Эпоха автоматизации уже наступила. Большинство вещей, которыми мы пользуемся, могут быть автоматизированы. Для создания автоматизированных устройств необходимо иметь представление о датчиках - это устройства, способные выполнить задачи без участия человека. Даже в мобильных телефонах или смартфонах, которыми мы пользуемся ежедневно, встречаются различные датчики: датчик Холла, датчик приближения, акселерометр, сенсорный экран, микрофон и т.д. Эти датчики играют роль глаз, ушей, носа в электронных устройствах, собирая данные о параметрах внешнего мира и передавая их устройству или микроконтроллеру.
Датчик - что это?
Датчик представляет собой устройство, предназначенное для измерения или обнаружения физических величин, таких как сила, давление, деформация, свет и т.д. Он преобразует эти величины в выходной сигнал, обычно электрический, который может быть использован для измерения соответствующей физической величины. В некоторых случаях одного датчика недостаточно для анализа сигнала, который он получает. В таких случаях используется блок формирования сигнала, чтобы поддерживать уровни выходного напряжения датчика в нужном диапазоне для последующего использования конечным устройством.
Блок формирования сигнала, или signal conditioning unit, выполняет различные операции с выходным сигналом датчика, такие как усиление, фильтрация или изменение до нужного выходного напряжения. Например, микрофон преобразует аудиосигнал в выходное напряжение, но оно может быть слишком слабым для управления выходной цепью, поэтому используется усилитель. Однако не все датчики требуют обработки сигнала, таких как фотодиоды или фоторезисторы.
Большинство датчиков требует подачи определенного входного напряжения для работы. Рабочие диапазоны различных датчиков различны, и это следует учитывать, чтобы избежать повреждения датчика.
Типы датчиков.
Давайте рассмотрим различные типы датчиков, которые доступны на рынке, и обсудим их функциональность, работу, применение и другие характеристики. Мы рассмотрим следующие виды датчиков:
Световой датчик
- ИК-датчик (ИК-передатчик/ИК-светодиод)
- Фотодиод (ИК-приемник)
- Фоторезистор
Датчик температуры
- Термистор
- Термопара
Датчик давления/силы/веса
- Датчик давления
- Датчик веса
Датчик положения
- Потенциометр
- Энкодер
Датчик Холла (обнаружение магнитного поля)
Гибкий датчик (датчик изгиба)
Датчик звука
- Микрофон
Ультразвуковой датчик
Сенсорный датчик (датчик касания)
PIR датчик
Датчик наклона
- Акселерометр
Датчик газа
Рассмотрим подробнее.
ИК-светодиод.
Этот датчик также известен как ИК-передатчик. Он предназначен для испускания инфракрасных лучей. Диапазон этих частот шире, чем у микроволновых (от >300 ГГц до нескольких сотен ТГц). Лучи, излучаемые инфракрасным светодиодом, могут быть восприняты фотодиодом, описанным ниже. Комбинация ИК-светодиода и фотодиода составляет ИК-датчик (инфракрасный).
Фотодиод.
Фотодиод, или датчик освещенности, представляет собой полупроводниковое устройство, используемое для обнаружения световых лучей, преимущественно в качестве ИК-приемника. Его структура подобна обычному диоду с PN-переходом, однако его принцип работы отличается. Поскольку PN-переход обладает способностью пропускать небольшие токи утечки при обратном смещении, фотодиод использует это свойство для обнаружения световых лучей. При конструировании фотодиода лучи света должны падать на PN-переход, что приводит к увеличению тока утечки в зависимости от интенсивности света. Таким образом, фотодиод может использоваться для восприятия света и поддержания тока в цепи.
С использованием фотодиода можно создать простой автоматический уличный фонарь, который включается при уменьшении интенсивности солнечного света. Однако следует помнить, что фотодиод реагирует даже на небольшое количество света, поэтому необходимо соблюдать осторожность.
Фоторезистор (LDR).
Фоторезистор - это устройство, сопротивление которого зависит от интенсивности света. Он работает на основе принципа фотопроводимости, что означает, что его проводимость изменяется под воздействием света. Обычно он изготовлен из сульфида кадмия. Когда свет падает на фоторезистор, его сопротивление уменьшается, и он становится подобным проводнику. Когда света нет, его сопротивление остается высоким (обычно несколько мего-ом), и фоторезистор действует как разомкнутая цепь. При использовании фоторезистора следует учитывать, что он не будет реагировать, если свет не точно сфокусирован на его поверхности.
При правильной схеме с использованием транзистора фоторезистор можно использовать для обнаружения наличия света.
Подробнее в статье "Фоторезисторы".
Термистор (терморезистор).
Термистор является эффективным средством обнаружения изменений температуры. Имея отрицательный температурный коэффициент, он снижает свое сопротивление при увеличении температуры. Это означает, что с увеличением температуры проходящий через термистор ток увеличивается. Это изменение тока можно использовать для определения изменения температуры. Термисторы применяются для обнаружения и контроля повышения температуры, а также для стабилизации тока утечки в транзисторных цепях.
Термопара (датчик температуры).
Термопара представляет собой еще один компонент, способный реагировать на изменения температуры. В ее конструкции два различных металла соединены вместе. Основной принцип работы заключается в том, что при нагревании или подвержении высоким температурам соединение этих двух металлов меняет свой потенциал на клеммах. Последующее изменение потенциала может быть использовано для измерения величины изменения температуры.
Тензодатчик (датчик давления/силы).
Тензодатчик применяется для измерения давления при приложении нагрузки. Он основан на принципе изменения сопротивления провода, который пропорционален его длине и обратно пропорционален площади поперечного сечения (R=ρl/a). На гибкой плате провод располагается зигзагообразно, и когда на нее действует давление, она изгибается, изменяя общую длину и площадь поперечного сечения провода, что приводит к изменению его сопротивления. Это изменение сопротивления, измеряемое в нескольких омах, можно определить с помощью моста Уитстона, в котором тензорезистор является одним из четырех плеч. Следовательно, при приложении давления изменяется ток, протекающий через мост, и давление можно вычислить.
Тензорезисторы в основном используются для определения давления, выдерживаемого крылом самолета, а также для измерения трафика, разрешенного на конкретной дороге, и других подобных приложений.
Датчик веса.
Датчик веса по своей сути является тензодатчиком и измеряет физическую величину, такую как сила, выраженную в весе, и выдает выходные данные в виде электрических сигналов. Когда к датчику нагрузки прикладывается некоторое напряжение, его структура изменяется, вызывая изменение сопротивления. Наконец, его значение можно откалибровать с помощью моста Уитстона.
Потенциометр.
Для определения положения часто используется потенциометр. Обычно он включает в себя различные диапазоны резисторов, подключенных к разным полюсам переключателя. Потенциометр может быть как поворотного, так и линейного типа. В случае поворотного типа рабочий элемент резистора связан с длинным валом, который может вращаться. При вращении вала положение дворника меняется, что влечет изменение сопротивления и, следовательно, выходного напряжения. Таким образом, выходной сигнал можно откалибровать для обнаружения изменений положения. Подробнее можно прочитать в прошлой статье "Потенциометры - как, что и для чего?".
Инкрементальный энкодер.
Для обнаружения изменений в положении также может использоваться энкодер. Этот устройство представляет собой круглую дискообразную структуру, способную вращаться, с размещенными между отверстиями. Когда через него проходят ИК-лучи или световые лучи, обнаруживается лишь несколько из них. Затем эти лучи кодируются в цифровые данные, обычно в двоичном формате, представляющие конкретное положение оси энкодера.
Датчик Холла.
Датчик Холла работает на основе эффекта Холла и предназначен для обнаружения магнитного поля. Когда магнитное поле приближается к проводнику с током, вдоль данного проводника возникает разность потенциалов. Используя это свойство, датчик Холла выдает выходные данные в виде напряжения. Однако следует отметить, что датчик Холла способен обнаруживать только один полюс магнита.
В некоторых смартфонах используется датчик Холла для автоматического выключения экрана, когда крышка чехла (содержащая магнит) закрывается над экраном.
Гибкий датчик.
Гибкий датчик - это устройство, которое меняет свое сопротивление при изменении формы или изгибе. Датчик имеет длину примерно 2,2 дюйма или длину пальца, как показано на рисунке. Когда датчик изгибается, сопротивление на его клеммах увеличивается. Однако эти изменения в сопротивлении бесполезны без возможности их измерения. Обычно изменение сопротивления обнаруживается путем изменения напряжения в схеме делителя напряжения.
Микрофон (датчик звука).
Микрофон присутствует во всех смартфонах или мобильных телефонах и служит для обнаружения аудиосигнала, который преобразуется в электрические сигналы низкого напряжения (мВ). Существует несколько типов микрофонов, таких как конденсаторный, кристаллический, угольный и т. д. Каждый из них работает на основе определенных свойств, таких как емкость, пьезоэлектрический эффект и сопротивление соответственно.
Рассмотрим работу кристаллического микрофона, который использует пьезоэлектрический эффект. Он содержит биморфный кристалл, который, под воздействием давления или вибраций, создает переменное напряжение. Диафрагма связана с кристаллом через приводной штифт таким образом, что при поступлении звукового сигнала диафрагма начинает двигаться вперед и назад. Это движение изменяет положение приводного штифта, что вызывает вибрации в кристалле и, следовательно, генерирует переменное напряжение, пропорциональное входному звуковому сигналу. Полученное напряжение усиливается с помощью усилителя для увеличения общей мощности сигнала.
Ультразвуковой датчик.
Ультразвуковой диапазон превышает пределы слышимого спектра (>20 кГц), что означает, что человек не может услышать ультразвуковые сигналы. Однако определенные динамики и приемники способны воспринимать эти ультразвуковые волны. Ультразвуковые датчики, такие как HC-SR04, используются для измерения расстояния между передатчиком и целью, а также для измерения скорости цели.
Модуль HC-SR04 генерирует ультразвуковые волны, когда на вывод "Триггер" подается высокий уровень в течение примерно 10 мкс, что создает звуковой импульс со скоростью звука. Этот импульс отражается от объекта и возвращается к датчику через контакт "Эхо". Путем измерения времени, затраченного на возврат ультразвуковой волны, датчик определяет расстояние до объекта. Точность измерений составляет до 3 мм в диапазоне от 2 до 400 см.
Сенсорный датчик (датчик касания).
Почти каждый в этом поколении использует смартфоны с широкоэкранными дисплеями, которые реагируют на наше касание. Давайте разберемся, как работает тачскрин. Существует два основных типа сенсорных датчиков: резистивные и емкостные.
Резистивный сенсорный экран состоит из резистивного листа на задней панели и проводящего листа под экраном. Между ними есть воздушный зазор, который подается небольшое напряжение. Когда мы нажимаем на экран, проводящий лист соприкасается с резистивным, создавая ток в этой точке. Программное обеспечение определяет это местоположение и выполняет соответствующее действие.
Емкостные сенсорные экраны работают за счет электростатического заряда на нашем теле. Экран уже заряжен электрическим полем. Когда мы касаемся экрана, образуется замкнутая цепь из-за электростатического заряда, проходящего через наше тело. Программное обеспечение определяет местоположение и выполняет соответствующее действие. Важно отметить, что емкостные сенсорные экраны не работают с перчатками, так как между пальцем и экраном нет проводимости.
PIR датчик.
Датчик PIR (пассивный инфракрасный датчик) предназначен для обнаружения движения людей, животных или объектов. Он работает на основе свойств отраженных инфракрасных лучей. Когда инфракрасный луч попадает на объект, его свойства изменяются в зависимости от температуры объекта, что позволяет датчику определить движение. Даже если форма объекта меняется, свойства отраженных инфракрасных лучей могут точно определить объекты.
Акселерометр (датчик наклона).
Акселерометр способен определять наклон или движение устройства в заданном направлении. Его функционирование основано на измерении силы ускорения, обусловленной гравитацией Земли. Даже малейшие изменения в положении устройства могут быть обнаружены благодаря высокой чувствительности его внутренних компонентов. Датчик включает в себя пьезоэлектрический кристалл, который при изменении положения генерирует потенциал, позволяющий точно определить расположение относительно осей X, Y и Z.
Обычно акселерометры встречаются в мобильных телефонах и ноутбуках с целью предотвращения повреждений выводов процессора. Когда устройство падает, акселерометр обнаруживает это состояние и срабатывает соответствующим образом на основе программного обеспечения.
Датчик газа.
Газовые датчики играют ключевую роль в промышленных сферах, помогая обнаруживать утечки газа и предотвращая возможные катастрофы. Эти датчики бывают различных типов, специализирующихся на обнаружении различных видов газов. Рассмотрим принцип работы такого датчика. В его основе лежит чувствительный элемент, расположенный под металлическим листом и подключенный к электрическим клеммам, через которые подается ток. Когда частицы газа попадают на чувствительный элемент, происходит химическая реакция, в результате которой меняется сопротивление элементов и, соответственно, изменяется ток, протекающий через датчик. Это позволяет точно обнаружить наличие газа.
Выводы.
В конечном итоге, можно заключить, что датчики играют роль не только в автоматизации процессов измерения физических величин, но также они имеют значение для помощи живым существам в условиях стихийных бедствий.