Різні типи датчиків та їх робота

Ера автоматизації вже розпочалася. Більшість речей, якими ми користуємося зараз, можна автоматизувати. Щоб спершу спроектувати автоматизовані пристрої, нам потрібно знати про датчики, це модулі / пристрої, які допомагають робити речі без участі людини. Навіть мобільні телефони або смартфони, якими ми щодня користуємося, матимуть деякі датчики, такі як датчик Холла, датчик наближення, акселерометр, сенсорний екран, мікрофон тощо. Цей датчик діє як очі, вуха, ніс будь-якого електричного обладнання, яке сприймає параметри у зовнішньому світі і дає показання на пристроях або мікроконтролері.

Що таке датчик?

Датчик може бути визначений як пристрій, який можна використовувати для виявлення / виявлення фізичної величини, такої як сила, тиск, деформація, світло тощо, а потім перетворити її в бажаний вихід, як електричний сигнал, для вимірювання прикладеної фізичної величини . У деяких випадках одного датчика може бути недостатньо для аналізу отриманого сигналу. У цих випадках використовується блок кондиціонування сигналу, щоб підтримувати рівні вихідної напруги датчика в бажаному діапазоні щодо кінцевого пристрою, який ми використовуємо.

У блоці кондиціонування сигналу вихід датчика може бути посилений, відфільтрований або модифікований до бажаної вихідної напруги. Наприклад, якщо розглядати мікрофон, він виявляє звуковий сигнал і перетворюється на вихідну напругу (в перерахунку на мілівольт), яка стає важкою для керування вихідною ланцюгом. Отже, блок посилення сигналу (підсилювач) використовується для збільшення потужності сигналу. Але підготовка сигналу може бути не потрібна для всіх датчиків, таких як фотодіод, LDR тощо.

Більшість датчиків не можуть працювати самостійно. Отже, до нього має подаватися достатня вхідна напруга. Різні датчики мають різні діапазони роботи, що слід враховувати під час роботи з ним, інакше датчик може пошкодитись остаточно.

Типи датчиків:

Давайте розглянемо різні типи датчиків, які доступні на ринку, і обговоримо їх функціональність, роботу, додатки тощо. Ми обговоримо різні датчики, такі як:

• Сенсор світла
  • ІЧ-датчик (ІЧ-передавач / ІЧ-світлодіод)
  • Фотодіод (ІЧ-приймач)
  • Світлозалежний резистор
• Температурний сенсор
  • Термістор
  • Термопара
• Датчик тиску / сили / ваги
  • Манометр (датчик тиску)
  • Навантажувальні клітини (датчик ваги)
• Датчик положення
  • Потенціометр
  • Кодер
• Датчик Холла (виявлення магнітного поля)
• Датчик гнучкості
• Датчик звуку
  • Мікрофон
• Ультразвуковий датчик
• Сенсорний сенсор
• Датчик PIR
• Датчик нахилу
  • Акселерометр
• Датчик газу

Нам потрібно вибрати бажаний датчик на основі нашого проекту або програми. Як вже було сказано раніше, для того, щоб змусити їх працювати, слід подавати відповідну напругу, виходячи з їх специфікацій.

А тепер давайте побачимо принцип роботи різних датчиків і те, де це можна побачити в нашому повсякденному житті або його застосуванні.

ІЧ-індикатор:

Його також називають ІЧ-передавачем. Застосовується для випромінювання інфрачервоних променів. Діапазон цих частот перевищує частоти НВЧ (тобто> 300 ГГц до декількох сотень ТГц). Промені, генеровані інфрачервоним світлодіодом, можна відчути за допомогою фотодіода, який пояснюється нижче. Пара ІЧ-світлодіодів і фотодіодів називається ІЧ-датчиком. Ось як працює ІЧ-датчик.

Фотодіод (датчик світла):

Це напівпровідниковий пристрій, який використовується для виявлення променів світла і в основному використовується як ІЧ-приймач . Його конструкція схожа на звичайний діод з PN-з'єднанням, але принцип роботи відрізняється від нього. Як ми знаємо, PN-перехід допускає малі струми витоку, коли він зміщений назад, тому ця властивість використовується для виявлення світлових променів. Фотодіод побудований таким чином, що промені світла повинні падати на PN-перехід, що змушує струм витоку збільшуватися на основі інтенсивності світла, яке ми застосували. Отже, таким чином, фотодіод може бути використаний для відчуття світлових променів і підтримки струму через ланцюг. Перевірте тут роботу фотодіоду з ІЧ-датчиком.

За допомогою фотодіода ми можемо побудувати основний автоматичний вуличний ліхтар, який світиться, коли інтенсивність сонячного світла зменшується. Але фотодіод працює, навіть якщо на нього потрапляє невелика кількість світла, тому слід бути обережним.

LDR (світлозалежний резистор):

Оскільки сама назва вказує, що резистор залежить від інтенсивності світла. Він працює за принципом фотопровідності, що означає провідність завдяки світлу. Як правило, він складається з сульфіду кадмію. Коли світло падає на LDR, його опір зменшується і діє подібно до провідника, а коли на нього не падає світло, його опір знаходиться майже в діапазоні МОм, або в ідеалі він діє як розімкнута ланцюг . Слід врахувати одне зауваження щодо LDR - це те, що він не реагує, якщо світло не точно фокусується на його поверхні.

За допомогою належної схеми, що використовує транзистор, її можна використовувати для виявлення світла. Транзистор, зміщений на дільник напруги з R2 (резистор між базою та випромінювачем), замінений на LDR, може працювати як детектор світла. Перевірте тут різні схеми на основі LDR.

Термістор (датчик температури):

Термістор можна використовувати для виявлення коливань температури . Він має негативний температурний коефіцієнт, що означає, що при підвищенні температури опір зменшується. Отже, опір терморезистора може змінюватись із підвищенням температури, що спричиняє більший потік струму через нього. Ця зміна поточного потоку може бути використана для визначення величини зміни температури. Додаток для термістора полягає в тому, що він використовується для виявлення підвищення температури та контролю струму витоку в транзисторній ланцюзі, що допомагає підтримувати його стабільність. Ось одна проста програма для термістора для автоматичного управління вентилятором постійного струму.

Термопара (датчик температури):

Іншим компонентом, який може виявити коливання температури, є термоелемент. У його конструкції два різні метали з'єднуються між собою, утворюючи з'єднання. Її головний принцип полягає в тому, що коли місця з'єднання двох різних металів нагріваються або піддаються дії високих температур, потенціал на їх клемах змінюється. Отже, мінливий потенціал може бути надалі використаний для вимірювання величини зміни температури.

Манометр (датчик тиску / сили):

Тензодатчик використовується для виявлення тиску при застосуванні навантаження . Він працює за принципом опору, ми знаємо, що опір прямо пропорційний довжині дроту і обернено пропорційний площі його перерізу (R = ρl / a). Цей самий принцип може бути використаний тут для вимірювання навантаження. На гнучкій дошці дріт розміщений зигзагоподібно, як показано на малюнку нижче. Отже, коли тиск прикладається до цієї конкретної дошки, вона згинається в напрямку, викликаючи зміну загальної довжини та площі перерізу дроту. Це призводить до зміни опору дроту. Отриманий таким чином опір є дуже хвилинним (кілька Ом), який можна визначити за допомогою мосту Уітстона. Тензодатчик розміщений в одному з чотирьох рукавів у мосту з рештою значень без змін. Отже,при натисканні на нього тиску, коли опір змінюється, струм, що проходить через міст, змінюється, і тиск можна розрахувати.

Тензодатчики в основному використовуються для розрахунку величини тиску, який може витримати крило літака, а також для вимірювання кількості транспортних засобів, допустимих на конкретній дорозі тощо.

Навантажувач (датчик ваги):

Тензодатчики схожі на тензодатчики, які вимірюють фізичну величину, як силу, і видають вихід у вигляді електричних сигналів. Коли на навантажувальну комірку прикладається деяке натяг, її структура змінюється, що спричиняє зміну опору, і, нарешті, її величину можна відкалібрувати за допомогою мосту Уітстона. Ось проект про те, як виміряти вагу за допомогою тензодатчика.

Потенціометр:

Для виявлення положення використовується потенціометр. Зазвичай він має різні діапазони резисторів, підключених до різних полюсів вимикача. Потенціометр може бути як поворотним, так і лінійним. У поворотного типу склоочисник з'єднаний з довгим валом, який можна обертати. Коли вал обертається, положення склоочисника змінюється таким чином, що результуючий опір змінюється, викликаючи зміну вихідної напруги. Таким чином вихід може бути відкалібрований для виявлення зміни його положення.

Кодер:

Для виявлення зміни положення також може бути використаний кодер. Він має кругову обертову структуру, подібну до диска, зі специфічними отворами між ними, так що коли ІЧ-промені або промені світла проходять через нього, виявляються лише кілька променів світла. Крім того, ці промені кодуються в цифрові дані (у вигляді двійкових), що представляють конкретну позицію.

Датчик Холла:

У самій назві зазначено, що саме датчик працює на Ефект Холла. Це можна визначити так, коли магнітне поле наближається до провідника струму (перпендикулярно напрямку електричного поля), тоді виникає різниця потенціалів у даному провіднику. Використовуючи цю властивість, датчик Холла використовується для виявлення магнітного поля і дає вихідну напругу. Слід подбати, щоб датчик Холла міг виявити лише один полюс магніту.

Датчик залу використовується в декількох смартфонах, які допомагають вимкнути екран, коли кришка клапана (в якій є магніт) закрита на екрані. Ось одне практичне застосування датчика ефекту Холла в сигналізації дверей.

Датчик гнучкості:

Датчик FLEX - це перетворювач, який змінює свій опір при зміні форми або при згинанні . Датчик FLEX має довжину 2,2 дюйма або довжину пальця. Це показано на малюнку. Говорячи простою мовою, опір клеми датчика збільшується, коли він зігнутий. Ця зміна опору не може принести користі, якщо ми не зможемо їх прочитати. Контролер під рукою може зчитувати лише зміни напруги і не менше, для цього ми будемо використовувати схему дільника напруги, з якою ми можемо отримати зміну опору як зміну напруги. Дізнайтеся тут про те, як користуватися Flex Sensor.

Мікрофон (датчик звуку):

Мікрофон можна побачити на всіх смартфонах або мобільних телефонах. Він може виявляти звуковий сигнал і перетворювати їх в електричні сигнали невеликої напруги (мВ). Мікрофон може бути різних типів, таких як конденсаторний мікрофон, кристалічний мікрофон, вугільний мікрофон тощо. Кожен тип мікрофона працює відповідно на такі властивості, як ємність, п'єзоелектричний ефект, опір. Побачимо, як працює кристалічний мікрофон, який працює на п’єзоефект. Використовується кристал біморфу, який під тиском або вібраціями виробляє пропорційну змінну напругу. Діафрагма підключена до кристала через приводний штифт таким чином, що коли звуковий сигнал потрапляє на діафрагму, він рухається туди-сюди,цей рух змінює положення приводного штифта, який викликає вібрації в кристалі, таким чином, генерується змінна напруга щодо поданого звукового сигналу. Отримана напруга подається на підсилювач з метою збільшення загальної сили сигналу. Ось різні схеми на основі мікрофона.

Ви також можете перетворити значення мікрофона в децибелах, використовуючи якийсь мікроконтролер, такий як Arduino.

Ультразвуковий датчик:

Ультразвук не означає нічого, крім діапазону частот. Його діапазон перевищує звуковий діапазон (> 20 кГц), тому навіть коли він увімкнений, ми не можемо відчути ці звукові сигнали. Тільки специфічні колонки та приймачі можуть відчувати ці ультразвукові хвилі. Цей ультразвуковий датчик використовується для розрахунку відстані між ультразвуковим передавачем і ціллю, а також для вимірювання швидкості цілі .

Ультразвуковий датчик HC-SR04 можна використовувати для вимірювання відстані в діапазоні 2 см-400 см з точністю до 3 мм. Давайте подивимося, як працює цей модуль. Модуль HCSR04 генерує звукову вібрацію в ультразвуковому діапазоні, коли ми піднімаємо високий штифт `` Trigger '' приблизно на 10us, який надсилає 8-цикловий звуковий сплеск зі швидкістю звуку, і після удару по об'єкту, він буде отриманий ехо-штифтом. Залежно від часу, необхідного звуковій вібрації для повернення, він забезпечує відповідний імпульсний вихід. Ми можемо розрахувати відстань об’єкта, виходячи з часу, за який ультразвукова хвиля повертається назад до датчика. Дізнайтеся більше про ультразвуковий датчик тут.

Існує багато додатків з ультразвуковим датчиком. Ми можемо використовувати його, щоб уникнути перешкод для автоматизованих автомобілів, рухомих роботів тощо. Той самий принцип буде використаний у РАДАРІ для виявлення ракет-вторгнень та літаків. Комар може відчувати ультразвукові звуки. Отже, ультразвукові хвилі можна використовувати як засіб від комарів.

Сенсорний сенсор:

У цьому поколінні ми можемо сказати, що майже всі використовують смартфони, які мають широкоформатний екран, а також екран, який може відчути наш дотик. Отже, давайте подивимось, як працює цей сенсорний екран. В основному, є два типи сенсорних сенсорів на резистивній основі та ємнісні сенсорні екрани . Давайте коротко дізнаємося про роботу цих датчиків.

Резистивний сенсорний екран має резистивний лист біля основи і провідного листа під екраном обидва з них відокремлені один від одного повітряним зазором з невеликим напругою, прикладеним до листів. Коли ми натискаємо або торкаємось екрана, струмопровідний лист торкається резистивного листа в цій точці, викликаючи потік струму в цій конкретній точці, програмне забезпечення визначає місце розташування та виконує відповідні дії.

Тоді як ємнісний дотик працює на електростатичний заряд, який є в нашому тілі. Екран вже заряджений повним електричним полем. Коли ми торкаємось екрану, утворюється замкнутий ланцюг через електростатичний заряд, що протікає через наше тіло. Далі програмне забезпечення вирішує місце розташування та дію, яку потрібно виконати. Ми можемо помітити, що ємнісний сенсорний екран не буде працювати, коли ви носите рукавички, оскільки між пальцем (пальцями) та екраном не буде проводитися.

ПІР-датчик:

Датчик PIR розшифровується як пасивний інфрачервоний датчик. Вони використовуються для виявлення руху людей, тварин або речей. Ми знаємо, що інфрачервоні промені мають властивість відбивати. Коли інфрачервоний промінь потрапляє на об'єкт, залежно від температури цілі змінюються властивості інфрачервоного променя, цей прийнятий сигнал визначає рух об'єктів або живих істот. Навіть якщо форма об'єкта змінюється, властивості відбитих інфрачервоних променів можуть точно диференціювати об'єкти. Ось повністю працюючий або PIR-датчик.

Акселерометр (датчик нахилу):

Датчик акселерометра може відчувати нахил або рух його в певному напрямку . Він працює на основі сили прискорення, спричиненої земною гравітацією. Крихітні внутрішні його частини настільки чутливі, що вони відреагують на невелику зовнішню зміну положення. Він має п'єзоелектричний кристал при нахилі викликає порушення в кристалі і генерує потенціал, який визначає точне положення відносно осей X, Y і Z.

Вони зазвичай зустрічаються на мобільних і ноутбуках, щоб уникнути поломки процесорів. Коли пристрій падає, акселерометр виявляє стан падіння та робить відповідні дії на основі програмного забезпечення. Ось декілька проектів з використанням акселерометра.

Датчик газу:

У промислових цілях газові датчики відіграють важливу роль у виявленні витоку газу. Якщо такий пристрій не встановлено в таких районах, це в кінцевому підсумку призводить до неймовірної катастрофи. Ці газові датчики класифікуються на різні типи залежно від типу газу, який слід виявити. Давайте подивимося, як працює цей датчик. Під металевим листом знаходиться чутливий елемент, який підключений до клем, де на нього подається струм. Коли частинки газу потрапляють на чутливий елемент, це призводить до хімічної реакції, така що опір елементів змінюється, а струм через нього також змінюється, що, нарешті, може виявити газ.

Отже, нарешті, ми можемо зробити висновок, що датчики використовуються не лише для полегшення нашої роботи для вимірювання фізичних величин, роблячи прилади автоматизованими, а й для допомоги живим істотам у катастрофах.