Sähkö ja anturit

Kaikki materiaalit koostuvat pienistä hiukkasista, joita kutsutaan atomeiksi. Atomit koostuvat vielä pienemmistä hiukkasista, joita kutsutaan protoneiksi, neutroneiksi ja elektroneiksi. Atomissa olevilla protoneilla on positiivinen varaus ja elektroneilla negatiivinen varaus. Nämä varaukset tasapainottavat toisiaan, jolloin atomin kokonaisvaraus on neutraali.

Sähkövirrat

Sähköisyys voi ilmetä elektronien tai varausten virtana. Elektronien tai varausten virtausta kutsutaan sähkövirraksi.

Sähkövirtapiirissä on koko sen matkalla irrallisia elektroneja. Kun piiriin syötetään sähköenergiaa, syntyy sähkökenttä, joka saa nämä piirin elektronit virtaamaan kerralla kuin putkessa tai letkussa virtaava vesi.

Sähköpiirit

Tekniset anturit perustuvat sähköpiireihin. Sähköpiirit koostuvat tietyistä sähkökomponenteista, virtalähteestä ja liitosjohdoista, ja ne voivat kytkeä tai muuttaa sähkövirtaa. Sähkövarausten virtausta piirissä ohjataan käytetyn materiaalin sähkönjohtavuudella, komponenteilla ja piirin suunnittelulla. Piiri voidaan suunnitella niin, että sähkövaraukset voivat virrata eri osissa eri määriä, jolloin piirin osilla voi olla erilaisia, mutta keskenään vuorovaikutuksessa olevia tehtäviä.

Elektroniikka on pienten komponenttien, kuten puolijohdekomponenttien, käyttöä sähköpiireissä sähkövarausten virtauksen ohjaamiseksi tai jonkin toiminnon suorittamiseksi. Tämä tapahtuu lisäämällä tai vähentämällä virtaa tai pysäyttämällä virtaus kokonaan. Useimmissa sähkölaitteissa käytetään elektroniikkaa – yksinkertaisesta kytkimestä, joka sytyttää valon, kun tulee pimeää, monimutkaiseen virtapiiriin, jolla on monta tehtävää, kuten pesukoneiden tai robottien sisältä löytyviin virtapiireihin.

Johtokyky

Kun sähkövaraukset kulkevat jonkin asian läpi, kutsumme tätä sähköjohtumiseksi. Ainetta, jonka läpi sähkövaraukset virtaavat, kutsutaan johtimeksi.

Erilaisilla materiaaleilla on erilainen sähkönjohtavuus. Sillä mitataan, kuinka helposti sähkövirta kulkee materiaalin läpi. Johtavuuden kääntöpuolena on resistiivisyys eli se, kuinka vaikeaa sähkövarauksen on liikkua materiaalin läpi.

Joidenkin materiaalien, kuten metallien, atomirakenteessa on löyhästi kiinnittyneitä elektroneja, joiden ansiosta sähkövaraukset kulkevat helposti, ja siksi ne ovat erittäin käyttökelpoisia johtimina, jotka yhdistävät virtapiirin eri komponentit. Kuparimetalli on esimerkki hyvästä johtimesta, ja sitä käytetään usein liitosjohtoina.

Aineita, jotka eivät salli sähkövarausten virtausta, kutsutaan eristeiksi. Esimerkiksi kumi, muovi ja ilma ovat huonoja johtimia, ja siksi ne ovat käyttökelpoisia eristeinä estämään sähkövarausten virtausta.

Muita hyvien johtimien ja eristeiden välimaastoon sijoittuvia materiaaleja, joilla on johtavia ominaisuuksia, kuten piitä, kutsutaan puolijohteiksi. Niiden sähkönjohtavuutta voidaan muuttaa sillä, minkälaisilla atomeilla niitä seostetaan epäpuhtauksilla. Puolijohdekomponentit, kuten diodit ja transistorit, voivat muuttaa kykyään johtaa varauksia tietyistä olosuhteista, kuten jännitteestä, riippuen. Tämä tekee puolijohteista käyttökelpoisia antureina ja kytkiminä, jotka reagoivat fysikaalisten olosuhteiden muutoksiin.

Esimerkiksi lämpöanturi, jota kutsutaan termistoriksi, muuttaa kykyään sallia sähkövarausten virtaus sen läpi lämpötilan mukaan. Sijoittamalla termistori sähköpiiriin voidaan virta kytkeä päälle tai pois piirin toisesta osasta, esimerkiksi kytkemällä lämmitin pois päältä, jos ilma kuumenee liikaa. Aivan kuten ihmisen ihossa olevat anturit lähettävät impulsseja aivoihin, joissa tieto analysoidaan ja tunnemme kuumaa tai kylmää, koneissa elektroniikkaa käytetään analysoimaan aistittavia fysikaalisia olosuhteita sähkövirran muutosten avulla.

Miten anturit toimivat?

Asensorit reagoivat muuttuviin fysikaalisiin olosuhteisiin muuttamalla sähköisiä ominaisuuksiaan. Näin ollen useimmat keinotekoiset anturit tukeutuvat sähköisiin järjestelmiin, jotka keräävät, analysoivat ja välittävät tietoa ympäristöstä. Nämä elektroniset järjestelmät tukeutuvat toimiessaan samoihin periaatteisiin kuin sähköpiirit, joten kyky hallita sähköenergian virtausta on erittäin tärkeä.

Yksikertaisesti sanottuna anturi muuntaa ärsykkeitä, kuten lämpöä, valoa, ääntä ja liikettä, sähköisiksi signaaleiksi. Nämä signaalit ohjataan liitännän läpi, joka muuntaa ne binäärikoodiksi ja välittää sen tietokoneelle käsiteltäväksi.

Monet anturit toimivat kytkiminä, jotka ohjaavat sähkövarausten virtausta piirin läpi. Kytkimet ovat tärkeä osa elektroniikkaa, sillä ne muuttavat piirin tilaa. Antureiden komponentit, kuten integroidut piirit (sirut), transistorit ja diodit, sisältävät kaikki puolijohdemateriaalia, ja ne sisältyvät anturipiireihin niin, että ne toimivat kytkiminä. Esimerkiksi transistori toimii käyttämällä pientä sähkövirtaa piirin yhdessä osassa kytkemään päälle suuren sähkövirran piirin toisessa osassa.

Aktiiviset ja passiiviset anturit

Useimmat anturit käyttävät säteilyä, kuten valoa tai laseria, infrapuna- tai radioaaltoja tai muita aaltoja, kuten ultraääniaaltoja, havaitakseen kohteita ja muutoksia ympäristössä. Ne voivat tehdä tämän, koska niiden sisällä on energialähde, jonka avulla ne voivat lähettää säteilyä kohti kohdekohdettaan. Tämä säteily heijastuu kohteesta takaisin ja anturi havaitsee sen – tätä kutsutaan aktiiviseksi anturiksi, esimerkiksi tutkan käytössä.

Passiiviset anturit eivät lähetä omaa säteilyään tai aaltojaan, vaan ne havaitsevat kohteensa kohteiden lähettämää säteilyä, kuten lämpöä tai lämpöinfrapunasäteilyä, tai ne havaitsevat jostain ulkoisesta lähteestä, kuten auringosta, tulevaa säteilyä, joka heijastuu kohteista. Esimerkkinä on termistori, jolla mitataan lämpötilaa sähköisesti.

Sensoreiden käyttämisen arvo on siinä, että ne eivät ole häiritseviä ja pystyvät aistimaan etäisyydeltä. Sekä aktiivisia että passiivisia antureita voidaan asentaa maapalloa kiertäviin satelliitteihin, joilla voidaan kerätä tietoa ympäristöstämme. Antureiden havaitsema säteily tai aallot tai muut fysikaaliset ilmiöt muunnetaan sähköisiksi signaaleiksi ja käsitellään tietokoneissa.

MARVIN-robotti on varustettu aktiivisilla antureilla, kuten infrapuna-antureilla, ultraääniantureilla ja laserantureilla. Laskurianturi, joka määrittää MARVINin kulkeman matkan, on passiivinen anturi.