Czujniki to złożone urządzenia często używane do wykrywania i reagowania na sygnały elektryczne lub optyczne. Urządzenie konwertuje parametr fizyczny (temperaturę, ciśnienie krwi, wilgotność, prędkość) na sygnał, który może być mierzony przez urządzenie.
Klasyfikacja czujników w tym przypadku może być inna. Istnieje kilka podstawowych parametrów rozmieszczenia urządzeń pomiarowych, które zostaną omówione dalej. Zasadniczo to oddzielenie wynika z działania różnych sił.
Łatwo to wyjaśnić na przykładzie pomiaru temperatury. Rtęć w szklanym termometrze rozpręża się i ściska ciecz, przekształcając zmierzoną temperaturę, którą obserwator może odczytać ze skalibrowanej szklanej rurki.
Kryteria wyboru
Podczas klasyfikacji czujnika należy wziąć pod uwagę pewne cechy. Są one wymienione poniżej:
- Dokładność.
- Warunki środowiskowe - zwykle czujniki mają ograniczenia temperatury i wilgotności.
- Zakres - limitpomiary czujnika.
- Kalibracja - wymagana dla większości przyrządów pomiarowych, ponieważ odczyty zmieniają się w czasie.
- Koszt.
- Powtarzalność - Zmienne odczyty są mierzone wielokrotnie w tym samym środowisku.
Podział według kategorii
Klasyfikacje czujników są podzielone na następujące kategorie:
- Liczba parametrów wejścia podstawowego.
- Zasady transdukcji (z wykorzystaniem efektów fizycznych i chemicznych).
- Materiał i technologia.
- Miejsce docelowe.
Zasada transdukcji jest podstawowym kryterium skutecznego gromadzenia informacji. Zazwyczaj kryteria logistyczne są wybierane przez zespół programistów.
Klasyfikacja czujników na podstawie właściwości jest podzielona w następujący sposób:
- Temperatura: termistory, termopary, termometry oporowe, mikroukłady.
- Ciśnienie: światłowodowe, próżniowe, elastyczne płynomierze, LVDT, elektroniczne.
- Przepływ: elektromagnetyczny, różnica ciśnień, przemieszczenie pozycyjne, masa termiczna.
- Czujniki poziomu: różnica ciśnień, ultradźwiękowa częstotliwość radiowa, radar, przemieszczenie termiczne.
- Bliskość i przemieszczenie: LVDT, fotowoltaiczne, pojemnościowe, magnetyczne, ultradźwiękowe.
- Biosensory: zwierciadło rezonansowe, elektrochemiczny, powierzchniowy rezonans plazmonowy, adresowalny światłem potencjometryczny.
- Obraz: CCD, CMOS.
- Gaz i chemia: półprzewodniki, podczerwień, przewodzenie, elektrochemiczne.
- Przyspieszenie: żyroskopy, akcelerometry.
- Inne: czujnik wilgotności, czujnik prędkości, masa, czujnik pochylenia, siła, lepkość.
To jest duża grupa podrozdziałów. Warto zauważyć, że wraz z odkrywaniem nowych technologii sekcje są stale uzupełniane.
Przypisanie klasyfikacji czujnika w oparciu o kierunek użytkowania:
- Kontrola, pomiary i automatyzacja procesu produkcyjnego.
- Zastosowanie nieprzemysłowe: lotnictwo, urządzenia medyczne, samochody, elektronika użytkowa.
Czujniki można sklasyfikować zgodnie z wymaganiami dotyczącymi zasilania:
- Aktywny czujnik - urządzenia wymagające zasilania. Na przykład LiDAR (detekcja światła i dalmierz), fotokomórka.
- Czujnik pasywny - czujniki niewymagające zasilania. Na przykład radiometry, fotografia filmowa.
Te dwie sekcje obejmują wszystkie urządzenia znane nauce.
W bieżących zastosowaniach przypisanie klasyfikacji czujnika można pogrupować w następujący sposób:
- Akcelerometry - oparte na technologii czujników mikroelektromechanicznych. Służą do monitorowania pacjentów, którzy włączają rozruszniki serca. i dynamika pojazdu.
- Biosensory - oparte na technologii elektrochemicznej. Służy do testowania żywności, urządzeń medycznych, wody i wykrywania niebezpiecznych patogenów biologicznych.
- Czujniki obrazu - oparte na technologii CMOS. Znajdują zastosowanie w elektronice użytkowej, biometrii, monitorowaniu ruchuruch i bezpieczeństwo, a także obrazy komputerowe.
- Czujki ruchu - oparte na technologii podczerwieni, ultradźwiękowej i mikrofalowej/radarowej. Używany w grach wideo i symulacjach, aktywacji światła i wykrywaniu zabezpieczeń.
Typy czujników
Istnieje również główna grupa. Jest podzielony na sześć głównych obszarów:
- Temperatura.
- Podczerwień.
- Ultrafiolet.
- Czujnik.
- Podejście, ruch.
- Ultradźwięki.
Każda grupa może zawierać podsekcje, jeśli technologia jest nawet częściowo wykorzystywana jako część konkretnego urządzenia.
1. Czujniki temperatury
To jest jedna z głównych grup. Klasyfikacja czujników temperatury łączy wszystkie urządzenia, które mają zdolność oceny parametrów w oparciu o ogrzewanie lub chłodzenie określonego rodzaju substancji lub materiału.
To urządzenie zbiera informacje o temperaturze ze źródła i przekształca je w formę zrozumiałą dla innych urządzeń lub osób. Najlepszą ilustracją czujnika temperatury jest rtęć w szklanym termometrze. Rtęć w szkle rozszerza się i kurczy wraz ze zmianami temperatury. Temperatura zewnętrzna jest elementem wyjściowym do pomiaru wskaźnika. Pozycja rtęci jest obserwowana przez widza w celu zmierzenia parametru. Istnieją dwa główne typy czujników temperatury:
- Czujniki kontaktowe. Tego typu urządzenie wymaga bezpośredniego kontaktu fizycznego z obiektem lub nośnikiem. Oni mają kontrolętemperatura ciał stałych, cieczy i gazów w szerokim zakresie temperatur.
- Czujniki zbliżeniowe. Ten typ czujnika nie wymaga fizycznego kontaktu z mierzonym obiektem lub medium. Kontrolują nieodblaskowe ciała stałe i ciecze, ale są bezużyteczne w przypadku gazów ze względu na ich naturalną przezroczystość. Przyrządy te wykorzystują prawo Plancka do pomiaru temperatury. To prawo dotyczy ciepła emitowanego przez źródło do pomiaru wskaźnika.
Praca z różnymi urządzeniami
Zasada działania i klasyfikacja czujników temperatury podzielona jest na zastosowanie technologii w innych typach urządzeń. Mogą to być deski rozdzielcze w samochodzie i specjalne jednostki produkcyjne w warsztacie przemysłowym.
- Termopara - moduły składają się z dwóch przewodów (każdy - z różnych stopów jednorodnych lub metali), które poprzez połączenie na jednym końcu tworzą przejście pomiarowe. Ta jednostka pomiarowa jest otwarta na badane elementy. Drugi koniec drutu kończy się przyrządem pomiarowym, w którym tworzy się złącze odniesienia. Prąd przepływa przez obwód, ponieważ temperatury obu złączy są różne. Uzyskane napięcie w miliwoltach jest mierzone w celu określenia temperatury na złączu.
- Rezystancyjne czujniki temperatury (RTD) to rodzaje termistorów, które służą do pomiaru rezystancji elektrycznej przy zmianach temperatury. Są droższe niż jakiekolwiek inne urządzenia do wykrywania temperatury.
- Termistory. Są to kolejny rodzaj rezystora termicznego, w którym dużyzmiana rezystancji jest proporcjonalna do niewielkiej zmiany temperatury.
2. Czujnik podczerwieni
To urządzenie emituje lub wykrywa promieniowanie podczerwone w celu wykrycia określonej fazy otoczenia. Z reguły promieniowanie cieplne emitowane jest przez wszystkie obiekty w widmie podczerwieni. Ten czujnik wykrywa rodzaj źródła, które nie jest widoczne dla ludzkiego oka.
Podstawową ideą jest wykorzystanie diod podczerwieni do przesyłania fal świetlnych do obiektu. Do wykrywania fali odbitej od obiektu należy użyć innej diody IR tego samego typu.
Zasada działania
Klasyfikacja czujników w systemie automatyki w tym kierunku jest powszechna. Wynika to z faktu, że technologia umożliwia wykorzystanie dodatkowych narzędzi do oceny parametrów zewnętrznych. Gdy odbiornik podczerwieni jest wystawiony na działanie światła podczerwonego, na przewodach powstaje różnica napięcia. Właściwości elektryczne komponentów czujnika podczerwieni można wykorzystać do pomiaru odległości od obiektu. Gdy odbiornik podczerwieni jest wystawiony na działanie światła, na przewodach pojawia się różnica potencjałów.
W stosownych przypadkach:
- Termografia: Zgodnie z prawem promieniowania obiektów, przy użyciu tej technologii można obserwować otoczenie w świetle widzialnym lub bez niego.
- Ogrzewanie: Podczerwień może być używana do gotowania i podgrzewania żywności. Mogą usuwać lód ze skrzydeł samolotu. Przetwornice są popularne w przemyśledziedzin takich jak drukowanie, formowanie tworzyw sztucznych i spawanie polimerów.
- Spektroskopia: Ta technika służy do identyfikacji cząsteczek poprzez analizę wiązań składowych. Technologia wykorzystuje promieniowanie świetlne do badania związków organicznych.
- Meteorologia: pomiar wysokości chmur, obliczenie temperatury ziemi i powierzchni jest możliwe, jeśli satelity meteorologiczne są wyposażone w radiometry skanujące.
- Fotobiomodulacja: stosowana w chemioterapii u pacjentów z rakiem. Dodatkowo technologia jest wykorzystywana do leczenia wirusa opryszczki.
- Klimatologia: monitorowanie wymiany energii między atmosferą a ziemią.
- Komunikacja: Laser na podczerwień dostarcza światło do komunikacji światłowodowej. Emisje te są również wykorzystywane do komunikacji na niewielką odległość między urządzeniami mobilnymi i komputerowymi.
3. Czujnik UV
Te czujniki mierzą intensywność lub moc padającego promieniowania ultrafioletowego. Forma promieniowania elektromagnetycznego ma dłuższą długość fali niż promieniowanie rentgenowskie, ale nadal jest krótsza niż promieniowanie widzialne.
Aktywny materiał znany jako polikrystaliczny diament jest używany do niezawodnego pomiaru ultrafioletu. Przyrządy mogą wykrywać różne wpływy na środowisko.
Kryteria wyboru urządzenia:
- Zakresy długości fal w nanometrach (nm), które mogą być wykryte przez czujniki ultrafioletowe.
- Temperatura robocza.
- Dokładność.
- Waga.
- Zakresmoc.
Zasada działania
Czujnik ultrafioletowy odbiera jeden rodzaj sygnału energetycznego i przesyła inny rodzaj sygnału. Aby obserwować i rejestrować te strumienie wyjściowe, są one przesyłane do licznika elektrycznego. W celu tworzenia wykresów i raportów odczyty są przesyłane do przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC), a następnie do komputera z oprogramowaniem.
Stosowany w następujących urządzeniach:
- Fototuby UV to czujniki wrażliwe na promieniowanie, które monitorują uzdatnianie powietrza UV, uzdatnianie wody UV i nasłonecznienie.
- Czujniki światła - mierzą intensywność wiązki padającej.
- Czujniki widma UV to urządzenia o sprzężeniu ładunkowym (CCD) używane w obrazowaniu laboratoryjnym.
- Detektory światła UV.
- Detektory bakteriobójcze UV.
- Czujniki fotostabilności.
4. Czujnik dotykowy
To kolejna duża grupa urządzeń. Klasyfikacja czujników ciśnienia służy do oceny parametrów zewnętrznych odpowiedzialnych za pojawienie się dodatkowych charakterystyk pod działaniem określonego przedmiotu lub substancji.
Czujnik dotykowy działa jak rezystor zmienny w zależności od miejsca podłączenia.
Czujnik dotykowy składa się z:
- Całkowicie przewodzący materiał, taki jak miedź.
- Izolowany materiał pośredni, taki jak pianka lub plastik.
- Materiał częściowo przewodzący.
Jednocześnie nie ma ścisłej separacji. Klasyfikacja czujników ciśnienia jest ustalana poprzez wybór konkretnego czujnika, który ocenia pojawiające się napięcie wewnątrz lub na zewnątrz badanego obiektu.
Zasada działania
Częściowo przewodzący materiał przeciwstawia się przepływowi prądu. Zasada działania enkodera liniowego polega na tym, że przepływ prądu jest uważany za bardziej przeciwny, gdy długość materiału, przez który ma przepływać, jest większa. W rezultacie rezystancja materiału zmienia się poprzez zmianę pozycji, w której styka się on z obiektem w pełni przewodzącym.
Klasyfikacja czujników automatyki opiera się całkowicie na opisanej zasadzie. Tutaj zaangażowane są dodatkowe zasoby w postaci specjalnie opracowanego oprogramowania. Zazwyczaj oprogramowanie jest powiązane z czujnikami dotykowymi. Urządzenia mogą zapamiętać „ostatni dotyk”, gdy czujnik jest wyłączony. Mogą zarejestrować „pierwszy dotyk”, gdy tylko czujnik zostanie aktywowany i zrozumieć wszystkie związane z nim znaczenia. Ta czynność jest podobna do przesuwania myszy komputerowej na drugi koniec podkładki pod mysz, aby przesunąć kursor na drugą stronę ekranu.
5. Czujnik zbliżeniowy
Coraz częściej nowoczesne pojazdy wykorzystują tę technologię. Klasyfikacja czujników elektrycznych za pomocą modułów świetlnych i czujników zyskuje popularność wśród producentów samochodów.
Czujnik zbliżeniowy wykrywa obecność obiektów, których prawie nie mapunkty kontaktowe. Ponieważ nie ma kontaktu między modułami a postrzeganym obiektem i żadnych części mechanicznych, urządzenia te mają długą żywotność i wysoką niezawodność.
Różne typy czujników zbliżeniowych:
- Indukcyjne czujniki zbliżeniowe.
- Pojemnościowe czujniki zbliżeniowe.
- Ultradźwiękowe czujniki zbliżeniowe.
- Czujniki fotoelektryczne.
- Czujniki Halla.
Zasada działania
Czujnik zbliżeniowy emituje pole elektromagnetyczne lub elektrostatyczne lub wiązkę promieniowania elektromagnetycznego (takiego jak podczerwień) i czeka na sygnał odpowiedzi lub zmiany w polu. Wykrywany obiekt jest znany jako cel modułu rejestracji.
Klasyfikacja czujników zgodnie z zasadą działania i przeznaczeniem będzie następująca:
- Urządzenia indukcyjne: na wejściu znajduje się oscylator, który zmienia rezystancję strat w pobliżu medium przewodzącego prąd elektryczny. Urządzenia te są preferowane w przypadku przedmiotów metalowych.
- Pojemnościowe czujniki zbliżeniowe: Konwertują zmianę pojemności elektrostatycznej między elektrodami detekcyjnymi a uziemieniem. Dzieje się tak podczas zbliżania się do pobliskiego obiektu ze zmianą częstotliwości drgań. Aby wykryć pobliski obiekt, częstotliwość oscylacji jest przekształcana na napięcie stałe, które jest porównywane z określonym progiem. Te uchwyty są preferowane do plastikowych przedmiotów.
Klasyfikacja sprzętu pomiarowego i czujników nie ogranicza się do powyższego opisu i parametrów. Wraz z nadejściemnowych typów przyrządów pomiarowych, całkowita grupa się powiększa. Zatwierdzono różne definicje w celu rozróżnienia czujników i przetworników. Czujniki można zdefiniować jako element, który wyczuwa energię w celu wytworzenia wariantu w tej samej lub innej postaci energii. Czujnik przekształca zmierzoną wartość na żądany sygnał wyjściowy, stosując zasadę konwersji.
Na podstawie otrzymanych i wytworzonych sygnałów, zasadę można podzielić na następujące grupy: elektryczne, mechaniczne, termiczne, chemiczne, promieniste i magnetyczne.
6. Czujniki ultradźwiękowe
Czujnik ultradźwiękowy służy do wykrywania obecności obiektu. Osiąga się to poprzez emitowanie fal ultradźwiękowych z głowicy urządzenia, a następnie odbieranie odbitego sygnału ultradźwiękowego od odpowiedniego obiektu. Pomaga to w wykrywaniu pozycji, obecności i ruchu obiektów.
Ponieważ czujniki ultradźwiękowe do wykrywania wykorzystują dźwięk, a nie światło, są one szeroko stosowane w pomiarach poziomu wody, procedurach skanowania medycznego oraz w przemyśle motoryzacyjnym. Fale ultradźwiękowe mogą wykrywać niewidzialne obiekty, takie jak folie, butelki szklane, butelki plastikowe i tafla szkła za pomocą czujników odblaskowych.
Zasada działania
Klasyfikacja czujników indukcyjnych oparta jest na zakresie ich zastosowania. Tutaj ważne jest, aby wziąć pod uwagę fizyczne i chemiczne właściwości obiektów. Ruch fal ultradźwiękowych różni się w zależności od kształtu i rodzaju medium. Na przykład fale ultradźwiękowe przechodzą prosto przez jednorodny ośrodek i są odbijane i przesyłane z powrotem do granicy między różnymi ośrodkami. Ciało ludzkie w powietrzu powoduje znaczne odbicie i może być łatwo wykryte.
Technologia wykorzystuje następujące zasady:
- Multiodbicie. Wielokrotne odbicie występuje, gdy fale są odbijane więcej niż raz między czujnikiem a celem.
- Strefa graniczna. Można regulować minimalną odległość wykrywania i maksymalną odległość wykrywania. Nazywa się to strefą graniczną.
- Strefa wykrywania. Jest to odstęp między powierzchnią głowicy czujnika a minimalną odległością wykrywania uzyskaną przez dostosowanie odległości skanowania.
Urządzenia wyposażone w tę technologię mogą skanować różne typy obiektów. Źródła ultradźwiękowe są aktywnie wykorzystywane w tworzeniu pojazdów.
