Co to jest czujnik? Różne typy czujników z zastosowaniami

Różne typy czujników z zastosowaniami

Wprowadzenie do czujników

Świat jest pełen czujników. W naszym codziennym życiu, we wszystkich czynnościach spotykamy się z automatyzacją. Automatyzacja obejmuje włączanie świateł i wentylatorów za pomocą telefonów komórkowych, sterowanie telewizją za pomocą aplikacji mobilnych, regulację temperatury w pomieszczeniu, czujniki dymu itp. Wszystkie te czynności wykonywane są za pomocą czujników. W dzisiejszych czasach każdy produkt oparty na systemie wbudowanym ma wbudowane czujniki.

Istnieje wiele aplikacji takich jak Mobile controlled CCTV camera, weather monitoring and prediction apps, etc. Czujniki odgrywają bardzo istotną rolę w monitorowaniu i wykrywaniu zagrożeń w służbie zdrowia. Dlatego też, przed zbudowaniem aplikacji wykorzystującej czujnik, musimy zrozumieć co dokładnie robi czujnik i ile typów czujników jest dostępnych.

Co to jest czujnik?

Czujnik jest definiowany jako urządzenie lub moduł, który pomaga wykryć jakiekolwiek zmiany w wielkości fizycznej jak ciśnienie, siła lub wielkości elektrycznej jak prąd lub jakakolwiek inna forma energii. Po zaobserwowaniu zmian, czujnik wysyła wykryte dane wejściowe do mikrokontrolera lub mikroprocesora.

Na koniec, czujnik wytwarza czytelny sygnał wyjściowy, który może być optyczny, elektryczny lub w dowolnej formie sygnału, który odpowiada zmianie w sygnale wejściowym. W każdym systemie pomiarowym czujniki odgrywają istotną rolę. W rzeczywistości, czujniki są pierwszym elementem w schemacie blokowym systemu pomiarowego, który wchodzi w bezpośredni kontakt ze zmiennymi, aby wytworzyć prawidłowy sygnał wyjściowy. Teraz wiesz, co właściwie oznacza czujnik? Poznajmy kilka jego typów i ich zastosowań, jak poniżej.

Klasyfikacja czujników

1. Czujniki aktywne i pasywne
2. Czujniki analogowe i cyfrowe

Czujniki aktywne:

Czujniki aktywne to typ czujników, które wytwarzają sygnał wyjściowy z pomocą zewnętrznego zasilania wzbudzającego. Własne właściwości fizyczne czujnika zmieniają się w zależności od zastosowanego efektu zewnętrznego. Z tego powodu nazywane są również czujnikami samogenerującymi (Self Generating Sensors).

Przykłady: LVDT i tensometr.

Czujniki pasywne:

Czujniki pasywne są typem czujników, które wytwarzają sygnał wyjściowy bez pomocy zewnętrznego zasilania wzbudzającego. Nie potrzebują one żadnego dodatkowego bodźca lub napięcia.

Przykład: Termopara, która generuje wartość napięcia odpowiadającą przyłożonemu ciepłu. It does not require any external power supply.

Analog and Digital Sensors

Different types of digital and analog sensors are listed below one by one with their applications.

Different Types of Sensors

There are different types of sensors used to measure the physical properties like heartbeat & pules, Speed, Heat transfer, temperature etc. Types of sensors are listed below and we will discuses the usual types one by one in details with uses and applications.

• Infrared Sensor(IR Sensor)
• Temperature & Thermocouple Sensors
• Proximity Sensor
• Ultrasonic sensor
• Accelerometers & Gyroscope Sensor
• Pressure Sensor
• Hall Effect Sensor
• Load cell
• Light Sensor
• Color Sensor
• Touch Sensor
• Tilt Sensor
• PIR Motion Detector & Vibration Sensor
• Metal detector, Water Flow & Heartbeat Sensor
• Flow and Level Sensor
• Smoke, Fog, Gas, Ethanol & Alcohol Sensor
• Humidity, Soil Moisture & Rain Sensor

Click image to enlarge

Analog Sensors

The sensor that produces continuous signal with respect to time with analog output is called as Analog sensors. The analog output generated is proportional to the measured or the input given to the system. Generally, analog voltage in the range of 0 to 5 V or current is produced as the output. The various physical parameters like temperature, stress, pressure, displacement, etc. are examples for continuous signals.

Examples: accelerometers, speed sensors, pressure sensors, light sensors, temperature sensors.

• Related Post: Capacitive Sensor and Tranducer and Its Applications

IR Sensor (Infrared Sensor)

Gdy spojrzymy na spektrum elektromagnetyczne, podczerwień jest podzielona na trzy regiony jako bliska podczerwień, średnia podczerwień i daleka podczerwień. Widmo podczerwieni ma wyższy zakres częstotliwości niż mikrofale i mniejszą częstotliwość niż światło widzialne. Czujnik podczerwieni jest używany do emitowania i wykrywania promieniowania podczerwonego. Dzięki tej zasadzie, czujnik podczerwieni może być używany jako detektor przeszkód. Istnieją dwa rodzaje czujników IR: aktywne i pasywne.

Pasywny czujnik IR: Kiedy czujnik nie używa żadnego źródła IR do wykrywania energii emitowanej z przeszkód, działa jako pasywny czujnik IR. Przykłady takie jak termopara, detektor piroelektryczny i bolometry należą do pasywnych czujników.

Aktywny czujnik podczerwieni: Gdy istnieją dwa elementy, które działają jako źródło IR i detektor IR, nazywa się to czujnikiem aktywnym. Dioda LED lub dioda laserowa działa jako źródło podczerwieni. Fotodioda lub fototranzystory działają jako detektor IR.

Related Post: PIR – Infrared Motion Detector Circuit Diagram, Working & Zastosowania

Temperatura & Czujniki termoparowe

Jak omówiono czujnik analogowy wytwarza sygnały, które są stale zmienne w czasie. Wartość wyjściowa z czujnika będzie bardzo mała w zakresie mikrowoltów lub miliwoltów. Ze względu na to, obwody kondycjonowania sygnału są wymagane do wzmocnienia. Przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC) są używane do konwersji otrzymanego sygnału analogowego na wartość cyfrową.

Czujnik temperatury wyczuwa temperaturę i mierzy jej zmiany. Inne typy czujników temperatury to termopary, termistory, rezystancyjne urządzenia temperaturowe (RTD) i układy scalone czujników temperatury (LM35) itp.

• Related Post: Types of Resistive Sensors – Transducer, Potentiometer & Strain Gauge

Proximity Sensor

Czujnik zbliżeniowy jest rodzajem czujnika bezkontaktowego używanego do wykrywania obiektów. Nie ma on żadnego fizycznego kontaktu z obiektem. Obiekt, którego odległość ma być zmierzona, jest znany jako cel. W czujniku zbliżeniowym stosuje się światło podczerwone lub promieniowanie elektromagnetyczne. Istnieją różne rodzaje czujników zbliżeniowych, takie jak indukcyjne, pojemnościowe, ultradźwiękowe itp. zastosowania: Wykrywanie obiektów, do pomiaru prędkości, identyfikacja obrotu, wykrywanie materiałów, Czujnik parkowania tyłem, zliczanie obiektów.

• Related Post: LVDT: Linear Variable Differential Transformer – Inductive Sensors

Czujnik ultradźwiękowy

Czujniki ultradźwiękowe są używane do pomiaru odległości lub czasu podróży przy użyciu fal ultradźwiękowych. Do emisji fali ultradźwiękowej używane jest źródło. Po uderzeniu fali w cel, fale są odbijane i detektor zbiera sygnał. Czas podróży pomiędzy falą nadaną a odbitą jest mierzony za pomocą czujnika ultradźwiękowego. Czujniki optyczne wykorzystują dwa różne elementy dla nadajnika i odbiornika. Natomiast czujnik ultradźwiękowy używa pojedynczego elementu do nadawania i odbioru.

Akcelerometry & Czujnik żyroskopowy

Akcelerometr jest rodzajem czujnika, który jest używany do wykrywania zmian położenia, prędkości i wibracji poprzez wykrywanie ruchu. Może być typu analogowego lub cyfrowego. W akcelerometrze analogowym, w zależności od wielkości przyspieszenia przyłożonego do akcelerometru, wytwarzany jest ciągły analogowy sygnał napięciowy.

Czujnik żyroskopowy służy do wykrywania i określania orientacji za pomocą grawitacji ziemskiej, tj. mierzy prędkość kątową. Główna różnica między akcelerometrami & Czujniki żyroskopowe polega na tym, że żyroskop może wykryć obrót, czego akcelerometr nie może zrobić. Innymi słowy, żyroskop mierzy każdy obrót i nie ma na niego wpływu przyspieszenie, a akcelerometr nie może odróżnić obrotu od przyspieszenia i nie jest w stanie pracować, gdy znajduje się w środku obrotu.

Czujnik ciśnienia

Czujnik ciśnienia działa w oparciu o zastosowanie napięcia wejściowego i wartości ciśnienia. Wytwarza on analogowe napięcie wyjściowe.

Czujnik efektu Halla

Czujnik, który działa na zasadzie efektu magnetycznego jest nazywany czujnikiem efektu Halla. Pole magnetyczne jest wejściem, a sygnał elektryczny jest wyjściem. Zewnętrzne pole magnetyczne jest stosowane do aktywacji czujnika efektu Halla. Wszystkie magnesy mają dwie ważne cechy, a mianowicie gęstość strumienia magnetycznego i polaryzację. Gęstość strumienia magnetycznego jest zawsze obecna wokół obiektu. Dlatego wyjście czujnika efektu Halla będzie funkcją gęstości strumienia.

Zastosowanie: Jednym z głównych zastosowań czujników magnetycznych jest zastosowanie w systemach samochodowych do wykrywania pozycji, odległości i prędkości. Na przykład, pozycja kątowa wału korbowego dla kąta zapłonu świec zapłonowych, pozycja siedzeń samochodowych i pasów bezpieczeństwa dla kontroli poduszek powietrznych lub wykrywanie prędkości kół dla systemu zapobiegającego blokowaniu się kół podczas hamowania (ABS). Czujniki Hall Effect są używane do wykrywania pozycji GPS, wykrywania prędkości, do sterowania silnikiem.

Cel obciążeniowy

Cel obciążeniowy jest używany do pomiaru wagi. Wejściem jest siła lub ciśnienie, a wyjściem wartość napięcia elektrycznego. Ogniwo obciążnikowe mierzy wagę obiektu metodą pośrednią. Istnieje kilka rodzajów ogniw obciążnikowych, a mianowicie ogniwo obciążnikowe belkowe, ogniwo obciążnikowe jednopunktowe i ogniwo obciążnikowe ściskające.

Punktowe ogniwo obciążnikowe: Używane w zastosowaniach przemysłowych, takich jak maszyny, ważenie zbiorników, sprzęt medyczny

Pojedyncze ogniwo obciążnikowe: Są one używane do aplikacji pomiarowych o niskiej wadze, takich jak zbiórka odpadów i maszyny

Centrala obciążeniowa kompresyjna: Używane do aplikacji pomiaru dużych ciężarów, takich jak urządzenia medyczne, do sterowania pompami.

Zastosowania czujników analogowych

Do wykrywania ukrytych ścieżek, nieciągłości w metalach, kompozytach, tworzywach sztucznych, ceramice i do wykrywania poziomu wody.

Czujniki cyfrowe

Gdy dane są konwertowane i przesyłane cyfrowo, nazywa się je czujnikami cyfrowymi. Czujniki cyfrowe to takie, które wytwarzają dyskretne sygnały wyjściowe. Sygnały dyskretne będą nieciągłe w czasie i mogą być reprezentowane w „bitach” do transmisji szeregowej i w „bajtach” do transmisji równoległej. Wielkość pomiarowa będzie reprezentowana w formacie cyfrowym. Wyjście cyfrowe może być w formie logicznej 1 lub logicznej 0 (ON lub OFF). Czujnik cyfrowy składa się z czujnika, kabla i przetwornika. Sygnał pomiarowy jest przekształcany w sygnał cyfrowy wewnątrz samego czujnika, bez żadnego zewnętrznego komponentu. Kabel jest używany do transmisji na duże odległości.

Czujnik światła

Cyfrowy LED lub opto-detektor używany do produkcji sygnału cyfrowego do pomiaru prędkości obracającego się wału. Do obracającego się wału przymocowana jest tarcza. Obracający się wał posiada na swoim obwodzie przezroczyste szczeliny. Kiedy wał obraca się z określoną prędkością, dysk również obraca się wraz z nim. Czujnik przechodzi przez każdą szczelinę na wale, co powoduje powstanie impulsu wyjściowego w postaci logicznej 1 lub logicznej 0. Wyjście jest wyświetlane na LCD po przejściu przez licznik/rejestr.

Akcelerometr cyfrowy

Akcelerometr cyfrowy generuje na wyjściu falę kwadratową o zmiennej częstotliwości. Metodą wytwarzania fali kwadratowej jest modulacja szerokości impulsu (PWM). Wyjście z sygnału PWM, szerokość impulsu jest wprost proporcjonalna do wartości przyspieszenia.

Inne rodzaje czujników cyfrowych to : Cyfrowy czujnik temperatury, enkodery itp.

Zastosowania czujników cyfrowych

1. Wykrywanie wycieków w rurach gazowych i kablach za pomocą czujnika ciśnienia
2. Monitorowanie ciśnienia w oponach
3. Monitorowanie przepływu powietrza
4. Mierzenie poziomu
5. Inhalatory (urządzenie medyczne)

Zastosowania czujników w czasie rzeczywistym

Zastosowania czujników IR:

Termometry radiacyjne: Działa dzięki obecności czujnika IR. Temperatura obiektu jest mierzona za pomocą termometrów radiacyjnych

Urządzenia do obrazowania w podczerwieni: Czujniki IR są używane do obrazowania obiektów. Są one wykorzystywane w kamerach termograficznych, które są używane jako nieinwazyjna technika obrazowania.

Pilot telewizyjny na podczerwień: W dzisiejszych czasach piloty telewizyjne oparte na podczerwieni są używane w domach i kinach. Wykorzystują one światło podczerwone jako źródło komunikacji. Pilot TV składa się z przycisków i PCB. PCB składa się z obwodu elektrycznego, który jest używany do wyczucia lub wykrycia przycisku, który jest wciśnięty. Gdy przycisk jest wciśnięty, sygnał jest przekazywany w formie lub alfabet Morse’a. Tranzystory są używane do wzmocnienia sygnału. W końcu dociera on do diody IR LED. Końcówka płytki drukowanej będzie podłączona do diody IR LED. Czujnik jest umieszczony na końcu odbiornika TV. Dioda IR LED emituje światło IR, a czujnik je wykrywa.

Wewnątrz samochodu – zastosowania czujnika skrętu: W pojeździe czujniki skrętu są bardzo istotne. Mierzą one kąt obrotu koła kierownicy i pomagają w nawigacji. Te czujniki odgrywają rolę dla Electronic Command Steering i Electric Power Steering.

Wewnątrz Smart Phone- Aplikacje czujników: W obecnym świecie, każda osoba posiada smartfona. Technologia mobilna jest zbudowana z wielu czujników i technologii automatyzacji. Różne rodzaje czujników, takie jak odcisk palca, magnetometr, żyroskop, akcelerometr, barometr, termometr, czujnik zbliżeniowy, czujnik tętna, czujniki światła i wiele innych.

You may also read:

• Automatic Plant Watering & Irrigation System – Circuit, Code & Project Report
• Automated Fingerprint Identification System and How it Works?
• Internet of Things (IOT) and Its Applications in Electrical Power Industry
• What is Piezoelectric Sensor – Construction, Working & Applications