Различные типы датчиков и их работа

Эра автоматизации уже началась. Большинство вещей, которые мы используем сейчас, можно автоматизировать. Чтобы спроектировать автоматизированные устройства, нам сначала нужно знать о датчиках, это модули / устройства, которые помогают делать вещи без вмешательства человека. Даже мобильные телефоны или смартфоны, которые мы используем ежедневно, будут иметь некоторые датчики, такие как датчик Холла, датчик приближения, акселерометр, сенсорный экран, микрофон и т. Д. Эти датчики действуют как глаза, уши, нос любого электрического оборудования, которое определяет параметры внешнего мира и дает показания к устройствам или микроконтроллеру.

Что такое датчик?

Датчик можно определить как устройство, которое можно использовать для измерения / обнаружения физической величины, такой как сила, давление, деформация, свет и т. Д., А затем преобразовать ее в желаемый выходной сигнал, такой как электрический сигнал, для измерения приложенной физической величины . В некоторых случаях одного датчика может быть недостаточно для анализа полученного сигнала. В этих случаях используется блок формирования сигнала, чтобы поддерживать уровни выходного напряжения датчика в желаемом диапазоне относительно конечного устройства, которое мы используем.

В блоке формирования сигнала выходной сигнал датчика может быть усилен, отфильтрован или изменен до желаемого выходного напряжения. Например, если мы рассмотрим микрофон, он обнаруживает аудиосигнал и преобразует его в выходное напряжение (выраженное в милливольтах), что затрудняет управление выходной схемой. Итак, для увеличения мощности сигнала используется блок формирования сигнала (усилитель). Но обработка сигнала может быть необязательной для всех датчиков, таких как фотодиод, LDR и т. Д.

Большинство датчиков не могут работать независимо. Значит, на него должно быть подано достаточное входное напряжение. Различные датчики имеют разные рабочие диапазоны, которые следует учитывать при работе с ними, иначе датчик может выйти из строя.

Типы датчиков:

Давайте посмотрим на различные типы датчиков, которые доступны на рынке, и обсудим их функции, работу, приложения и т. Д. Мы обсудим различные датчики, такие как:

• Световой датчик
  • ИК-датчик (ИК-передатчик / ИК-светодиод)
  • Фотодиод (ИК-приемник)
  • Светозависимый резистор
• Датчик температуры
  • Термистор
  • Термопара
• Датчик давления / силы / веса
  • Тензодатчик (датчик давления)
  • Тензодатчики (датчик веса)
• Датчик положения
  • Потенциометр
  • Кодировщик
• Датчик Холла (обнаружение магнитного поля)
• Гибкий датчик
• Звуковой датчик
  • Микрофон
• Ультразвуковой датчик
• Сенсорный датчик
• Датчик PIR
• Датчик наклона
  • Акселерометр
• Датчик газа

Нам нужно выбрать нужный датчик исходя из нашего проекта или приложения. Как было сказано ранее, для того, чтобы они работали, необходимо подавать соответствующее напряжение в соответствии с их характеристиками.

Теперь давайте посмотрим на принцип работы различных датчиков и где его можно увидеть в нашей повседневной жизни или ее применении.

ИК-светодиод:

Его также называют ИК-передатчиком. Он используется для излучения инфракрасных лучей. Диапазон этих частот больше, чем микроволновые частоты (т. Е. От> 300 ГГц до нескольких сотен ТГц). Лучи, генерируемые инфракрасным светодиодом, могут быть обнаружены фотодиодом, описанным ниже. Пара ИК-светодиода и фотодиода называется ИК-датчиком. Вот как работает ИК-датчик.

Фотодиод (датчик освещенности):

Это полупроводниковое устройство, которое используется для обнаружения световых лучей и в основном используется в качестве ИК-приемника . Его конструкция похожа на обычный диод с PN переходом, но принцип работы отличается от него. Поскольку мы знаем, что PN-переход допускает небольшие токи утечки при обратном смещении, это свойство используется для обнаружения световых лучей. Фотодиод устроен так, что световые лучи должны попадать на PN-переход, что увеличивает ток утечки в зависимости от интенсивности света, который мы приложили. Таким образом, фотодиод можно использовать для восприятия световых лучей и поддержания тока в цепи. Проверьте здесь работу фотодиода с ИК-датчиком.

Используя фотодиод, мы можем построить простой автоматический уличный фонарь, который светится, когда интенсивность солнечного света уменьшается. Но фотодиод работает, даже если на него падает небольшое количество света, поэтому следует соблюдать осторожность.

LDR (светозависимый резистор):

Само название указывает, что резистор зависит от силы света. Он работает по принципу фотопроводимости, что означает проводимость за счет света. Обычно он состоит из сульфида кадмия. Когда свет падает на LDR, его сопротивление уменьшается и действует аналогично проводнику, а когда на него не падает свет, его сопротивление находится почти в диапазоне МОм или, в идеале, он действует как разомкнутая цепь . При использовании LDR следует учитывать одно замечание: он не будет реагировать, если свет не точно сфокусирован на его поверхности.

При правильной схеме с использованием транзистора его можно использовать для определения наличия света. Транзистор со смещением делителя напряжения с R2 (резистором между базой и эмиттером), замененным LDR, может работать как детектор света. Посмотрите здесь различные схемы, основанные на LDR.

Термистор (датчик температуры):

Термистор может использоваться для определения изменения температуры . Он имеет отрицательный температурный коэффициент, что означает, что при повышении температуры сопротивление уменьшается. Таким образом, сопротивление термистора может изменяться с повышением температуры, что вызывает прохождение через него большего тока. Это изменение текущего расхода можно использовать для определения величины изменения температуры. Применение термистора заключается в том, что он используется для обнаружения повышения температуры и управления током утечки в цепи транзистора, что помогает поддерживать его стабильность. Вот одно простое применение термистора для автоматического управления вентилятором постоянного тока.

Термопара (датчик температуры):

Еще один компонент, который может определять изменение температуры, - это термопара. В его конструкции два разных металла соединены вместе, образуя соединение. Его основной принцип заключается в том, что когда соединение двух разных металлов нагревается или подвергается воздействию высоких температур, потенциал на их выводах меняется. Таким образом, переменный потенциал можно использовать для измерения величины изменения температуры.

Тензомер (датчик давления / силы):

Тензодатчик используется для определения давления при приложении нагрузки . Он работает по принципу сопротивления, мы знаем, что сопротивление прямо пропорционально длине провода и обратно пропорционально его площади поперечного сечения (R = ρl / a). Тот же принцип можно использовать и для измерения нагрузки. На гибкой плате провод уложен зигзагообразно, как показано на рисунке ниже. Таким образом, когда к этой конкретной плате прилагается давление, она изгибается в направлении, вызывающем изменение общей длины и площади поперечного сечения провода. Это приводит к изменению сопротивления провода. Полученное таким образом сопротивление очень незначительное (несколько Ом), которое можно определить с помощью моста Уитстона. Тензодатчик помещается в одно из четырех плеч моста, при этом остальные значения остаются неизменными. Следовательно,когда к нему прилагается давление, когда сопротивление изменяется, ток, проходящий через мост, изменяется, и давление может быть вычислено.

Тензодатчики в основном используются для расчета величины давления, которое может выдержать крыло самолета, а также для измерения количества транспортных средств, разрешенных на конкретной дороге и т. Д.

Тензодатчик (датчик веса):

Датчики веса похожи на тензодатчики, которые измеряют физическую величину, такую ​​как сила, и выдают выходной сигнал в виде электрических сигналов. Когда к весоизмерительному датчику прикладывается некоторое напряжение, его структура изменяется, вызывая изменение сопротивления, и, наконец, его значение может быть откалибровано с помощью моста Уитстона. Вот проект о том, как измерять вес с помощью тензодатчика.

Потенциометр:

Потенциометр используется для определения положения . Обычно он имеет различные диапазоны резисторов, подключенных к разным полюсам переключателя. Потенциометр может быть как поворотного, так и линейного типа. В роторном типе стеклоочиститель соединен с длинным валом, который можно вращать. Когда вал вращается, положение грязесъемника изменяется так, что результирующее сопротивление изменяется, вызывая изменение выходного напряжения. Таким образом, выход может быть откалиброван для обнаружения изменения его положения.

Кодировщик:

Для обнаружения изменения положения также можно использовать энкодер. Он имеет круговую вращающуюся дискообразную структуру со специальными отверстиями между ними, так что, когда ИК-лучи или световые лучи проходят через него, обнаруживаются только несколько световых лучей. Кроме того, эти лучи кодируются в цифровые данные (в двоичном формате), которые представляют конкретное положение.

Датчик Холла:

Само название говорит о том, что это датчик, работающий на эффекте Холла. Это можно определить как когда магнитное поле приближается к проводнику с током (перпендикулярно направлению электрического поля), тогда на данном проводнике возникает разность потенциалов. Используя это свойство, датчик Холла используется для обнаружения магнитного поля и выдает выходной сигнал в виде напряжения. Следует следить за тем, чтобы датчик Холла мог обнаруживать только один полюс магнита.

Датчик Холла используется в нескольких смартфонах, которые помогают выключить экран, когда откидная крышка (в которой есть магнит) закрывается на экране. Вот одно из практических применений датчика Холла в дверной сигнализации.

Датчик гибкости:

Датчик FLEX - это преобразователь, который изменяет свое сопротивление при изменении формы или изгиба . Датчик FLEX имеет длину 2,2 дюйма или длину пальца. Это показано на рисунке. Проще говоря, сопротивление клеммы датчика увеличивается при его изгибе. Это изменение сопротивления не принесет никакой пользы, если мы не сможем их прочитать. Контроллер под рукой может только считывать изменения напряжения и не меньше, для этого мы собираемся использовать схему делителя напряжения, с помощью которой мы можем получить изменение сопротивления как изменение напряжения. Узнайте здесь о том, как использовать Flex Sensor.

Микрофон (датчик звука):

Микрофон можно увидеть на всех смартфонах или мобильных телефонах. Он может обнаруживать аудиосигналы и преобразовывать их в электрические сигналы малого напряжения (мВ). Микрофоны могут быть многих типов, например конденсаторный микрофон, кристаллический микрофон, угольный микрофон и т. Д. Каждый тип микрофона влияет на такие свойства, как емкость, пьезоэлектрический эффект, сопротивление соответственно. Давайте посмотрим на работу кристаллического микрофона, который работает на пьезоэлектрическом эффекте. Используется биморфный кристалл, который под давлением или вибрациями создает пропорциональное переменное напряжение. Диафрагма соединена с кристаллом через приводной штифт так, что, когда звуковой сигнал попадает на диафрагму, он перемещается взад и вперед,это движение изменяет положение ведущего штифта, что вызывает колебания в кристалле, таким образом, генерируется переменное напряжение относительно приложенного звукового сигнала. Полученное напряжение подается на усилитель для увеличения общей мощности сигнала. Вот различные схемы на основе микрофона.

Вы также можете преобразовать значение микрофона в децибелы с помощью микроконтроллера, например Arduino.

Ультразвуковой датчик:

Ультразвук означает не что иное, как диапазон частот. Его диапазон превышает слышимый диапазон (> 20 кГц), поэтому, даже если он включен, мы не можем воспринимать эти звуковые сигналы. Только определенные динамики и приемники могут воспринимать эти ультразвуковые волны. Этот ультразвуковой датчик используется для расчета расстояния между ультразвуковым излучателем и целью, а также для измерения скорости цели .

Ультразвуковой датчик HC-SR04 может использоваться для измерения расстояния в диапазоне от 2 до 400 см с точностью до 3 мм. Посмотрим, как работает этот модуль. Модуль HCSR04 генерирует звуковую вибрацию в ультразвуковом диапазоне, когда мы делаем вывод «Trigger» высоким примерно на 10 мкс, который отправит 8-тактный звуковой импульс со скоростью звука, и после удара по объекту он будет принят контактом Echo. В зависимости от времени, которое требуется звуковой вибрации, чтобы вернуться, он обеспечивает соответствующий импульсный выход. Мы можем рассчитать расстояние до объекта на основе времени, которое требуется ультразвуковой волне, чтобы вернуться обратно к датчику. Узнайте больше об ультразвуковом датчике здесь.

Ультразвуковой датчик имеет множество применений. Мы можем использовать его, чтобы избежать препятствий для автоматизированных машин, движущихся роботов и т. Д. Тот же принцип будет использован в РАДАРЕ для обнаружения ракет-нарушителей и самолетов. Комар может уловить ультразвуковые звуки. Итак, ультразвуковые волны можно использовать как репеллент от комаров.

Датчик касания:

В этом поколении мы можем сказать, что почти все используют смартфоны с широкоформатным экраном, который также может воспринимать наши прикосновения. Итак, давайте посмотрим, как работает этот тачскрин. По сути, существует два типа сенсорных сенсоров: резистивные и емкостные . Давайте вкратце узнаем о работе этих датчиков.

Резистивный сенсорный экран имеет резистивный лист у основания и проводящего листа под экраном оба из них отделены друг от друга воздушным зазором с небольшим напряжением, приложенным к листам. Когда мы нажимаем или касаемся экрана, проводящий лист касается резистивного листа в этой точке, вызывая протекание тока в этой конкретной точке, программное обеспечение определяет местоположение и выполняет соответствующее действие.

В то время как емкостное прикосновение воздействует на электростатический заряд, имеющийся на нашем теле. Экран уже заряжен всем электрическим полем. Когда мы касаемся экрана, образуется замкнутая цепь из-за электростатического заряда, протекающего через наше тело. Далее программное обеспечение определяет местоположение и действие, которое необходимо выполнить. Мы можем заметить, что емкостный сенсорный экран не будет работать в перчатках, потому что между пальцем (пальцами) и экраном не будет проводимости.

Датчик PIR:

Датчик PIR означает пассивный инфракрасный датчик. Они используются для обнаружения движения людей, животных или вещей. Мы знаем, что инфракрасные лучи обладают свойством отражения. Когда инфракрасный луч попадает на объект, свойства инфракрасного луча меняются в зависимости от температуры цели, и этот принятый сигнал определяет движение объектов или живых существ. Даже если форма объекта изменится, свойства отраженных инфракрасных лучей могут точно различать объекты. Вот полный рабочий или ИК-датчик.

Акселерометр (датчик наклона):

Датчик акселерометра может определять его наклон или движение в определенном направлении . Он работает на основе силы ускорения, вызванной земным притяжением. Его крошечные внутренние части настолько чувствительны, что отреагируют на небольшое внешнее изменение положения. Он имеет пьезоэлектрический кристалл, когда его наклонение вызывает возмущение в кристалле и генерирует потенциал, который определяет точное положение по отношению к осям X, Y и Z.

Их обычно можно увидеть в мобильных телефонах и ноутбуках, чтобы избежать поломки выводов процессора. Когда устройство падает, акселерометр определяет состояние падения и выполняет соответствующие действия на основе программного обеспечения. Вот несколько проектов, в которых используется акселерометр.

Датчик газа:

В промышленных приложениях газовые датчики играют важную роль в обнаружении утечки газа. Если такое устройство не будет установлено в таких местах, это в конечном итоге приведет к невероятной катастрофе. Эти датчики газа подразделяются на различные типы в зависимости от типа газа, который необходимо обнаружить. Посмотрим, как работает этот датчик. Под металлическим листом находится чувствительный элемент, который подсоединяется к клеммам, на которые подается ток. Когда частицы газа попадают на чувствительный элемент, это приводит к химической реакции, в результате которой изменяется сопротивление элементов, а также изменяется ток через него, что в конечном итоге позволяет обнаруживать газ.

Итак, наконец, мы можем сделать вывод, что датчики используются не только для упрощения нашей работы по измерению физических величин, что делает устройства автоматизированными, но также используется для помощи живым существам при бедствиях.