Diferents tipus de sensors i el seu funcionament

L’era de l’automatització ja ha començat. La majoria de les coses que fem servir ara es poden automatitzar. Per dissenyar dispositius automatitzats primer hem de conèixer els sensors, aquests són els mòduls / dispositius que són útils per fer les coses sense la intervenció humana. Fins i tot els mòbils o telèfons intel·ligents que fem servir diàriament tindran alguns sensors com el sensor de sala, el sensor de proximitat, l’acceleròmetre, la pantalla tàctil, el micròfon, etc. lectures a dispositius o microcontrolador.

Què és un sensor?

El sensor es pot definir com un dispositiu que es pot utilitzar per detectar / detectar la quantitat física com la força, la pressió, la tensió, la llum, etc. i després convertir-lo en la sortida desitjada, com el senyal elèctric, per mesurar la quantitat física aplicada . En pocs casos, un sensor sol no pot ser suficient per analitzar el senyal obtingut. En aquests casos, s'utilitza una unitat de condicionament del senyal per mantenir els nivells de tensió de sortida del sensor en el rang desitjat respecte al dispositiu final que fem servir.

A la unitat de condicionament del senyal, la sortida del sensor es pot amplificar, filtrar o modificar a la tensió de sortida desitjada. Per exemple, si tenim en compte un micròfon, detecta el senyal d'àudio i es converteix en la tensió de sortida (és a dir, en milivolts) que esdevé difícil de conduir un circuit de sortida. Per tant, s’utilitza una unitat de condicionament del senyal (un amplificador) per augmentar la intensitat del senyal. Però el condicionament del senyal pot no ser necessari per a tots els sensors com el fotodiode, LDR, etc.

La majoria dels sensors no poden funcionar de forma independent. Per tant, s’hi hauria d’aplicar una tensió d’entrada suficient. Diversos sensors tenen diferents rangs de funcionament que s’haurien de tenir en compte mentre es treballa amb ell, ja que el sensor es pot danyar permanentment.

Tipus de sensors:

Vegem els diferents tipus de sensors disponibles al mercat i comentem la seva funcionalitat, funcionament, aplicacions, etc. Parlarem de diversos sensors com:

• Sensor de llum
  • Sensor IR (transmissor IR / LED IR)
  • Fotodiode (receptor IR)
  • Resistència dependent de la llum
• Sensor de temperatura
  • Termistor
  • Termoparell
• Sensor de pressió / força / pes
  • Manòmetre de tensió (sensor de pressió)
  • Cèl·lules de càrrega (sensor de pes)
• Sensor de posició
  • Potenciòmetre
  • Codificador
• Sensor Hall (Detecta el camp magnètic)
• Sensor flexible
• Sensor de so
  • Micròfon
• Sensor d'ultrasons
• Sensor tàctil
• Sensor PIR
• Sensor d’inclinació
  • Acceleròmetre
• Sensor de gas

Hem de seleccionar el sensor desitjat en funció del nostre projecte o aplicació. Com s’ha dit anteriorment per fer-los funcionar, s’hauria d’aplicar una tensió adequada en funció de les seves especificacions.

Ara vegem el principi de funcionament dels diferents sensors i on es pot veure en el nostre dia a dia o en la seva aplicació.

LED IR:

També es diu com a transmissor IR. S'utilitza per emetre rajos infrarojos. L'abast d'aquestes freqüències és superior a les freqüències de microones (és a dir,> 300 GHz a pocs centenars de THz). Els raigs generats per un LED d’infrarojos poden ser detectats pel fotodiode que s’explica a continuació. El parell de LED IR i fotodiode s’anomena sensor IR. Així és com funciona un sensor IR.

Foto díode (sensor de llum):

És un dispositiu semiconductor que s’utilitza per detectar els rajos de llum i que s’utilitza principalment com a receptor IR . La seva construcció és semblant al díode normal d’unió PN, però el principi de funcionament en difereix. Com sabem, una unió PN permet corrents de fuita petites quan es polaritza inversament, de manera que aquesta propietat s’utilitza per detectar els rajos de llum. Es construeix un fotodiode de manera que els raigs de llum han de caure sobre la unió PN, cosa que fa augmentar el corrent de fuita en funció de la intensitat de la llum que hem aplicat. Així, d’aquesta manera, es pot utilitzar un fotodiode per detectar els rajos de llum i mantenir el corrent a través del circuit. Consulteu aquí el funcionament del fotodiode amb sensor IR.

Mitjançant un fotodiode podem construir un fanal automàtic bàsic que brilla quan disminueix la intensitat del sol. Però el fotodiode funciona fins i tot si hi cau una petita quantitat de llum, per tant, s'ha de tenir precaució.

LDR (resistència dependent de la llum):

Com el propi nom especifica que la resistència que depèn de la intensitat de la llum. Funciona sobre el principi de fotoconductivitat, que significa la conducció deguda a la llum. Generalment està format per sulfur de cadmi. Quan la llum cau sobre el LDR, la seva resistència disminueix i actua de manera similar a un conductor i, quan no hi cau cap llum, la seva resistència està gairebé en el rang de MΩ o, idealment, actua com un circuit obert . Una nota que cal tenir en compte amb LDR és que no respondrà si la llum no està exactament enfocada a la seva superfície.

Amb un circuit adequat que utilitza un transistor, es pot utilitzar per detectar la disponibilitat de llum. Un transistor polaritzat divisor de tensió amb R2 (resistència entre la base i l'emissor) substituït per un LDR pot funcionar com a detector de llum. Consulteu aquí els diferents circuits basats en LDR.

Termistor (sensor de temperatura):

Es pot utilitzar un termistor per detectar la variació de temperatura . Té un coeficient de temperatura negatiu que significa que quan augmenta la temperatura disminueix la resistència. Per tant, la resistència del termistor es pot variar amb l’augment de temperatura que provoca més flux de corrent a través d’ell. Aquest canvi en el flux de corrent es pot utilitzar per determinar la quantitat de canvi de temperatura. Una aplicació per al termistor s’utilitza per detectar l’augment de temperatura i controlar el corrent de fuita en un circuit de transistors que ajuda a mantenir la seva estabilitat. Aquí hi ha una aplicació senzilla perquè Thermistor controli automàticament el ventilador de CC.

Termoparell (sensor de temperatura):

Un altre component que pot detectar la variació de temperatura és un termoparell. En la seva construcció, dos metalls diferents s’uneixen formant una unió. El seu principi principal és quan la unió de dos metalls diferents s’escalfa o s’exposa a altes temperatures, un potencial a través dels seus terminals varia. Per tant, es pot utilitzar el potencial variable per mesurar la quantitat de canvi de temperatura.

Indicador de tensió (sensor de pressió / força):

Un mesurador de tensió s’utilitza per detectar la pressió quan s’aplica una càrrega . Funciona sobre el principi de resistència, sabem que la resistència és directament proporcional a la longitud del fil i és inversament proporcional a la seva àrea de secció transversal (R = ρl / a). Aquí es pot utilitzar el mateix principi per mesurar la càrrega. Sobre un tauler flexible, es disposa un filferro de forma zig-zag tal com es mostra a la figura següent. Per tant, quan s’aplica la pressió a aquesta placa en concret, es dobla en una direcció provocant el canvi de longitud total i àrea de la secció transversal del cable. Això condueix a un canvi de resistència del fil. La resistència així obtinguda és molt petita (pocs ohms) que es pot determinar amb l'ajut del pont de Wheatstone. El mesurador de tensió es col·loca en un dels quatre braços d'un pont amb els valors restants sense canvis. Per tant,quan s’hi aplica la pressió a mesura que canvia la resistència, el corrent que passa pel pont varia i es pot calcular la pressió.

Els indicadors de tensió s’utilitzen principalment per calcular la quantitat de pressió que pot suportar una ala d’avió i també s’utilitza per mesurar el nombre de vehicles permesos en una carretera particular, etc.

Cèl·lula de càrrega (sensor de pes):

Les cèl·lules de càrrega són similars als mesuradors de tensió que mesuren la quantitat física com la força i donen la sortida en forma de senyals elèctrics. Quan s'aplica una mica de tensió a la cèl·lula de càrrega, l'estructura varia provocant el canvi de resistència i, finalment, el seu valor es pot calibrar mitjançant un pont de Wheatstone. Aquí teniu el projecte sobre com mesurar el pes mitjançant la cel·la de càrrega.

Potenciòmetre:

S’utilitza un potenciòmetre per detectar la posició . Generalment té diversos rangs de resistències connectades a diferents pols del commutador. Un potenciòmetre pot ser rotatiu o lineal. En el tipus rotatiu, un eixugaparabrises està connectat a un eix llarg que es pot girar. Quan l’eix ha girat, la posició del netejador s’altera de manera que la resistència resultant varia i provoca el canvi de la tensió de sortida. Així, la sortida es pot calibrar per detectar el canvi de posició.

Codificador:

Per detectar el canvi de posició també es pot utilitzar un codificador. Té una estructura circular en forma de disc giratori amb obertures específiques entre elles, de manera que quan els raigs IR o els raigs de llum hi passen només es detecten uns quants rajos de llum. A més, aquests rajos es codifiquen en dades digitals (en termes de binari) que representen la posició específica.

Sensor Hall:

El propi nom indica que és el sensor el que funciona amb l’efecte Hall. Es pot definir com quan un camp magnètic s’acosta al conductor de transport de corrent (perpendicular a la direcció del camp elèctric), llavors es desenvolupa una diferència de potencial a través del conductor donat. Utilitzant aquesta propietat s’utilitza un sensor Hall per detectar el camp magnètic i dóna sortida en termes de tensió. Cal tenir cura que el sensor Hall només pugui detectar un pol de l’imant.

El sensor de sala s’utilitza en pocs telèfons intel·ligents que són útils per apagar la pantalla quan la tapa de la solapa (que conté un imant) es tanca a la pantalla. Aquí teniu una aplicació pràctica del sensor d’efecte Hall a l’alarma de la porta.

Sensor flexible:

Un sensor FLEX és un transductor que canvia la seva resistència quan es canvia de forma o es dobla . Un sensor FLEX fa 2,2 polzades de llarg o té una longitud de dit. Es mostra a la figura. Simplement, la resistència del terminal del sensor augmenta quan es dobla. Aquest canvi de resistència no pot servir de res si no podem llegir-los. El controlador que ens ocupa només pot llegir els canvis de tensió i res menys, per a això utilitzarem un circuit divisor de tensió, amb el qual podrem obtenir el canvi de resistència com un canvi de tensió. Obteniu informació sobre com utilitzar Flex Sensor.

Micròfon (sensor de so):

El micròfon es pot veure a tots els telèfons intel·ligents o mòbils. Pot detectar el senyal d'àudio i convertir-lo en senyals elèctrics de petit voltatge (mV). Un micròfon pot ser de molts tipus, com ara micròfon de condensador, micròfon de cristall, micròfon de carboni, etc. cada tipus de micròfon funciona en propietats com la capacitat, l’efecte piezoelèctric i la resistència, respectivament. Vegem el funcionament d’un micròfon de cristall que funciona amb l’efecte piezoelèctric. S'utilitza un cristall bimorf que sota pressió o vibracions produeix una tensió alterna proporcional. Un diafragma està connectat al cristall a través d’un pin de transmissió de manera que quan el senyal sonor toca el diafragma es mou cap endavant i cap enrere,aquest moviment canvia la posició del pin d'accionament que provoca vibracions al cristall, de manera que es genera una tensió alterna respecte al senyal sonor aplicat. La tensió obtinguda s’alimenta a un amplificador per tal d’augmentar la força general del senyal. Aquí teniu diversos circuits basats en micròfon.

També podeu convertir el valor del micròfon en decibels utilitzant algun microcontrolador com Arduino.

Sensor d'ultrasons:

Els ultrasons no signifiquen res més que l’abast de les freqüències. El seu abast és superior al rang audible (> 20 kHz), de manera que ni tan sols està encès no podem percebre aquests senyals sonors. Només altaveus i receptors específics poden detectar aquestes ones ultrasòniques. Aquest sensor d'ultrasons s'utilitza per calcular la distància entre el transmissor d'ultrasons i l'objectiu i també s'utilitza per mesurar la velocitat de l'objectiu .

El sensor ultrasònic HC-SR04 es pot utilitzar per mesurar la distància entre 2cm-400cm amb una precisió de 3mm. Vegem com funciona aquest mòdul. El mòdul HCSR04 genera una vibració sonora en un rang ultrasònic quan fem el pin "Trigger" alt durant uns 10us que enviarà una ràfega sonora de 8 cicles a la velocitat del so i després de colpejar l'objecte, el rebrà el pin Echo. Depenent del temps que triga la vibració del so a tornar, proporciona la sortida de pols adequada. Podem calcular la distància de l’objecte en funció del temps que triga l’ona ultrasònica a tornar al sensor. Obteniu més informació sobre el sensor d’ultrasons aquí.

Hi ha moltes aplicacions amb el sensor d'ultrasons. Podem fer-ne ús per evitar obstacles per als cotxes automatitzats, robots en moviment, etc. El mateix principi s’utilitzarà al RADAR per detectar míssils i avions intrusos. Un mosquit percep els sons ultrasònics. Per tant, les ones ultrasòniques es poden utilitzar com a repel·lent de mosquits.

Sensor tàctil:

En aquesta generació, podem dir que gairebé tots utilitzen telèfons intel·ligents que tenen pantalla panoràmica i també una pantalla que pot percebre el nostre tacte. Per tant, vegem com funciona aquesta pantalla tàctil. Bàsicament, hi ha dos tipus de pantalles tàctils basades en sensors resistius i capacitius . Coneixem breument el funcionament d’aquests sensors.

La pantalla tàctil resistiva té una làmina resistiva a la base i una làmina conductora sota la pantalla, ambdós separats per un buit d’aire amb una petita tensió aplicada a les làmines. Quan premem o toquem la pantalla, la làmina conductora toca la làmina resistiva en aquest punt provocant el flux de corrent en aquest punt concret, el programari detecta la ubicació i es realitza l’acció rellevant.

Mentre que el tacte capacitiu funciona amb la càrrega electrostàtica disponible al nostre cos. La pantalla ja està carregada de tot el camp elèctric. Quan toquem la pantalla es forma un circuit proper a causa de la càrrega electrostàtica que flueix pel nostre cos. A més, el programari decideix la ubicació i l'acció a realitzar. Podem observar que la pantalla tàctil capacitiva no funcionarà quan es portin guants de mà perquè no hi haurà conducció entre els dits i la pantalla.

Sensor PIR:

El sensor PIR significa sensor infraroig passiu. Aquests es fan servir per detectar el moviment de persones, animals o coses. Sabem que els rajos infrarojos tenen una propietat de reflexió. Quan un raig d'infrarojos impacta contra un objecte, en funció de la temperatura de l'objectiu, canvien les propietats dels raigs infrarojos, aquest senyal rebut determina el moviment dels objectes o dels éssers vius. Fins i tot si la forma de l’objecte s’altera, les propietats dels rajos infrarojos reflectits poden diferenciar els objectes amb precisió. Aquí teniu el sensor de funcionament complet o PIR.

Acceleròmetre (sensor d'inclinació):

Un sensor acceleròmetre pot detectar la seva inclinació o moviment en una direcció determinada . Funciona en funció de la força d’acceleració causada per la gravetat terrestre. Les seves petites parts internes són tan sensibles que reaccionaran a un petit canvi extern de posició. Té un cristall piezoelèctric quan s’inclina causa pertorbacions al cristall i genera un potencial que determina la posició exacta respecte als eixos X, Y i Z.

Aquests es veuen habitualment en mòbils i ordinadors portàtils per tal d’evitar el trencament dels cables de processadors. Quan el dispositiu cau, l’acceleròmetre detecta l’estat de caiguda i fa les accions respectives en funció del programari. A continuació, es detallen alguns projectes amb Accelerometer.

Sensor de gas:

En aplicacions industrials, els sensors de gas tenen un paper important en la detecció de fuites de gas. Si no s’instal·la cap dispositiu d’aquest tipus en aquestes àrees, finalment es produeix un desastre increïble. Aquests sensors de gas es classifiquen en diversos tipus segons el tipus de gas que es detecti. Vegem com funciona aquest sensor. Sota una xapa metàl·lica hi ha un element de detecció que està connectat als terminals on se li aplica un corrent. Quan les partícules de gas impacten contra l’element sensible, provoca una reacció química de tal manera que la resistència dels elements varia i el corrent a través d’ell també s’altera, cosa que finalment pot detectar el gas.

Finalment, podem concloure que els sensors no només s’utilitzen per fer el nostre treball senzill de mesurar les quantitats físiques, fent que els dispositius siguin automatitzats, sinó que també s’utilitzen per ajudar els éssers vius amb desastres.