Diversi tipi di sensori e loro funzionamento

L'era dell'automazione è già iniziata. La maggior parte delle cose che usiamo ora possono essere automatizzate. Per progettare dispositivi automatizzati prima dobbiamo conoscere i sensori, questi sono i moduli / dispositivi che sono utili per fare le cose senza l'intervento umano. Anche i cellulari o gli smartphone che utilizziamo quotidianamente avranno alcuni sensori come sensore di hall, sensore di prossimità, accelerometro, touch screen, microfono ecc. Questi sensori fungono da occhi, orecchie, naso di qualsiasi apparecchiatura elettrica che rileva i parametri nel mondo esterno e dà letture a dispositivi o microcontrollore.

Cos'è un sensore?

Il sensore può essere definito come un dispositivo che può essere utilizzato per rilevare / rilevare la quantità fisica come forza, pressione, deformazione, luce ecc. E quindi convertirla nell'uscita desiderata come il segnale elettrico per misurare la quantità fisica applicata . In alcuni casi, un sensore da solo potrebbe non essere sufficiente per analizzare il segnale ottenuto. In questi casi, viene utilizzata un'unità di condizionamento del segnale per mantenere i livelli di tensione di uscita del sensore nell'intervallo desiderato rispetto al dispositivo finale che utilizziamo.

Nell'unità di condizionamento del segnale, l'uscita del sensore può essere amplificata, filtrata o modificata alla tensione di uscita desiderata. Ad esempio, se consideriamo un microfono, rileva il segnale audio e lo converte nella tensione di uscita (in termini di millivolt) che diventa difficile da pilotare un circuito di uscita. Quindi, un'unità di condizionamento del segnale (un amplificatore) viene utilizzata per aumentare la potenza del segnale. Ma il condizionamento del segnale potrebbe non essere necessario per tutti i sensori come fotodiodo, LDR ecc.

La maggior parte dei sensori non può funzionare in modo indipendente. Quindi, dovrebbe essere applicata una tensione di ingresso sufficiente. Vari sensori hanno intervalli operativi diversi che dovrebbero essere considerati mentre si lavora con esso altrimenti il ​​sensore potrebbe danneggiarsi in modo permanente.

Tipi di sensori:

Vediamo i vari tipi di sensori disponibili sul mercato e discutiamo la loro funzionalità, funzionamento, applicazioni ecc. Discuteremo vari sensori come:

• Sensore di luce
  • Sensore IR (trasmettitore IR / LED IR)
  • Fotodiodo (ricevitore IR)
  • Resistenza dipendente dalla luce
• Termometro
  • Termistore
  • Termocoppia
• Sensore di pressione / forza / peso
  • Estensimetro (sensore di pressione)
  • Celle di carico (sensore di peso)
• Sensore di posizione
  • Potenziometro
  • Codificatore
• Sensore Hall (rileva il campo magnetico)
• Sensore di flessione
• Sensore del suono
  • Microfono
• Sensore ultrasonico
• Sensore di tocco
• Sensore PIR
• Sensore di inclinazione
  • Accelerometro
• Sensore di gas

Dobbiamo selezionare il sensore desiderato in base al nostro progetto o applicazione. Come detto in precedenza, per farli funzionare dovrebbe essere applicata una tensione adeguata in base alle loro specifiche.

Vediamo ora il principio di funzionamento dei vari sensori e dove può essere visto nella nostra vita quotidiana o nella sua applicazione.

LED IR:

È anche chiamato come trasmettitore IR. Viene utilizzato per emettere raggi infrarossi. La gamma di queste frequenze è maggiore delle frequenze delle microonde (cioè da> 300GHz a poche centinaia di THz). I raggi generati da un LED a infrarossi possono essere rilevati dal fotodiodo spiegato di seguito. La coppia di LED IR e fotodiodo è chiamata sensore IR. Ecco come funziona un sensore IR.

Foto diodo (sensore di luce):

È un dispositivo a semiconduttore che viene utilizzato per rilevare i raggi luminosi e utilizzato principalmente come ricevitore IR . La sua costruzione è simile al normale diodo a giunzione PN ma il principio di funzionamento ne differisce. Come sappiamo, una giunzione PN consente piccole correnti di dispersione quando è polarizzata inversamente, quindi questa proprietà viene utilizzata per rilevare i raggi luminosi. Un fotodiodo è costruito in modo tale che i raggi di luce dovrebbero cadere sulla giunzione PN, il che fa aumentare la corrente di dispersione in base all'intensità della luce che abbiamo applicato. Quindi, in questo modo, un fotodiodo può essere utilizzato per rilevare i raggi luminosi e mantenere la corrente attraverso il circuito. Controlla qui il funzionamento del Fotodiodo con sensore IR.

Utilizzando un fotodiodo possiamo costruire un lampione stradale automatico di base che si illumina quando l'intensità della luce solare diminuisce. Ma il fotodiodo funziona anche se una piccola quantità di luce cade su di esso, quindi è necessario prestare attenzione.

LDR (resistenza dipendente dalla luce):

Come il nome stesso specifica che il resistore dipende dall'intensità della luce. Funziona secondo il principio della fotoconduttività, ovvero la conduzione dovuta alla luce. È generalmente costituito da solfuro di cadmio. Quando la luce cade sull'LDR, la sua resistenza diminuisce e si comporta in modo simile a un conduttore e quando nessuna luce cade su di esso, la sua resistenza è quasi nel range di MΩ o idealmente agisce come un circuito aperto . Una nota che dovrebbe essere considerata con LDR è che non risponderà se la luce non è esattamente focalizzata sulla sua superficie.

Con una corretta circuiteria che utilizza un transistor può essere utilizzato per rilevare la disponibilità di luce. Un transistor polarizzato con partitore di tensione con R2 (resistenza tra base ed emettitore) sostituito con un LDR può funzionare come rilevatore di luce. Controlla qui i vari circuiti basati su LDR.

Termistore (sensore di temperatura):

È possibile utilizzare un termistore per rilevare la variazione di temperatura . Ha un coefficiente di temperatura negativo che significa che quando la temperatura aumenta la resistenza diminuisce. Quindi, la resistenza del termistore può essere variata con l'aumento della temperatura che provoca più flusso di corrente attraverso di esso. Questa variazione nel flusso di corrente può essere utilizzata per determinare l'entità della variazione di temperatura. Un'applicazione per il termistore è che viene utilizzato per rilevare l'aumento della temperatura e controllare la corrente di dispersione in un circuito a transistor che aiuta a mantenere la sua stabilità. Ecco una semplice applicazione per il termistore per controllare automaticamente la ventola CC.

Termocoppia (sensore di temperatura):

Un altro componente in grado di rilevare la variazione di temperatura è una termocoppia. Nella sua costruzione, due metalli diversi si uniscono per formare una giunzione. Il suo principio principale è quando la giunzione di due metalli diversi viene riscaldata o esposta a temperature elevate, un potenziale tra i loro terminali varia. Quindi, il potenziale variabile può essere ulteriormente utilizzato per misurare la quantità di variazione di temperatura.

Estensimetro (sensore di pressione / forza):

Un estensimetro viene utilizzato per rilevare la pressione quando viene applicato un carico . Funziona sul principio della resistenza, sappiamo che la resistenza è direttamente proporzionale alla lunghezza del filo ed è inversamente proporzionale alla sua area di sezione (R = ρl / a). Lo stesso principio può essere utilizzato qui per misurare il carico. Su una tavola flessibile, un filo è disposto a zig-zag come mostrato nella figura sotto. Quindi, quando la pressione viene applicata a quel particolare pannello, si piega in una direzione causando il cambiamento della lunghezza totale e dell'area della sezione trasversale del filo. Ciò porta a un cambiamento nella resistenza del filo. La resistenza così ottenuta è molto minuta (pochi ohm) determinabile con l'ausilio del ponte di Wheatstone. L'estensimetro è posto in uno dei quattro bracci in un ponte con i restanti valori invariati. Perciò,quando viene applicata la pressione al variare della resistenza, la corrente che passa attraverso il ponte varia e la pressione può essere calcolata.

Gli estensimetri sono utilizzati principalmente per calcolare la quantità di pressione che un'ala di un aereo può sopportare e viene anche utilizzato per misurare il numero di veicoli consentiti su una particolare strada, ecc.

Cella di carico (sensore di peso):

Le celle di carico sono simili agli estensimetri che misurano la quantità fisica come la forza e forniscono l'uscita sotto forma di segnali elettrici. Quando viene applicata una certa tensione sulla cella di carico, la sua struttura varia causando il cambiamento di resistenza e, infine, il suo valore può essere calibrato utilizzando un ponte di Wheatstone. Ecco il progetto su come misurare il peso utilizzando Load cell.

Potenziometro:

Un potenziometro viene utilizzato per rilevare la posizione . Generalmente ha varie gamme di resistori collegati a diversi poli dell'interruttore. Un potenziometro può essere di tipo rotativo o lineare. Nel tipo rotativo, un tergicristallo è collegato a un albero lungo che può essere ruotato. Quando l'albero ha ruotato, la posizione del tergicristallo cambia in modo tale che la resistenza risultante varia causando la variazione della tensione di uscita. Così l'uscita può essere calibrata per rilevare il cambiamento della sua posizione.

Codificatore:

Per rilevare il cambio di posizione può essere utilizzato anche un encoder. Ha una struttura circolare girevole simile a un disco con aperture specifiche intermedie in modo tale che quando i raggi IR o i raggi luminosi lo attraversano vengono rilevati solo pochi raggi luminosi. Inoltre, questi raggi sono codificati in un dato digitale (in termini di binario) che rappresenta la posizione specifica.

Sensore Hall:

Il nome stesso afferma che è il sensore che funziona sull'effetto Hall. Può essere definito come quando un campo magnetico viene portato vicino al conduttore che trasporta corrente (perpendicolare alla direzione del campo elettrico), si sviluppa una differenza di potenziale attraverso il conduttore dato. Utilizzando questa proprietà un sensore Hall viene utilizzato per rilevare il campo magnetico e fornisce un'uscita in termini di tensione. Bisogna fare attenzione che il sensore Hall possa rilevare solo un polo del magnete.

Il sensore di hall è utilizzato in pochi smartphone che sono utili per spegnere lo schermo quando il coperchio delle alette (che ha un magnete al suo interno) è chiuso sullo schermo. Ecco una pratica applicazione del sensore ad effetto Hall in Door Alarm.

Sensore di flessione:

Un sensore FLEX è un trasduttore che cambia la sua resistenza quando cambia la sua forma o quando viene piegato . Un sensore FLEX è lungo 2,2 pollici o lungo un dito. È mostrato in figura. In parole semplici, la resistenza del terminale del sensore aumenta quando è piegato. Questo cambiamento nella resistenza non può fare bene a meno che non possiamo leggerli. Il controller a portata di mano può solo leggere i cambiamenti di tensione e niente di meno, per questo, useremo il circuito del divisore di tensione, con questo possiamo derivare la variazione di resistenza come una variazione di tensione. Scopri qui come utilizzare Flex Sensor.

Microfono (sensore del suono):

Il microfono può essere visto su tutti gli smartphone o cellulari. Può rilevare il segnale audio e convertirlo in segnali elettrici a bassa tensione (mV). Un microfono può essere di molti tipi come microfono a condensatore, microfono a cristallo, microfono a carbone ecc. Ogni tipo di microfono lavora sulle proprietà come capacità, effetto piezoelettrico, resistenza rispettivamente. Vediamo il funzionamento di un microfono a cristallo che lavora sull'effetto piezoelettrico. Viene utilizzato un cristallo bimorfo che sotto pressione o vibrazioni produce una tensione alternata proporzionale. Un diaframma è collegato al cristallo tramite un perno di azionamento in modo tale che quando il segnale acustico colpisce il diaframma si muove avanti e indietro,questo movimento cambia la posizione del perno di trascinamento che provoca vibrazioni nel cristallo, quindi si genera una tensione alternata rispetto al segnale sonoro applicato. La tensione ottenuta viene alimentata ad un amplificatore per aumentare la forza complessiva del segnale. Qui ci sono vari circuiti basati sul microfono.

Puoi anche convertire il valore del microfono in decibel usando alcuni microcontrollori come Arduino.

Sensore ultrasonico:

Ultrasonic non significa altro che la gamma delle frequenze. La sua gamma è maggiore della gamma udibile (> 20 kHz) quindi anche se è acceso non possiamo percepire questi segnali sonori. Solo altoparlanti e ricevitori specifici possono rilevare queste onde ultrasoniche. Questo sensore a ultrasuoni viene utilizzato per calcolare la distanza tra il trasmettitore a ultrasuoni e il target e anche utilizzato per misurare la velocità del target .

Il sensore a ultrasuoni HC-SR04 può essere utilizzato per misurare la distanza nell'intervallo da 2 cm a 400 cm con una precisione di 3 mm. Vediamo come funziona questo modulo. Il modulo HCSR04 genera una vibrazione sonora nella gamma degli ultrasuoni quando alziamo il pin "Trigger" per circa 10us che invierà un burst sonoro di 8 cicli alla velocità del suono e dopo aver colpito l'oggetto, verrà ricevuto dal pin Echo. A seconda del tempo impiegato dalla vibrazione sonora per tornare indietro, fornisce l'uscita di impulsi appropriata. Possiamo calcolare la distanza dell'oggetto in base al tempo impiegato dall'onda ultrasonica per tornare al sensore. Ulteriori informazioni sul sensore a ultrasuoni qui.

Ci sono molte applicazioni con il sensore a ultrasuoni. Possiamo usarlo per evitare ostacoli alle auto automatizzate, ai robot in movimento, ecc. Lo stesso principio sarà utilizzato nel RADAR per rilevare i missili intrusi e gli aeroplani. Una zanzara può percepire i suoni ultrasonici. Quindi, le onde ultrasoniche possono essere utilizzate come repellente per zanzare.

Sensore tattile:

In questa generazione, possiamo dire che quasi tutti utilizzano smartphone con schermo widescreen che anche uno schermo che può percepire il nostro tocco. Quindi, vediamo come funziona questo touchscreen. Fondamentalmente, ci sono due tipi di sensori tattili basati su resistivi e uno capacitivo . Conosciamo brevemente il funzionamento di questi sensori.

Il touchscreen resistivo ha un foglio resistivo alla base e un foglio conduttivo sotto lo schermo, entrambi sono separati da un traferro con una piccola tensione applicata ai fogli. Quando premiamo o tocchiamo lo schermo, il foglio conduttivo tocca il foglio resistivo in quel punto provocando il flusso di corrente in quel punto particolare, il software rileva la posizione e viene eseguita l'azione relativa.

Mentre il tocco capacitivo agisce sulla carica elettrostatica disponibile sul nostro corpo. Lo schermo è già carico di tutto il campo elettrico. Quando tocchiamo lo schermo si forma un circuito chiuso a causa della carica elettrostatica che scorre attraverso il nostro corpo. Inoltre, il software decide la posizione e l'azione da eseguire. Possiamo osservare che il touchscreen capacitivo non funziona quando si indossano guanti perché non ci sarà conduzione tra le dita e lo schermo.

Sensore PIR:

Il sensore PIR sta per sensore a infrarossi passivi. Questi sono usati per rilevare il movimento di esseri umani, animali o cose. Sappiamo che i raggi infrarossi hanno una proprietà di riflessione. Quando un raggio infrarosso colpisce un oggetto, a seconda della temperatura del bersaglio le proprietà del raggio infrarosso cambiano, questo segnale ricevuto determina il movimento degli oggetti o degli esseri viventi. Anche se la forma dell'oggetto cambia, le proprietà dei raggi infrarossi riflessi possono differenziare gli oggetti con precisione. Ecco il sensore PIR o funzionante completo.

Accelerometro (sensore di inclinazione):

Un sensore accelerometro può rilevare l'inclinazione o il movimento di esso in una particolare direzione . Funziona in base alla forza di accelerazione causata dalla gravità terrestre. Le sue minuscole parti interne sono così sensibili che reagiranno a un piccolo cambiamento esterno di posizione. Ha un cristallo piezoelettrico quando inclinato provoca disturbi nel cristallo e genera un potenziale che determina la posizione esatta rispetto agli assi X, Y e Z.

Questi sono comunemente visti nei cellulari e nei laptop per evitare la rottura dei cavi dei processori. Quando il dispositivo cade, l'accelerometro rileva la condizione di caduta e fa la rispettiva azione in base al software. Ecco alcuni progetti che utilizzano l'accelerometro.

Sensore di gas:

Nelle applicazioni industriali i sensori di gas svolgono un ruolo importante nel rilevamento della perdita di gas. Se nessun dispositivo di questo tipo viene installato in tali aree, alla fine porta a un disastro incredibile. Questi sensori di gas sono classificati in varie tipologie in base al tipo di gas da rilevare. Vediamo come funziona questo sensore. Sotto un foglio di metallo esiste un elemento sensibile che è collegato ai terminali dove viene applicata una corrente. Quando le particelle di gas colpiscono l'elemento sensibile, provoca una reazione chimica tale che la resistenza degli elementi varia e la corrente attraverso di essa altera anche che finalmente può rilevare il gas.

Quindi, finalmente, possiamo concludere che i sensori non vengono utilizzati solo per semplificare il nostro lavoro per misurare le quantità fisiche, automatizzando i dispositivi, ma anche per aiutare gli esseri viventi in caso di disastri.