Dažāda veida sensori un to darbība

Automatizācijas laikmets jau ir sācies. Lielāko daļu lietu, ko mēs tagad izmantojam, var automatizēt. Lai vispirms izstrādātu automatizētas ierīces, mums jāzina par sensoriem, tie ir moduļi / ierīces, kas palīdz veikt lietas bez cilvēka iejaukšanās. Pat mobilajiem tālruņiem vai viedtālruņiem, kurus mēs ikdienā lietojam, būs daži sensori, piemēram, zāles sensors, tuvuma sensors, akselerometrs, skārienekrāns, mikrofons utt. Šie sensori darbojas kā jebkuras elektroiekārtas acis, ausis, deguns, kas uztver parametrus ārējā pasaulē un dod rādījumi ierīcēm vai mikrokontrolleru.

Kas ir sensors?

Sensoru var definēt kā ierīci, kuru var izmantot fiziskā daudzuma, piemēram, spēka, spiediena, spriedzes, gaismas utt., Uztveršanai / noteikšanai un pēc tam pārveidošanai vēlamajā izvadā, piemēram, elektriskajā signālā, lai izmērītu pielietoto fizisko daudzumu . Dažos gadījumos ar sensoru vien var nebūt pietiekami, lai analizētu iegūto signālu. Šādos gadījumos tiek izmantota signāla kondicionēšanas iekārta, lai sensora izejas sprieguma līmeni uzturētu vēlamajā diapazonā attiecībā pret mūsu izmantoto gala ierīci.

In signāla kondicionēšanas vienība, izejas no sensora var pastiprināt, filtrēts vai modificēts uz vēlamo izejas spriegumu. Piemēram, ja ņemam vērā mikrofonu, tas uztver audio signālu un pārveido par izejas spriegumu (izteikts milivoltos), kuru kļūst grūti vadīt izejas ķēdē. Tātad, lai palielinātu signāla stiprumu, tiek izmantota signāla kondicionēšanas ierīce (pastiprinātājs). Bet signālu kondicionēšana var nebūt nepieciešama visiem sensoriem, piemēram, fotodiodam, LDR utt.

Lielākā daļa sensoru nevar darboties neatkarīgi. Tātad tam jāpieliek pietiekams ieejas spriegums. Dažādiem sensoriem ir atšķirīgi darbības diapazoni, kas jāņem vērā, strādājot ar to, pretējā gadījumā sensors var tikt neatgriezeniski sabojāts.

Sensoru veidi:

Apskatīsim dažādu veidu sensorus, kas ir pieejami tirgū, un apspriedīsim to funkcionalitāti, darbību, lietojumprogrammas utt. Mēs apspriedīsim dažādus sensorus, piemēram:

• Gaismas sensors
  • IR sensors (IR raidītājs / IR LED)
  • Fotodiods (IR uztvērējs)
  • Gaismas atkarīgais rezistors
• Temperatūras sensors
  • Termistors
  • Termopāra
• Spiediena / spēka / svara sensors
  • Sprieguma mērītājs (spiediena sensors)
  • Slodzes šūnas (svara sensors)
• Pozīcijas sensors
  • Potenciometrs
  • Kodētājs
• Hall sensors (magnētiskā lauka noteikšana)
• Elastīgais sensors
• Skaņas sensors
  • Mikrofons
• Ultraskaņas sensors
• Pieskarieties sensoram
• PIR sensors
• Slīpuma sensors
  • Akselerometrs
• Gāzes sensors

Mums ir jāizvēlas vēlamais sensors, pamatojoties uz mūsu projektu vai lietojumprogrammu. Kā minēts iepriekš, lai tie darbotos, jāpielieto atbilstošs spriegums, pamatojoties uz to specifikācijām.

Tagad apskatīsim dažādu sensoru darbības principus un to, kur to var redzēt mūsu ikdienas dzīvē vai tā pielietošanā.

IR LED:

To sauc arī par IR raidītāju. To izmanto infrasarkano staru izstarošanai. Šo frekvenču diapazons ir lielāks par mikroviļņu frekvencēm (ti, no> 300 GHz līdz dažiem simtiem THz). Infrasarkanās gaismas diodes radītos starus var uztvert zemāk izskaidrotais Photodiode. IR LED un fotodiodu pāri sauc par IR sensoru. IR sensors darbojas šādi.

Fotodiods (gaismas sensors):

Tā ir pusvadītāja ierīce, ko izmanto gaismas staru noteikšanai un galvenokārt izmanto kā IR uztvērēju . Tā uzbūve ir līdzīga parastajai PN savienojuma diodei, bet darba princips atšķiras no tā. Tā kā mēs zinām, ka PN krustojums pieļauj mazas noplūdes strāvas, kad tas ir pretējs, tas tiek izmantots, lai noteiktu gaismas starus. Fotodiods ir konstruēts tā, ka gaismas stariem vajadzētu nokrist uz PN krustojuma, kas palielina noplūdes strāvu, pamatojoties uz mūsu pielietotās gaismas intensitāti. Tātad šādā veidā fotodiodi var izmantot gaismas staru uztveršanai un strāvas uzturēšanai caur ķēdi. Pārbaudiet šeit Photodiode ar IR sensoru darbību.

Izmantojot fotodiodi, mēs varam uzbūvēt pamata automātisko ielu lampu, kas deg, kad saules gaismas intensitāte samazinās. Bet fotodiods darbojas pat tad, ja uz to nokrīt neliels daudzums gaismas, tāpēc jābūt uzmanīgam.

LDR (no gaismas atkarīgs rezistors):

Kā pats nosaukums norāda, ka rezistors ir atkarīgs no gaismas intensitātes. Tas darbojas pēc fotovadītspējas principa, kas nozīmē gaismas vadītspēju. Parasti to veido kadmija sulfīds. Kad gaisma nokrīt uz LDR, tā pretestība samazinās un darbojas līdzīgi vadītājam un, ja uz to nenokrīt gaisma, tā pretestība ir gandrīz MΩ diapazonā vai ideālā gadījumā tā darbojas kā atvērta ķēde . Viena piezīme, kas jāapsver ar LDR, ir tā, ka tā nereaģēs, ja gaisma nav tieši vērsta uz tās virsmu.

Ar pareizu shēmu, izmantojot tranzistoru, to var izmantot, lai noteiktu gaismas pieejamību. Sprieguma dalītāja novirzīts tranzistors ar R2 (rezistors starp pamatni un izstarotāju), kas aizstāts ar LDR, var darboties kā gaismas detektors. Pārbaudiet šeit dažādas ķēdes, kuru pamatā ir LDR.

Termistors (temperatūras sensors):

Termistoru var izmantot, lai noteiktu temperatūras svārstības . Tam ir negatīvs temperatūras koeficients, kas nozīmē, kad temperatūra palielinās, pretestība samazinās. Tātad termistora pretestību var mainīt ar temperatūras paaugstināšanos, kas caur to rada lielāku strāvas plūsmu. Šīs strāvas plūsmas izmaiņas var izmantot, lai noteiktu temperatūras izmaiņu apjomu. Termistora pielietojums ir tāds, ka to izmanto, lai noteiktu temperatūras paaugstināšanos un kontrolētu noplūdes strāvu tranzistora ķēdē, kas palīdz saglabāt tā stabilitāti. Šeit ir viens vienkāršs Thermistor lietojums, lai automātiski kontrolētu līdzstrāvas ventilatoru.

Termopāra (temperatūras sensors):

Vēl viena sastāvdaļa, kas var noteikt temperatūras svārstības, ir termoelements. Tā konstrukcijā divi dažādi metāli ir savienoti kopā, veidojot krustojumu. Tās galvenais princips ir tad, kad divu dažādu metālu savienojums tiek uzkarsēts vai pakļauts augstām temperatūrām, un to spailēs ir atšķirīgs potenciāls. Tātad mainīgo potenciālu var tālāk izmantot, lai izmērītu temperatūras izmaiņu apjomu.

Sprieguma mērītājs (spiediena / spēka sensors):

Spiediena noteikšanai, izmantojot slodzi, tiek izmantots deformācijas mērītājs . Tas darbojas pēc pretestības principa, mēs zinām, ka pretestība ir tieši proporcionāla stieples garumam un apgriezti proporcionāla tās šķērsgriezuma laukumam (R = ρl / a). To pašu principu var izmantot šeit, lai izmērītu slodzi. Uz elastīga dēļa vads ir sakārtots zig-zag veidā, kā parādīts zemāk redzamajā attēlā. Tātad, kad tiek izdarīts spiediens uz konkrēto dēli, tas noliecas virzienā, izraisot stieples kopējā garuma un šķērsgriezuma laukuma izmaiņas. Tas noved pie stieples pretestības izmaiņām. Šādi iegūtā pretestība ir ļoti maza (daži omi), ko var noteikt ar Vītstounas tilta palīdzību. Sasprindzinājuma mērierīci ievieto vienā no četrām tilta ieročiem, bet atlikušās vērtības nemainās. Tāpēckad tam tiek piemērots spiediens, mainoties pretestībai, strāvai, kas iet caur tiltu, mainās un var aprēķināt spiedienu.

Celma mērierīces galvenokārt izmanto, lai aprēķinātu spiediena daudzumu, ko lidmašīnas spārns var izturēt, un to izmanto arī, lai izmērītu atļauto transportlīdzekļu skaitu uz konkrēta ceļa utt.

Slodzes elements (svara sensors):

Slodzes elementi ir līdzīgi deformācijas mērierīcēm, kas mēra fizisko daudzumu kā spēku un dod izeju elektrisko signālu formā. Ja slodzes elementam tiek pielikts zināms saspringums, tā struktūra mainās, izraisot pretestības izmaiņas, un, visbeidzot, tā vērtību var kalibrēt, izmantojot Vītstouna tiltu. Šeit ir projekts, kā izmērīt svaru, izmantojot slodzes šūnu.

Potenciometrs:

Pozīcijas noteikšanai izmanto potenciometru. Tam parasti ir dažādi rezistoru diapazoni, kas savienoti ar dažādiem slēdža poliem. Potenciometrs var būt rotējošs vai lineārs. Rotācijas tipa tīrītājs ir savienots ar garu vārpstu, kuru var pagriezt. Kad vārpsta ir pagriezta, tīrītāja stāvoklis mainās tā, ka iegūtā pretestība mainās, izraisot izejas sprieguma izmaiņas. Tādējādi izvadi var kalibrēt, lai noteiktu tā stāvokļa maiņu.

Kodētājs:

Lai noteiktu izmaiņas pozīcijā, var izmantot arī kodētāju. Tam ir apļveida rotējamam diskam līdzīga struktūra ar īpašām atverēm starp tām tā, ka tad, kad tai iet cauri IR vai gaismas stari, tiek atklāti tikai daži gaismas stari. Turklāt šie stari tiek kodēti ciparu datos (binārā izteiksmē), kas atspoguļo konkrēto pozīciju.

Zāles sensors:

Pats nosaukums norāda, ka Hall efektā darbojas sensors. To var definēt tā, ka tad, kad magnētiskais lauks tiek tuvināts strāvas vadošajam vadītājam (perpendikulārs elektriskā lauka virzienam), tad tiek izveidota potenciāla starpība dotajā vadītājā. Izmantojot šo īpašību, Hall sensoru izmanto, lai noteiktu magnētisko lauku un dod izeju sprieguma izteiksmē. Jāuzmanās, lai Hall sensors varētu noteikt tikai vienu magnēta polu.

Zāles sensoru izmanto dažos viedtālruņos, kas ir noderīgi, lai izslēgtu ekrānu, kad atloka vāciņš (kurā ir magnēts) ir aizvērts uz ekrāna. Šeit ir viens praktisks Hall efekta sensora pielietojums durvju signalizācijā.

Elastības sensors:

FLEX sensors ir devējs, kas maina savu pretestību, mainot formu vai saliekot . FLEX sensora garums ir 2,2 collas vai pirksts. Tas parādīts attēlā. Vienkārši runājot, sensora spailes pretestība palielinās, kad tā ir saliekta. Šīs pretestības izmaiņas nevar dot neko labu, ja vien mēs tās nevaram nolasīt. Kontrolieris, kas atrodas pie rokas, var nolasīt tikai sprieguma izmaiņas un ne mazāk, tāpēc mēs izmantosim sprieguma dalītāja ķēdi, ar kuru mēs varam iegūt pretestības izmaiņas kā sprieguma izmaiņas. Uzziniet šeit par to, kā izmantot Flex Sensor.

Mikrofons (skaņas sensors):

Mikrofonu var redzēt visos viedtālruņos vai mobilajos tālruņos. Tas var noteikt audio signālu un pārveidot tos maza sprieguma (mV) elektriskos signālos. Mikrofons var būt dažāda veida, piemēram, kondensatora mikrofons, kristāla mikrofons, oglekļa mikrofons utt. Katrs mikrofona veids darbojas attiecīgi ar tādām īpašībām kā kapacitāte, pjezoelektriskais efekts, pretestība. Apskatīsim kristāla mikrofona darbību, kas darbojas pie pjezoelektriskā efekta. Tiek izmantots bimorfa kristāls, kas zem spiediena vai vibrācijas rada proporcionālu mainīgu spriegumu. Diafragma ir savienota ar kristālu caur piedziņas tapu tā, ka tad, kad skaņas signāls ietriecas diafragmā, tas pārvietojas turp un atpakaļ,šī kustība maina piedziņas tapas stāvokli, kas izraisa vibrācijas kristālā, tādējādi tiek radīts mainīgs spriegums attiecībā pret pielietoto skaņas signālu. Iegūtais spriegums tiek ievadīts pastiprinātājā, lai palielinātu signāla kopējo stiprumu. Šeit ir dažādas shēmas, kuru pamatā ir mikrofons.

Varat arī pārveidot mikrofona vērtību decibelos, izmantojot kādu mikrokontrolleru, piemēram, Arduino.

Ultraskaņas sensors:

Ultraskaņa nenozīmē neko citu kā frekvenču diapazonu. Tā diapazons ir lielāks nekā dzirdamais diapazons (> 20 kHz), tāpēc pat ieslēgts, mēs nevaram nojaust šos skaņas signālus. Tikai konkrēti skaļruņi un uztvērēji var sajust šos ultraskaņas viļņus. Šo ultraskaņas sensoru izmanto, lai aprēķinātu attālumu starp ultraskaņas raidītāju un mērķi, kā arī mēra mērķa ātrumu .

Ultraskaņas sensoru HC-SR04 var izmantot, lai izmērītu attālumu diapazonā no 2 cm līdz 400 cm ar precizitāti 3 mm. Apskatīsim, kā darbojas šis modulis. HCSR04 modulis ģenerē skaņas vibrāciju ultraskaņas diapazonā, kad „Trigger” tapu uzliekam augstu apmēram 10 us, un tas ar skaņas ātrumu sūtīs 8 ciklu skaņas sprādzienu, un pēc objekta sitiena to saņems Echo pin. Atkarībā no laika, kas nepieciešams, lai atgrieztos skaņas vibrācija, tā nodrošina atbilstošu impulsa izvadi. Mēs varam aprēķināt objekta attālumu, pamatojoties uz laiku, kas nepieciešams ultraskaņas vilnim, lai atgrieztos atpakaļ pie sensora. Uzziniet vairāk par ultraskaņas sensoru šeit.

Ar ultraskaņas sensoru ir daudz lietojumu. Mēs varam to izmantot, lai izvairītos no šķēršļiem automatizētām automašīnām, kustīgiem robotiem utt. Tas pats princips tiks izmantots RADAR, lai atklātu iebrucēju raķetes un lidmašīnas. Ods var sajust ultraskaņas skaņas. Tātad ultraskaņas viļņus var izmantot kā moskītu atbaidīšanas līdzekli.

Skāriena sensors:

Šajā paaudzē mēs varam teikt, ka gandrīz visi izmanto viedtālruņus, kuriem ir platekrāna ekrāns, kas arī jūt mūsu pieskārienu. Apskatīsim, kā darbojas šis skārienekrāns. Būtībā ir divu veidu skārienjutīgi sensori, kas balstīti uz rezistīvu un uz kapacitatīvu skārienekrānu . Īsi uzzināsim par šo sensoru darbību.

Resistive touchscreen ir pretestības loksni pie pamatnes un vadošu loksne saskaņā ar ekrāna abi šie ir atdalīti ar gaisa spraugu ar nelielu spriegumu uz loksnēm. Nospiežot vai pieskaroties ekrānam, vadošā loksne tajā brīdī pieskaras pretestības loksnei, izraisot strāvas plūsmu šajā konkrētajā punktā, programmatūra nojauš atrašanās vietu un tiek veikta attiecīgā darbība.

Tā kā kapacitatīvais pieskāriens darbojas uz elektrostatiskā lādiņa, kas ir pieejams uz mūsu ķermeņa. Ekrāns jau ir uzlādēts ar visu elektrisko lauku. Kad mēs pieskaramies ekrānam, elektrostatiskā lādiņa dēļ, kas plūst caur mūsu ķermeni, veidojas cieša ķēde. Tālāk programmatūra nosaka vietu un veicamo darbību. Mēs varam novērot, ka kapacitatīvais skārienekrāns nedarbosies, lietojot rokas cimdus, jo starp pirkstu (-iem) un ekrānu nebūs vadītspējas.

PIR sensors:

PIR sensors apzīmē pasīvo infrasarkano sensoru. Tos izmanto, lai noteiktu cilvēku, dzīvnieku vai lietu kustību . Mēs zinām, ka infrasarkanajiem stariem ir atstarošanas īpašība. Kad infrasarkanais stars nokļūst objektā, atkarībā no mērķa temperatūras mainās infrasarkano staru īpašības, šis saņemtais signāls nosaka objektu vai dzīvo būtņu kustību. Pat ja objekta forma mainās, atstaroto infrasarkano staru īpašības var precīzi atšķirt objektus. Šeit ir pilns darba vai PIR sensors.

Akselerometrs (slīpuma sensors):

Akselerometra sensors var nojaust tā slīpumu vai kustību noteiktā virzienā . Tas darbojas, pamatojoties uz zemes gravitācijas dēļ radīto paātrinājuma spēku. Tās sīkās iekšējās daļas ir tik jutīgas, ka tās reaģēs uz nelielām ārējām stāvokļa izmaiņām. Tam ir pjezoelektriskais kristāls, kad slīpums izraisa traucējumus kristālā un rada potenciālu, kas nosaka precīzu atrašanās vietu attiecībā pret X, Y un Z asi.

Tos parasti redz mobilajos tālruņos un klēpjdatoros, lai izvairītos no procesoru vadu saplīšanas. Kad ierīce nokrīt, akselerometrs nosaka krītošo stāvokli un veic attiecīgas darbības, pamatojoties uz programmatūru. Šeit ir daži projekti, kas izmanto akselerometru.

Gāzes sensors:

Rūpnieciskos lietojumos gāzes sensoriem ir galvenā loma gāzes noplūdes noteikšanā. Ja šādās ierīcēs nav uzstādīta šāda ierīce, tas galu galā noved pie neticamas katastrofas. Šie gāzes sensori tiek klasificēti dažādos veidos, pamatojoties uz atklājamo gāzes veidu. Apskatīsim, kā darbojas šis sensors. Zem metāla loksnes ir sensora elements, kas ir savienots ar spailēm, kur tam tiek pievienota strāva. Kad gāzes daļiņas ietriecas sensora elementā, tā izraisa ķīmisku reakciju tā, ka elementu pretestība mainās un mainās arī caur to esošā strāva, kas beidzot var noteikt gāzi.

Tātad visbeidzot, mēs varam secināt, ka sensori tiek izmantoti ne tikai mūsu darba vienkāršošanai, lai izmērītu fiziskos lielumus, padarot ierīces automatizētas, bet arī tiek izmantotas, lai palīdzētu dzīvām būtnēm ar katastrofām.