Различные типы датчиков и принцип их работы

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 выполнять задачи без вмешательства человека. Даже мобильные телефоны или смартфоны, которыми мы ежедневно пользуемся, будут содержать ряд датчиков, например, 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 выдает данные. показания устройств или микроконтроллера.

Что такое датчик?

Датчик можно определить как устройство, которое можно использовать для измерения/обнаружения физических величин, таких как сила, давление, деформация, свет и т. д., а затем преобразовывать их в желаемый выходной сигнал, например 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 по отношению к конечному устройству, которое мы используем.

В блоке формирования сигнала (signal conditioning unit) 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), но оно настолько маленькое, что с его помощью проблематично управлять какой-либо выходной цепью. Итак, для увеличения мощности сигнала используется блок формирования сигнала (усилитель). Но обработка сигнала может не потребоваться для некоторых датчиков, таких как фотодиод, фоторезистор и т. д.

Большинство датчиков не могут работать независимо. Поэтому к нему должно быть подано достаточное входное напряжение. Различные датчики имеют разные рабочие диапазоны, что следует учитывать при работе с ними, иначе датчик может быть необратимо поврежден.

Типы датчиков

Давайте посмотрим на различные типы датчиков, доступных на рынке, и обсудим их функциональность, работу, применение и т. д. Мы обсудим различные датчики, такие как:

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
- Кодер
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

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

ИК-светодиод

Его еще называют ИК-передатчиком. Он используется для излучения инфракрасных лучей. Диапазон этих частот шире, чем у микроволновых частот (т.е. от >300 ГГц до нескольких сотен ТГц). Лучи, генерируемые инфракрасным светодиодом, могут восприниматься фотодиодом, описание которого приведено ниже. Пара ИК-светодиода и фотодиода называется ИК-датчиком (инфракрасным).

Инфракрасный датчик у нас на сайте использовался в различных проектах:

Фотодиод (датчик освещенности):

Это полупроводниковое устройство, которое используется для обнаружения световых лучей и в основном используется в качестве ИК-приемника. Его конструкция аналогична обычному диоду с PN-переходом, но принцип работы отличается от него. Поскольку мы знаем, что PN-переход допускает небольшие токи утечки, когда он смещен в обратном направлении, поэтому это свойство используется для обнаружения световых лучей. Фотодиод сконструирован таким образом, что лучи света должны падать на PN-переход, что приводит к увеличению тока утечки в зависимости от интенсивности приложенного света. Таким образом, фотодиод можно использовать для восприятия световых лучей и поддержания тока в цепи.

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.

Фоторезистор (LDR)

Сопротивление фоторезистора зависит от интенсивности света. Он работает по принципу фотопроводимости, что означает проводимость благодаря свету. Обычно он состоит из сульфида кадмия. Когда свет падает на фоторезистор, его сопротивление уменьшается и он действует подобно проводнику, а когда на него не падает свет, его сопротивление находится в диапазоне нескольких МОм или в идеале он действует как разомкнутая цепь. При использовании фоторезистора следует учитывать одно замечание: 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. На нашем сайте вы можете посмотреть ряд проектов с использованием фоторезистора:

Термистор (терморезистор)

Термистор можно использовать для обнаружения изменения температуры. Он имеет отрицательный температурный коэффициент, что означает, что при повышении температуры сопротивление уменьшается. Таким образом, сопротивление термистора можно изменять с ростом температуры, что приводит к прохождению через него большего тока. Это изменение тока можно использовать для определения величины изменения температуры. Термистор применяется для обнаружения повышения температуры и контроля тока утечки в транзисторной цепи, что помогает поддерживать ее стабильность. Вот несколько примеров его использования:

Термопара (датчик температуры)

Еще одним компонентом, который может обнаруживать изменение температуры, является термопара. В его конструкции два разных металла соединяются вместе. Его основной принцип заключается в том, что когда соединение двух разных металлов нагревается или подвергается воздействию высоких температур, потенциал на их клеммах меняется. Таким образом, изменяющийся потенциал можно в дальнейшем использовать для измерения величины изменения температуры.

Тензодатчик (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 площади его поперечного сечения (R=ρl/a). Тот же принцип можно использовать и здесь для измерения нагрузки. На гибкой плате провод расположен зигзагом, как показано на рисунке ниже. Таким образом, когда к этой конкретной доске прикладывается 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. Тензорезистор размещается в одном из четырех плеч моста с неизмененными остальными значениями. Следовательно, когда к нему прикладывается давление, по мере изменения сопротивления ток, проходящий через мост, меняется, и давление можно рассчитать.

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

Датчик веса

Датчик веса по своей сути также является тензодатчиком и измеряет физическую величину, такую как сила, и выдает выходные данные в виде электрических сигналов. Когда к датчику нагрузки прикладывается некоторое напряжение, его структура меняется, вызывая изменение сопротивления, и, наконец, его значение можно откалибровать с помощью моста Уитстона . Его внешний вид показан на следующем рисунке.

На нашем сайте мы рассматривали несколько проектов с использованием датчика веса:

Потенциометр

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

Инкрементальный энкодер

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

На нашем сайте мы рассматривали подключение потенциометра к различным микроконтроллерам (платам):

Датчик Холла

В самом названии указано, что это датчик, работающий на эффекте Холла. Его можно определить так: когда магнитное поле приближается к проводнику с током (перпендикулярно направлению электрического поля), тогда вдоль данного проводника возникает разность потенциалов. Используя это свойство, датчик Холла используется для обнаружения магнитного поля и выдает выходные данные в виде напряжения. Следует следить за тем, чтобы датчик Холла мог обнаружить только один полюс магнита.

Датчик Холла используется в некоторых смартфонах, которые помогают выключать экран, когда крышка клапана (в которой есть магнит) закрывается на экране. На нашем сайте вы можете посмотреть использование датчика Холла в следующих проектах:

Гибкий датчик

Гибкий датчик – это преобразователь, сопротивление которого меняется при изменении его формы или при изгибе. Датчик имеет длину 2,2 дюйма или длину пальца. Это показано на рисунке. Проще говоря, сопротивление клеммы датчика увеличивается при ее изгибе. Эти изменения в сопротивлении не принесут никакой пользы, если мы не сможем их прочитать. Как правило, это изменение сопротивления обнаруживается с помощью изменения напряжения в схеме делителя напряжения.

На нашем сайте использование гибкого датчика вы можете в следующих проектах:

Микрофон (датчик звука)

Микрофон можно увидеть на всех смартфонах или мобильных телефонах. Он может обнаруживать аудиосигнал и преобразовывать его в электрические сигналы малого напряжения (мВ). Микрофон может быть разных типов, например, конденсаторный микрофон, кристаллический микрофон, угольный микрофон и т. д. Каждый тип микрофона работает с такими свойствами, как емкость, пьезоэлектрический эффект и сопротивление соответственно. Посмотрим, как работает кристаллический микрофон, работающий на пьезоэлектрическом эффекте. Используется биморфный кристалл, который под давлением или вибрациями создает пропорциональное переменное напряжение. Диафрагма соединена с кристаллом через приводной штифт таким образом, что, когда звуковой сигнал попадает на диафрагму, он перемещается вперед и назад, это движение меняет положение приводного штифта, что вызывает вибрации в кристалле, таким образом, генерируется переменное напряжение относительно подаваемый звуковой сигнал. Полученное напряжение подается на усилитель с целью увеличения общей мощности сигнала.

На нашем сайте микрофон использовался в следующих проектах:

Ультразвуковой датчик

Диапазон ультразвука превышает слышимый диапазон (>20 кГц), поэтому даже при его включении мы не можем ощутить эти звуковые сигналы. Только определенные динамики и приемники могут воспринимать эти ультразвуковые волны. Этот ультразвуковой датчик используется для расчета расстояния между ультразвуковым передатчиком и целью, а также для измерения скорости цели.

Ультразвуковой датчик HC-SR04 можно использовать для измерения расстояния в диапазоне 2–400 см с точностью до 3 мм. Давайте посмотрим, как работает этот модуль. Модуль HCSR04 генерирует звуковую вибрацию в ультразвуковом диапазоне, когда мы поднимаем на вывод «Триггер» высокий уровень примерно на 10 мкс, что отправляет 8-цикловый звуковой импульс со скоростью звука, и после удара по объекту он будет принят контактом «Эхо». В зависимости от времени, необходимого звуковой вибрации для возвращения, она обеспечивает соответствующий импульсный выход. Мы можем рассчитать расстояние до объекта, основываясь на времени, которое требуется ультразвуковой волне, чтобы вернуться обратно к датчику.

На нашем сайте посмотреть использование ультразвукового датчика HC-SR04 вы можете в следующих проектах:

Сенсорный датчик (датчик касания)

Можно сказать, что в этом поколении почти все используют смартфоны с широкоэкранным экраном, который может чувствовать наше прикосновение. Итак, давайте посмотрим, как работает этот тачскрин. По сути, существует два типа сенсорных датчиков: резистивные и емкостные сенсорные экраны . Давайте вкратце узнаем о работе этих датчиков.

Резистивный сенсорный экран имеет резистивный лист в основании и проводящий лист под экраном, оба они разделены воздушным зазором, на листы которого подается небольшое напряжение. Когда мы нажимаем или касаемся экрана, проводящий лист касается резистивного листа в этой точке, вызывая ток в этой конкретной точке, программное обеспечение определяет местоположение и выполняет соответствующее действие.

Тогда как емкостное прикосновение работает за счет электростатического заряда, имеющегося на нашем теле. Экран уже заряжен всем электрическим полем. Когда мы касаемся экрана, образуется замкнутая цепь из-за электростатического заряда, проходящего через наше тело. Кроме того, программное обеспечение определяет местоположение и действие, которое необходимо выполнить. Мы можем заметить, что емкостный сенсорный экран не будет работать в перчатках, поскольку между пальцем (пальцами) и экраном не будет проводимости.

Простейший датчик касания вы можете использовать и в своих собственных проектах, для примера можете посмотреть статью об управлении светом в доме с помощью сенсорного датчика и Arduino.

PIR датчик

PIR (Passive Infrared sensor) означает пассивный инфракрасный датчик. Подобные датчики используются для обнаружения движения людей, животных или предметов. Мы знаем, что инфракрасные лучи обладают свойством отражения. Когда инфракрасный луч попадает на объект, в зависимости от температуры цели меняются свойства инфракрасного луча, полученный сигнал определяет движение объектов или живых существ. Даже если форма объекта изменится, свойства отраженных инфракрасных лучей могут точно различить объекты.

На нашем сайте вы можете посмотреть проекты с подключением PIR датчика к различным микроконтроллерам (платам):

В качестве альтернативы данному датчику можно рассмотреть доплеровский датчика движения RCWL-0516 — в этой статье вы можете прочитать и про достоинства и недостатки этих двух типов датчиков.

Акселерометр (датчик наклона)

Датчик акселерометра может определять наклон или движение устройства в определенном направлении. Он работает на основе силы ускорения, вызванной гравитацией Земли. Крошечные внутренние его части настолько чувствительны, что реагируют на небольшое внешнее изменение положения. Он имеет пьезоэлектрический кристалл. При наклоне он вызывает возмущения в кристалле и генерирует потенциал, который определяет точное положение относительно осей X, Y и Z.

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

Мы также на нашем сайте рассматривали рад проектов с использованием акселерометра:

Датчик газа

В промышленных применениях 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 газовые датчики подразделяются на различные типы в зависимости от типа обнаруживаемого газа. Давайте посмотрим, как работает этот датчик. Под металлическим листом находится чувствительный элемент, который подключен к клеммам, где к нему подается ток. Когда частицы газа попадают на чувствительный элемент, это приводит к химической реакции, в результате которой сопротивление элементов меняется, а ток через него также изменяется, что в конечном итоге позволяет обнаружить газ.

В статье про подключение датчика газа MQ6 к микроконтроллеру PIC приведена таблица с типами различных датчиков газа. Также на нашем сайте мы рассматривали подключение различных датчиков газа к плате Arduino:

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