- Was ist ein Sensor?
- Arten von Sensoren:
- INFRAROT-LED:
- Fotodiode (Lichtsensor):
- LDR (Light Dependent Resistor):
- Thermistor (Temperatursensor):
- Thermoelement (Temperatursensor):
- Dehnungsmessstreifen (Druck- / Kraftsensor):
- Wägezelle (Gewichtssensor):
- Potentiometer:
- Encoder:
- Hallsensor:
- Flex Sensor:
- Mikrofon (Schallsensor):
- Ultraschallsensor:
- Berührungssensor:
- PIR-Sensor:
- Beschleunigungsmesser (Neigungssensor):
- Gassensor:
Die Ära der Automatisierung hat bereits begonnen. Die meisten Dinge, die wir jetzt verwenden, können automatisiert werden. Um automatisierte Geräte zu entwerfen, müssen wir zuerst die Sensoren kennen. Dies sind die Module / Geräte, die hilfreich sind, um Dinge ohne menschliches Eingreifen zu erledigen. Sogar die Handys oder Smartphones, die wir täglich benutzen, werden einige Sensoren wie Hallsensor, Näherungssensor, Beschleunigungsmesser, Touchscreen, Mikrofon usw. haben. Dieser Sensor fungiert als Augen, Ohren, Nase von elektrischen Geräten, die die Parameter in der Außenwelt erfassen und geben Messwerte für Geräte oder Mikrocontroller.
Was ist ein Sensor?
Der Sensor kann als ein Gerät definiert werden, mit dem die physikalische Größe wie Kraft, Druck, Dehnung, Licht usw. erfasst / erfasst und dann wie das elektrische Signal in die gewünschte Ausgabe umgewandelt werden kann, um die angelegte physikalische Größe zu messen . In einigen Fällen reicht ein Sensor allein möglicherweise nicht aus, um das erhaltene Signal zu analysieren. In diesen Fällen wird eine Signalkonditionierungseinheit verwendet, um die Ausgangsspannungspegel des Sensors in Bezug auf das von uns verwendete Endgerät im gewünschten Bereich zu halten.
In der Signalkonditionierungseinheit kann der Ausgang des Sensors auf die gewünschte Ausgangsspannung verstärkt, gefiltert oder modifiziert werden. Wenn wir beispielsweise ein Mikrofon betrachten, erkennt es das Audiosignal und wandelt es in die Ausgangsspannung (in Millivolt) um, die es schwierig macht, eine Ausgangsschaltung anzusteuern. Daher wird eine Signalkonditionierungseinheit (ein Verstärker) verwendet, um die Signalstärke zu erhöhen. Die Signalkonditionierung ist jedoch möglicherweise nicht für alle Sensoren wie Fotodiode, LDR usw. erforderlich.
Die meisten Sensoren können nicht unabhängig voneinander arbeiten. Daher sollte eine ausreichende Eingangsspannung angelegt werden. Verschiedene Sensoren haben unterschiedliche Betriebsbereiche, die bei der Arbeit berücksichtigt werden sollten, da der Sensor sonst dauerhaft beschädigt werden kann.
Arten von Sensoren:
Lassen Sie uns die verschiedenen Arten von Sensoren sehen, die auf dem Markt erhältlich sind, und ihre Funktionalität, Funktionsweise, Anwendungen usw. diskutieren. Wir werden verschiedene Sensoren diskutieren, wie:
- Lichtsensor
- IR-Sensor (IR-Sender / IR-LED)
- Fotodiode (IR-Empfänger)
- Lichtabhängiger Widerstand
- Temperatursensor
- Thermistor
- Thermoelement
- Druck- / Kraft- / Gewichtssensor
- Dehnungsmessstreifen (Drucksensor)
- Wägezellen (Gewichtssensor)
- Positionssensor
- Potentiometer
- Encoder
- Hallsensor (Magnetfeld erfassen)
- Flex Sensor
- Schallsensor
- Mikrofon
- Ultraschallsensor
- Berührungssensor
- PIR-Sensor
- Neigungssensor
- Beschleunigungsmesser
- Gassensor
Wir müssen den gewünschten Sensor basierend auf unserem Projekt oder unserer Anwendung auswählen. Wie bereits erwähnt, sollte eine ordnungsgemäße Spannung angelegt werden, die auf ihren Spezifikationen basiert, damit sie funktionieren.
Lassen Sie uns nun das Funktionsprinzip der verschiedenen Sensoren sehen und sehen, wo es in unserem täglichen Leben oder seiner Anwendung zu sehen ist.
INFRAROT-LED:
Es wird auch als IR-Sender bezeichnet. Es wird verwendet, um Infrarotstrahlen zu emittieren. Der Bereich dieser Frequenzen ist größer als die Mikrowellenfrequenzen (dh> 300 GHz bis einige Hundert THz). Die von einer Infrarot-LED erzeugten Strahlen können durch eine nachstehend erläuterte Fotodiode erfasst werden. Das Paar aus IR-LED und Fotodiode wird als IR-Sensor bezeichnet. So funktioniert ein IR-Sensor.
Fotodiode (Lichtsensor):
Es ist ein Halbleiterbauelement, das zur Erfassung der Lichtstrahlen verwendet wird und hauptsächlich als IR-Empfänger verwendet wird . Sein Aufbau ähnelt der normalen PN-Sperrschichtdiode, das Arbeitsprinzip unterscheidet sich jedoch davon. Wie wir wissen, erlaubt ein PN-Übergang kleine Leckströme, wenn er in Sperrrichtung vorgespannt ist. Diese Eigenschaft wird verwendet, um die Lichtstrahlen zu erfassen. Eine Fotodiode ist so konstruiert, dass Lichtstrahlen auf den PN-Übergang fallen sollten, wodurch der Leckstrom basierend auf der Intensität des von uns angelegten Lichts zunimmt. Auf diese Weise kann eine Fotodiode verwendet werden , um die Lichtstrahlen zu erfassen und den Strom durch die Schaltung aufrechtzuerhalten. Überprüfen Sie hier die Funktionsweise der Fotodiode mit IR-Sensor.
Mit einer Fotodiode können wir eine einfache automatische Straßenlaterne bauen, die leuchtet, wenn die Sonnenlichtintensität abnimmt. Die Fotodiode funktioniert jedoch auch dann, wenn eine geringe Lichtmenge darauf fällt. Daher ist Vorsicht geboten.
LDR (Light Dependent Resistor):
Da der Name selbst angibt, dass der Widerstand von der Lichtintensität abhängt. Es arbeitet nach dem Prinzip der Fotoleitfähigkeit, dh der Lichtleitung. Es besteht im Allgemeinen aus Cadmiumsulfid. Wenn Licht auf den LDR fällt, nimmt sein Widerstand ab und wirkt ähnlich wie ein Leiter. Wenn kein Licht darauf fällt, liegt sein Widerstand fast im Bereich von MΩ oder im Idealfall als offener Stromkreis . Ein Hinweis bei LDR ist, dass es nicht reagiert, wenn das Licht nicht genau auf seine Oberfläche fokussiert ist.
Mit einer geeigneten Schaltung unter Verwendung eines Transistors kann die Verfügbarkeit von Licht erfasst werden. Ein durch einen Spannungsteiler vorgespannter Transistor mit R2 (Widerstand zwischen Basis und Emitter), der durch einen LDR ersetzt wird, kann als Lichtdetektor arbeiten. Überprüfen Sie hier die verschiedenen Schaltkreise basierend auf LDR.
Thermistor (Temperatursensor):
Ein Thermistor kann verwendet werden, um die Temperaturschwankung zu erfassen . Es hat einen negativen Temperaturkoeffizienten, dh wenn die Temperatur steigt, nimmt der Widerstand ab. So kann der Widerstand des Thermistors mit dem Temperaturanstieg variiert werden, wodurch mehr Strom durch ihn fließt. Diese Änderung des Stromflusses kann verwendet werden, um das Ausmaß der Temperaturänderung zu bestimmen. Eine Anwendung für Thermistoren besteht darin, den Temperaturanstieg zu erfassen und den Leckstrom in einer Transistorschaltung zu steuern, was zur Aufrechterhaltung seiner Stabilität beiträgt. Hier ist eine einfache Anwendung für Thermistor zur automatischen Steuerung des DC-Lüfters.
Thermoelement (Temperatursensor):
Eine weitere Komponente, die Temperaturschwankungen erfassen kann , ist ein Thermoelement. Bei seiner Konstruktion werden zwei verschiedene Metalle zu einer Verbindungsstelle zusammengefügt. Sein Hauptprinzip ist, wenn die Verbindung zweier verschiedener Metalle erhitzt oder hohen Temperaturen ausgesetzt wird, variiert ein Potential über ihre Anschlüsse. Das variierende Potential kann also weiter verwendet werden, um das Ausmaß der Temperaturänderung zu messen.
Dehnungsmessstreifen (Druck- / Kraftsensor):
Ein Dehnungsmessstreifen erfasst den Druck, wenn eine Last aufgebracht wird . Es funktioniert nach dem Prinzip des Widerstands. Wir wissen, dass der Widerstand direkt proportional zur Länge des Drahtes und umgekehrt proportional zu seiner Querschnittsfläche ist (R = ρl / a). Das gleiche Prinzip kann hier verwendet werden, um die Last zu messen. Auf einer flexiblen Platte ist ein Draht im Zick-Zack angeordnet, wie in der folgenden Abbildung gezeigt. Wenn der Druck auf diese bestimmte Platte ausgeübt wird, biegt sie sich in eine Richtung, die die Änderung der Gesamtlänge und der Querschnittsfläche des Drahtes verursacht. Dies führt zu einer Änderung des Widerstands des Drahtes. Der so erhaltene Widerstand ist sehr klein (wenige Ohm) und kann mit Hilfe der Wheatstone-Brücke bestimmt werden. Der Dehnungsmessstreifen befindet sich in einem der vier Arme einer Brücke, wobei die verbleibenden Werte unverändert bleiben. Deshalb,Wenn der Druck auf ihn ausgeübt wird, während sich der Widerstand ändert, ändert sich der durch die Brücke fließende Strom und der Druck kann berechnet werden.
Dehnungsmessstreifen werden hauptsächlich verwendet, um den Druck zu berechnen, dem ein Flugzeugflügel standhalten kann, und sie werden auch verwendet, um die Anzahl der Fahrzeuge zu messen, die auf einer bestimmten Straße usw. zulässig sind.
Wägezelle (Gewichtssensor):
Wägezellen ähneln Dehnungsmessstreifen, die die physikalische Größe wie die Kraft messen und die Ausgabe in Form von elektrischen Signalen liefern. Wenn eine gewisse Spannung auf die Wägezelle ausgeübt wird, ändert sich ihre Struktur, was zu einer Änderung des Widerstands führt, und schließlich kann ihr Wert unter Verwendung einer Wheatstone-Brücke kalibriert werden. Hier ist das Projekt zum Messen des Gewichts mit einer Wägezelle.
Potentiometer:
Ein Potentiometer wird verwendet, um die Position zu erfassen . Es hat im Allgemeinen verschiedene Widerstandsbereiche, die an verschiedene Pole des Schalters angeschlossen sind. Ein Potentiometer kann entweder rotierend oder linear sein. Beim Rotationstyp ist ein Scheibenwischer mit einer langen Welle verbunden, die gedreht werden kann. Wenn sich die Welle gedreht hat, ändert sich die Position des Scheibenwischers so, dass der resultierende Widerstand variiert und die Änderung der Ausgangsspannung verursacht. Somit kann der Ausgang kalibriert werden, um die Änderung seiner Position zu erfassen.
Encoder:
Um die Änderung der Position zu erfassen, kann auch ein Encoder verwendet werden. Es hat eine kreisförmige drehbare scheibenartige Struktur mit spezifischen Öffnungen dazwischen, so dass beim Durchgang der IR- oder Lichtstrahlen nur wenige Lichtstrahlen erfasst werden. Ferner werden diese Strahlen in digitale Daten (in Form von Binärdaten) codiert, die die spezifische Position darstellen.
Hallsensor:
Der Name selbst besagt, dass es der Sensor ist, der am Hall-Effekt arbeitet. Es kann definiert werden, dass, wenn ein Magnetfeld nahe an den stromführenden Leiter gebracht wird (senkrecht zur Richtung des elektrischen Feldes), eine Potentialdifferenz über den gegebenen Leiter entwickelt wird. Unter Verwendung dieser Eigenschaft wird ein Hallsensor verwendet, um das Magnetfeld zu erfassen und eine Ausgabe in Bezug auf die Spannung abzugeben. Es ist darauf zu achten, dass der Hallsensor nur einen Pol des Magneten erfassen kann.
Der Hallsensor wird in wenigen Smartphones verwendet, die beim Ausschalten des Bildschirms hilfreich sind, wenn die Klappenabdeckung (in der sich ein Magnet befindet) auf dem Bildschirm geschlossen ist. Hier ist eine praktische Anwendung des Hall-Effekt-Sensors im Türalarm.
Flex Sensor:
Ein FLEX-Sensor ist ein Wandler, der seinen Widerstand ändert, wenn sich seine Form ändert oder wenn er gebogen wird . Ein FLEX-Sensor ist 2,2 Zoll lang oder von Fingerlänge. Es ist in der Abbildung dargestellt. Einfach ausgedrückt erhöht sich der Widerstand der Sensorklemmen, wenn sie verbogen sind. Diese Änderung des Widerstands kann nichts nützen, wenn wir sie nicht lesen können. Die vorliegende Steuerung kann nur die Spannungsänderungen lesen und nicht weniger, dafür verwenden wir eine Spannungsteilerschaltung, mit der wir die Widerstandsänderung als Spannungsänderung ableiten können. Erfahren Sie hier, wie Sie den Flex-Sensor verwenden.
Mikrofon (Schallsensor):
Das Mikrofon ist auf allen Smartphones oder Handys zu sehen. Es kann das Audiosignal erkennen und in elektrische Kleinspannungssignale (mV) umwandeln. Ein Mikrofon kann von vielen Arten sein, wie Kondensatormikrofon, Kristallmikrofon, Kohlenstoffmikrofon usw. Jede Art von Mikrofon wirkt sich auf die Eigenschaften wie Kapazität, piezoelektrischer Effekt bzw. Widerstand aus. Lassen Sie uns die Funktionsweise eines Kristallmikrofons sehen, das auf den piezoelektrischen Effekt wirkt. Es wird ein bimorpher Kristall verwendet, der unter Druck oder Vibrationen eine proportionale Wechselspannung erzeugt. Eine Membran ist über einen Antriebsstift mit dem Kristall verbunden, so dass sich das Tonsignal hin und her bewegt, wenn es auf die Membran trifft.Diese Bewegung ändert die Position des Antriebsstifts, was Vibrationen im Kristall verursacht, so dass eine Wechselspannung in Bezug auf das angelegte Schallsignal erzeugt wird. Die erhaltene Spannung wird einem Verstärker zugeführt, um die Gesamtstärke des Signals zu erhöhen. Hier sind verschiedene Schaltungen basierend auf Mikrofon.
Sie können den Mikrofonwert auch mit einem Mikrocontroller wie Arduino in Dezibel konvertieren.
Ultraschallsensor:
Ultraschall bedeutet nichts als den Bereich der Frequenzen. Die Reichweite ist größer als die hörbare Reichweite (> 20 kHz). Selbst wenn sie eingeschaltet ist, können wir diese Tonsignale nicht wahrnehmen. Nur bestimmte Lautsprecher und Empfänger können diese Ultraschallwellen erfassen. Dieser Ultraschallsensor wird verwendet, um den Abstand zwischen dem Ultraschallsender und dem Ziel zu berechnen und um auch die Geschwindigkeit des Ziels zu messen .
Mit dem Ultraschallsensor HC-SR04 kann der Abstand im Bereich von 2 cm bis 400 cm mit einer Genauigkeit von 3 mm gemessen werden. Mal sehen, wie dieses Modul funktioniert. Das HCSR04-Modul erzeugt eine Schallschwingung im Ultraschallbereich, wenn wir den Trigger-Pin für etwa 10 us hoch stellen, wodurch ein Schallstoß von 8 Zyklen mit Schallgeschwindigkeit gesendet wird und nach dem Auftreffen auf das Objekt vom Echo-Pin empfangen wird. Abhängig von der Zeit, die die Schallvibration benötigt, um zurück zu kommen, liefert sie die entsprechende Impulsausgabe. Wir können die Entfernung des Objekts basierend auf der Zeit berechnen, die die Ultraschallwelle benötigt, um zum Sensor zurückzukehren. Erfahren Sie hier mehr über Ultraschallsensoren.
Es gibt viele Anwendungen mit dem Ultraschallsensor. Wir können damit Hindernisse für automatisierte Autos, fahrende Roboter usw. vermeiden. Das gleiche Prinzip wird im RADAR zur Erkennung der Eindringlingsraketen und Flugzeuge verwendet. Eine Mücke kann die Ultraschallgeräusche wahrnehmen. So können Ultraschallwellen als Mückenschutzmittel eingesetzt werden.
Berührungssensor:
In dieser Generation können wir sagen, dass fast alle Smartphones mit Breitbild verwenden, die auch einen Bildschirm haben, der unsere Berührung wahrnimmt. Lassen Sie uns sehen, wie dieser Touchscreen funktioniert. Grundsätzlich gibt es zwei Arten von berührungsempfindlichen Berührungssensoren und kapazitiven Touchscreens . Lassen Sie uns kurz wissen, wie diese Sensoren funktionieren.
Der resistive Touchscreen hat eine resistive Folie an der Basis und eine leitende Folie unter dem Bildschirm. Beide sind durch einen Luftspalt getrennt, an den eine kleine Spannung angelegt wird. Wenn wir den Bildschirm drücken oder berühren, berührt das leitende Blatt an diesem Punkt das Widerstandsblatt und verursacht an diesem bestimmten Punkt einen Stromfluss. Die Software erkennt den Ort und führt die entsprechende Aktion aus.
Während kapazitive Berührung auf die elektrostatische Ladung wirkt, die auf unserem Körper verfügbar ist. Der Bildschirm ist bereits mit dem gesamten elektrischen Feld aufgeladen. Wenn wir den Bildschirm berühren, bildet sich aufgrund der elektrostatischen Aufladung, die durch unseren Körper fließt, ein enger Stromkreis. Ferner entscheidet die Software über den Ort und die auszuführende Aktion. Wir können beobachten, dass der kapazitive Touchscreen beim Tragen von Handschuhen nicht funktioniert, da keine Verbindung zwischen den Fingern und dem Bildschirm besteht.
PIR-Sensor:
PIR-Sensor steht für Passive Infrarot-Sensor. Diese werden verwendet, um die Bewegung von Menschen, Tieren oder Dingen zu erfassen . Wir wissen, dass Infrarotstrahlen eine Reflexionseigenschaft haben. Wenn ein Infrarotstrahl auf ein Objekt trifft, bestimmt sich abhängig von der Temperatur des Ziels die Infrarotstrahleneigenschaft. Dieses empfangene Signal bestimmt die Bewegung der Objekte oder der Lebewesen. Selbst wenn sich die Form des Objekts ändert, können die Eigenschaften der reflektierten Infrarotstrahlen die Objekte genau unterscheiden. Hier ist der komplette Arbeits- oder PIR-Sensor.
Beschleunigungsmesser (Neigungssensor):
Ein Beschleunigungssensor kann die Neigung oder Bewegung in eine bestimmte Richtung erfassen . Es basiert auf der Beschleunigungskraft, die durch die Schwerkraft der Erde verursacht wird. Die winzigen inneren Teile sind so empfindlich, dass diese auf eine kleine äußere Positionsänderung reagieren. Es hat einen piezoelektrischen Kristall, wenn es gekippt wird, was eine Störung im Kristall verursacht und ein Potential erzeugt, das die genaue Position in Bezug auf die X-, Y- und Z-Achse bestimmt.
Diese treten häufig bei Mobiltelefonen und Laptops auf, um einen Bruch der Prozessorkabel zu vermeiden. Wenn das Gerät herunterfällt, erkennt der Beschleunigungsmesser den Fallzustand und führt die entsprechenden Aktionen basierend auf der Software aus. Hier sind einige Projekte mit Beschleunigungsmesser.
Gassensor:
In industriellen Anwendungen spielen Gassensoren eine wichtige Rolle bei der Erkennung der Gasleckage. Wenn in solchen Bereichen kein solches Gerät installiert ist, führt dies letztendlich zu einer unglaublichen Katastrophe. Diese Gassensoren werden basierend auf der Art des zu erfassenden Gases in verschiedene Typen eingeteilt. Mal sehen, wie dieser Sensor funktioniert. Unter einem Blech befindet sich ein Sensorelement, das mit den Klemmen verbunden ist, an die ein Strom angelegt wird. Wenn die Gaspartikel auf das Sensorelement treffen, führt dies zu einer chemischen Reaktion, so dass sich der Widerstand der Elemente ändert und sich auch der Strom durch sie ändert, wodurch das Gas schließlich erfasst werden kann.
Schließlich können wir daraus schließen, dass Sensoren nicht nur dazu dienen, die Messung der physikalischen Größen zu vereinfachen, die Geräte zu automatisieren, sondern auch Lebewesen bei Katastrophen zu helfen.