Czujniki
Czujniki, zwane także sensorami, stanowią bardzo ważny element konstrukcji wielu współczesnych urządzeń elektronicznych, elektrycznych i mechanicznych. Pełnią one kluczową rolę zwłaszcza w układach automatyki i systemach pomiarowych. Wykorzystując czujniki, możemy w prosty sposób uzyskać niezbędne informacje dotyczące interesujących nas parametrów. Czujniki elektroniczne działają na zasadzie przekształcania mierzonych wielkości fizycznych na sygnał elektryczny, który jest odpowiednio konwertowany, aby umożliwić jego zmierzenie przez aparaturę pomiarową. Wykorzystując czujniki, możemy dokonać pomiaru wartości niemal dowolnych wielkości - prądu, napięcia, temperatury, wilgotności, masy, prędkości obrotowej, stężenia niebezpiecznych gazów w powietrzu i wielu innych wielkości. Odpowiednio do aplikacji, konieczne jest prawidłowe dobranie czujnika, którego budowa umożliwia pomiar interesujących nas wielkości. Z tego powodu, czujniki mogą się względem siebie bardzo różnić również pod kątem zasady działania. W tym artykule przedstawiono przykładowe czujniki pomiarowe oraz ich praktyczne możliwości wykorzystania.
Czujniki czystości powietrza
W większości współcześnie stosowanych aplikacji do pomiaru parametrów jakościowych powietrza, można spotkać kilka różnych konstrukcji czujników pomiarowych. Jednym z najpopularniejszych rodzajów takich czujników są czujnikami elektrochemicznymi. Ich zasada działania polega na zachodzeniu reakcji chemicznych gazów z elektrodą czujnika, która jest umieszczona w cieczy. Rozróżnia się także czujniki rezystancyjne oraz półprzewodnikowe, w których substancje zawarte w powietrzu wchodzą w reakcję ze strukturą czujnika wykonaną z tlenków metali. Wskutek tych reakcji, rezystancja czujnika ulega zmianom odpowiednim do stężenia gazów wykrywanych przez czujnik. Nieco bardziej złożony w swojej konstrukcji i zasadzie działania, jest czujnik fotojonizacyjny, który wykonuje pomiar poprzez jonizację cząsteczek gazów, wskutek której przez obwód czujnika płynie prąd.
Uwaga, zbliżamy się do przeszkody – czujniki odbiciowe
Jednym z najbardziej popularnych rodzajów robotów, który jest szczególnie polecany na pierwszego robota, jest line-follower. Jest to robot, który porusza się zgodnie z torem ruchu wyznaczonym przez linie narysowane na powierzchni. Aby robot poruszał się prawidłowo, tj. zgodnie z przebiegiem linii i z omijaniem przeszkód, musi posiadać niezbędny zestaw czujników. Do takiej konstrukcji, najlepiej wykorzystać czujniki optyczne, które w najprostszym ujęciu są zbudowane z diody LED i fototranzystora. Kanał przewodzący fototranzystora jest podłączony do źródła napięcia poprzez rezystor, tak aby uzyskać prosty dzielnik napięcia dostarczający napięcie z przedziału 0V – 5V. Im mocniejsze światło z diody LED padające na złącze kolektor-baza fototranzystora, tym wyższa wartość prądu płynąca przez kanał przewodzący fototranzystora i w konsekwencji – wyższy spadek napięcia na rezystorze. Napięcie uzyskiwane w ten sposób na dzielniku, jest dostarczane do dalszej części systemu pomiarowego, tj. wejścia przetwornika analogowo-cyfrowego w mikrokontrolerze, lub wejścia cyfrowego z komparatorem, w którym możemy za pomocą potencjometru nastawić próg zmiany stanu logicznego. Wyjście stanu logicznego możemy połączyć z sygnalizatorem akustyczno-optycznym, tworząc w ten sposób proste urządzenie, które w przypadku wykrycia przeszkody w pobliżu, bezzwłocznie zasygnalizuje ten fakt i wyśle do mikrokontrolera sygnał wyzwalający zmianę toru jazdy – odpowiednio do kodu programu i specyfiki układu napędowo-jezdnego robota.
Czujniki Halla – wykrywanie pola magnetycznego i nie tylko
Czujnik Halla jest zbudowany z cienkich warstw półprzewodnikowych wykonanych z takich materiałów jak arsenek galu czy antymonek indu. Zasada działania czujnika Halla polega na umieszczeniu warstw półprzewodnikowych w polu magnetycznym. Strumień pola magnetycznego, który przechodzi przez powierzchnię półprzewodnika, wprawia w ruch elektrony, nośniki oraz dziury elektronowe, które następnie przemieszczają się na drugą stronę warstwy półprzewodnikowej. Wówczas pomiędzy obiema stronami płyty półprzewodnikowej powstaje różnica potencjałów. Strumień pola magnetycznego ma najwyższą wartość wtedy, kiedy przecina warstwę półprzewodnika pod kątem prostym. Uzyskana różnica potencjałów jest zwana napięciem Halla. Czujniki Halla mogą być wykorzystane w układach pomiaru natężenia prądu elektrycznego, w obrotomierzach, a także w silnikach benzynowych do napędu maszyn i pojazdów, jako czujniki położenia wału korbowego.