Elektricitet og sensorer

Alle materialer består af små partikler, der kaldes atomer. Atomer består af endnu mindre partikler kaldet protoner, neutroner og elektroner. De protoner, der findes i et atom, har en positiv ladning, og elektronerne har en negativ ladning. Disse ladninger balancerer hinanden, hvilket giver atomet en samlet neutral ladning.

Elektriske strømme

Elektricitet kan manifestere sig som en strøm af elektroner eller ladninger. Strømmen af elektroner eller ladninger er kendt som elektrisk strøm.

Et elektrisk kredsløb vil have løst fastholdte elektroner langs hele sin vej. Når der tilføres elektrisk energi i kredsløbet, opstår der et elektrisk felt, som får disse elektroner i kredsløbet til at strømme på én gang, ligesom vand, der strømmer i et rør eller en slange.

Elektriske kredsløb

Kunstige sensorer er baseret på elektriske kredsløb. Elektriske kredsløb består af specifikke elektriske komponenter, en strømkilde og forbindelsesledninger, og de kan skifte eller ændre en elektrisk strøm. Strømmen af elektriske ladninger i et kredsløb styres af den elektriske ledningsevne i det anvendte materiale, komponenterne og kredsløbets udformning. Et kredsløb kan konstrueres, så forskellige mængder af elektriske ladninger kan strømme i forskellige dele af kredsløbet, så dele af kredsløbet kan have forskellige, men interagerende opgaver.

Elektronik er brugen af små komponenter som f.eks. halvlederkomponenter i elektriske kredsløb til at styre strømmen af elektriske ladninger eller udføre en funktion. Dette gøres ved at øge eller mindske strømmen eller ved helt at standse strømmen. De fleste elektriske apparater bruger elektronik – lige fra en simpel kontakt, der tænder et lys, når det bliver mørkt, til et komplekst kredsløb, der har mange opgaver at udføre, som f.eks. det, der findes i vaskemaskiner eller robotter.

Ledningsevne

Når elektriske ladninger strømmer gennem noget, kalder vi det elektrisk ledning. Det stof, som de elektriske ladninger strømmer igennem, kaldes en leder.

Differente materialer har forskellige elektriske ledningsevner. Dette er et mål for, hvor let det er for elektrisk strøm at passere gennem materialet. Det omvendte af ledningsevne er resistivitet – hvor svært det er for en elektrisk ladning at bevæge sig gennem et materiale.

Nogle materialer, f.eks. metaller, har løst fastholdte elektroner i deres atomstruktur, hvilket gør det let for elektriske ladninger at strømme og er derfor meget anvendelige som ledninger, der forbinder de forskellige komponenter i et kredsløb. Kobbermetal er et eksempel på en god leder og bruges ofte som forbindelsestråde.

Stoffer, der ikke tillader strømmen af elektriske ladninger, kaldes isolatorer. Gummi, plastik og luft er f.eks. dårlige ledere og er derfor nyttige som isolatorer for at blokere strømmen af elektriske ladninger.

Andre materialer med ledende egenskaber, der ligger mellem gode ledere og isolatorer, som f.eks. silicium, kaldes halvledere. Deres elektriske ledningsevne kan ændres ved hjælp af den type atomer, der anvendes til at dotere dem med urenheder. Halvlederkomponenter som f.eks. dioder og transistorer kan ændre deres evne til at lede ladninger afhængigt af visse forhold som f.eks. spænding. Dette gør halvledere nyttige som sensorer og kontakter, der reagerer på ændringer i fysiske forhold.

For eksempel ændrer en varmesensor, der kaldes en termistor, sin evne til at tillade strømmen af elektriske ladninger gennem den som reaktion på temperaturen. Ved at placere en termistor i et elektrisk kredsløb kan strømmen tændes eller slukkes i en anden del af kredsløbet, f.eks. ved at slukke for et varmelegeme, hvis luften bliver for varm. Ligesom sensorer i menneskets hud sender impulser til hjernen, hvor oplysningerne analyseres, og vi føler os varme eller kolde, bruges elektronikken i maskiner til at analysere de fysiske forhold, der registreres, gennem ændringer i den elektriske strøm.

Hvordan fungerer sensorer?

Sensorer reagerer på ændrede fysiske forhold ved at ændre deres elektriske egenskaber. De fleste kunstige sensorer er således afhængige af elektroniske systemer til at opsamle, analysere og videregive oplysninger om omgivelserne. Disse elektroniske systemer er afhængige af de samme principper som elektriske kredsløb for at fungere, så evnen til at styre strømmen af elektrisk energi er meget vigtig.

Simpelt sagt omdanner en sensor stimuli som f.eks. varme, lys, lyd og bevægelse til elektriske signaler. Disse signaler sendes gennem en grænseflade, der omdanner dem til en binær kode og sender den videre til en computer, som behandler den.

Mange sensorer fungerer som en afbryder og styrer strømmen af elektriske ladninger gennem kredsløbet. Afbrydere er en vigtig del af elektronikken, da de ændrer kredsløbets tilstand. Komponenter i sensorer såsom integrerede kredsløb (chips), transistorer og dioder indeholder alle halvledende materiale og indgår i sensorkredsløbene, så de fungerer som afbrydere. En transistor fungerer f.eks. ved at bruge en lille elektrisk strøm i en del af kredsløbet til at tænde for en stor elektrisk strøm i en anden del af kredsløbet.

Aktive og passive sensorer

De fleste sensorer bruger stråling som lys eller laser, infrarøde radiobølger eller andre bølger som f.eks. ultralydsbølger til at registrere objekter og ændringer i deres omgivelser. Det kan de gøre ved at have en energikilde indeni sig, som gør dem i stand til at udsende strålingen mod deres målobjekt. Denne stråling reflekteres tilbage af objektet og registreres af sensoren – dette kaldes en aktiv sensor, f.eks. ved brug af radar.

Passive sensorer udsender ikke deres egen stråling eller bølger – de registrerer stråling, der udsendes af deres målobjekter, f.eks. varme eller termisk infrarød stråling, eller de registrerer stråling fra en ekstern kilde som f.eks. solen, der reflekteres af objekterne. Et eksempel er en termistor til elektronisk temperaturmåling.

Værdien ved at bruge sensorer er, at de ikke er indgribende og kan registrere på afstand. Både aktive og passive sensorer kan monteres på satellitter i kredsløb om Jorden for at opsamle oplysninger om vores omgivelser. Den stråling eller de bølger eller andre fysiske fænomener, der registreres af sensorerne, omdannes til elektriske signaler og behandles af computere.

Robotten MARVIN er udstyret med aktive sensorer som f.eks. infrarøde sensorer, ultralydssensorer og lasersensorer. Den tællersensor, der bestemmer afstanden, som MARVIN bevæger sig, er en passiv sensor.