Các loại cảm biến khác nhau và hoạt động của chúng

Kỷ nguyên tự động hóa đã bắt đầu. Hầu hết những thứ mà chúng ta sử dụng bây giờ có thể được tự động hóa. Để thiết kế các thiết bị tự động, trước tiên chúng ta cần biết về các cảm biến, đây là các mô-đun / thiết bị hữu ích trong việc thực hiện mọi việc mà không cần sự can thiệp của con người. Ngay cả điện thoại di động hoặc điện thoại thông minh mà chúng ta sử dụng hàng ngày sẽ có một số cảm biến như cảm biến hội trường, cảm biến tiệm cận, gia tốc kế, màn hình cảm ứng, micrô, v.v. Các cảm biến này hoạt động như mắt, tai, mũi của bất kỳ thiết bị điện nào cảm nhận các thông số ở thế giới bên ngoài và đọc các thiết bị hoặc Vi điều khiển.

Cảm biến là gì?

Cảm biến có thể được định nghĩa là một thiết bị có thể được sử dụng để cảm nhận / phát hiện các đại lượng vật lý như lực, áp suất, sức căng, ánh sáng, v.v. và sau đó chuyển đổi nó thành đầu ra mong muốn như tín hiệu điện để đo đại lượng vật lý được áp dụng . Trong một số trường hợp, chỉ một bộ cảm biến có thể không đủ để phân tích tín hiệu thu được. Trong những trường hợp đó, bộ điều chỉnh tín hiệu được sử dụng để duy trì mức điện áp đầu ra của cảm biến trong phạm vi mong muốn đối với thiết bị cuối mà chúng tôi sử dụng.

Trong bộ điều hòa tín hiệu, đầu ra của cảm biến có thể được khuếch đại, lọc hoặc sửa đổi thành điện áp đầu ra mong muốn. Ví dụ: nếu chúng ta xem xét một micrô, nó sẽ phát hiện tín hiệu âm thanh và chuyển đổi thành điện áp đầu ra (tính bằng milivôn), điều này trở nên khó điều khiển một mạch đầu ra. Vì vậy, một bộ phận điều hòa tín hiệu (một bộ khuếch đại) được sử dụng để tăng cường độ tín hiệu. Nhưng điều hòa tín hiệu có thể không cần thiết cho tất cả các cảm biến như photodiode, LDR, v.v.

Hầu hết các cảm biến không thể hoạt động độc lập. Vì vậy, phải áp dụng đủ điện áp đầu vào cho nó. Các cảm biến khác nhau có phạm vi hoạt động khác nhau nên được xem xét khi làm việc với nó nếu không cảm biến có thể bị hỏng vĩnh viễn.

Các loại cảm biến:

Hãy để chúng tôi xem các loại cảm biến khác nhau có sẵn trên thị trường và thảo luận về chức năng, hoạt động, ứng dụng của chúng , v.v. Chúng ta sẽ thảo luận về các loại cảm biến khác nhau như:

• Cảm biến ánh sáng
  • Cảm biến hồng ngoại (Bộ phát hồng ngoại / Đèn LED hồng ngoại)
  • Điốt quang (Bộ thu hồng ngoại)
  • Điện trở phụ thuộc ánh sáng
• Cảm biến nhiệt độ
  • Thermistor
  • Cặp nhiệt điện
• Cảm biến áp suất / lực / trọng lượng
  • Strain Gauge (Cảm biến áp suất)
  • Cảm biến tải trọng (Cảm biến trọng lượng)
• Bộ cảm biến vị trí
  • Chiết áp
  • Mã hoá
• Cảm biến Hall (Phát hiện Từ trường)
• Cảm biến Flex
• Cảm biến âm thanh
  • Cái mic cờ rô
• Thiết bị cảm biến sóng siêu âm
• Cảm biến chạm
• Cảm biến PIR
• Cảm biến độ nghiêng
  • Gia tốc kế
• Cảm biến khí

Chúng tôi cần chọn cảm biến mong muốn dựa trên dự án hoặc ứng dụng của chúng tôi. Như đã nói trước đó để làm cho chúng hoạt động, điện áp thích hợp nên được áp dụng dựa trên thông số kỹ thuật của chúng.

Bây giờ chúng ta hãy xem nguyên lý hoạt động của các cảm biến khác nhau và nơi nó có thể được nhìn thấy trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta hoặc ứng dụng của nó.

IR LED:

Nó còn được gọi là Máy phát hồng ngoại. Nó được sử dụng để phát ra tia hồng ngoại. Phạm vi của các tần số này lớn hơn tần số vi sóng (tức là> 300GHz đến vài trăm THz). Các tia được tạo ra bởi đèn LED hồng ngoại có thể được cảm nhận bằng Điốt quang được giải thích dưới đây. Cặp LED IR và photodiode được gọi là IR Sensor. Đây là cách hoạt động của cảm biến IR.

Diode ảnh (Cảm biến ánh sáng):

Nó là một thiết bị bán dẫn được sử dụng để phát hiện các tia sáng và chủ yếu được sử dụng như Bộ thu IR . Cấu tạo của nó tương tự như diode tiếp giáp PN bình thường nhưng nguyên lý làm việc khác với nó. Như chúng ta biết một điểm nối PN cho phép dòng rò rỉ nhỏ khi nó được phân cực ngược, đặc tính này được sử dụng để phát hiện các tia sáng. Điốt quang được cấu tạo sao cho các tia sáng sẽ rơi vào đường giao nhau PN, điều này làm cho dòng rò tăng lên dựa trên cường độ của ánh sáng mà chúng ta đã sử dụng. Vì vậy, theo cách này, một photodiode có thể được sử dụng để cảm nhận các tia sáng và duy trì dòng điện qua mạch. Kiểm tra tại đây hoạt động của Điốt quang với cảm biến IR.

Sử dụng điốt quang, chúng ta có thể chế tạo một đèn đường tự động cơ bản phát sáng khi cường độ ánh sáng mặt trời giảm. Nhưng đi-ốt quang hoạt động ngay cả khi một lượng nhỏ ánh sáng chiếu vào nó, vì vậy cần cẩn thận.

LDR (Điện trở phụ thuộc ánh sáng):

Như tên của chính nó chỉ định rằng điện trở phụ thuộc vào cường độ ánh sáng. Nó hoạt động dựa trên nguyên tắc quang dẫn, tức là sự dẫn truyền do ánh sáng. Nó thường được tạo thành từ Cadmium sulfide. Khi ánh sáng chiếu vào LDR, điện trở của nó giảm và hoạt động tương tự như một vật dẫn điện và khi không có ánh sáng nào chiếu vào nó, điện trở của nó gần như nằm trong khoảng MΩ hoặc lý tưởng là nó hoạt động như một mạch hở . Một lưu ý cần được xem xét với LDR là nó sẽ không phản hồi nếu ánh sáng không tập trung chính xác vào bề mặt của nó.

Với một mạch điện thích hợp sử dụng bóng bán dẫn, nó có thể được sử dụng để phát hiện sự sẵn có của ánh sáng. Một bóng bán dẫn phân cực phân áp với R2 (điện trở giữa đế và bộ phát) được thay thế bằng LDR có thể hoạt động như một máy dò ánh sáng. Kiểm tra ở đây các mạch khác nhau dựa trên LDR.

Thermistor (Cảm biến nhiệt độ):

Một điện trở nhiệt có thể được sử dụng để phát hiện sự thay đổi của nhiệt độ . Nó có hệ số nhiệt độ âm có nghĩa là khi nhiệt độ tăng điện trở giảm. Vì vậy, điện trở của nhiệt điện trở có thể thay đổi theo sự gia tăng nhiệt độ khiến dòng điện chạy qua nó nhiều hơn. Sự thay đổi dòng điện này có thể được sử dụng để xác định lượng thay đổi của nhiệt độ. Một ứng dụng của nhiệt điện trở là, nó được sử dụng để phát hiện sự gia tăng nhiệt độ và kiểm soát dòng điện rò rỉ trong mạch bóng bán dẫn giúp duy trì sự ổn định của nó. Đây là một ứng dụng đơn giản cho Thermistor để điều khiển quạt DC tự động.

Cặp nhiệt điện (Cảm biến nhiệt độ):

Một thành phần khác có thể phát hiện sự thay đổi của nhiệt độ là cặp nhiệt điện. Trong cấu tạo của nó, hai kim loại khác nhau được liên kết với nhau để tạo thành một đường nối. Nguyên tắc chính của nó là khi mối nối của hai kim loại khác nhau bị nung nóng hoặc tiếp xúc với nhiệt độ cao, điện thế trên các đầu cuối của chúng sẽ khác nhau. Vì vậy, điện thế thay đổi có thể được sử dụng thêm để đo lượng thay đổi của nhiệt độ.

Máy đo độ căng (Cảm biến áp suất / lực):

Một máy đo biến dạng được sử dụng để phát hiện áp suất khi có tải . Nó hoạt động trên nguyên tắc điện trở, chúng ta biết rằng điện trở tỷ lệ thuận với chiều dài của dây và tỷ lệ nghịch với diện tích mặt cắt ngang của nó (R = ρl / a). Nguyên tắc tương tự có thể được sử dụng ở đây để đo tải. Trên bảng linh hoạt, một dây được sắp xếp theo hình zig-zag như trong hình dưới đây. Vì vậy, khi áp lực được đặt lên bảng cụ thể đó, nó sẽ uốn cong theo một hướng gây ra sự thay đổi về chiều dài tổng thể và diện tích mặt cắt ngang của dây. Điều này dẫn đến sự thay đổi điện trở của dây. Do đó, điện trở thu được là rất phút (vài ohms) có thể được xác định với sự trợ giúp của cầu Wheatstone. Máy đo biến dạng được đặt vào một trong bốn nhánh của cầu với các giá trị còn lại không thay đổi. Vì thế,khi áp suất được đặt vào nó khi điện trở thay đổi, dòng điện đi qua cầu thay đổi và áp suất có thể được tính toán.

Đồng hồ đo lực căng chủ yếu được sử dụng để tính toán lượng áp suất mà cánh máy bay có thể chịu được và nó cũng được sử dụng để đo số lượng phương tiện cho phép trên một con đường cụ thể, v.v.

Cảm biến tải trọng (Cảm biến trọng lượng):

Cảm biến lực tương tự như đồng hồ đo biến dạng đo đại lượng vật lý như lực và đưa ra đầu ra dưới dạng tín hiệu điện. Khi một lực căng nào đó được tác động lên cảm biến lực, cấu trúc của nó thay đổi gây ra sự thay đổi về điện trở và cuối cùng, giá trị của nó có thể được hiệu chỉnh bằng cách sử dụng cầu Wheatstone. Đây là dự án về cách đo trọng lượng bằng Load cell.

Chiết áp:

Một chiết áp được sử dụng để phát hiện vị trí . Nó thường có nhiều dải điện trở khác nhau được kết nối với các cực khác nhau của công tắc. Chiết áp có thể là loại quay hoặc tuyến tính. Ở loại quay, cần gạt nước được kết nối với một trục dài có thể quay được. Khi trục quay, vị trí của gạt nước thay đổi sao cho điện trở thay đổi gây ra sự thay đổi điện áp đầu ra. Do đó đầu ra có thể được hiệu chỉnh để phát hiện sự thay đổi vị trí của nó.

Mã hoá:

Để phát hiện sự thay đổi về vị trí, một bộ mã hóa cũng có thể được sử dụng. Nó có cấu trúc giống như đĩa xoay tròn với các lỗ mở cụ thể ở giữa sao cho khi tia hồng ngoại hoặc tia sáng đi qua nó chỉ có một số tia sáng được phát hiện. Hơn nữa, những tia này được mã hóa thành dữ liệu số (dưới dạng nhị phân) biểu thị vị trí cụ thể.

Cảm biến Hall:

Bản thân cái tên đã nói lên rằng nó là cảm biến hoạt động trên Hiệu ứng Hall. Nó có thể được định nghĩa là khi một từ trường được đưa đến gần vật dẫn mang dòng điện (vuông góc với hướng của điện trường) thì một hiệu điện thế được hình thành trên vật dẫn đã cho. Sử dụng thuộc tính này, một cảm biến Hall được sử dụng để phát hiện từ trường và đưa ra đầu ra về điện áp. Cần chú ý rằng cảm biến Hall chỉ có thể phát hiện một cực của nam châm.

Cảm biến Hall được sử dụng trong một số điện thoại thông minh, giúp tắt màn hình khi nắp nắp (có nam châm trong đó) được đóng vào màn hình. Đây là một ứng dụng thực tế của cảm biến Hall Effect trong Báo động cửa.

Cảm biến Flex:

Cảm biến FLEX là một bộ chuyển đổi thay đổi điện trở của nó khi hình dạng của nó bị thay đổi hoặc khi nó bị uốn cong . Cảm biến FLEX dài 2,2 inch hoặc bằng ngón tay. Nó được hiển thị trong hình. Nói một cách đơn giản, điện trở của đầu nối cảm biến tăng lên khi nó bị uốn cong. Sự thay đổi về điện trở này không có tác dụng gì trừ khi chúng ta có thể đọc được chúng. Bộ điều khiển trên tay chỉ có thể đọc sự thay đổi của điện áp và không có gì hơn, đối với điều này, chúng ta sẽ sử dụng mạch phân áp, với đó chúng ta có thể suy ra sự thay đổi điện trở như sự thay đổi điện áp. Tìm hiểu tại đây về cách sử dụng Cảm biến linh hoạt.

Micrô (Cảm biến âm thanh):

Micrô có thể được nhìn thấy trên tất cả các điện thoại thông minh hoặc điện thoại di động. Nó có thể phát hiện tín hiệu âm thanh và chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện có điện áp nhỏ (mV). Micrô có thể có nhiều loại như micrô tụ điện, micrô pha lê, micrô cacbon, v.v. mỗi loại micrô hoạt động dựa trên các đặc tính như điện dung, hiệu ứng áp điện, điện trở tương ứng. Chúng ta hãy xem hoạt động của một micrô pha lê hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện. Một tinh thể lưỡng hình được sử dụng dưới áp suất hoặc rung động tạo ra điện áp xoay chiều tỷ lệ thuận. Màng chắn được kết nối với tinh thể thông qua một chốt ổ sao cho khi tín hiệu âm thanh chạm vào màng chắn, nó sẽ di chuyển tới và lui,sự chuyển động này làm thay đổi vị trí của chốt ổ đĩa, gây ra rung động trong tinh thể do đó tạo ra một điện áp xoay chiều đối với tín hiệu âm thanh được áp dụng. Điện áp thu được được đưa đến bộ khuếch đại để tăng cường độ tổng thể của tín hiệu. Đây là các mạch khác nhau dựa trên Microphone.

Bạn cũng có thể chuyển đổi giá trị Micrô trong Decibel bằng cách sử dụng một số vi điều khiển như Arduino.

Thiết bị cảm biến sóng siêu âm:

Siêu âm không có nghĩa gì ngoài phạm vi của các tần số. Phạm vi của nó lớn hơn phạm vi nghe được (> 20 kHz) nên ngay cả khi nó được bật, chúng tôi cũng không thể cảm nhận được những tín hiệu âm thanh này. Chỉ có loa và máy thu cụ thể mới có thể cảm nhận được các sóng siêu âm đó. Cảm biến siêu âm này được sử dụng để tính toán khoảng cách giữa máy phát sóng siêu âm và mục tiêu và cũng được sử dụng để đo vận tốc của mục tiêu .

Cảm biến siêu âm HC-SR04 có thể được sử dụng để đo khoảng cách trong khoảng từ 2cm-400cm với độ chính xác 3mm. Hãy xem mô-đun này hoạt động như thế nào. Mô-đun HCSR04 tạo ra rung động âm thanh trong phạm vi siêu âm khi chúng tôi đặt chân 'Trigger' cao trong khoảng 10us. Điều này sẽ tạo ra một loạt âm thanh 8 chu kỳ với tốc độ âm thanh và sau khi chạm vào vật thể, nó sẽ được nhận bởi chân Echo. Tùy thuộc vào thời gian rung động âm thanh nhận lại, nó cung cấp đầu ra xung phù hợp. Chúng ta có thể tính toán khoảng cách của vật thể dựa trên thời gian sóng siêu âm quay trở lại cảm biến. Tìm hiểu thêm về cảm biến siêu âm tại đây.

Có nhiều ứng dụng với cảm biến siêu âm. Chúng ta có thể tận dụng nó để tránh chướng ngại vật cho ô tô tự động, robot di chuyển, v.v. Nguyên tắc tương tự sẽ được sử dụng trong RADAR để phát hiện tên lửa và máy bay của kẻ xâm nhập. Một con muỗi có thể cảm nhận được âm thanh siêu âm. Vì vậy, sóng siêu âm có thể được sử dụng làm thuốc đuổi muỗi.

Cảm biến chạm:

Trong thế hệ này, chúng ta có thể nói rằng hầu hết tất cả đều đang sử dụng điện thoại thông minh có màn hình rộng mà màn hình có thể cảm nhận được cảm ứng của chúng ta. Vì vậy, hãy xem màn hình cảm ứng này hoạt động như thế nào. Về cơ bản, có hai loại màn hình cảm ứng cảm ứng điện trở và màn hình cảm ứng điện dung . Hãy tìm hiểu sơ qua về hoạt động của các cảm biến này.

Các màn hình cảm ứng điện trở có một tấm điện trở ở chân và một tấm dẫn điện dưới màn hình cả hai được ngăn cách bởi một khoảng cách không khí với một điện áp nhỏ áp dụng cho các tờ. Khi chúng ta nhấn hoặc chạm vào màn hình, tấm dẫn điện chạm vào tấm điện trở tại điểm đó gây ra dòng điện tại điểm cụ thể đó, phần mềm sẽ cảm nhận được vị trí và thực hiện hành động liên quan.

Trong khi cảm ứng điện dung hoạt động dựa trên điện tích có sẵn trên cơ thể chúng ta. Màn hình đã được tích điện bằng tất cả điện trường. Khi chúng ta chạm vào màn hình, một mạch đóng hình thành do điện tích chạy qua cơ thể chúng ta. Hơn nữa, phần mềm quyết định vị trí và hành động sẽ được thực hiện. Chúng ta có thể thấy rằng màn hình cảm ứng điện dung sẽ không hoạt động khi đeo găng tay vì sẽ không có sự dẫn truyền giữa (các) ngón tay và màn hình.

Cảm biến PIR:

Cảm biến PIR là viết tắt của Passive Infrared sensor. Chúng được sử dụng để phát hiện chuyển động của con người, động vật hoặc đồ vật. Chúng ta biết rằng tia hồng ngoại có tính chất phản xạ. Khi một tia hồng ngoại chiếu vào một vật thể, tùy thuộc vào nhiệt độ của mục tiêu mà các đặc tính của tia hồng ngoại thay đổi, tín hiệu nhận được này xác định chuyển động của các vật thể hoặc sinh vật sống. Ngay cả khi hình dạng của vật thể thay đổi, đặc tính của tia hồng ngoại phản xạ có thể phân biệt các vật thể một cách chính xác. Đây là cảm biến PIR hoạt động hoàn chỉnh hoặc.

Gia tốc kế (Cảm biến nghiêng):

Cảm biến gia tốc kế có thể cảm nhận độ nghiêng hoặc chuyển động của nó theo một hướng cụ thể . Nó hoạt động dựa trên lực gia tốc gây ra do trọng lực của trái đất. Các bộ phận nhỏ bên trong của nó rất nhạy cảm đến mức chúng sẽ phản ứng với một thay đổi nhỏ bên ngoài về vị trí. Nó có một tinh thể áp điện khi bị nghiêng gây ra nhiễu loạn trong tinh thể và tạo ra thế năng xác định vị trí chính xác đối với trục X, Y và Z.

Chúng thường thấy trong điện thoại di động và máy tính xách tay để tránh làm vỡ dây dẫn bộ vi xử lý. Khi thiết bị rơi, gia tốc kế sẽ phát hiện tình trạng rơi và thực hiện hành động tương ứng dựa trên phần mềm. Dưới đây là một số dự án sử dụng Accelerometer.

Cảm biến khí:

Trong các ứng dụng công nghiệp, cảm biến khí đóng một vai trò quan trọng trong việc phát hiện rò rỉ khí. Nếu không có thiết bị như vậy được lắp đặt ở những khu vực như vậy thì cuối cùng sẽ dẫn đến một thảm họa không thể tin được. Các cảm biến khí này được phân loại thành nhiều loại khác nhau dựa trên loại khí được phát hiện. Hãy xem cảm biến này hoạt động như thế nào. Bên dưới một tấm kim loại tồn tại một bộ phận cảm biến được kết nối với các thiết bị đầu cuối nơi có dòng điện đặt vào nó. Khi các phần tử khí va chạm vào phần tử cảm biến, nó dẫn đến một phản ứng hóa học sao cho điện trở của các phần tử thay đổi và dòng điện chạy qua nó cũng thay đổi và cuối cùng có thể phát hiện ra khí.

Vì vậy, cuối cùng, chúng ta có thể kết luận rằng các cảm biến không chỉ được sử dụng để làm cho công việc của chúng ta trở nên đơn giản để đo các đại lượng vật lý, làm cho các thiết bị tự động hóa mà còn được sử dụng để giúp đỡ chúng sinh trong thảm họa.