foaie conductivă sub ecran, ambele fiind separate de un spațiu de aer cu o tensiune mică aplicată foilor. Când apăsăm sau atingem ecranul, foaia conductivă atinge foaia rezistivă în acel moment provocând fluxul de curent în acel punct anume, software-ul detectează locația și se efectuează acțiunea relevantă.

În timp ce atingerea capacitivă funcționează pe sarcina electrostatică disponibilă pe corpul nostru. Ecranul este deja încărcat cu tot câmpul electric. Când atingem ecranul, se formează un circuit strâns din cauza încărcării electrostatice care curge prin corpul nostru. În plus, software-ul decide locația și acțiunea care trebuie efectuată. Putem observa că ecranul tactil capacitiv nu va funcționa atunci când purtați mănuși de mână, deoarece nu va exista conducere între deget (uri) și ecran.

Senzor PIR:

Senzorul PIR înseamnă senzor infraroșu pasiv. Acestea sunt folosite pentru a detecta mișcarea oamenilor, a animalelor sau a lucrurilor. Știm că razele infraroșii au o proprietate de reflexie. Când o rază infraroșie lovește un obiect, în funcție de temperatura țintei, proprietățile razelor infraroșii se schimbă, acest semnal primit determină mișcarea obiectelor sau a ființelor vii. Chiar dacă forma obiectului se modifică, proprietățile razelor infraroșii reflectate pot diferenția obiectele cu precizie. Iată senzorul complet de lucru sau PIR.

Accelerometru (senzor de înclinare):

Un senzor accelerometru poate simți înclinarea sau mișcarea acestuia într-o anumită direcție . Funcționează pe baza forței de accelerație cauzată de gravitația pământului. Micile părți interne ale acesteia sunt atât de sensibile încât acestea vor reacționa la o mică schimbare externă de poziție. Are un cristal piezoelectric atunci când este înclinat, provoacă tulburări în cristal și generează un potențial care determină poziția exactă în raport cu axele X, Y și Z.

Acestea sunt văzute în mod obișnuit pe telefoane mobile și laptopuri pentru a evita ruperea cablurilor de procesor. Când dispozitivul cade, accelerometrul detectează starea de cădere și face acțiunea respectivă pe baza software-ului. Iată câteva proiecte care utilizează Accelerometer.

Senzor de gaz:

În aplicațiile industriale, senzorii de gaz joacă un rol major în detectarea scurgerilor de gaz. Dacă nu este instalat un astfel de dispozitiv în astfel de zone, acesta duce în cele din urmă la un dezastru incredibil. Acești senzori de gaz sunt clasificați în diferite tipuri pe baza tipului de gaz care urmează să fie detectat. Să vedem cum funcționează acest senzor. Sub o foaie de metal există un element de detectare care este conectat la bornele unde i se aplică un curent. Când particulele de gaz lovesc elementul senzitiv, aceasta duce la o reacție chimică, astfel încât rezistența elementelor variază și curentul prin el se modifică, ceea ce, în cele din urmă, poate detecta gazul.

Deci, în cele din urmă, putem concluziona că senzorii nu sunt folosiți doar pentru a simplifica munca noastră pentru a măsura cantitățile fizice, făcând dispozitivele automatizate, ci și pentru a ajuta ființele vii cu dezastre.